Pengertian Power Amplifier (Penguat Daya) dan Kelas-kelasnya

Pengertian Power Amplifier (Penguat Daya) dan Kelas-kelasnya – Power Amplifier atau dalam bahasa Indonesia disebut dengan Penguat Daya adalah sebuah rangkaian elektronika yang berfungsi untuk memperkuat atau memperbesar sinyal masukan.

Di dalam bidang Audio, Power Amplifier akan menguatkan sinyal suara yang berbentuk analog dari sumber suara (Input) menjadi sinyal suara yang lebih besar (Output). Sumber sinyal suara yang dimaksud tersebut dapat berasal dari alat-alat Tranduser seperti Mikrofon yang dapat mengkonversikan energi suara menjadi sinyal listrik ataupun Optical Pickup CD yang mengkonversikan getaran mekanik menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik yang berbentuk sinyal AC tersebut kemudian diperkuat arus (I) dan tegangannya (V) sehingga menjadi Output yang lebih besar. Besaran penguatannya ini sering disebut dengan istilah gain.

Gain yang biasanya dilambangkan dengan G dengan satuan decibel (dB) ini merupakan hasil bagi dari daya di bagian Output (Pout) dengan daya di bagian inputnya (Pin) dalam bentuk-bentuk frekuensi listrik AC. Bentuk Rumusnya adalah sebagai berikut :

G = 10log (Pout/Pin)

Dimana :

G = Gain dalam satuan dB

Pout = Power atau daya pada bagian Output

Pin = Power atau daya pada bagian Input

Untuk lebih jelas mengenai Gain yang dalam bentuk satuan Desibel, anda dapat membaca di artikel : Pengertian Desibel (Decibel)  dan cara menghitungnya.

Sinyal listrik yang dihasilkan oleh tranduser input umumnya sangat kecil yaitu sekitar beberapa milivolt atau bahkan hanya beberapa microvolt. Oleh karena itu, sinyal listrik tersebut harus diperkuat agar dapat menggerakan atau mengoperasikan perangkat tranduser Output seperti Speaker (atau perangkat-perangkat Output lainnya). Pada penguat sinyal kecil (Small Signal Amplifier), faktor utama adalah penguatan linearitas dan memperbesar gain. Karena Tegangan sinyal dan Arus yang kecil, jumlah kapasitas penanganan daya efisiensi daya menjadi penting untuk diperhatikan.

Sedangkan Penguat Daya (Power Amplifier) atau Penguat Sinyal Besar adalah jenis penguat yang memberikan daya yang cukup untuk dapat menggerakan Speaker atau perangkat listrik lainnya. Umumnya, daya yang dihasilkan adalah beberapa watt hingga puluhan watt dan bahkan hingga ratusan watt.

Selain faktor penguatan yang disebut dengan Gain ini, Suatu istilah yang sering kita temukan pada Power amplifier adalah tingkat fidelitas (Fidelity). Sebuah Amplifier atau Penguat Daya dikatakan memiliki fidelitas tinggi (High Fidelity) apabila menghasilkan sinyal keluaran (output) yang bentuknya persis sama dengan sinyal masukan (input). Perbedaannya hanya pada tingkat penguatan pada amplitudo atau tegangannya saja. Jadi dengan kata lain, yang dimaksud dengan fidelitas adalah kemiripan bentuk keluaran hasil replika terhadap sinyak masukan.

Ada Satu lagi faktor penting dalam penguat daya yang harus diperhatikan, yaitu faktor efisiensi. Yang dimaksud dengan Efisiensi pada penguat daya adalah efisiensi daya dari sebuah penguat yang dinyatakan dengan besaran rasio atau persentasi dari Output Daya dengan Input Daya. Sebuah Power Amplifier atau Penguat Daya dikatakan memiliki efisiensi tinggi atau 100% efisiensinya apabila tidak terjadi kehilangan daya pada proses penguatannya.

Jenis atau Kelas-kelas Power Amplifier (Penguat Daya)

Salah satu cara untuk mengklasifikasikan jenis-jenis Power Amplifier atau Penguat Daya adalah dengan cara pembagian “KELAS” pada Power Amplifier. Pada umumnya, Kelas Amplifier yang sering digunakan dapat dibagi menjadi Kelas A, Kelas AB, Kelas B, Kelas C dan Kelas D. Berikut ini adalah penjelasan singkat dengan Kelas-kelas Penguat Daya tersebut.

Penguat Daya Kelas A (Class A Power Amplifier)

Penguat Kelas A merupakan Kelas Penguat yang desainnya paling sederhana dan paling umum digunakan. Seperti namanya yaitu Kelas A yang artinya adalah Kelas terbaik, penguat Kelas A ini memiliki tingkat distorsi sinyal yang rendah dan memiliki liniearitas yang tertinggi dari semua kelas penguat lainnya.

