chapter 12: Sub bab 12.3 Class B Amplifier Circuit

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

1. Pendahuluan [Kembali]

Penguat kelas B merupakan salah satu jenis penguat daya yang banyak digunakan dalam aplikasi audio dan komunikasi karena efisiensinya yang relatif tinggi dibandingkan kelas A. Dalam penguat kelas B, masing-masing perangkat aktif (biasanya transistor) hanya bekerja selama setengah siklus dari bentuk gelombang input. Hal ini membuat penguat ini lebih hemat daya karena tidak ada arus statis yang besar mengalir saat tidak ada sinyal.

Namun, untuk menghasilkan sinyal keluaran yang utuh dari sinyal input AC, diperlukan dua perangkat aktif yang bekerja secara bergantian. Oleh karena itu, digunakan konfigurasi push–pull, di mana dua transistor menguatkan masing-masing setengah siklus dari sinyal input (positif dan negatif), lalu digabung kembali pada beban untuk menghasilkan sinyal penuh. Agar ini dapat dilakukan dengan benar, sinyal input harus dibagi menjadi dua sinyal yang berlawanan fasa (fase terbalik), yang dapat dicapai menggunakan transformator atau rangkaian pemisah fasa (phase splitter).

2. Tujuan [Kembali]

1. Memahami prinsip kerja penguat daya kelas B.

2. Menjelaskan konsep dasar konfigurasi push–pull dalam rangkaian penguat.

3. Mengidentifikasi fungsi transformator center-tap dalam membagi dan menggabungkan sinyal fasa.

4. Menganalisis aliran arus dan sinyal dalam rangkaian push–pull amplifier.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

A. ALAT

1.Ptoteus

Proteus adalah software simulasi dan desain rangkaian elektronik yang digunakan untuk membuat, menguji, dan memvisualisasikan rangkaian.

B. BAHAN

1. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

2. DC Voltage

Komponen yang menyediakan tegangan tetap antara dua terminal: terminal positif (+) dan terminal negatif (–). Sumber ini digunakan untuk memberikan energi listrik ke rangkaian, dan nilainya bisa berupa tegangan tetap (seperti baterai 5V atau 12V) atau variabel, tergantung konfigurasi rangkaian.

3. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

4. Resistor

Fungsi utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus) resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika.

Cara Menghitung Nilai Resistor

5. Op Amp

Op-amp (operational amplifier) adalah komponen elektronik aktif yang berfungsi untuk memperkuat perbedaan tegangan antara dua inputnya (input inverting dan non-inverting).

6. Transformator

komponen trafo yang digunakan untuk mensimulasikan proses perubahan tegangan listrik dalam sebuah rangkaian elektronik.

7.Transistors.

Transistor adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai saklar atau penguat sinyal. Transistor memiliki tiga kaki: basis (B), kolektor (C), dan emitor (E). Dengan mengatur arus kecil di basis, transistor bisa mengendalikan arus yang lebih besar antara kolektor dan emitor.

4. Dasar Teori [Kembali]

Penguat daya (power amplifier) adalah rangkaian elektronika yang digunakan untuk memperkuat sinyal agar mampu menggerakkan beban dengan daya besar, seperti speaker atau antena pemancar. Berdasarkan cara kerjanya, penguat daya diklasifikasikan dalam beberapa kelas, salah satunya adalah penguat kelas B (Class B amplifier).

Penguat kelas B bekerja dengan prinsip bahwa setiap elemen aktif (biasanya transistor) hanya menghantarkan selama 180° (setengah siklus) dari sinyal input. Untuk memperoleh penguatan penuh (360°), digunakan dua transistor yang masing-masing bertugas menguatkan setengah siklus sinyal secara bergantian: satu untuk siklus positif dan satu untuk siklus negatif.

Agar kedua transistor dapat bekerja secara bergantian, sinyal input harus dibagi menjadi dua sinyal berlawanan fasa (180°). Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan:

Transformator dengan titik tengah (center-tap) pada lilitan primer, yang secara alami menghasilkan dua sinyal output berlawanan fasa.
Rangkaian pembalik fasa aktif seperti op-amp atau transistor.

Konfigurasi ini dikenal sebagai push–pull, karena satu transistor "mendorong" arus saat sinyal positif, sementara yang lain "menarik" arus saat sinyal negatif. Output dari kedua transistor digabungkan kembali melalui transformator output untuk menghasilkan sinyal penuh yang simetris.

Penguat kelas B dikenal karena efisiensinya yang tinggi, dengan nilai teoritis maksimum sekitar 78,5%, jauh lebih tinggi dibandingkan penguat kelas A. Namun, kekurangan utama dari penguat kelas B adalah munculnya distorsi crossover, yaitu distorsi kecil yang terjadi saat peralihan dari satu transistor ke transistor lain di sekitar titik nol sinyal. Untuk mengatasi hal ini, sering digunakan konfigurasi kelas AB yang memberikan bias kecil agar transistor sedikit menghantarkan di sekitar titik nol.

