MENGENAL PENGUAT AUDIO KELAS D

Category: Listrik & Elektronika

Published Date Written by Nurhadi Budi Santosa

MENGENAL PENGUAT AUDIO KELAS D

Nurhadi Budi Santosa, M.Pd.

Widyaiswara PPPPTK BOE Malang

Abstrak

Tujuan dibuatnya penguat audio adalah untuk mereproduksi ulang sinyal audio masukan ke level volume tertentu sesuai keinginan dengan tingkat fidelitas yang tinggi. Penguat audio yang baik harus mempunyai tanggapan frekuensi antara 20 Hz – 20 KHz.

Penguat audio kelas D pertama kali dikenalkan pada tahun 1958, dan telah menjadi semakin populer dalam beberapa tahun terakhir. Penguat Audio kelas D pada dasarnya adalah switching-amplifier atau Pulse Width Modulation-Amplifier.

Penguat audio kelas D memiliki efisiensi yang jauh lebih baik dibandingkan penguat-penguat audio pendahulunya seperti penguat kelas A, kelas B dan kelas AB. Saat ini penguat audio kelas D mempunyai efisiensi 90% saat dibebani speaker. Sementara secara teoritis penguat audio Kelas D mempunyai efisiensi ideal 100%.

Penguat audio kelas A akan menguatkan seluruh siklus sinyal masukan. Penguat kelas B hanya menguatkan setengah siklus sinusoida sinyal masukan. Penguat audio kelas AB menguatkan sinyal lebih dari setengah siklus baik positif maupun negatif.

Penguat audio kelas D adalah sebuah amplifier switching atau PWM. Sinyal audio masukan digunakan untuk memodulasi sinyal pembawa PWM yang mendorong penguat akhir. Sebelum diumpankan ke speaker terlebih dahulu dilewatkan Low Pass Filter (LPF).

Kata Kunci : switching-amplifier, Pulse Width Modulation, Low Pass Filter, Penguat kelas D.

Latar Belakang Penguat Audio

            Tujuan dibuatnya penguat audio adalah untuk mereproduksi ulang sinyal audio masukan ke level volume tertentu sesuai keinginan dengan tingkat fidelitas yang tinggi, efisien dan distorsi yang rendah.

            Telah kita ketahui bersama bahwa frekuensi audio adalah 20 Hz – 20KHz. Oleh karena itu sebuah penguat audio yang baik harus mempunyai tanggapan frekuensi antara 20 Hz – 20 KHz. Kecuali penguat audio dengan keperluan khusus semisal penguat tweeter maupun sub woofer.

            Untuk kemampuan daya dari pengua audio disesuaikan dengan keperluan yang diinginkan. Daya penguat audio dapat hanya beberapa miliwatt untuk headphone, beberapa watt untuk penguat di radio maupun televisi, beberapa puluh watt untuk audio mobil dan ratusan bahkan ribuan watt untuk keperluan di luar ruangan, semisal untuk pentas di lapangan terbuka.

Sekilas Penguat Audio Kelas D

            Penguat audio kelas D pertama kali dikenalkan pada tahun 1958, dan telah menjadi semakin populer dalam beberapa tahun terakhir. Penguat Audio kelas D pada dasarnya adalah switching-amplifier atau Pulse Width Modulation-Amplifier.

            Penguat audio kelas D adalah penguat audio yang bekerja dengan prinsip binary-switches. Sejak digunakannya power MOSFET, maka menjadikan binary-switches lebih sempurna, sehingga tidak ada waktu transisi terbuang dan tidak ada daya terbuang saat masukan penguat ini nol.

            Penguat audio kelas D memiliki efisiensi yang jauh lebih baik dibandingkan penguat-penguat audio pendahulunya seperti penguat kelas A, kelas B dan kelas AB. Penguat audio kelas AB secara teoritis mempunyai efisiensi paling bagus sekitar 78,5% sebelum dibebani Speaker. Saat dibebani speaker efisiensinya bisa turun menjadi 50%. Saat ini penguat audio kelas D mempunyai efisiensi 90% saat dibebani speaker. Sementara secara teoritis penguat audio Kelas D mempunyai efisiensi ideal 100%.

            Efisiensi yang tinggi berarti akan menghasilkan disipasi daya yang rendah, dengan demikian daya yang terbuang relatif lebih rendah jika dibandingkan penguat kelas A, B maupun AB. Karena penguat audio kelas D bisa dibilang hemat daya maka penguat ini tidak membutuhkan pendingin (heatsink) yang besar dan catu daya yang besar pula.

