12.33 - Op-amp class B amplifier.

TUGAS CHAPTER 12

[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]

    Amplifier kelas B adalah jenis rangkaian penguat yang digunakan untuk memperkuat sinyal AC dengan efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan amplifier kelas A. Dalam amplifier kelas B, hanya satu transistor yang aktif pada setiap siklus sinyal, sehingga mengurangi pemborosan daya dan menghasilkan lebih sedikit panas. Salah satu implementasi amplifier kelas B adalah quasi-complementary push-pull amplifier, yang menggabungkan penggunaan transistor NPN dan PNP untuk menghasilkan penguatan sinyal yang efisien.

    Pada percobaan ini, dua jenis amplifier kelas B diuji, yaitu quasi-complementary push-pull amplifier dan op-amp push-pull amplifier. Kedua rangkaian ini menggabungkan penggunaan transistor dan operational amplifier (Op-Amp) untuk memperkuat sinyal AC. Quasi-complementary push-pull amplifier menggunakan transistor untuk menguatkan sinyal dengan memanfaatkan konfigurasi push-pull, sedangkan op-amp push-pull amplifier menggunakan Op-Amp untuk memperkuat sinyal dan mengatur penguatan dengan lebih presisi. Percobaan ini bertujuan untuk menganalisis cara kerja kedua amplifier tersebut, mengukur daya keluaran, serta menilai efisiensi dari rangkaian amplifier kelas B dalam menghasilkan penguatan yang optimal.

2. Tujuan[Kembali]

1. Menganalisis cara kerja kedua jenis amplifier kelas B yaitu quasi-complementary push-pull amplifier dan op-amp push-pull amplifier dalam memperkuat sinyal AC.
2. Mengukur daya keluaran yang dihasilkan oleh masing-masing amplifier kelas B yang diuji.
3. Menilai efisiensi dari rangkaian amplifier kelas B dalam menghasilkan penguatan sinyal yang optimal.
4. Membandingkan performa antara quasi-complementary push-pull amplifier dan op-amp push-pull amplifier dalam penguatan sinyal AC dengan efisiensi yang lebih tinggi.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

• Resistor

     Resistor merupakan komponen elektronik yang memiliki dua pin dan didesain untuk mengatur tegangan listrik dan arus . Resistor mempunyai nilai resistansi (tahanan) tertentu yang dapat memproduksi tegangan listrik di antara kedua pin dimana nilai tegangan terhadap resistansi tersebut berbanding lurus dengan arus yang mengalir, berdasarkan persamaan hukum ohm 




 
• Ground

    Grounding atau Pentanahan adalah sistem pentanahan yang terpasang pada suatu instalasi listrik yang bekerja untuk meniadakan beda potensial dengan mengalirkan arus sisa dari kebocoran tegangan atau arus dari sambaran petir ke bumi. 






• Op-Amp 741

    Perangkat penguat tegangan yang dirancang untuk digunakan dengan komponen umpan balik eksternal seperti resistor dan kapasitor antara terminal keluaran dan masukannya.





• Baterai
            Baterai adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.










• Voltmeter DC
        Voltmeter DC berfungsi untuk mengetahui beda potensial tegangan DC antara 2 titik pada suatu beban listrik atau rangkaian elektronika.





• Amperemeter DC
Amperemeter DC berfungsi untuk mengetahui arus tegangan DC pada suatu rangkaian listrik atau beban listrik



• Transistor
  
  
  

                   Transistor merupakan sebuah alat semikonduktor yang dapat dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung arus (switching), stabilisasi tegangan, dan modulasi sinyal.
• Oscilloscope

  

  Osiloskop adalah alat ukur yang berfungsi menunjukan bentuk sinyal listrik berupa grafik dari    tegangan terhadap waktu yang tertampil pada layarnya.Osiloskop dapat mengukur mengukur    besaran-besaran: tegangan, frekuensi, periode, bentuk sinyal dan beda fasa. 

4. Dasar Teori[Kembali]

PRINSIP KERJA

A. Power Amplifier
Power amplifier adalah rangkaian elektronika yang berfungsi untuk memperbesar sinyal input menjadi sinyal output yang memiliki daya lebih besar. Tujuan utama dari power amplifier bukan hanya memperbesar tegangan, tetapi juga memperbesar arus sehingga total daya output (P = V × I) meningkat secara signifikan untuk menggerakkan beban seperti speaker, actuator, atau perangkat elektronik lainnya.
Secara umum, power amplifier bekerja dengan mengubah energi dari sumber daya (biasanya catu daya DC) menjadi sinyal AC yang diperkuat di output. Sinyal input yang memiliki amplitudo rendah akan melewati tahap penguatan, biasanya menggunakan transistor (BJT atau MOSFET) atau IC penguat daya, sehingga mampu menghasilkan output dengan amplitudo dan daya yang lebih tinggi.

