Kelas penguat daya

Dalam elektronik, Amplifier adalah perangkat sirkuit yang paling umum digunakan dengan kemungkinan aplikasi yang sangat besar. Dalam elektronik terkait Audio pre-amplifier dan power amplifier adalah dua jenis sistem amplifier yang digunakan untuk tujuan terkait amplifikasi suara. Tapi, selain tujuan khusus aplikasi ini, ada perbedaan besar dalam berbagai jenis amplifier, terutama di Power Amplifier. Jadi di sini kita akan menjelajahi berbagai kelas penguat beserta kelebihan dan kekurangannya.

Klasifikasi Amplifier menggunakan Huruf

Kelas penguat adalah identitas kinerja dan karakteristik penguat. Jenis penguat daya yang berbeda memberikan respons yang berbeda ketika melewati arus yang melewatinya. Menurut spesifikasinya, Amplifier diberi huruf atau abjad berbeda yang mewakili kelasnya. Ada berbagai kelas penguat mulai dari A, B, C, AB, D, E, F, T dll. Dari kelas-kelas tersebut kelas penguat audio yang paling umum digunakan adalah A, B, AB, C. Kelas lainnya adalah penguat modern yang menggunakan topologi switching dan teknik PWM (Pulse Width Modulation) untuk menggerakkan beban keluaran. Kadang-kadang, versi perbaikan dari kelas tradisional diberi surat untuk mengklasifikasikannya sebagai kelas penguat yang berbeda, seperti penguat kelas G adalah kelas Penguat yang dimodifikasi dari penguat Kelas B atau Penguat Kelas AB.

Kelas penguat mewakili proporsi siklus input ketika arus dilewatkan melalui penguat. Siklus masukan adalah sudut konduksi yang berasal dari konduksi gelombang sinusoidal pada masukan penguat. Sudut konduksi ini sangat proporsional dengan Amplifier tepat waktu selama siklus penuh. Jika amplifier selalu ON selama suatu siklus, sudut konduksi akan menjadi 360 derajat. Jadi, jika penguat memberikan sudut konduksi 360 derajat, maka penguat menggunakan sinyal input lengkap dan elemen aktif dilakukan melalui periode waktu 100% dari siklus sinusoidal lengkap.

Di bawah ini, kami akan mendemonstrasikan kelas penguat daya tradisional mulai dari Kelas A, B, AB dan C, dan juga mendemonstrasikan penguat Kelas D yang banyak digunakan dalam desain switching. Kelas-kelas ini tidak hanya digunakan di Power Amplifier tetapi juga digunakan di sirkuit Audio Amplifier.

Penguat Kelas A.

Penguat Kelas A adalah penguat gain tinggi dengan linieritas tinggi. Dalam kasus penguat Kelas A, sudut konduksi adalah 360 derajat. Seperti yang kami nyatakan di atas, sudut konduksi 360 derajat berarti perangkat amplifier tetap aktif sepanjang waktu dan menggunakan sinyal input lengkap. Pada gambar di bawah ini penguat kelas A yang ideal ditampilkan.

Seperti yang bisa kita lihat pada gambar, ada satu elemen aktif, transistor. Bias transistor tetap ON sepanjang waktu. Karena fitur jangan pernah mematikan ini, amplifier Kelas A memberikan frekuensi tinggi dan stabilitas loop umpan balik yang lebih baik. Selain keunggulan ini, amplifier Kelas A mudah dibuat dengan komponen perangkat tunggal dan jumlah bagian minimum.

Meski memiliki kelebihan dan linieritas yang tinggi, tentunya memiliki banyak keterbatasan. Karena sifat konduksi terus menerus, penguat kelas A memperkenalkan rugi daya yang tinggi. Juga, karena linieritas tinggi, amplifier Kelas A menghasilkan distorsi dan noise. Catu daya dan konstruksi bias membutuhkan pemilihan komponen yang cermat untuk menghindari kebisingan yang tidak diinginkan dan untuk meminimalkan distorsi.

