Menentukan loadline tabung

Artikel ini pernah dimuat di sebuah majalah audio thn 2006-an, mudah2an masih ada gunanya buat yang membaca.

CARA MUDAH BERMAIN TABUNG UNTUK RANGKAIAN AUDIO

Bagi seorang DIYer, terutama yang gemar merakit peralatan audionya sendiri dengan menggunakan tabung hampa, tentunya merupakan suatu kepuasan tersendiri apabila bisa merancang sendiri, bukan sekedar mencontoh rangkaian yang sudah ada dari peralatan audio yang terkenal.

Selain itu, keuntungan lain yang bisa diperoleh jika dapat merancang sendiri adalah DIYer dapat memanfaatkan tabung-tabung yang kurang umum dan jarang digunakan oleh pabrik peralatan audio. Biasanya tabung-tabung seperti ini harganya cukup murah dan seringkali menghasilkan suara yang baik.

Bagi DIYer yang memiliki latar belakang di bidang elektronik, tentunya ini bukan masalah. Tetapi bagi yang tidak, tentunya ini bukan persoalan yang mudah.

Kita bisa saja membaca berbagai macam text book yang ada seperti Radiotron Designer Handbook yang bisa dianggap sebagai textbook yang paling lengkap membahas mengenai tabung. Namun bagi yang awam, baru membaca beberapa halam saja mungkin akan sakit kepala karena akan berhadapan dengan berbagai macam rumus-rumus matematika yang rumit yang akhirnya akan menyurutkan minat untuk belajar.

Apakah tidak ada cara yang lebih mudah ? tentu saja ada !!

Dalam tulisan ini, akan dibahas bagaimana cara menentukan titik operasi sebuah tabung dengan menggunakan datasheet yang ada. Agar lebih mudah dipahami, maka digunakan tabung triode yang mudah dijumpai dipasaran dan yang harganya cukup terjangkau supaya bisa dicoba oleh semua kalangan.

PENTING

Rangkaian yang akan dibahas disini menggunakan tegangan tinggi yang berbahaya. Rangkaian ini aman untuk dibuat apabila faktor keselamatan dan keamanan diutamakan. Beberapa istilah tetap menggunakan bahasa Inggris untuk menghindari kebingungan pembaca karena istilah-istilah tersebut sudah umum digunakan.

TABUNG TRIODE

Merupakan tabung yang paling sederhana, terdiri dari Plate atau Anoda, Katoda, Grid dan Filament atau biasa disebut Indirectly Heated Triode atau disingkat IHT. Pada beberapa tabung tertentu, katoda merangkap juga sebagai filament. Tabung jenis ini biasa disebut juga Directly Heated Triode atau sering disingkat DHT.

Berikut schema dari sebuah tabung triode.

Secara singkat dapat dijelaskan cara kerja tabung triode yaitu saat anoda memiliki tegangan positip, katoda memiliki tegangan yang jauh lebih rendah sehingga memiliki elektron yang jauh lebih banyak dibandingkan anoda. Keadaan seperti ini membuat elektron meloncat dari katoda ke anoda. Besar jumlah elektron yang meloncat tersebut diatur oleh grid. Untuk dapat membuat elektron tersebut meloncat, maka diperlukan energi yang diberikan oleh filament.

Triode voltage – amplifier circuit

Pada gambar 2 dibawah ini merupakan contoh rangkaian yang paling umum dijumpai dalam suatu rangkaian tabung. Rangkaian ini biasa disebut triode voltage – amplifier atau juga ada yang menyebutnya sebagai Grounded Cathode – Amplifier atau Common Cathode - stage.

Keterangan :

B+ = Tegangan

Ra = Resistor Anoda / load

Rg = Resistor Grid

Rk = Resistor Katoda

Ck = kapasitor bypass ( optional )

Sebelum melangkah lebih lanjut, ada baiknya dibahas dahulu tabung yang akan digunakan. Tabung yang akan digunakan adalah 12AU7 atau ECC82 sebagai equivalennya. Tabung ini dipilih karena sangat mudah dicari dan harganyapun relatif terjangkau.

Tabung ini adalah dual triode, dimana dalam satu tabung terdapat 2 buah tabung triode.

Tabung jenis ini bisa digambar sebagai berikut :

Schema dari sebuah tabung triode berikut lokasi pinnya. Urutan pin dibaca dengan kondisi bagian bawah tabung menghadap ke muka

Dari datasheet diketahui beberapa parameter yang diperlukan dalam merancang sebuah rangkaian sebagai berikut :

Plate Dissipation : 2.75 W

Tegangan maksimum pada anoda : 300 V

Arus maksimum : 20 mA

Gm ( S ) : 2.2

Mu ( m ) : 17

R plate ( Rp) : 7700 Ohm

Sekarang, mari kita mulai merancang sebuah rangkaian triode voltage – amplifier.

Metode Loadline

Dalam metode ini, pertama-tama harus ditentukan besarnya nilai Resistor pada anoda ( Ra ). Berdasarkan pengalaman, nilai optimal untuk Ra adalah 2 –3 kali R plate. Rp diketahui 7700 Ohm, jika dipilih Ra sebesar 3 kali Rp, maka akan didapat 23.100 Ohm. Nilai resistor terdekat yang umum dijumpai adalah 22 K Ohm.

Setelah mendapatkan nilai Ra, maka berikutnya kita harus membuat loadline pada kurva plate karakteristik. Rumus yang diperlukan untuk membuat loadline adalah :

V = I R

V : Tegangan

I : Arus

R : Resistan / tahanan

Tegangan yang akan kita gunakan adalah 250 VDC. Gambar berikut adalah kurva plate yang telah dibuat loadlinenya.