Power amplifier diklasifikasikan berdasarkan mode operasinya menjadi beberapa kelas, seperti:

• Kelas A: Semua siklus sinyal diperkuat, menghasilkan kualitas sinyal tinggi namun efisiensi rendah.
• Kelas B: Setiap transistor hanya bekerja setengah siklus, meningkatkan efisiensi namun rentan distorsi pada crossover.
• Kelas AB: Kombinasi kelas A dan B untuk menyeimbangkan efisiensi dan distorsi.
• Kelas D: Menggunakan metode switching (PWM), sangat efisien, cocok untuk aplikasi digital.

Setiap kelas memiliki prinsip kerja yang berbeda dalam hal konduksi sudut (conduction angle) dan efisiensi energi, namun tujuan utamanya tetap sama: memperbesar daya output tanpa mengubah bentuk gelombang input secara signifikan (kecuali jika distorsi tidak dihindari).

B. Analisis Berbasis Komputer
Prinsip kerja analisis berbasis komputer pada power amplifier adalah melakukan simulasi terhadap kinerja rangkaian menggunakan perangkat lunak seperti Proteus, Multisim, LTspice, atau TINA-TI. Program ini mensimulasikan respons elektronika dari setiap komponen dalam rangkaian seolah-olah berada dalam kondisi nyata.

Langkah-langkah umum yang dilakukan dalam analisis berbasis komputer:

1. Pembuatan Skema Rangkaian
   Rangkaian power amplifier dirancang dalam lingkungan simulasi dengan memasukkan komponen-komponen seperti transistor, resistor, kapasitor, dan catu daya sesuai konfigurasi yang diinginkan.
2. Penentuan Sinyal Input dan Beban
   Sinyal input diberikan dalam bentuk gelombang sinus, dan beban biasanya direpresentasikan dengan resistor (misalnya 8 ohm untuk mensimulasikan speaker).
3. Simulasi dan Pengamatan Output
   Simulasi dilakukan untuk mengamati tekanan output (Vout), arus beban, daya output, dan parameter lainnya seperti distorsi harmonik (THD) dan efisiensi.
4. Analisis Karakteristik Kinerja
   Hasil simulasi dibandingkan dengan teori untuk mengidentifikasi performa penguat daya, seperti linearitas, clipping, crossover distortion, dan respon frekuensi.

C. Integrasi Analisis dan Prinsip Power Amplifier
Dengan menggunakan bantuan komputer, prinsip kerja power amplifier dapat dipelajari secara lebih detail dan akurat. Komputer memungkinkan pengguna untuk:

• Melihat efek perubahan komponen secara real time.
• Mengamati distorsi sinyal pada level mikrovolt.
• Menghitung daya input dan output dengan lebih presisi.
• Melakukan eksperimen virtual tanpa risiko kerusakan perangkat keras.

Dengan demikian, analisis berbasis komputer menjadi alat penting untuk memahami cara kerja power amplifier, mempercepat proses desain, dan memastikan bahwa rangkaian yang dihasilkan bekerja secara optimal sebelum direalisasikan secara fisik.

5. Example[Kembali]

Example 1

Example 2

Example 3

6. Problem[Kembali]

SOAL 1:
Lakukan analisis komputer (simulasi) pada rangkaian amplifier berbasis op-amp non-inverting dengan penguatan (gain) target sebesar 11. Rangkaian menggunakan op-amp ideal dengan tegangan input 0.1 V sinusoidal 1 kHz. Tunjukkan tegangan output dari simulasi dan bandingkan hasilnya dengan perhitungan teoritis.

Jawaban:
Perhitungan Teori:
Untuk op-amp non-inverting:

$$A_v=1+\frac{R_f}{R_1}\Rightarrow 11=1+\frac{R_f}{R_1}\Rightarrow \frac{R_f}{R_1}=10$$

Misalkan R1=1 kΩR1=1kΩ, maka Rf=10 kΩRf=10kΩ
Input = 0.1 V → Output teoritis:$$V_{out}=A_v\cdot V_{in}=11\cdot 0.1=1.1V$$

Hasil Simulasi (misal menggunakan LTSpice/Multisim):

• Input: Sinus 0.1 Vpp @ 1 kHz
• Output: ~1.1 Vpp @ 1 kHz

Kesimpulan:
Simulasi sesuai dengan teori. Rangkaian memperkuat sinyal input dengan faktor 11. Tidak terlihat distorsi karena menggunakan op-amp ideal dan sinyal kecil.

SOAL 2:
Jelaskan prinsip kerja dari quasi-complementary Class B power amplifier, lalu hitung efisiensi teoretis maksimum jika output menghasilkan daya 5W ke beban 8 ohm, dengan catu daya simetris ±15 V.

Jawaban:
Quasi-complementary Class B amplifier menggunakan satu tipe transistor (biasanya NPN) dan menggantikan pasangan PNP dengan rangkaian bootstrap atau pengganti berbasis NPN. Ini berguna karena transistor NPN umumnya memiliki karakteristik yang lebih baik dan lebih murah dibanding PNP.
Dua transistor utama bekerja dalam konfigurasi push-pull, satu menguatkan bagian positif sinyal dan satu bagian negatif. Distorsi crossover diatasi dengan bias kecil (bias class AB sedikit).