            Dengan penggunaan pendingin dan catu daya yang relatif kecil, merupakan sebuah keuntungan utama dari penguat audio kelas D ini. Aplikasi penguat audio kelas D sekarang ini sudah sangat populer seperti untuk perangkat audio jinjing, home-theaters, penguat audio mobil dan sebagainya tanpa menghilangkan sisi fidelitasnya.

           

Penguat Audio Linier dan Kelas D

            Keluaran dari rangkaian penguat audio linier umumnya dihubungkan langsung ke speaker, walaupun beberapa kasus tertentu melalui kapasitor. Biasanya penguat audio linier menggunakan penguat akhir transistor yang dicatu dengan tegangan emitor-kolektor yang tinggi. Penguat audio linier bisa juga menggunakan Transistor MOS untuk tingkat penguat akhirnya seperti gambar berikut :

Gambar 1. Tingkat penguat akhir menggunakan CMOS

            Telah dijelaskan diatas bahwa ada 3 kelas penguat audio yang umum dipakai sebelum diterapkannya kelas D. Kelas penguat itu adalah kelas A, B dan AB.

            Kelas A – Penguat audio kelas A akan menguatkan seluruh siklus sinyal masukan. Sinyal masukan akan dikuatkan tanpa mengubah sedikitpun bentuk sinyal. Dapat dikatakan penguat audio kelas A tingkat akhirnya selalu bekerja untuk menguatkan siklus sinyal masukan. Dengan demikian di tingkat ini selalu ada arus bias yang mengalir ke perangkat output. Penguat kelas A ini memiliki linieritas paling bagus dan distorsi paling kecil. Akan tetapi mempunyai efisiensi paling rendah, hanya sekitar 20%.

            Kelas B – Penguat audio kelas B berbeda cara kerjanya dengan penguat audio kelas A. Tingkat penguat akhir pada kelas ini hanya menguatkan setengah siklus sinusoida sinyal masukan (satu menguatkan siklus positif dan yang satunya menguatkan siklus negatif). Dengan demikian jika tidak ada sinyal masukan maka di tingkat akhir tidak ada arus yang mengalir diperangkat output. Efisiensi penguat audio kelas B ini lebih baik dari kelas A, yaitu sekitar 50%. Namun demikian penguat ini memiliki kelemahan yaitu kurang linier, terutama dititik persilangan antara siklus positif dan siklus negatif.

            Kelas AB – Penguat audio kelas AB merupakan kombinasi antara kelas A dan kelas B. Saat ini penguat audio kelas AB yang banyak dan umum digunakan. Tingkat akhir pada penguat ini menguatkan sinyal lebih dari setengah siklus baik positif maupun negatif, namun tetap lebih kecil dari seluruh siklus. Sehingga bisa menghilangkan cacat silang pada pertemuan sinyal antara siklus positif dan negatif seperti yang ada di kelas B. Penguat audio kelas AB lebih linier jika dibandingkan penguat audio kelas B, tetapi efisiensi tidak berbeda yaitu sekitar 50%.

            Kelas D – Penguat audio kelas D adalah sebuah amplifier switching atau PWM seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya. Dengan menerapkan model Switching dapat mengurangi rugi daya di penguat akhir dan memungkinkan mendapatkan efisiensi 90% - 95%. Sinyal audio masukan digunakan untuk memodulasi sinyal pembawa PWM yang mendorong penguat akhir. Sebelum diumpankan ke speaker terlebih dahulu dilewatkan Low Pass Filter (LPF) untuk menghilangkan frekuensi tinggi pembawa PWM nya.

Gambar 2. Blok dasar penguat kelas D

            Gambar diatas memperlihatkan skema blok penguat audio kelas D. Terlihat juga bentuk gelombang sesuai dengan proses yang terjadi di dalam rangkaian tersebut. Skema blok diatas menerapkan rangkaian umpan balik yang berasal dari keluaran untuk membantu kompensasi variasi tegangan pada masukan.

Cara Kerja

            Sinyal masukan adalah sinyal audio standar sinusoida dengan frekuensinya antara 20 Hz – 20 KHz. Selanjutnya sinyal audio ini akan di bandingkan / dikomparasikan dengan sinyal frekuensi tinggi (250KHz) yang berbentuk segitiga ataupun gigi gergaji, yang akhirnya menghasilkan sinyal PWM seperti terlihat pada gambar dibawah.

