Menghitung Konsumsi Daya Penguat Kelas B/AB

 Seiring dengan semakin bertambahnya permintaan membuat trafo dari para rekan DIYer yang berniat membuat penguat daya Kelas B atau AB yang salah satunya adalah adalah Gain Clone (selanjutnya disebut GC)  dari para DIYer maupun Gain Cloner, maka saya terdorong untuk membuat tulisan ini dengan tujuan agar para rekan DIYer bisa memahami bagaimana cara menghitung kapasitas dari trafo yang akan digunakan ataupun juga nilai kapasitor pada rangkaian power supply berkaitan dengan besarnya daya keluaran yang diinginkan.

A. Menghitung Tegangan Ripple Pencatu Daya 

         Sebagai awalan dari tulisan ini saya akan membahas bagaimana cara menghitung tegangan ripple atau singkatnya kemudian akan saya tulis sebagai Vr. Untuk memahami tujuan dari tulisan ini cobalah anda lihat Gambar 1 di bawah, yaitu sebuah gambar rangkain penyearah gelombang penuh yang mendrive sebuah beban resistor R.

 

  

Gambar 1,
Rangkaian penyearah gelombang penuh mendrive beban R dengan kapasitor C

Untuk memahami bagaimana pola tegangan listrik sebagagi fungsi waktu pada rangkain di atas bisa anda lihat gambar 2 di bawah ini.

 
Gambar 2,
Bentuk gelombang listrik fungsi waktu dari sebuah penyearah gelombang penuh dengan beban RL

Pola tegangan listrik seperti pada gambar 2 di atas tentunya hanya bisa dilihat dengan osiloskop, dan jika menggunakan multimeter yang akan terukur adalah Vdcmin.

* Menghitung tegangan ripple Vr dari sebuah catu daya

Tegangan ripple dapat diperoleh dengan menggunakan formula sbb :

Vr = 0.5 x I x T / C.............................................Persamaan 1

Dimana :
Vr = tegangan ripple dalam volt
I = arus dalam ampere
T = periode dalam detik, untuk Indonesia dengan F_PLN = 50Hz, maka T = 20 mS/0.02 S
C = nilai kapasitor penyearah dalam farad

Untuk memahami pemakaian formula tsb, kita akan coba membahas sebuah contoh berikut

Sebuah rangkaian catu daya memiliki, tegangan sekunder trafo Vac =15V, menyerahkan tegangan dengan diode bridge dan kapasitor
C= 1000uF, diberi beban RL = 1 kohm
Berapakah nilai tegangan keluaran yang terukur  Vdcmin dan juga tegangan ripplenya Vr

Jawab :

Tegangan dari trafo akan dikonversikan oleh diode bridge dan juga kapasitor menjadi tegangan searah dengan nilai

Vdcmax  = Vac x 1.4142 - 1.2V     (----> 1.2V adalah tegangan drop pada diode bridge)
             = 15 x 1.4142 - 1.2
             = 20.013 volt

Tegangan ini akan mengalirkan arus IL sebesar      :    IL = Vdcmax / RL
                                                                                   = 20.013V / 1kohm
                                                                                   = 20.013 mA

Nilai tegangan ripple Vr = (0.5 x IL x T)/ C
                                    = (0.5 x 0.021213A x 0.02 )/ 0.001 F
                                    = 0.213 V

Nilai  Vdc min =  Vdcmax - Vr
                     =   20.013 V - 0.2013 V
                     =   19.8117 V

Dalam aplikasi yang sesungguhnya nilai yang akan didapat bisa jadi akan lebih kecil dari hasil perhitungan tsb, karena perhitungan tsb dilakukan dengan menganggap bahwa trafo yang digunakan adalah ideal dengan load regulation = 0%

Jika ada memesan trafo dari saya, anda tidak perlu lagi memperhitungkan load regulation karena trafo saya sudah dibuat dengan memperhitungkan drop tegangan ketika bekerja pada beban penuh.

Analisa kerja  penguat daya Kelas B/AB
Sekarang kita akan masuk ke dalam topik utama kita yaitu menghitung konsumsi daya penguat Kelas B dengan output transistor komplementer ataupun Quasy Complementer seperti pada IC LM3886 dan keluarganya, dan metoda yang saya uraikan pada tulisan ini tentunya juga bisa digunakan sebagai pendekatan untuk mengkalkulasi konsumsi daya penguat B atau AB.

