Blameless Amplifier 270 Watt Untuk Public Address (PA)

Amplifier untuk Public Address (PA) atau untuk musik live (audio pro) memiliki prioritas berbeda dalam merancang spesifikasinya. Prioritas itu umumnya adalah (dari yang tertinggi sampai yang terendah):

1. Efisien
2. Handal terhadap penggunaan yang salah.
3. Tahan terhapap lingkungan yang “ekstrem” seperti suhu tinggi, kelembaban tinggi, sumber listrik yang penuh noise, dan sebagainya.
4. Tahan dioperasikan dalam waktu lama, minimal mampu dioperasikan terus-menerus selama 24 jam.
5. Kualitas suara yang memadai.

Dari prioritas tersebut amplifier kelas D, H, G, dan AB yang dipilih. Proteksi terhadap beban yang terlalu rendah impedansinya termasuk hubungsingkat di keluarannya hampir merupakan suatu keharusan. Memparalel transistor pada OPS (Output Stage) lebih banyak daripada yang diperlukan sering dilakukan agar transistor tersebut lebih dingin saat bekerja. Penggunaan pendingin yang besar dan kipas juga hampir suatu keharusan. Yang terakhir adalah memperoleh kualitas suara yang memadai setelah prioritas lainnya tercapai. Kali ini saya akan memberikan rancangan amplifier PA namun dengan kualitas suara secara teoritis akan melebihi kualitas kit-kit lokal umumnya. Namun ini hanya ide dasar saja untuk menggambarkan bahwa walaupun memakai rangkaian proteksi namun cacat harmonik tidak terlalu naik tinggi, masih lebih kecil daripada cacat harmonik kit-kit lokal yang tidak menggunakan proteksi. Rangakaiannya di bawah ini.

Bagian Input

Amplifier ini menggunakan topologi Lin, sehingga inputnya adalah penguat diferensial atau Long Tail Pair (LTP), yaitu T1 dan T2. Sumber arus bagi LTP didapat dari T3 dan T4, sebesar 4,2mA. Beban LTP menggunakan cermin arus emitter follower augmented (EFA) T5, T6, dan T7. R1 dan R2 untuk menaikkan slew rate namun penguatan tegangan pada LTP berkurang. R3 untuk mengatur tegangan DC offset amplifier ini. Dari LTP diumpankan ke VAS, T8 dan T18 dengan konfigurasi darlington atau biasa disebut beta enchanced VAS. Beban VAS adalah sumber arus T19 sebesar 10,66mA. Basis T19 diambil dari kolektor T4 melalui R16. Kolektor T4 ini tegangannya sekitar 1,3V sehingga sumber arus ini bisa menggunakan satu transitor. Karena T19 dan T19 melepaskan daya sekitar 460mW maka perlu pendingin kecil (pendingin transistor TO-220 yang paling kecil). T9 membatasi arus transistor VAS maksimal 20mA. Jika bagian output terjadi masalah transistor VAS tidak akan rusak.

Bagian Output

Output amplifier ini memakai topologi double emitter follower yang mudah diimplementasikan, yaitu pasangan T12 dan T14 yang paralel dengan T15 dengan T13 dan T16 yang paralel dengan T17. Transistor driver T12 dan T13 bisa diberi pendingin terpisah atau menjadi satu dengan pendingin transistor T14, T15, T16, dan T17. Sebagai penstabil arus kolektor transistor output digunakan Q3 yang harus dipasang di pendingin utama. Arus kolektor transistor output diatur oleh R20 yaitu sebesar 55mA. Transistor output diproteksi oleh T10, T11, D4, D5, D6, D7, R41, R42, R43, R44, dan R45 yang membentuk multiple slope V-I protection. Proteksi ini tidak terpengaruh terhadap tegangan catu daya. Rangkaian ini akan mendeteksi beban amplifier dan membatasi arus transistor output berdasarkan besarnya beban amplifier.

Beban Amplifier	Arus maksimal tiap-tiap transistor output
Hubungsingkat	2 Ampere
1 Ohm	2,7 Ampere
2 Ohm	9 Ampere
3 Ohm ke atas	Proteksi tidak bekerja

Kompensasi

Kompensasi amplifier ini menggunakan Transitional Miller Compensation(TMC). Rangkaiannya terdiri dari C2, C3, dan R22. Kompensasi TMC lebih unggul daripada kompensasi Miller biasa yang menggunakan satu kapasitor. Cacat harmonik pada frekuensi tinggi menjadi berkurang. Phase Margin sebesar 67 derajat dan Gain Margin sebesar 12 dB, jadi amplifier ini stabil.

