## Penguat Jembatan sebagai Pengganda Daya Penguat

## Budihardja Murtianta
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga budihardja@yahoo.com

## Ringkasan
Penguat  audio  mempunyai  daya  maksimum  tertentu  karena  besar  tegangan  atau  arus keluaran  terbatas  pada  suatu  nilai  tertentu.  Tegangan  keluaran  maksimum  terbatas  pada besar  tegangan catu  dayanya  dan  arus  keluaran maksimum  terbatas pada  batas arus  dari transistor  daya  atau  penguat  operasi  pada  penguat  akhirnya.  Ada  2  cara  untuk memperbesar  daya  keluaran  penguat  akhir  ( power  amplifier )  audio  tersebut,  yaitu memperbesar tegangan keluaran ( bridged modes ) atau memperbesar arus keluaran ( paralleled modes )  penguat  akhir  audio.  Pada  tulisan  ini  akan  dibahas  tentang  memperbesar  daya penguat akhir audio dengan metode jembatan atau bridged modes. Prinsip Penguat Jembatan ini  juga  dikenal  dengan Bridge-Tied  Load (BTL) atau Bridged  Transformerless . Penguat  akhir audio  yang  dipergunakan  adalah  cepis  TDA2050.  Besaran  yang  akan  dilihat  dan  diukur adalah  bati,  masukan,  keluaran  dan  impedansi  penguat  jembatan  dibandingkan  dengan penguat  biasa.  Secara  teoritis  pada  penguat  jembatan  tegangan  keluarannya  bisa ditingkatkan  2x,  maka  dayanya  akan  meningkat  4x  dengan  beban  yang  sama.  Dari  hasil penelitian  penguat    jembatan  menghasilkan  daya  2,5  kali  daya  penguat  tunggal  dan impedansinya meningkat dari 0,52Ω menjadi 0,8Ω.
Kata kunci: bridged modes , penguat jembatan, cepis

## 1.   Pendahuluan
Pada  umumnya  penguat  operasi  dengan  tegangan  catu  daya  ±  15  V  dc  akan menghasilkan ayunan tegangan keluaran sebesar 25 Vpp [1]. Jadi sekitar 5 V dari total tegangan catu daya 30 V akan hilang untuk biasing komponen-komponen dalam cepis. Untuk ayunan tegangan keluaran yang lebih tinggi diperlukan penguat akhir tegangan tinggi  dan  catu  daya  tegangan  tinggi  yang  memerlukan  biaya  beberapa  kali  lipat  dari penguat  operasi  tegangan  lebih  rendah.  Untuk  mengatasi  masalah  tersebut  dapat dipergunakan  penguat  operasi  diferensial  yang  mempunyai  dua  keluaran  dengan masing-masing keluaran saling berbeda fase 180° atau berlawanan fase.
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 1 April 2019 Hal 31 - 38
Gambar 1. Dua keluaran dari keluaran penguat operasi diferensial
Pada Gambar 1 tampak ayunan tegangan keluaran jauh di atas tegangan total catu daya.  Ayunan  tegangan  50  Vpp  dapat  dihasilkan  oleh  keluaran  penguat  diferensial hanya dari tegangan 30V dari catu daya ± 15 V dc. Pada saat bersamaan kedua keluaran tersebut dapat menghasilkan ayunan tegangan 25 Vpp saling berlawanan fase sehingga ayunan tegangan total antara kedua keluaran adalah 50 Vpp.
Dengan  menggunakan  2  buah  cepis  penguat  operasi  dapat  dirangkai  membentuk konfigurasi  Penguat    Jembatan  seperti  pada  Gambar  2.  Masukan  audio  dihubungkan dengan masukan tak membalik pada penguat operasi A1 dan masukan membalik pada penguat  operasi  A2  sehingga  pada  kedua  keluaran  penguat  akan  dihasilkan  ayunan tegangan yang saling berlawana fase sehingga tegangan antara kedua keluaran tersebut dihasilkan ayunan sebesar 2x ayunan tegangan keluaran penguat operasi tunggal.
Gambar 2. Konfigurasi Penguat Jembatan

## 2.   Dasar Teori

## 2.1.   Penguat Operasi
Prinsip dasar yang digunakan dalam melakukan analisis yang disederhanakan untuk rangkaian umpan balik penguat operasi ada dua:
1.  Apabila  umpan  balik  negatip  diberikan  pada  sebuah  penguat  operasi  ideal, tegangan masukan diferensial adalah sama dengan nol.
2.  Tidak  ada  arus  yang  mengalir  pada  kedua  terminal  masukan  dari  sebuah penguat operasi ideal.