5. Prinsip Kerja [Kembali]

Push-pull circuit adalah konfigurasi rangkaian elektronika yang menggunakan dua elemen aktif (seperti transistor) untuk bekerja secara bergantian, masing-masing menangani satu setengah siklus dari sinyal input AC:

“Push”: satu transistor mengalirkan arus ke beban saat setengah siklus pertama (biasanya positif).
“Pull”: transistor lainnya menarik arus dari beban ke ground saat setengah siklus berikutnya (biasanya negatif).

1. Rangkaian Dasar:

Terdiri dari dua transistor komplementer (misalnya NPN dan PNP untuk BJT).
Sinyal input AC diberikan ke basis kedua transistor melalui pembagi sinyal (biasanya transformer center-tap atau driver tahap awal).

Output diambil dari titik gabungan kolektor-emitor transistor ke beban.

2. Siklus Positif (Half-Cycle):

Transistor atas (misalnya NPN) aktif.

Mengalirkan arus dari suplai (+Vcc) ke beban.

Transistor bawah (PNP) nonaktif.

3. Siklus Negatif (Half-Cycle):

Transistor bawah (PNP) aktif.

Menarik arus dari beban ke ground.

Transistor atas (NPN) nonaktif.

4. Hasil Akhir:

Beban menerima sinyal penuh (positif dan negatif) dari dua transistor yang bekerja bergantian.

Daya disuplai hanya saat ada sinyal input

6. Ringkasan [Kembali]

Class B amplifier merupakan jenis penguat daya yang menggunakan dua transistor yang bekerja secara bergantian (push-pull). Masing-masing transistor hanya menguatkan setengah siklus dari sinyal input (positif atau negatif). Keunggulan Class B adalah efisiensi daya yang lebih tinggi dibandingkan Class A (~78.5%), tetapi memiliki kekurangan berupa distorsi crossover akibat perpindahan antara transistor. Biasanya digunakan dalam aplikasi audio dan pemancar RF.Push-pull circuit adalah konfigurasi utama pada amplifier kelas B, di mana dua transistor (biasanya tipe NPN dan PNP) bekerja secara bergantian: satu transistor menguatkan sinyal setengah siklus positif, dan yang lainnya setengah siklus negatif. Konfigurasi ini mengurangi pemborosan daya (lebih efisien dari Class A) dan mampu menghasilkan daya output yang lebih besar. Namun, kekurangan utamanya adalah distorsi crossover yang muncul di sekitar titik nol sinyal karena kedua transistor tidak aktif bersamaan. Push-pull banyak digunakan dalam penguat audio, daya tinggi, dan aplikasi speaker.

Push-pull circuit adalah konfigurasi utama dalam amplifier kelas B yang menggunakan dua transistor (biasanya NPN dan PNP) untuk menguatkan sinyal secara bergantian. Satu transistor aktif untuk setengah siklus positif sinyal, sedangkan yang lain aktif untuk setengah siklus negatif. Konfigurasi ini meningkatkan efisiensi (hingga 78.5%) dan cocok untuk aplikasi audio dan penguat daya. Namun, karena tidak ada arus basis di sekitar titik nol, dapat terjadi distorsi crossover yang menyebabkan sinyal output tidak mulus. Distorsi ini dapat dikurangi dengan memberi sedikit bias ke transistor (konversi ke kelas AB).

7. Soal Latihan [Kembali]

A. Example

1. Diketahui: Rangkaian push-pull dengan pasang Darlington NPN dan PNP digunakan untuk menguatkan sinyal audio sinusoidal.

Parameter:

· VCC1= +20 V, VCC2 = –20 V

· RE (masing-masing) = 1 Ω

· Beban speaker = 8 Ω

· Output sinusoidal dengan puncak ±12 V

Pertanyaan:

a) Hitung arus puncak yang mengalir ke beban.

b) Hitung daya rata-rata yang diterima oleh speaker.

c) Hitung disipasi daya pada masing-masing transistor Darlington saat sinyal output mencapai puncaknya.

Jawab:

a) Hitung arus puncak yang mengalir ke beban.

Tegangan output puncak = 12 V Beban = 8 Ω

c) Tegangan kolektor-emitor:

Maka daya yang hilang di transistor atas:

transistor bawah akan mengalami kondisi serupa saat output = –12 V

2. Hitung daya input maksimum, daya output maksimum, tegangan output untuk operasi daya maksimum, dan daya yang didisipasi transistor output.