Karena kehilangan daya yang tinggi pada penguat Kelas A, penguat memancarkan panas dan membutuhkan ruang heat sink yang lebih tinggi. Efisiensi sangat buruk pada amplifier Kelas A, secara teoritis efisiensi bervariasi antara 25 hingga 30% jika digunakan dengan konfigurasi biasa. Efisiensi dapat ditingkatkan dengan menggunakan konfigurasi yang digabungkan secara induktif tetapi efisiensi dalam kasus seperti itu tidak lebih dari 45-50%, sehingga hanya cocok untuk tujuan penguatan sinyal rendah atau tingkat daya rendah.

Penguat Kelas B.

Penguat Kelas B sedikit berbeda dari Penguat Kelas A. Ini dibuat dengan menggunakan dua perangkat aktif yang melakukan setengah dari siklus sebenarnya, yaitu 180 derajat dari siklus. Dua perangkat menyediakan penggerak arus gabungan untuk beban.

Pada gambar di atas, konfigurasi amplifier Kelas B Ideal telah ditunjukkan. Ini terdiri dari dua perangkat aktif yang bias satu per satu selama setengah siklus positif dan negatif dari gelombang sinusoidal dan dengan demikian sinyal didorong atau ditarik ke tingkat yang diperkuat dari sisi positif dan negatif dan menggabungkan hasil yang kita dapatkan siklus lengkap di seluruh output. Setiap perangkat dihidupkan atau menjadi aktif setengah siklus, dan karena ini efisiensi ditingkatkan, dibandingkan dengan efisiensi penguat Kelas A 25-30%, ini memberikan efisiensi lebih dari 60% secara teoritis. Kita dapat melihat grafik sinyal input dan output masing-masing perangkat pada gambar di bawah ini. Efisiensi tidak lebih dari 78% untuk Kelas B penguat . Disipasi panas diminimalkan di kelas ini dengan menyediakan ruang heat sink yang rendah.

Namun, kelas ini juga memiliki keterbatasan. Batasan yang sangat besar dari kelas ini adalah distorsi crossover. Karena dua perangkat menyediakan setiap setengah dari gelombang sinusoidal yang digabungkan dan disambungkan ke output, ada ketidakcocokan (cross over) di wilayah, di mana dua bagian digabungkan. Ini karena ketika satu perangkat menyelesaikan setengah siklus, perangkat lain perlu memberikan daya yang sama hampir pada saat yang sama ketika perangkat lain menyelesaikan pekerjaan tersebut. Sulit untuk memperbaiki kesalahan ini pada amplifier kelas A karena selama perangkat aktif perangkat lain tetap sama sekali tidak aktif. Kesalahan ini menyebabkan distorsi pada sinyal keluaran. Karena keterbatasan ini, ini adalah kegagalan besar untuk aplikasi penguat audio presisi.

Penguat Kelas AB

Sebuah pendekatan alternatif untuk mengatasi cross-over distorsi, adalah dengan menggunakan amplifier AB. Penguat Kelas AB menggunakan sudut konduksi menengah dari Kelas A dan B, sehingga kita dapat melihat properti penguat Kelas A dan Kelas B dalam topologi penguat kelas AB ini. Sama seperti kelas B, ia memiliki konfigurasi yang sama dengan dua perangkat aktif yang bekerja selama setengah siklus secara individual tetapi masing-masing perangkat memiliki bias yang berbeda sehingga tidak sepenuhnya OFF selama momen yang tidak dapat digunakan (momen saling silang). Setiap perangkat tidak meninggalkan konduksi segera setelah menyelesaikan setengah dari bentuk gelombang sinusoidal, melainkan mereka melakukan sejumlah kecil input pada setengah siklus lainnya. Dengan menggunakan teknik bias ini, ketidakcocokan persilangan selama zona mati secara dramatis berkurang.

Namun dalam konfigurasi ini, efisiensi berkurang karena linieritas perangkat dikompromikan. Efisiensi tetap lebih dari efisiensi penguat Kelas A biasa tetapi kurang dari sistem penguat Kelas B. Selain itu, dioda harus dipilih dengan hati-hati dengan peringkat yang sama persis dan harus ditempatkan sedekat mungkin dengan perangkat keluaran. Dalam beberapa konstruksi sirkuit, desainer cenderung menambahkan resistor bernilai kecil untuk memberikan arus diam yang stabil di seluruh perangkat untuk meminimalkan distorsi pada output.