Gambar 3. Pemrosesan sinyal pada penguat kelas D

            Selanjutnya sinyal PWM ini diumpankan ke tingkat akhir dan dikuatkan oleh perangkat tingkat akhit (Mosfet), lalu di lewatkan rangkaian LPF dan keluaran LPF diumpankan ke speaker. Diharapkan keluaran LPF sinyalnya berbentuk sinusoida kembali.

            Generator gelombang gigi gergaji menghasilkan gelombang gigi gergaji yang berfrekuensi sekitar 10 kali lebih tinggi daripada frekuensi masukan sinyal audio. Gelombang gigi gergaji ini berfungsi untuk men-sampling sinyal audio.

            Pembanding atau Comparator, bertugas untuk mendigitalkan sinyal masukan audio dengan cara membandingkan antara sinyal audio dengan sinyal gigi gergaji. Hasil dari rangkaian pembanding ini adalah sinyal digital salinan dari sinyal masukan audio analog. Komponen frekuensi rendah dari sinyal digital mewakili sinyal masukan audio, sementara komponen frekuensi tinggi dari sinyal digital tidak digunakan atau diabaikan. Sinyal input dan output dari komparator seperti terlihat pada gambar berikut.

Gambar 4. Perubahan sinyal audio di rangkaian pembanding

            Rangkaian Switching, meskipun keluaran dari rangkaian pembanding adalah representasi digital dari sinyal masukan audio, sinyal ini masih belum bisa langsung diumpankan ke Speaker. Oleh karena itu perlu dikuatkan dulu tegangan dan arusnya supaya bisa dibebani speaker. Tugas rangkaian switching disini adalah untuk menguatkan sinyal hasil keluaran dari rangkaian pembanding, agar supaya tegangan dan arusnya menjadi level tertentu sehingga dapat diumpankan ke speaker. Biasanya rangkaian switching ini menggunakan MOSFET. Bentuk gelombang masukan dan keluaran dari rangkaian switching seperti gambar berikut.

Gambar 5. Penguatan gelombang pada tingkat akhir

            Low Pass Filter (LPF), bertugas untuk menyaring komponen frekuensi rendah yang terpakai hasil keluaran rangkaian akhir switching. Keluaran dari LPF ini merupakan replika skala dari sinyal masukannya. Jaringan umpan balik negatif selalu ada yang menghubungkan LPF dan pembanding yang berfungsi untuk menekan kesalahan.

Keuntungan

Disipasi panas rendah

Ukuran tidak terlalu besar

Tidak terlalu berat

Efisiensinya tinggi

Kekurangan

Membutuhkan catu daya sangat bersih dan stabil

Respon frekuensi tinggi tergantung pada impedansi loudspeaker

Contoh Rangkaian

Gambar 6. Contoh rangkaian penguat audio kelas D

Kesimpulan

Penguat audio kelas D pertama kali dikenalkan pada tahun 1958, dan telah menjadi semakin populer dalam beberapa tahun terakhir. Penguat Audio kelas D pada dasarnya adalah switching-amplifier atau Pulse Width Modulation-Amplifier. Penguat audio kelas D mempunyai efisiensi 90% saat dibebani speaker. Sementara secara teoritis penguat audio Kelas D mempunyai efisiensi ideal 100%.

Penguat audio kelas A akan menguatkan seluruh siklus sinyal masukan. Penguat kelas B hanya menguatkan setengah siklus sinusoida sinyal masukan. Penguat audio kelas AB menguatkan sinyal lebih dari setengah siklus baik positif maupun negatif.

Penguat audio kelas D adalah sebuah amplifier switching atau PWM. Sinyal audio masukan digunakan untuk memodulasi sinyal pembawa PWM yang mendorong penguat akhir. Sebelum diumpankan ke speaker terlebih dahulu dilewatkan Low Pass Filter (LPF).

Referensi :

Gaalaas Eric, Class D Audio Amplifiers : What, Why, and How, http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/40-06/class_d.html, diakses tanggal 12 Januari 2015.

Honda Jun & Adams Jonathan, Class D Audio Amplifier Basics, International Rectifier, California, 2005.

International Rectifier, Class D Audio Amplifier Design, www.irf.com, diakses tanggal 10 Januari 2015.

Kartino, IRS-900D Class-D Amplifier Tutorial. Makalah, tidak dipublikasikan.

Maldonado Joseph & Vega Jeovany, Class D Power Amplifier, California Polytechnic State University, San Luis Obispo, 2010.

NN. Class D Power Amplifier, http://www.circuitstoday.com/class-d-power-amplifiers, diakses tanggal 12 Januari 2015.