Blameless 1200

Beberapa teman saya minta dibuatkan simulasi amplifier kelas AB dengan memakai trafo 55VCT untuk aplikasi audio pro (biasa disebut audio untuk out door atau lapangan) yang mampu dibebani sampai 2 Ohm. Transistor yang dipakai harus yang umum beredar di pasaran, ini artinya saya tidak bisa memakai transistor terbaik yang saya punya! Amplifier tersebut harus sederhana dan memiliki spesifikasi yang cukup baik. Mungkinkah? Berhari-hari saya mikirkan hal ini.

Kemudian saya buat simulasi amplifier dengan topologi Lin atau Blameless yang cara perancangannya sudah dibahas pada artikel sebelumnya. Topologi ini sangat gampang perancangannya dan saya beberapa kali berhasil mengimplementasikan dari simulasi dengan satu kali prototype. Langsung jadi tanpa masalah. Tapi untuk aplikasi audio pro, rangkaian proteksi untuk transistor final merupakan suatu keharusan. Inilah masalahnya, karena semua rangkaian proteksi akan meningkatkan THD (Total Harmonic Distortion). Setelah berpuluh-puluh kali mencoba akhirnya ketemu cara membatasi arus transistor final dengan hanya sedikit kenaikan THD pada beban 2 Ohm ke atas. Masalah kedua adalah beban sekecil 2 Ohm membutuhkan penguatan arus yang sangat tinggi pada bagian output agar THD-nya cukup kecil. Jadi mau tidak mau harus memakai transistor 3 tingkat seperti triple emitter follower atau semacamnya. Namun agar arus biasnya stabil terhadap suhu, konstruksinya cukup sulit untuk diimplementasikan.

Akhirnya simulasi tersebut berhasil saya buat. Schematic-nya ada di bawah ini.

Bagian Output

Bagian output memakai konfigurasi triple emitter follower, yaitu Q13 – Q30. Transistor final, Q17 – Q30 memakai 2SC5200 dan 2SA1943 yang murah. Transistor driver, Q15 dan Q16 juga memakai 2SC5200 dan 2SA1943 karena pertimbangan harganya yang sedikit lebih murah daripada MJE15032 dan MJE15033. Untuk transistor pre-driver, Q13 dan Q14 memakai 2SC4793 dan 2SA1837. Transistor pre-driver dan driver bekerja pada kelas A dan transistor final pada kelas AB. Transistor driver dan final harus dipasang pada pendingin yang sama. Ini berkaitan dengan perancangan bias servo yang akan dibahas selanjutnya. Untuk transistor pre-driver cukup memakai pendingin kecil, tidak memakai pendingin tidak masalah tapi lebih baik memakai pendingin. Transistor pre-diver ini tidak boleh dipasang pada pendingin transistor driver/final. Pendingin utama harus yang sangat besar dan tebal, sebesar-besarnya yang bisa didapatkan dipasaran dan ditambah kipas/fan.

Bias Servo 

Bias servo atau VBE multiplier gunanya menyediakan tegangan bias bagian output. Bias servo ini adalah transistor Q10 yang harus dipasang pada pendingin transistor driver/final. Trimpot R19 untuk mengatur arus bias (arus kolektor transistor final saat tidak ada sinyal) sebesar 65mA masing-masing transistor. Ini akan membuat hangat pendingin yang besar walaupun tanpa sinyal. Koefisien suhu tegangan kolektor-emitor transistor bias servo sebesar -10mV/ᵒC lebih tinggi dari koefisien suhu transistor driver dan final yang sebesar -8,8mV/ᵒC. Hal ini menyebabkan arus bias turun jika suhu pendingin naik. Untuk amplifier berdaya besar, bias seperti ini diinginkan agar transistor final tetap aman walaupun THD akan naik saat suhu pendingin naik. D3 dan D4 menyebabkan arus bias turun jika suhu lingkungan naik.

V/I Limiter

V/I Limiter atau pembatas tegangan dan arus pada transistor final agar transistor final bekerja pada daerah Safe Operating Area (SOA)-nya. Rangkaian proteksi ini dibentuk oleh Q11 dan Q12. Kedua transistor ini akan bekerja jika tegangan basis-emitornya lebih besar dari 0,6V, kemudian melalui D6 dan D7 akan menghubungsingkatkan basis transistor pre-driver ke output amplifier. Dengan adanya V/I limiter ini, masing-masing transistor final arusnya dibatasi maksimal 5A.

Voltage Amplification Stage (VAS)

VAS memakai konfigurasi Hawksford cascode, yaitu Q8 dan Q9. Kaskade (cascode) mengurangi efek Early Voltage dan ketidaklinieran kapasitansi basis-kolektor Q9. Sedangkan Hawksford cascode mengimplementasikan error correction dengan umpan balik referensi tegangan pada basis Q8 ke emitor Q9 sehingga akan menghasilkan THD yang lebih kecil daripada kaskade biasa. Referensi tegangan basis Q8 adalah LED yang berwarna biru yang memiliki tegangan maju sekitar 3,2V (LED warna lain memiliki tegangan maju yang berbeda). Ini menyebabkan tegangan kolektor-emitor Q9 tetap. Beban VAS adalah sumber arus tetap (constant current source) Q7 sebesar 8,3mA. Baik Q7 dan Q8 harus memakai pendingin kecil. Referensi tegangan Q7 dari LED berwarna merah yang memiliki tegangan maju sekitar 1,8V. Sumber arus tetap diperlukan sebagai beban VAS agar impedansi beban VAS tinggi. Jika tidak akan percuma memakai output triple emitter follower.

