12.31 - Quasi-Complementary Push–Pull Amplifier

 

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Example

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Link Download

1. Pendahuluan[Kembali]

    Penguat daya (power amplifier) merupakan bagian penting dalam sistem elektronik audio, terutama pada tahap akhir (output stage) yang bertugas memperbesar daya sinyal agar mampu menggerakkan beban seperti speaker. Salah satu konfigurasi penguat daya yang umum digunakan adalah push–pull amplifier, yang menggunakan dua transistor aktif untuk memperkuat sinyal secara bergantian pada siklus positif dan negatifnya, sehingga meningkatkan efisiensi dan mengurangi distorsi harmonik.

Namun, dalam beberapa kasus, penggunaan sepasang transistor komplementer sempurna (NPN dan PNP dengan karakteristik simetris) tidak selalu memungkinkan, terutama karena keterbatasan biaya atau kesulitan dalam mendapatkan transistor PNP dengan performa tinggi yang sebanding dengan transistor NPN. Untuk mengatasi kendala ini, dikembangkan konfigurasi yang disebut Quasi-Complementary Push–Pull Amplifier.

Quasi-complementary amplifier memanfaatkan dua transistor NPN (atau dua jenis dominan lainnya) dan mengkombinasikannya dengan konfigurasi Darlington atau konfigurasi khusus lainnya untuk meniru perilaku pasangan komplementer. Meskipun struktur ini sedikit lebih kompleks, pendekatan ini menawarkan beberapa keunggulan seperti ketersediaan komponen yang lebih luas, kestabilan termal yang lebih baik, dan kinerja daya yang tetap tinggi.

Pendekatan quasi-complementary menjadi solusi menarik dalam desain penguat audio kelas AB karena mampu menyeimbangkan antara efisiensi, linearitas, dan ketersediaan komponen, khususnya saat komponen PNP dengan spesifikasi tinggi sulit diperoleh. Studi tentang konfigurasi ini penting untuk memahami bagaimana optimalisasi desain dapat dilakukan tanpa mengorbankan kualitas sinyal output secara signifikan.

2. Tujuan[Kembali]

1. Memahami prinsip kerja dari konfigurasi quasi-complementary push–pull amplifier, termasuk bagaimana rangkaian tersebut mereplikasi kinerja pasangan transistor komplementer dengan menggunakan transistor sejenis (umumnya NPN).

2. Menganalisis keunggulan dan kelemahan konfigurasi quasi-complementary dibandingkan dengan konfigurasi push–pull konvensional yang menggunakan transistor komplementer sempurna.

3. Menjelaskan peran masing-masing komponen dalam rangkaian quasi-complementary, khususnya dalam meningkatkan efisiensi dan linearitas penguatan sinyal audio.

4. Mendemonstrasikan karakteristik output dari amplifier ini melalui simulasi atau perhitungan, seperti daya output, efisiensi, dan distorsi sinyal.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

• Sumber Sinyal (V1)
  Sumber sinyal digunakan untuk memberikan input berupa gelombang sinusoidal AC dengan frekuensi 1 kHz dan amplitudo 2 V peak-to-peak. Sinyal ini mewakili input audio yang akan diperkuat oleh rangkaian.

• Kapasitor Kopling (C1 dan C2)
  Kapasitor C1 dan C2 masing-masing memiliki nilai 10 µF dan berfungsi sebagai kapasitor kopling (coupling capacitor). Tujuan utamanya adalah mengalirkan sinyal AC ke bagian dasar transistor Q1 dan Q2 sambil memblokir arus DC. Ini penting agar tegangan DC dari input tidak memengaruhi titik kerja transistor.

• Resistor Pembagi Tegangan (R1 dan R3)
  Resistor R1 dan R3 masing-masing bernilai 680 Ω. Keduanya berperan dalam membagi tegangan sinyal input dan mengatur level sinyal yang masuk ke basis transistor, sekaligus berfungsi sebagai pembatas arus ke basis.

• Dioda Bias (D1)
  D1 adalah dioda silikon biasa yang digunakan untuk memberikan tegangan bias antara basis kedua transistor Q1 dan Q2. Tegangan bias ini penting untuk memastikan transistor bekerja dalam kondisi aktif secara langsung tanpa menimbulkan crossover distortion, yaitu distorsi yang terjadi ketika kedua transistor tidak menghantarkan saat sinyal berada di sekitar nol volt.