Pada Y axis ( mA ), I = 250 / 22K diperoleh hasil 11.3 mA sedangkan pada X axis ( V ), kita bayangkan dengan suplai tegangan 250V dengan arus 0 mA maka tegangan setelah Ra adalah tetap 250V karena tidak adanya beban. Jadi pada kurva plate karakteristik kita dapat menarik garis antara titik 11 mA ada Y axis dan 250 V pada X axis. Garis inilah yang kita sebut sebagai loadline.

Langkah berikutnya, kita menentukan titk operasi dengan memilih tegangan grid sepanjang loadline yang telah kita buat dimana dalam hal ini –6 V. Pada titik ini, maka akan diperoleh titik operasi Va = 150 Volt dan Ia = 4 mA. Dengan data ini, maka kita dapat dengan mudah menentukan besarnya nilai resistor katoda ( Rk ) yaitu : 6 V / 4 mA = 1500 Ohm. Untuk resistor grid ( Rg ) umumnya bisa kita pilih dengan nilai antara 20K – 1M Ohm. Rg ini menentukan besarnya nilai input impedance dan nilai yang dipilih disini adalah 100 K. Khusus untuk resistor anoda, rating yang digunakan harus sesuai. Tegangan yang lewat pada resistor tersebut adalah 250V-150V = 100V yang dikalikan dengan arus yang lewat yaitu 4mA maka akan diperoleh hasil 0.4 watt sehingga penggunaan resistor yang 1 watt sudah cukup. Jangan gunakan yang ½ watt karena terlalu beresiko jika arus yang ditarik ternyata melebihi 4mA. Juga apabila rating yang digunakan terlalu pas, maka resistor tersebut akan menjadi cepat panas dan menurunkan kualitas suara.

Penggunaan kapasitor untuk membypass Rk bukanlah sesuatu yang mutlak. Nilai yang biasa digunakan berkisar antara 47 uF hingga 470 uF. Hanya yang perlu diingat, kapasitor yang digunakan haruslah yang berkualitas tinggi karena jika tidak, kualitas suara yang dihasilkan akan menurun dibanding dengan tidak menggunakan kapasitor ini. Selain itu, penambahan kapasitor akan meningkatkan gain hampir 2 kali lipat.

Dari hasil perhitungan yang sudah dilakukan, maka hasilnya akan seperti pada gambar dibawah ini :

Dari rangkaian pada gambar 5, maka akan diperoleh hasil penguatan ( gain ) yang dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

Dari rumus tersebut dihasilkan gain sebesar (17 x 22000) / (7700 + 22000) = 12.6 kali atau 22 dB.

Output impedance ( Z out ) dapat dihitung dengan rumus dibawah dengan hasil perhitungan sebesar 5,700 Ohm.

Apabila tidak menggunakan kapasitor bypass pada katoda ( Ck ), maka gain atau penguatan yang dihasilkan dapat dihitung dengan rumus :

yang akan menghasilkan penguatan sebesar 6,6 kali atau 16 dB.

Dengan penguatan sebesar 6 kali, maka jika grid diberikan tegangan sinus sebesar 1 V maka akan diperoleh tegangan output sebesar 6V.

Output impedance ( Z out ) dapat dihitung dengan rumus dibawah dengan hasil perhitungan sebesar 13,463 Ohm.

Dari hasil perhitungan diatas dapat diambil kesimpulan bahwa gain / penguatan yang akan dihasilkan oleh rangkaian diatas hasilnya tidak akan pernah melebihi nilai mu ( m ) dari tabung tersebut. Juga dari rumus diatas dapat diambil kesimpulan bahwa semakin besar R anoda yang digunakan, maka gain yang diperoleh akan semakin besar. Para pembaca dapat melakukan perhitungan sendiri dengan membuat loadline baru misalkan dengan menggunakan resistor anoda 47 K atau yang lebih tinggi.

Mungkin tulisan ini masih tidak mudah dipahami, tetapi cobalah dibaca beberapa kali karena anda pasti akan dapat memahaminya. Single Triode voltage-amplifier ini bisa langsung dijadikan preamplifier jika tabung yang digunakan memiliki tahanan anoda yang rendah sehingga output impedancenya ( Z Out ) tidak terlalu tinggi. Salah satu contohnya adalah tabung 12B4. Untuk tabung dengan tahanan plate yang cukup tinggi seperti 12AU7, maka disarankan untuk menambahkan Cathoda Follower untuk menurunkan output impedancenya. Bahkan rangkaian sederhana ini bisa langsung diterapkan untuk merancang bagian input pada sebuah power amplifier. Untuk merancang bagian tabung outputnya, metode loadline ini juga dapat diterapkan, hanya saja mungkin penerapannya sedikit lebih rumit.

Dalam kesempatan lain, akan diterangkan juga mengenai cara merancang Cathoda Follower, bagian output power amplifier dan tentu saja tidak ketinggalan mengenai catu daya. Tentunya kesemua itu akan lebih mudah dipahami apabila penggunaan metode loadline pada rangkaian yang sederhana ini sudah benar-benar dipahami.

Jika ini sudah benar-benar dikuasi, para DIYer tidak perlu lagi kuatir akan harga tabung tertentu yang semakin mahal. Apappun tabungnya, maka kita akan dapat menjadikannya menjadi sebuah peralatan audio yang berkualitas. Mengapa ? karena kita mampu !!

Selamat berkarya,

Banuaji - DIYer