Spesifikasi

Berdasarkan simulasi didapatkan spesifikasi sebagai berikut:

Total Harmonik Distortion (THD)	Kondisi
0.000456%	1kHz, 110W rms pada 8 Ohm
0.004614%	20kHz, 110W rms pada 8 Ohm
0.000505%	1kHz, 220W rms pada 4 Ohm
0.012291%	20kHz, 220W pada 4 Ohm

Jika tanpa memakai proteksi pada bagian output, THD akan turun sekitar 10 kalinya. Namun THD sebesar ini masih jauh lebih baik dibandingkan amplifier kit-kit lokal. Slew rate amplifier ini sebesar 35V/µS sehingga power bandwidth mencapai 118 kHz. Daya maksimum sebesar 270 Watt rms pada 4 Ohm. Untuk penggunaan speaker 2 Ohm, harus ditambah satu pasang lagi transistor output, namun THD nya akan naik cukup tinggi.  

Update 7 April 2014

R43 dan R44 diganti menjadi 1K2 untuk memperbaiki performa proteksi bagian output. R46 diganti menjadi 100 Ohm agar transistor driver selalu dalam kondisi bias kelas A. Adapun perubahan tersebut menghasilkan performa sebagai berikut.

Beban Amplifier	Arus maksimal tiap-tiap transistor output
Hubungsingkat	2 Ampere
1 Ohm	2,4 Ampere
2 Ohm	4,8 Ampere
3 Ohm	7,2 Ampere

Cacat harmoniknya menjadi sedikit naik.

Total Harmonik Distortion (THD)	Kondisi
0.000354%	1kHz, 110W rms pada 8 Ohm
0.005158%	20kHz, 110W rms pada 8 Ohm
0.000448%	1kHz, 220W rms pada 4 Ohm
0.013220%	20kHz, 220W pada 4 Ohm

Slew rate nya turun menjadi 21V/µS.

Update 9 Februari 2015

Oleh karena adanya pengakuan seseorang pada suatu group di sosial media, bahwa dia sudah berhasil mengimplementasikan amplifier ini dan merasa puas hasilnya, maka saya terdorong untuk meningkatkan kualitasnya. Setelah saya punya beberapa pengalaman dalam mengimplementasikan rancangan dengan slew rate yang tinggi, maka saya memiliki keyakinan kuat bahwa implementasi amplifier dengan slew rate yang tinggi tidak terlalu sulit. Hanya butuh ketelitian dalam pembuatan PCB-nya agar amplifier stabil.

Perbaikan kali ini yang utama pada rangkaian kompensasinya agar slew rate nya meningkat. Juga penggantian transistor driver yang lebih baik yang memiliki fT yang tinggi sehingga THD pada frekuensi tinggi bisa lebih kecil lagi. Pada outputnya diberi proteksi tegangan balik dari speaker yang berupa dioda, karena speaker memiliki induktansi yang cukup besar. Rangkaiannya ada di bawah ini.

Hasil Simulasi

Total Harmonik Distortion (THD)	Kondisi
0.000571%	1kHz, 126W rms pada 8 Ohm
0.001970%	20kHz, 126W rms pada 8 Ohm
0.000555%	1kHz, 252W rms pada 4 Ohm
0.003786%	20kHz, 252W pada 4 Ohm

Phase Margin = 73 derajat

Gain Margin = 10 dB

Slew Rate = 62 V/µS

PSRR pada 1kHz = 89 dB

Layout Yang Disarankan

Update 16 Oktober 2015

Saya perbaiki layout PCB nya seperti ini.

Hasil Implementasi

Teman saya telah berhasil membuat amplifier ini dan mengirimkan fotonya kepada saya untuk di muat di blog ini. Tipe transistor final diganti dengan tipe lain, ternyata arus bias tidak bisa kecil. Setelah R27 diganti dengan resistor 820 Ohm, maka arus bias bisa diatur sebesar spesifikasi yang saya sebutkan di atas.

Review-nya bisa dilihat di group Facebook “DIY Indonesia”.