Teori Dasar Pemancar
Di antara keuntungan FM adalah bebas dari pengaruh gangguan udara,
bandwidth (lebar pita) yang lebih besar, dan fidelitas yang tinggi. Jika
dibandingkan dengan sistem AM, maka FM memiliki beberapa keunggulan,
diantaranya :
Lebih tahan noise
Frekuensi yang dialokasikan untuk siaran FM berada diantara 88 – 108
MHz, dimana pada wilayah frekuensi ini secara relatif bebas dari
gangguan baik atmosfir maupun interferensi yang tidak diharapkan.
Jangkauan dari sistem modulasi ini tidak sejauh, jika dibandingkan pada
sistem modulasi AM dimana panjang gelombangnya lebih panjang. Sehingga
noise yang diakibatkan oleh penurunan daya hampir tidak berpengaruh
karena dipancarkan secara LOS (Line Of Sight).
Bandwith yang Lebih Lebar
Saluran siar FM standar menduduki lebih dari sepuluh kali lebar
bandwidth (lebar pita) saluran siar AM. Hal ini disebabkan oleh struktur
sideband nonlinear yang lebih kompleks dengan adanya efek-efek
(deviasi) sehingga memerlukan bandwidth yang lebih lebar dibanding
distribusi linear yang sederhana dari sideband-sideband dalam sistem AM.
Band siar FM terletak pada bagian VHF (Very High Frequency) dari
spektrum frekuensi di mana tersedia bandwidth yang lebih lebar daripada
gelombang dengan panjang medium (MW) pada band siar AM.
Fidelitas Tinggi
Respon yang seragam terhadap frekuensi audio (paling tidak pada
interval 50 Hz sampai 15 KHz), distorsi (harmonik dan intermodulasi)
dengan amplitudo sangat rendah, tingkat noise yang sangat rendah, dan
respon transien yang bagus sangat diperlukan untuk kinerja Hi-Fi yang
baik. Pemakaian saluran FM memberikan respon yang cukup untuk frekuensi
audio dan menyediakan hubungan radio dengan noise rendah. Karakteristik
yang lain hanyalah ditentukan oleh masalah rancangan perangkatnya saja.
Transmisi Stereo
Alokasi saluran yang lebar dan kemampuan FM untuk menyatukan dengan
harmonis beberapa saluran audio pada satu gelombang pembawa,
memungkinkan pengembangan sistem penyiaran stereo yang praktis. Ini
merupakan sebuah cara bagi industri penyiaran untuk memberikan kualitas
reproduksi sebaik atau bahkan lebih baik daripada yang tersedia pada
rekaman atau pita stereo. Munculnya compact disc dan perangkat audio
digital lainnya akan terus mendorong kalangan industri peralatan dan
teknisi siaran lebih jauh untuk memperbaiki kinerja rantai siaran FM
secara keseluruhan.
Hak komunikasi Tambahan
Bandwidth yang lebar pada saluran siar FM juga memungkinkan untuk
memuat dua saluran data atau audio tambahan, sering disebut Subsidiary
Communication Authorization (SCA), bersama dengan transmisi stereo.
Saluran SCA menyediakan sumber penerimaan yang penting bagi kebanyakan
stasiun radio dan sekaligus sebagai media penyediaan jasa digital dan
audio yang berguna untuk khalayak.
Teori Modulasi Frekuensi (FM)
Baik FM (Frekuensi Modulation) maupun PM (Phase Modulation) merupakan
kasus khusus dari modulasi sudut (angular modulation). Dalam sistem
modulasi sudut frekuensi dan fasa dari gelombang pembawa berubah
terhadap waktu menurut fungsi dari sinyal yang dimodulasikan
(ditumpangkan). Misal persamaan gelombang pembawa dirumuskan sebagai
berikut :
Uc = Ac sin (wc + qc)
Dalam modulasi amplitudo (AM) maka nilai ‘Ac’ akan berubah-ubah
menurut fungsi dari sinyal yang ditumpangkan. Sedangkan dalam modulasi
sudut yang diubah-ubah adalah salah satu dari komponen ‘wc + qc’. Jika
yang diubah-ubah adalah komponen ‘wc’ maka disebut Frekuensi Modulation
(FM), dan jika komponen ‘qc’ yang diubah-ubah maka disebut Phase
Modulation (PM).