VAS diberi kompensasi Transitional Miller Compensation (TMC) yaitu C5, C8 dan R12. Jenis kompensasi ini menghasilkan penguatan loop terbuka pada frekuensi tinggi naik dibandingkan kompensasi Miller. Ini menyebabkan THD pada frekuensi tinggi turun. C10 untuk meningkatkan phase margin-nya.

VAS perlu juga diproteksi dengan transistor Q6 yang membatasi arus VAS maksimal sebesar 18mA. Q6 akan bekerja jika V/I limiter bekerja.

Bagian Input

Bagian input dari topologi Lin adalah penguat diferensial atau Long Tail Pair (LTP). Penguat diferensial ini dibentuk oleh transistor Q1 dan Q5. Beban LTP berupa cermin arus Q2 dan Q4 yang memaksa arus kolektor Q1 dan Q5 sama besarnya. Besarnya arus LTP ditentukan oleh sumber arus tetap Q3 sebesar 4,4mA. R7 untuk mengurangi disipasi daya Q3. Karena beban LTP berupa cermin arus, maka diperlukan R4 dan R8 agar penguatannya tidak terlalu tinggi sekaligus meningkatkan slew rate nya. Q1 dan Q5 harus ditempel badannya agar DC offset relatif stabil terhadap suhu.

Hasil Simulasi

Hasil simulasi amplifier ini adalah sebagai berikut:

Phase Margin = 71 derajat.

Gain Margin = 13 dB

THD pada 219 Watt, 8 Ohm, 1kHz = 0.000266%

THD pada 219 Watt, 8 Ohm, 20kHz = 0.000924%

THD pada 879 Watt, 2 Ohm, 1kHz = 0.000260%

THD pada 879 Watt, 2 Ohm, 20kHz = 0.001117%

Slew rate = 67V/µS

PSRR pada 1kHz = 101 dB

Daya maksimal 1220 Watt rms pada 2 Ohm. (Pada prakteknya daya maksimal lebih rendah daripada ini, karena impedansi output power supply pada simulasi dianggao nol).

Grafik Fast Fourier Transform (FFT) pada pengukuran Intermodulation Distortion menggunakan metode CC-IF:

Grafik Power Supply Rejection Ratio (PSRR):

Arus kolektor transistor final, saat V/I limiter bekerja:

Arus kolektor transistor Q11 saat terjadi pembatasan arus transistor finalnya:

Spesifikasi di atas bisa ditandingkan dengan amplifier untuk home audio. Kalau diimplementasikan dengan baik akan hasilnya akan jauh melebihi spesifikasi semua kit amplifier yang pernah saya simulasikan.

Walaupun secara teori amplifier ini bisa dibebani dengan beban serendah 2 Ohm, namun tidak saya sarankan untuk dibebani dengan speaker 2 Ohm. Karena impedansi speaker bukan bersifat resistif murni.

Power Supply

Power supply yang disarankan seperti ini:

Dioda bridge harus dipasang pada pendingin.

Layout Yang Disarankan

Dikarenakan kerumitan rangkaian dan keterbatasan luas PCB, maka saya bikin layout tanpa mengimplementasikan V/I limiter. Schematicnya ada di bawah ini.

R14 diganti menjadi 47K 1 Watt agar arus LED1 menjadi lebih stabil.

Ukuran PCB 342,25mm x 68,89mm.

Q10 dipasang di pendingin utama memakai kabel.

Peringatan

Jangan sekali-sekali mengimplementasikan amplifier ini jika belum pernah membuat PCB dan merakit amplifier. Kesalahan akan berakibat fatal karena tegangan tinggi dan arus yang besar. Jalur-jalur yang mengalirkan arus yang besar harus memiliki luas yang cukup pada PCB, jika tidak jalur tembaga pada PCB bisa terbakar.

Implementasi

Salah seorang teman saya sudah mengimplementasikan Blameless 1200 dengan sedikit modifikasi sebagai berikut:

V/I limiter tidak dipasang, Q7 diganti dengan MJE350 dan Q8 diganti dengan MJE340. Transistor final sebanyak 6 pasang.

Kemudian hasil modifikasinya saya simulasikan sebagai berikut:

Phase Margin = 70 derajat, Gain Margin = 11 dB
THD pada 219W/8Ohm, 1kHz -> 0.000290%
THD pada 219W/8Ohm, 20kHz -> 0.001256%
Slew Rate = 51V/uS

Revisi 20 Januari 2016

Oleh karena ada permasalahan bias servo, maka saya merevisi rancangan ini dengan mengambil bias servo dari Bass Shaker Amplifier yang cukup sederhana. Beberapa bagian juga sedikit dimodifikasi agar kualitasnya lebih meningkat lagi.

Catatan: R9 normalnya akan mendisipasikan daya sebesar 0,35 watt jadi resistor dengan rating 0,5 watt cukup. Namun agar safety-nya lebih tinggi saya sarankan untuk memakai resistor dengan rating 1 watt.

Arus bias sekitar 35 mA.

Hasil simulasi sebgai berikut:

Phase Margin = 70 derajat, Gain Margin = 12 dB
THD pada 219W/8Ohm, 1kHz ->  0.000101%
THD pada 219W/8Ohm, 20kHz -> 0.001854%
Slew Rate = 70V/uS