Jawab:

-Daya input maksimum (DC):

- Daya output maksimum (AC):

Po(ac) = VCC22RL = (25)22⋅4 = 78.125 W

-Efisiensi maksimum:

η=P_o/P_i ×100%=78.125/99.47×100%=▭(78.54%)

- Untuk mencapai daya output maksimum, tegangan output puncak harus sebesar:

-Maka, daya yang didisipasi oleh transistor output (dua transistor):

3. Tentukan daya maksimum yang didisipasi oleh transistor output dan tegangan input saat kondisi ini terjadi.

Jawab:

-Daya maksimum yang didisipasi oleh kedua transistor output:

-Daya maksimum ini terjadi saat:

B. Problem

1. Jika sebuah amplifier push-pull kelas B yang dirancang untuk beban 8 Ω tiba-tiba dihubungkan ke speaker 4 Ω, apa yang akan terjadi terhadap arus output, daya yang dihantarkan, dan kinerja termal transistor? Jelaskan dampaknya terhadap kestabilan sistem.

Jawaban:

- Arus output akan meningkat karena I = V/RI = V/R, dan R menurun. -Daya output ke beban meningkat karena P = V^2/RP = V^2/R, namun bisa melebihi batas rancangan.

- Transistor akan bekerja lebih keras dan mengalami peningkatan dissipasi daya → berisiko overheating. -Sistem bisa menjadi tidak stabil atau transistor mengalami kerusakan permanen jika tidak dilengkapi sistem pendinginan atau proteksi.

2. Jika dalam suatu rangkaian push-pull kelas B, transistor Q1 bertugas untuk siklus positif dan Q2 untuk siklus negatif, namun sinyal output menunjukkan adanya kliping hanya pada bagian positif sinyal, apa yang mungkin terjadi? Analisis kemungkinan kerusakan, efek terhadap sinyal output, dan bagaimana solusi perbaikannya.

Jawaban:

- Kemungkinan kerusakan: Q1 (transistor siklus positif) mengalami kegagalan (rusak atau tidak bias dengan benar).

- Efek sinyal output: Hanya setengah siklus negatif yang muncul → output mengalami kliping pada setengah siklus positif → menghasilkan distorsi berat.

- Solusi: Cek biasing Q1, pastikan tegangan Vbe-nya tepat (~0.6–0.7 V untuk BJT), atau ganti transistor jika rusak.

3. Jika amplifier push-pull kelas B yang didesain untuk beban 8 Ω dihubungkan ke speaker 2 Ω, bagaimana pengaruhnya terhadap: (a) arus output, (b) efisiensi termal, dan (c) risiko terhadap transistor? Jelaskan secara kuantitatif dan kualitatif.

Jawaban:

(a) Arus output meningkat drastis → I = V/RI = V/R, dengan R turun → arus naik 4 kali jika tegangan tetap.

(b) Efisiensi menurun, karena lebih banyak daya hilang dalam bentuk panas pada transistor, terutama jika tidak didesain untuk arus tinggi.

(c) Risiko kerusakan meningkat: arus kolektor bisa melampaui batas transistor → overheat → thermal runaway → kerusakan permanen.

C.Pilihan Ganda

1. Dalam konfigurasi push-pull amplifier kelas B, manakah pernyataan yang paling tepat?

A. Kedua transistor bekerja dalam mode saturasi penuh sepanjang siklus

B. Transistor aktif hanya saat sinyal melebihi tegangan ambang tertentu

C. Distorsi crossover hanya terjadi saat sinyal berfrekuensi tinggi

D. Arus output mengalir bolak-balik antara dua transistor bergantian

Jawaban: B, D

2. Jika amplifier push-pull kelas B menghasilkan distorsi crossover, solusi yang paling praktis adalah:

A. Menambahkan kapasitor di kolektor
B. Mengatur suhu kerja transistor
C. Memberikan tegangan bias kecil ke basis
D. Mengganti transistor dengan jenis MOSFET

Jawaban: C

3. Keunggulan konfigurasi push-pull dibanding konfigurasi single-ended dalam amplifier daya adalah:

A. Dapat menghilangkan komponen harmonik genap
B. Memungkinkan efisiensi di atas 90% tanpa distorsi
C. Menghasilkan output simetris dengan penggunaan daya lebih efisien
D. Menghilangkan kebutuhan catu daya ganda

Jawaban: A, C

8. Percobaan [Kembali]

a) Prosedur Percobaan.

Untuk membuat rangkaian ini, pertama, siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, di ambil dari library proteus
Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi dimana alat dan bahan terletak.
Tepatkan posisi letak nya dengan gambar rangkaian
Selanjutnya, hubungkan semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh
Lalu mencoba menjalankan rangkaian , jika tidak terjadi error, maka rangkaian akan berfungsi yang berarti rangkaian bekerja.

b) Rangkaian

- Rangkaian 12.15