Penguat Kelas C.

Terlepas dari penguat Kelas A, B, dan AB, ada penguat lain Kelas C. Ini adalah penguat tradisional yang bekerja secara berbeda dari kelas penguat lainnya. Penguat Kelas C adalah penguat disetel yang bekerja dalam dua mode operasi yang berbeda, disetel atau tidak disetel. Efisiensi penguat Kelas C jauh lebih banyak daripada penguat A, B, dan AB. Efisiensi maksimum 80% dapat dicapai dalam operasi terkait frekuensi radio

Penguat Kelas C menggunakan sudut konduksi kurang dari 180 derajat. Selama mode tidak disetel, bagian tuner dihilangkan dari konfigurasi amplifier. Dalam operasi ini, penguat Kelas C juga memberikan distorsi besar di seluruh keluaran.

Ketika rangkaian terkena beban yang disetel, rangkaian menjepit tingkat bias keluaran dengan tegangan keluaran rata-rata sama dengan tegangan suplai. Operasi yang disetel disebut penjepit. Selama operasi ini, sinyal mendapatkan bentuk yang sesuai dan frekuensi pusat menjadi tidak terlalu terdistorsi.

Dalam penggunaan tipikal, penguat Kelas C memberikan efisiensi 60-70%.

Penguat Kelas D.

Penguat Kelas D merupakan penguat switching yang menggunakan Pulse Width Modulation atau PWM. Sudut konduksi bukan merupakan faktor dalam kasus seperti sinyal input langsung diubah dengan lebar pulsa variabel.

Dalam sistem penguat Kelas D ini, penguatan linier tidak diterima karena bekerja seperti sakelar biasa yang hanya memiliki dua operasi, ON atau OFF.

Sebelum memproses sinyal input, sinyal analog diubah menjadi aliran pulsa dengan berbagai teknik modulasi dan kemudian diterapkan pada sistem penguat. Karena durasi pulsa terkait dengan sinyal analog, maka pulsa tersebut direkonstruksi kembali menggunakan filter low pass melintasi output.

Penguat kelas D merupakan kelas penguat hemat daya tertinggi di segmen A, B, AB, dan C dan D. Ini memiliki pembuangan panas yang lebih kecil, sehingga dibutuhkan heatsink yang kecil. Sirkuit membutuhkan berbagai komponen switching seperti MOSFET yang memiliki resistansi rendah.

Ini adalah topologi yang banyak digunakan dalam pemutar audio digital atau juga mengendalikan motor. Tetapi kita harus ingat bahwa Ini bukan konverter digital. Meskipun, untuk frekuensi yang lebih tinggi, amplifier Kelas D bukanlah pilihan yang sempurna karena memiliki batasan bandwidth dalam beberapa kasus tergantung pada kemampuan modul low pass filter dan converter.

Kelas Amplifier Lainnya

Selain Penguat Tradisional, ada beberapa kelas lagi, yaitu kelas E, Kelas F, Kelas G, dan H.

Penguat Kelas E adalah penguat daya yang sangat efisien yang menggunakan topologi switching dan bekerja pada frekuensi radio. Elemen switching kutub tunggal dan jaringan reaktif yang disetel adalah komponen utama yang digunakan dengan amplifier kelas E.

Kelas F adalah penguat impedansi tinggi sehubungan dengan harmonisa. Ini dapat digerakkan menggunakan gelombang persegi atau gelombang sinus. Untuk input gelombang sinusoidal, penguat ini dapat disetel menggunakan induktor dan dapat digunakan untuk meningkatkan penguatan.

Kelas G menggunakan peralihan rel untuk mengurangi konsumsi daya dan meningkatkan kinerja efisiensi. Dan Kelas H adalah versi Kelas G.

Kelas tambahan adalah penguat tujuan khusus. Dalam beberapa kasus, surat-surat tersebut disediakan oleh pabrikan untuk menandakan desain milik mereka. Salah satu contoh terbaik adalah penguat Kelas T yang merupakan merek dagang untuk jenis penguat switching Kelas D khusus, digunakan untuk teknologi penguat Tripath yang merupakan desain yang dipatenkan.