## Gambar 3. Dua buah rangkaian umpan balik dasar
Dari  pernyataan  1  tersebut  berarti titik x  pada  Gambar  3a  sama  dengan titik  bumi ( ground )  yang  berarti  impedansi  masukan  penguat  operasi  membalik  ditentukan  oleh besarnya  hambatan R 2 .  Pada Gambar  3b  dari  pernyataan  2  berarti  impedansi  masukan penguat operasi tak membalik adalah besar dan idealnya tak berhingga.
Bati tegangan untuk penguat operasi membalik [2]:
𝐴𝑣 = $% $& =   −𝑅2/𝑅1 (1)
Bati tegangan untuk penguat operasi tak mebalik:
𝐴𝑣 = $% $& = 1 + 𝑅2/𝑅1 (2)
Impedansi  keluaran  penguat  operasi  besarnya  tergantung  konfigurasi  penguat operasi yang terdiri dari umpan balik seri dan umpan balik paralel seperti pada Gambar 4a dan Gambar 4b.
untuk tegangan seri:
𝛽 = 𝑅1/(𝑅1 + 𝑅2) (3)
untuk tegangan parallel:
𝛽 = 𝑅1/(𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅𝑠) (4) Impedansi keluaran: 𝑍𝑐𝑙 = 5% 6789%: (5) Di mana: Zo = impedansi open loop (umumnya = 50 Ω)
Aol = bati open loop Hubungan antara tegangan keluaran penguat dengan beban Z l dan tegangan sumber penguat dengan hambatan keluaran penguat Z O adalah sebagai berikut:
𝐸𝑜 = 5: 5%75: 𝑉𝑜 (6)
Di mana Vo dalam hal ini adalah = – A OL .Ee
Gambar 4a. Umpan balik tegangan seri
Gambar 4b. Umpan balik tegangan paralel

## 2.2.   Perpindahan Daya Maksimum
Perpindahan daya yang dimaksud adalah perpindahan daya dari sumber daya atau penghasil  daya  menuju  ke  beban.  Pada  Gambar  5  ditunjukkan  sumber  daya  dengan tegangan Vg dan impedansi  dalam Zg disalurkan menuju beban dengan impedansi Zl. Perlu diketahui impedansi dalam sumber Zg terdiri dari resistansi Rg dan reaktansi Xg sedang impedansi beban Zl terdiri dari resistansi Rl dan reaktansi Xl.

## Zg Vg                                                              Zl
Gambar 5. Untai setara sumber tegangan dan beban
Adapun syarat agar terjadi pemindahan daya maksimum yaitu [3]:
𝑅𝑙 = 𝑅𝑔 dan 𝑋𝑙 = −𝑋𝑔 (7)

## 2.3.   Keunggulan Penguat Jembatan
Keunggulan penguat jembatan adalah ayunan tegangan keluaran lebih besar dua kali dengan menggunakan tegangan catu daya yang sama.
Karena  dua  penguat  digunakan  dalam  polaritas  yang  berlawanan,  menggunakan catu daya yang sama, tidak perlu untuk menggunakan kapasitor pemblokiran DC antara penguat dan beban. Ini menghemat biaya dan ruang, dan tidak ada pengurangan daya pada frekuensi rendah karena pengaruh kapasitor [4].

## 3.   Perancangan Untai Penguat Jembatan
Penguat operasi yang dipergunakan adalah TDA2050 yang merupakan penguat daya [5]. Berdasarkan komponen yang dipasang seperti Gambar 6, maka akan diperoleh:
a.  Penguat operasi tak membalik pada sisi atas Bati tegangan =   33,35 sesuai Persamaan (2) Hambatan masukan = 22K
Aol menurut data sheet = 80dB
Hambatan keluaran = 0,17 Ω sesuai Persamaan (5) b.  Penguat operasi membalik pada sisi bawah
Bati tegangan = - 1 sesuai Persamaan (1)
Hambatan masukan  = 680 Ω Dalam hal ini masukan sumber audio tidak secara langsung dimasukkan ke masukan membalik  penguat  operasi  sisi  bawah  karena  akan  terbeban  mengingat  hambatan masukan membalik relatip kecil. Sumber audio dimasukkan ke masukan tak membalik penguat  operasi  di  mana  impedansi  masukannya  tinggi  sehingga  tidak  membebani tegangan sumber tersebut. Sedang keluaran penguat operasi sisi atas yang dihubungkan ke  masukan  tak  membalik  penguat  operasi  sisi  bawah  dan  tidak  akan  terbebani mengingat impedansi keluaran sangat kecil dibanding impedansi masukan. Bati penguat operasi membalik sisi bawah adalah 1 dan berfungsi sebagai pembalik fase aja sehingga keluaran penguat operasi atas dan bawah akan berlawanan fasenya.
Gambar 6. Untai Penguat Jembatan

## 4.   Hasil Pengukuran
Untuk kepentingan pengukuran ini penguat audio diberi pelaif untuk mengatur bati antara sinyal masukan dan keluaran, sehingga besarnya tegangan keluaran dapat diatur. Besar  tegangan  isyarat  masukan  adalah  200  mVp.  Frekuensi  isyarat  audio  yang dipergunakan  sebagai  sinyal  tes  adalah  1  kHz.  Hasil  pengukuran  Gambar  7  sampai dengan Gambar 10 dilakukan dengan kondisi tegangan masukan dan bati penguat yang sama.

## Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 1 April 2019 Hal 31 - 38
Gambar 7. Isyarat masukan dan keluaran pada               Gambar 8. Isyarat masukan dan keluaran pada penguat operasi tak membalik penguat operasi membalik
Pada Gambar 7 tampak besar tegangan puncak isyarat keluaran penguat operasi tak membalik adalah 2 kali lebih besar dari tegangan puncak isyarat masukan dan tegangan keluaran sefase dengan tegangan masukan.
Pada  Gambar  8  tampak  besar  tegangan  puncak  isyarat  keluaran  penguat  operasi membalik adalah 2 kali lebih besar dari tegangan puncak isyarat masukan dan tegangan keluaran berlawanan fase dengan tegangan masukan.
Gambar 9. Isyarat keluaran penguat operasi tak            Gambar 10. Isyarat masukan dan keluaran dari membalik dan membalik
penguat jembatan
Pada  Gambar  9  tampak  tegangan  puncak  keluaran  penguat  operasi  tak  membalik dan  penguat  operasi  membalik  adalah  sama  besar  dan  berlawanan  fase.  Tegangan puncak  masukan penguat dibuat sama besar dengan sebelumnya.
Pada  Gambar  10  tampak  tegangan  puncak  keluaran  penguat  jembatan  yaitu tegangan keluaran antara penguat operasi tak membalik dan penguat operasi membalik besarnya 4 kali lebih besar dari tegangan puncak masukan  dan itu berarti 2 kali lebih besar dari tegangan puncak penguat biasa tanpa jembatan.
Gambar 11. Gambar masukan dan keluaran penguat tunggal dengan bati ±33 kali
Pada Gambar 11 tampak besarnya tegangan puncak keluaran adalah 6,6 Vp (3,3DIV x 2V/DIV)  dan  besarnya  tegangan  puncak  masukan  adalah  200  mV  (2DIV  x  0,1V/DIV). Dari hasil tersebut diperoleh bati penguat jembatan adalah 33 kali.
Gambar 12. Gambar masukan dan keluaran penguat jembatan dengan bati ±66 kali
Pada Gambar 12 tampak besarnya tegangan puncak keluaran adalah 6,6 Vp (3,3DIV x 2V/DIV)  dan  besarnya  tegangan  puncak  masukan  adalah  100  mV  (1DIV  x  0,1V/DIV). Dari hasil tersebut diperoleh bati penguat jembatan adalah 66 kali.
Tabel 1. Tegangan keluaran penguat Tanpa Beban Penguat Operasi Tunggal Penguat Jembatan Vo (Volt) 4 4 Beban R = 10 Ω Penguat Operasi Tunggal Penguat Jembatan Vo (Volt) 3,8 3,7
Pada Tabel 1 dapat dilihat hasil pengukuran keluaran penguat dengan menggunakan beban  10  Ω.  Dengan  menggunakan  Persamaan  (6)  akan  diperoleh  besarnya  hambatan keluaran penguat operasi tunggal = 0,52 Ω dan  hambatan keluaran penguat jembatan = 0,8  Ω.  Dengan  demikian  daya  keluaran  penguat  jembatan  tidak  akan  mencapai  4  kali daya penguat tunggal karena impedansi keluaran penguat jembatan lebih besar daripada penguat tunggal.
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 1 April 2019 Hal 31 - 38

## 5.   Kesimpulan
Dari hasil percobaan dan pengukuran pada untai penguat jembatan ini dapat ditarik kesimpulan  sebagai  berikut:  Penguat  jembatan  yang  terdiri  dari  dua  penguat  tunggal mempunyai  amplitudo  keluaran  2  kali  lipat,  impedansinya  dari  0,52  Ω  menjadi  0,8  Ω, bati tegangan 2 kali lipat serta daya keluarannya menjadi 2,5 kali.

## Daftar Pustaka
[1]  Graeme, Jerald G, “Application of Operational Amplifier”, McGraw-Hill, 1973.
[2]  Clayton,  George  &  Winder,  Steve,”  Operational  Amplifiers”,  Penerbit  Erlangga,
Jakarta 2005.
[3]  Edminister,  Joseph  A  &  Nahvi,  Mahmood,”Rangkaian  Listrik”  Edisi  ke-4,  Penerbit Erlangga, 2004
[4]  Self, Douglas,”Audio Power Amplifier Design Handbook”,  Fifth Edition, Focal Press, 2009
[5]  Bartlett,  Bruce  (May  1,  2010).  "Amplifier  Power  Master  Class:  Not  All  Ratings  Are Similar".  ProSoundWeb,  https://www.prosoundweb.com/topics/education/amplifier _power_master_class_not_all_ratings_are_similar/, diunduh tanggal 5 Maret 2019