• Resistor Bias (R2)
  Resistor R2 sebesar 1 Ω berfungsi untuk membatasi arus yang melewati dioda D1, serta membantu menstabilkan tegangan bias yang diberikan ke transistor.

• Transistor NPN (Q1 - 2N2222 dan Q2 - 2N3055)

• 

• Q1 adalah transistor kecil NPN tipe 2N2222 yang berfungsi sebagai driver untuk transistor Q2. Q2 adalah transistor daya NPN tipe 2N3055 yang bertugas memperkuat sinyal ke level daya tinggi agar mampu menggerakkan beban. Kombinasi Q1 dan Q2 inilah yang membentuk konfigurasi quasi-complementary, menggantikan pasangan NPN–PNP dalam rangkaian push–pull konvensional. Konfigurasi ini lebih ekonomis dan lebih mudah diimplementasikan karena transistor NPN umumnya memiliki karakteristik yang lebih baik dibandingkan PNP untuk aplikasi daya.

• Resistor Emitor (R4 dan R5)
  Resistor ini masing-masing memiliki nilai 1 Ω dan diletakkan di emitor transistor Q1 dan Q2. Fungsinya adalah untuk menstabilkan arus yang mengalir melalui masing-masing transistor, mencegah runaway termal (kenaikan arus akibat panas), serta memperbaiki linearitas output.

• Beban Output (RL)
  RL merupakan resistor beban dengan nilai 8 Ω, yang mensimulasikan sebuah speaker atau perangkat audio lain. Beban ini menerima sinyal output yang telah diperkuat oleh transistor daya dan menjadi indikator performa keseluruhan rangkaian.

• Catu Daya (BAT1 dan BAT2)
  Rangkaian menggunakan dua sumber tegangan terpisah. BAT1 sebesar +9V digunakan untuk menghidupkan tahap awal (driver), sedangkan BAT2 sebesar +22V digunakan untuk memberi daya pada tahap akhir (output). Catu daya simetris ini memungkinkan penguatan sinyal AC penuh dari sisi positif hingga negatif tanpa distorsi pemotongan (clipping).

• Probe Osiloskop (RL1)
  RL1 merupakan titik pengukuran yang terhubung ke osiloskop (atau virtual oscilloscope dalam simulasi) untuk mengamati bentuk gelombang output. Pengamatan ini berguna untuk menilai performa penguatan sinyal, distorsi, serta kestabilan dari output amplifier.

5. Example[Kembali]

Example 1

6. Problem[Kembali]

Sebuah rangkaian Quasi-Complementary Push–Pull Amplifier memiliki konfigurasi seperti berikut:

• Tegangan catu daya: ±15 V

• Beban RL = 8 Ω

• Transistor bagian atas: Q1 = NPN 2N2222

• Transistor bagian bawah: Q2 = NPN daya 2N3055

• Tegangan input (Vin): sinyal sinus 2 V peak-to-peak (1 Vp) pada frekuensi 1 kHz

• Tegangan bias antar basis transistor diberikan menggunakan satu dioda silikon (0,7 V forward)

Pertanyaan:

1. Hitung arus maksimum yang mungkin mengalir ke beban saat sinyal output mencapai puncaknya.

2. Berapa daya output maksimum (Pout maks) yang diberikan ke beban RL?

3. Hitung efisiensi teoritis maksimum dari amplifier ini pada sinyal sinusoidal penuh

Jawab :

1. Arus Maksimum ke Beban

Arus maksimum terjadi saat output berada pada puncak tegangan maksimum (Vout peak).

$$I_{\text{max}} = \frac{V_{\text{out peak}}}{R_L} = \frac{15 \, \text{V}}{8 \, \Omega} = 1{,}875 \, \text{A}$$

2. Daya Output Maksimum

Untuk sinyal sinusoidal:

$$P_{\text{out maks}} = \frac{(V_{\text{peak}})^2}{2 \cdot R_L} = \frac{(15)^2}{2 \cdot 8} = \frac{225}{16} = 14{,}06 \, \text{W}$$

3. Efisiensi Teoritis Maksimum

Efisiensi maksimum dari amplifier kelas AB adalah:

$$\eta_{\text{max}} = \frac{\pi}{4} \cdot 100\% \approx 78{,}5\%$$

8. Percobaan[Kembali]

9. Link Download[Kembali]

Download file rangkaian klik disini

[DISINI]

Download Datasheet Resistor klik disini

Download Datasheet Transistor klik disini