Prinsip kerja power Class D

Posted on 7 April 2015 by imam rudy

Yah ketemu lagi….. seperti janji saya kemarin, yaitu prinsip kerja power Class D.

Sebenernya saya pemula dibidang Class D, Ya sedikit-sedikit tahu lah tentang cara kerjanya …  tp artikel kali ini bukan saya yang buat. Thanks to pak Kartino Surodipo (Facebook) yang telah berkenaan membuat artikelnya. kalau saya sih belum mampu membuat tutorialnya wkkkkk…
IRS-900D Class-D Amplifier Tutorial
Oleh: kartino@yahoo.com
Konsep Class-D Amplifier
Dalam satu dekade terakhir, dalam dunia audio power amplifier telah tersedia produk komersial untuk audio
amplifier jenis baru yaitu Amplifier Class-D. Berbeda dengan Class-A, B, AB, dimana sinyal masuk langsung
dikuatkan dalam bentuk sinyal suara asli, dalam Amplifier Class-D, dilakukan pencacahan sinyal suara yang
masuk namun masih tetap dalam metode analog, lalu sinyal dikuatkan. Pada tingkat akhir amplifier, sinyal
tercacah tersebut dikembalikan menjadi sinyal suara dengan menggunakan induktor-kapasitor (L-C) filter.
Konsep Class-D yang akan dibahas disini menyesuaikan dengan skema yang akan kita ambil sebagai contoh
design berikutnya, adalah desain Class-D dengan blok diagram adalah sebagai berikut:

Secara singkat, self oscillating Class-D bekerja dengan internal loop feedback, dimana feedback loop
terdapat rangkaian R-C yang akan membuat rangkaian berosilasi sendiri, menjadi generator sinyal gergaji.
Sinyal gergaji ini akan dibandingkan dengan sinyal masukan audio oleh Comparator IC TL071 .
Sinyal keluaran dari Comparator IC berupa sinyal audio yang sudah dicacah oleh sinyal gergaji, sehingga
menjadi sinyal slope dengan komposisi waktu ON-OFF menyesuakan dengan level sinusoidal dari sinyal
masukan. Tegangan sinyal slope ini referensinya ke ground (GND) dan karakteristiknya masih belum
memenuhi kriteria masukan menuju gate driver IC. Sementara gate driver IC menggunakan referensi
tegangan ke –VCC. Jadi untuk itu diperlukan level shifter berupa PNP transistor 2N5401 dan Invert logic IC
CD4049.
Sementara gate driver juga membutuhkan dua sinyal input yaitu high-gate dan low-gate. Comparator IC yang
memiliki satu keluaran, oleh Invert logic IC digandakan menjadi dua keluaran, dimana satunya adalah
inverting hingga dihasilkanlah low-gate and high-gate output yang sesuai untuk masikan gate driver IC. Gate
driver IC siap menggerakkan mosfet power.
Output dari power mosfet yang secara ON-OFF identik dengan output Comparator. Dan sudah dijelaskan
sebelumnya output comparator sendiri menyesuaikan dengan input sinusoidal audio. Jadi dari comparator
menuju mosfet ini di atas kertas tidak akan terjadi distorsi. Tidak ada efek-efek khusus yang perlu
diperhatikan yang bisa menyebabkan cacatnya suara yang diakibatkan oleh amplifikasi sinyal.. Sementara
Comparator, Level shifter, Logic IC, dan gate driver IC bekerja pada tegangan 12 Volt, tegangan mosfet bisa
sangat variatif dan sangat lebar, bebas di tegangan SOA mosfet. Pada akhirnya, batas tegangan final ini
menjadi batas clipping sebuah ampli Class-D.
Output final mosfet ini agar kembali menjadi sinyal suara maka dilakukan dengan Low Pass Filter (LPF).
Dengan komposisi besar induktor dan kapasitor yang tepat maka sinyal slope tadi bisa di konversi kembali
menjadi sinusoidal. Memang tidak sempurna layaknya sinusoidal pada Class-A maupun Class-AB. Akan
tetapi harus diingat bahwa speaker adalah peralatan mekanika dinamis. Efek-efek fisika mekanika dari
speaker sendiri justru menyebabkan kesempurnaan output Class-D audio menjadi tidak berarti.
Implementasi Skema
Ada banyak rancangan skema Class-D Amplifier yang bisa ditemukan dari internet. Kali ini yang akan dibahas
dalam tulisan ini adalah Self Oscillating Cass-D Amplifier IRS-900D. Skema ini beredar di internet, dan cukup
bagus, bisa diimplementasikan dan memiliki kemampuan output sampai 900 Watt pada 4 ohm, sebuah
kemampuan yang cukup besar. Dipilihnya skema ini dikarenakan menyesuaikan dengan ketersediaan
komponen dan teknologi PCB yang tersedia di Indonesia.
Untuk membuat Class-D yang bagus dan bermutu tinggi sangat dibutuhkan mutu komponen yang bagus dan
lay-out PCB yang sesuai untuk high-frequency switching. Namun, untuk dengan keterbatasan ini walaupun
tidak bisa dihasilkan mutu yang sesuai dengan kriteria industri tapi masih sangat memuaskan bila
dibandingkan dengan kelas-kelas rakitan Class-AB yang banyak dijual di pasaran.
Berikut adalah skema yang mengaplikasikan design dan konsep yang sudah diterangkan di atas.