Jadi dalam sistem FM, sinyal modulasi (yang ditumpangkan) akan
menyebabkan frekuensi dari gelombang pembawa berubah-ubah sesuai
perubahan frekuensi dari sinyal modulasi. Sedangkan pada PM perubahan
dari sinyal modulasi akan merubah fasa dari gelombang pembawa. Hubungan
antara perubahan frekuensi dari gelombang pembawa, perubahan fasa dari
gelombang pembawa, dan frekuensi sinyal modulasi dinyatakan sebagai
indeks modulasi (m) dimana :
m = Perubahan frekuensi (peak to peak Hz) / frekuensi modulasi (Hz)
Dalam siaran FM, gelombang pembawa harus memiliki perubahan frekuensi
yang sesuai dengan amplituda dari sinyal modulasi, tetapi bebas
frekuensi sinyal modulasi yang diatur oleh frekuensi modulator.
Pre-Emphasis
Pre-emphasis dipakai dalam pesawat pemancar untuk mencegah pengaruh
kecacatan pada sinyal terima. Karena iru komponen pre-emphasis
ditempatkan pada awal sebelum sinyal itu sempat masuk pada modulator.
Pengaruh kecacatan itu berasal dari differential gain (DG-penguatan yang
berbeda) dan differential phase (DP-fasa yang berbeda). Pre-emphasis
akan menekan amplitudo dari frekuensi sinyal FM yang lebih rendah pada
input.
Dengan penggunaan alat ini ketidaklinearan (cacat) akibat sifat DG
dan DP dalam transmisi dapat dikurangi. Nantinya di ujung terima pada
demodulator dipasang komponen de-emphasis yang mempunyai fungsi
kebalikan dari pre-emphasis.
Pemancar FM
Tujuan dari pemancar FM adalah untuk merubah satu atau lebih sinyal
input yang berupa frekuensi audio (AF) menjadi gelombang termodulasi
dalam sinyal RF (Radio Frekuensi) yang dimaksudkan sebagai output daya
yang kemudian diumpankan ke sistem antena untuk dipancarkan. Dalam
bentuk sederhana dapat dipisahkan atas modulator FM dan sebuah power
amplifier RF dalam satu unit. Sebenarnya pemancar FM terdiri atas
rangkaian blok subsistem yang memiliki fungsi tersendiri, yaitu:
FM exciter merubah sinyal audio menjadi frekuensi RF yang sudah termodulasi
Intermediate Power Amplifier (IPA) dibutuhkan pada beberapa pemancar
untuk meningkatkan tingkat daya RF agar mampu menghandle final stage
Power Amplifier di tingkat akhir menaikkan power dari sinyal sesuai yang dibutuhkan oleh sistem antena
Catu daya (power supply) merubah input power dari sumber AC menjadi
tegangan dan arus DC atau AC yang dibutuhkan oleh tiap subsistem
Transmitter Control System memonitor, melindungi dan memberikan perintah
bagi tiap subsistem sehingga mereka dapat bekerja sama dan memberikan
hasil yang diinginkan
RF lowpass filter membatasi frekuensi yang tidak diingikan dari output pemancar
Directional coupler yang mengindikasikan bahwa daya sedang dikirimkan atau diterima dari sistem antena
FM Exciter
Jantung dari pemancar siaran FM terletak pada exciter-nya. Fungsi
dari exciter adalah untuk membangkitkan dan memodulasikan gelombang
pembawa dengan satu atau lebih input (mono, stereo, SCA) sesuai dengan
standar FCC. Gelombang pembawa yang telah dimodulasi kemudian diperkuat
oleh wideband amplifier ke level yang dibutuhkan oleh tingkat
berikutnya.
Direct FM merupakan teknik modulasi dimana frekuensi dari oscilator
dapat diubah sesuai dengan tegangan yang digunakan. Seperti halnya
oscilator, disebut voltage tuned oscilator (VTO) dimungkinkan oleh
perkembangan dioda tuning varaktor yang dapat merubah kapasitansi
menurut perubahan tegangan bias reverse (disebut juga voltage controlled
oscillator atau VCO).
Kestabilan frekuensi dari oscillitor direct FM tidak cukup bagus,
untuk itu dibutuhkan automotic frekuensi control system (AFC) yang
menggunakan sebuah kristal oscillator stabil sebagai frekuensi
referensi. Komponen AFC berperan sebagai pengatur frekuensi yang
dibangkitkan oscillator lokal untuk dicatukan ke mixer, sehingga
frekuensi oscillator menjadi stabil.