Dalam sebuah penguat Kelas B Komplementer, ketika tidak ada sinyal yang masuk pada input amplifier maka tegangan keluaran pada output akan berada pada nilai nol terhadap ground.  Ketika amplifier ini diberi sinyal maka tegangan output akan bergerak naik menuju Vpos,  nilai maksimum atau Vpeak nya adalah pada suatu nilai tertentu yang mendekati Vpos, selanjutnya setelah mencapai Vpeak(+) maka sinyal akan turun mendekati tegangan negatif Vneg sampai pada sebuah nilai yang kita sebut Vpeak(-).
Begitulah seterusnya hal ini akan terjadi. Untuk membantu memahami penjelasan ini, anda bisa lihat gambar3 di bawah ini

Gambar 3

Selisih antara Vpos dan Vpeak(+) maupun juga selisih antara Vneg dan Vpeak(-)  setelah dikurangi tegangan ripple Vr adalah tegangan saturasi positif dan negatif atau kita sebut  Vsat(+) dan Vsat(-) dalam realitanya Vsat(+) dengan  Vsat(-) ini bisa sama  ataupun berbeda, akan tetapi dalam perhitungan kalkulasi daya harus dianggap sama dan mengacu pada nilai Vsat yang lebih besar. Pada data sheet LM3886 nilai Vsat ini disebut sebagai output drop Voltage dan besarnya adalah 3V.

Darimana  harus memulai

Langkah2 yang harus dilakukan sebelum melakukan perhitungan daya adalah kita harus menentukan kondisi sbb :
1.  Berapa watt daya yang diinginkan  (Po)
2. Berapa ohm impedansi speaker yang akan terhubung pada penguat ini (RL)
3. Berapa besar Vsat, dengan melihat data sheet atau mengukur sendiri
4. Berapa besar Nilai kapasitor C pada power supply yang ingin digunakan
5. Berapa besar nilai arus bias.

Tentunya juga daya maksimum yang ingin dikeluarakan tidak boleh melebihi batas kemampuan dari amplfier yang bersangkutan, dalam kasus LM3886 daya keluaran maksimumnya adalah 68 watt pada impedansi speaker 4 ohm.


Langkah-langkah Perhitungan kebutuhan daya 

1. Menghitung Tegangan keluaran RMS (Kita  sebut Vo_RMS)

Setelah kita menemukan daya keluaran yang diinginkan ( disebut Po)  dan juga impedansi speaker (disebut RL), kita bisa menghitung daya keluaran RMS dari penguat dengan formula sbb

     Vo_RMS = akar ( Po x RL)....................................Persamaan 2

2. Menghitung Vpeak

Setelah V_RMS didapat kita harus menghitung  Vpeak dengan bantuan formula berikut :

     Vpeak = Vo_RMS x 1.4142...................................Persamaan 3


3. Menghitung Arus Beban  IL
Untuk menghituang  arus beban IL bisa kita gunakan formula pada persamaan 4 berikut ini :

     IL = akar (Po / RL)..................................................Persamaan 4

Arus IL ini adalah arus yang harus disediakan oleh trafo daya, jika penguat anda bekerja dalam Kelas AB maka nilai IL ini harus ditambah dengan arus bias pada operasi Kelas AB yang bersangkutan.


4. Menghitung tegangan ripple Vr
Vr bisa kita kalkulasi dengan menggunakan  persamaan 1 dengan memakai nilai arus beban yang kita dapat dari langkah 3 di atas dan  
dengan nilai kapasitor C yang sudah kita tentukan sebelumnya

             Formulanya adalah sbb : Vr = (0.5 x IL x 0.02) /(C)
                                                         
                                                    Dimana IL dalam ampere dan C dalam mikrofarad


5.  Menghitung tegangan power supply yang diperlukan
Besarnya tegangan power supply yang diperlukan adalah penjumlahan dari Vpeak, Vsat dan Vr ditambah dengan nilai tegangan 1.2V sebagai tegangan drop di penyearah gelombang penuh.
       
        Vsupply = Vpeak + Vsat + Vripple + 1.2V......................Persamaan 6


6. Menghitung Tegangan Trafo yang diperlukan

Tegangan Trafo yang diperlukan adalah Vsupply dibagi dengan 1.4142, dengan rumus dapat ditulis sbb :

            Vac1 = Vac2 = Vsupply / 1.4142...................................Persamaan 7

Setelah melewati 6 langkah di atas maka anda sudah bisa mengetahui kapasitas trafo yang anda perlukan yaitu sebuah trafo dengan sekunder Vac-0-Vac dengan rating arus sama dengan IL.
Jika anda ingin menggunakan Speaker Protector atau preamp dalam satu casing dengan amplifier ini anda harus  menambahkan gulungan sekunder lain untuk keperluan ini.