Gambar.2 – Skema Audio Amplifier Class-D IRS-900D
Cara bekerja skema di atas seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Rangkaian di atas memakai catu daya
+/- 100V DC. Disamping itu juga 12 Volt catu daya terpisah diperlukan untuk menggerakkan gate driver IC
IR2110. Pertimbangannya dibuat terpisah adalah karena akan lebih menyederhanakan skema.
Dengan rangkaian di atas, cocok untuk peruntukan dari subwoofer sampai mid-hi. Peruntukan tersebut
tidaklah mengecewakan, mengingat di pasaran kit rakitan tingkat 900 Watt memang umumnya diperuntukkan
untuk aplikasi Subwoofer sampai Mid-Hi.
Modifikasi dapat dilakukan untuk meningkatkan performa. Misalnya dengan menaikkan kemampuan frekuensi
osilasi. Dalam Class-d self Oscillation, kecepatan frekuensi osilasi ditentukan oleh efek kecepatan on-off dari
closed loop feedback yang melibatkan keseluruhan komponen di dalam feedback loop. Peningkatan bisa
dilakukan dengan mengganti OP Amp comparator dengan kemampuan lebih tinggi, misal dari Burr-Brown.
Dan yang utama adalah mosfet power, dimana bisa dipilih produk dengan gate capacitance yang rendah dari
IXYS, atau merek lain dengan generasi yang lebih maju. Yang harus diperhatikan adalah gate capacitance
yang terkecil dan kecepatan switching tertinggi, serta tentu saja SOA yang besar.
LPF Filter
LPF filter yang harus diperhatikan adalah inti harus cocok untuk frekuensi tinggi. Untuk sebuah Class-D
amplifier induktor tanpa air gap harus berjenis iron-dust. Iron dust mempunyai kemampuanmagnetik tertinggi
dengan losses terendah. Sayangnya jenis ini belum tersedia di pasar elektronika rakitan.
Alternatifnya adalah ferrite core. Meski juga masih susah ditemukan di pasar elektronika, tetapi ferrite core
bisa didapat dari inti PSU atau filter. Filter output PSU juga bisa digunakan. Besar penampang inti ferrite baik
EI maupun toroid sama saja, kurang lebih 1cm2 per 300W. Bila lebih tinggi output amplifier, bisa
menggunakan inti yang dirangkap. Lilitan harus serapat mungkin dengan inti
Namun, untuk bisa digunakan, jenis ferrite core harus dibuat air gap untuk menaikkan kemampuan megnetik,
yaitu dengan jalan memutus lingkaran toroid dengan gergaji besi atau memotong inti untuk EI Core. Karena
tidak ada data pabrikan maka untuk menentukan jumlah lilitan yang optimal hanya bisa dilakukan dengan
coba-coba. Jumlah lilitan dengan inti ferrite air gap harus dicoba dari yang tertinggi ke terendah antara 45-22
kali dengan kawal diameter 1 -1.5mm.
Fungsi air gap adalah meningkatkan kapasitas magnetik dari inti untuk menaikkan nilai saturasi. Bila tidak
cukup besar nilai saturasi dari inti besi maka koil induktor beserta inti akan menjadi sangat panas pada beban
tinggi. Namun dengan adanya air gap ini juga membuka peluang kebocoran elektromangetik (EMI) yang
mungkin keluar ke jaringan. Gambar dibawah adalah contoh material yang bisa digunakan:
Untuk kapasitor karena bekerja pada frekuensi tinggi maka dipilih jenis non polar dengan kemampuan
charge-discharge yang tinggi dan juga tegangan kerja yang cukup tinggi. Kapasitasnya berkisar 680n – 1uF
600V non polar.
Nah sudah pada mengerti kan prinsip kerja Class D. Bagi yang mau membuat Class D D900 yang dibahas diatas, layout bisa ambil disini
https://www.dropbox.com/s/x4l5t6h4nrqwphr/irs%20900d%20full.pdf?dl=0
Punya saya juga sudah jadi… Disuply SMPS 75VDC. hasilnya ajiiibb + hoorrreegg wkkkkk ……