Umumnya, Penguat Kelas A menggunakan transistor single (transistor bipolar, FET, IGBT) yang terhubung secara konfigurasi Common Emitter (Emitor Bersama). Letak titik kerja (titik Q) berada di pusat kurva karakteristik atau berada pada setengah Vcc (Vcc/2) dengan tujuan untuk mengurangi distori pada saat penguatan sinyal.  Penguat Kelas A ini menguat sinyal Input satu gelombang penuh atau 360°.

Untuk mencapai Linearitas dan Gain yang  tinggi, Amplifier Kelas A ini mengharuskan Transistor dalam keadaan aktif selama siklus AC. Hal ini menyebabkan pemborosan dan pemanasan yang berlebihan sehingga menyebabkan ketidakefisienan. Efisiensi Penguat/Amplifier kelas A ini hanya berkisar sekitar 25% hingga 50%.

Penguat Daya Kelas B (Class B Power Amplifier)

Penguat Kelas B ini diciptakan untuk mengatasi masalah efisiensi dan pemanasan yang berlebihan pada Penguat Kelas A. Letak titik kerja (Q-point) berada di ujung kurva karakteristik sehingga hanya menguatkan setengah input gelombang atau 180° gelombang. Karena hanya melakukan penguatan setengah gelombang dan menonaktifkan setengah gelombang lainnya, Penguat Kelas B ini  memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan penguat kelas A. Secara teoritis, Penguatan atau Amplifier kelas B ini memiliki efisiensi sebesar 78,5%. Kelemahan pada Penguat Kelas B ini adalah terjadinya distorsi cross-over.

Penguat Daya Kelas AB (Class AB Power Amplifier)

Seperti namanya, Penguat kelas AB adalah gabungan dari penguat kelas A dan penguat kelas B. Penguat kelas AB ini merupakan kelas penguat yang paling umum digunakan pada desain Audio Power Amplifier. Titik kerja penguat kelas AB berada diantara titik kerja penguat kelas A dan titik kerja penguat kelas B,  sehingga Penguat kelas AB dapat menghasilkan penguat sinyal yang tidak distorsi seperti pada penguat kelas A dan mendapatkan efisiensi daya yang lebih tinggi seperti pada penguat kelas B. Penguat Kelas AB menguatkan sinyal dari 180° hingga 360° dengan efisiensi daya dari 25% hingga 78,5%.

Penguat Daya Kelas C (Class C Power Amplifier)

Amplifier atau Penguat Kelas C ini menguatkan sinyal input kurang dari setengah gelombang (kurang dari 180°) sehingga distorsi pada Outputnya menjadi sangat tinggi. Namun Efisiensi daya pada penguat kelas C ini sangat baik yaitu dapat mencapai efisiensi daya hingga 90%. Penguat Kelas C ini sering digunakan pada aplikasi khusus seperti Penguat pada pemancar Frekuensi Radio dan alat-alat komunikasi lainnya.

Penguat Daya Kelas D (Class D Power Amplifier)

Penguat daya kelas D ini menggunakan penguatan dalam bentuk pulsa atau biasanya disebut dengan teknik Pulse Width Modulation (PWM), dimana lebar pulsa ini proposional terhadap amplitudo sinyal input yang pada tingkat akhirnya sinyal PWM akan menggerakan transistor switching ON dan OFF sesuai dengan lebar pulsanya. Secara teoritis, Penguat kelas D dapat mencapai efisiensi daya hingga 90% hingga 100% karena transistor yang menangani penguatan daya tersebut bekerja sebagai Switch Binary yang sempurna sehingga tidak terjadi pemborosan waktu saat transisi sinyal dan juga tidak ada daya yang diboroskan saat tidak ada sinyal input. Transistor yang digunakan untuk Amplifier kelas D ini umumnya adalah transistor jenis MOSFET.  Suatu Penguat Kelas D umumnya terdiri dari sebuah  generator gelombang gigi gergaji, Komparator, Rangkaian Switch dan sebuah Low Pass Filter.

Meskipun dapat menghasilkan efisiensi daya yang tinggi, Penguat Kelas D ini memerlukan sumber catu daya yang stabil dan respon frekuensi tingginya sangat tergantung pada impedansi Speaker (Pengeras Suara).

Kelas-kelas Power Amplifier (Penguat Daya) Lainnya

Selain Kelas A, Kelas AB, Kelas C dan Kelas D yang dibahas diatas, terdapat pula kelas-kelas Penguat Daya lainnya seperti Kelas F, Kelas G, Kelas I, Kelas S dan Kelas T yang juga menggunakan teknik Pulse Width Modulation (PWM) dalam penguatan sinyal inputnya.