Efisiensi Maksimum:
Efisiensi maksimum Class B teoretis:$${\eta }_{max}=\frac{\pi }{4}\cdot 100\mathrm{\%}\approx 78.5\mathrm{\%}$$

Namun efisiensi aktual bergantung pada daya output dan tegangan catu daya:$$P_{out}=5W,V_{CC}=15V\Rightarrow I_{avg}=\frac{P_{out}}{V_{CC}}=\frac{5}{15}\approx 0.33A\Rightarrow P_{DC}=V_{CC}\cdot I_{avg}=15\cdot 0.33=5W$$

Jadi, pada idealnya efisiensi mendekati 78.5%. Dalam praktik bisa lebih rendah karena distorsi crossover dan penurunan tegangan V_BE.

SOAL 3:
Sebuah Op-Amp Class B Amplifier dirancang menggunakan op-amp sebagai driver dan sepasang transistor push-pull (NPN dan PNP) pada output. Jika input adalah sinyal sinusoidal 0.2 V dan catu daya ±12V, gambarkan bentuk gelombang output dan jelaskan fenomena crossover distortion serta cara mengatasinya.

Jawaban:

Output Tanpa Biasing (murni Class B):

• Transistor hanya aktif saat sinyal mencapai V_BE (sekitar ±0.7V)
• Sinyal input terlalu kecil → sebagian besar sinyal tidak mengaktifkan transistor
• Hasil: Terjadi crossover distortion — sinyal terputus di sekitar titik nol.

Cara Mengatasi:

Tambahkan bias diode atau resistor bias di antara basis transistor untuk mengalirkan sedikit arus saat sinyal nol → transistor tetap sedikit aktif.

Hasilnya:

• Output lebih halus
• Distorsi crossover berkurang
• Rangkaian menjadi Class AB

7. Soal Latihan[Kembali]

SOAL 1:

Manakah pernyataan berikut yang benar terkait dengan penggunaan software simulasi seperti Multisim atau LTSpice dalam analisis rangkaian elektronika?

A. Simulasi komputer tidak dapat menampilkan bentuk gelombang sinyal AC.
B. Hasil simulasi tidak bisa digunakan untuk membandingkan teori.
C. Simulasi komputer mempercepat analisis rangkaian dan memungkinkan visualisasi sinyal.
D. Semua simulasi pasti memberikan hasil yang sama persis dengan kondisi nyata.

Jawaban:
C. Simulasi komputer mempercepat analisis rangkaian dan memungkinkan visualisasi sinyal.

Pembahasan:
Software simulasi seperti Multisim dan LTSpice membantu dalam analisis cepat, pengujian desain, dan pengamatan bentuk gelombang. Namun, hasilnya tidak selalu identik dengan kenyataan karena asumsi ideal dalam model.

SOAL  2:
Apa kelebihan utama dari rangkaian quasi-complementary Class B amplifier dibandingkan dengan complementary Class B amplifier?

A. Daya output menjadi dua kali lipat
B. Tidak memerlukan pendingin tambahan
C. Menggunakan satu jenis transistor dominan sehingga lebih hemat biaya
D. Tidak memerlukan sumber tegangan ganda

Jawaban:
C. Menggunakan satu jenis transistor dominan sehingga lebih hemat biaya

Pembahasan:
Quasi-complementary amplifier menggunakan transistor NPN dominan, dan menggantikan PNP dengan konfigurasi bootstrap. Ini mengurangi ketergantungan pada transistor PNP yang biasanya lebih mahal atau sulit ditemukan.

SOAL 3:
Apa masalah utama yang sering muncul pada amplifier kelas B yang menggunakan sepasang transistor output tanpa bias tambahan?

A. Overheating
B. Crossover distortion di sekitar nol volt
C. Efisiensi terlalu rendah
D. Tegangan output melebihi VCC

Jawaban:
B. Crossover distortion di sekitar nol volt

Pembahasan:
Tanpa bias, transistor NPN dan PNP hanya akan aktif saat tegangan input melebihi ambang V_BE (~0.7V). Ini menyebabkan sinyal di sekitar nol volt tidak diteruskan, menimbulkan distorsi yang dikenal sebagai crossover distortion.

8. Percobaan[Kembali]

a. Prosedur

1). Buka aplikasi proteus

2). Pilih komponen yang akan digunakan dalam rangkaian

3). Susunlah komponen sesuai gambar

4). Setelah merangkai seluruh komponen, jalankan simulasi

5). Amatilah simulasi yang sedang berjalan

b. Rangkaian simulasi

c. Vidio Simulasi

9. Link Download[Kembali]

Download Datasheet Resistor klik disini

Download Datasheet Transistor 2N2222 klik disini

Download Tambahan Datasheet Transistor 2N2222 klik disini

Download Datasheet Kapasitor klik disini