Penguat Mikropon dengan Kompresor Tingkat Nada Dinamik
Pada rancangan ini transistor BC547C berlaku sebagai penguat awal
sebesar 20 dB untuk sinyal dari mikropon. Tegangan kolektornya mengeset
level tegangan DC untuk input op-amp sebesar kurang lebih setengah dari
tegangan catu.
Output sinyal audio dari op-amp disearahkan oleh diode D1 dan D2 yang
mencatu kapasitor C1 dan C2 berturut-turut positif dan negatif. Beda
tegangan antara C1 dan C2 menimbulkan pembuangan muatan yang melewati
R3, D3, D4, dan R4. Kapasitor C3 dan C4 mempunyai fungsi ganda yaitu
mengurangi riak-riak AC dari arus melalui D3 dan D4 dan menyediakan
pembumian (ground) untuk pembagi tegangan yang terdiri atas R5 dan
impedansi dari dioda D3 dan D4 ( paralel ). Impedansi pada kedua dioda
tersebut bergantung pada besarnya pembuangan muatan oleh kapasitor C1
dan C2 yang melewati kedua dioda ini. Semakin besar arus pada rangkaian
dioda, semakin kecil impedansinya, dan berati semakin kecil pula
tegangan input untuk op-amp pada pin noninverting (positif).
Pada saat sinyal voltase di input op-amp kecil, ketidaklinearitasan
dioda menciptakan distorsi yang kecil, sebesar 2,5 V p-p di output
op-amp.
Pengubah Daya Dengan Metoda Resonansi
Sering kali kita mendengar bahwa dalam sepuluh tahun terakhir telah
terjadi apa yang disebut sebagai revolusi dibidang teknologi Elektronika
Daya. Kemajuan-kemajuan yang telah dicapai dibidang tersebut telah
menghasilkan metoda penyediaan sumber daya DC dan AC yang tidak hanya
menjadi semakin kecil ukurannya, namun juga memiliki kelebihan dalam
efisiensi daya, disamping juga tentunya lebih ringan, lebih murah dan
lebih terpercaya dalam pengoperasiannya. Seperti juga telah kita
ketahui, bahwa alat-alat pengubah daya sangat luas sekali pemakaiannya,
mulai dari aplikasi peralatan elektronika, komputer, telekomunikasi,
transportasi, kendaraan, militer, sampai pada aplikasi ruang angkasa.
Pengubah DC-DC, misalnya, hampir selalu digunakan dalam penyediaan daya
untuk menjalankan semua rangkaian-rangkaian elektronika yang menyertai
piranti aktif. Namun demikian, kemajuan yang dialami dibidang
elektronika daya masih terus menerus diharapkan untuk dapat menjawab
tantangan yang datang dari tingkat kompleksitas sistim elektronika
modern yang semakin tinggi. Sebagai bagian dari jawaban terhadap
tantangan tersebut, dalam tulisan ini, akan dibahas metoda resonansi
yang digunakan pada alat pengubah daya dengan penyakelaran untuk
menghasilkan sistim pengubahan daya yang jauh lebih efisien dari metoda
konvensional.
Secara umum, rangkaian resonansi menyediakan dua keuntungan besar
pada alat pengubah daya. Keuntungan pertama berkaitan dengan
permasalahan kualitas komponen frekuensi keluaran. Rangkaian resonansi
dapat dipakai sebagai sarana penyaring alami dari komponen frekuensi
keluaran yang diinginkan. Tambahan lagi, fungsi penyaring tersebut tetap
terjaga walaupun frekuensi keluaran yang tidak diinginkan tersebut
rendah ataupun sangat dekat dengan frekuensi keluaran yang diinginkan.
Keuntungan kedua yang diperoleh adalah berhubungan dengan aksi
penyakelaran (switching action). Setiap piranti penyakelar daya, dalam
pengoperasian transisinya, akan selalu menghasilkan sejumlah rugi
penyakelaran (switching loss) dalam bentuk panas misalnya. Besarnya rugi
penyakelaran bergantung pada level kapasitas daya yang dikeluarkan pada
saat penyakelaran. Sebagai contoh, piranti penyakelar yang berusaha
untuk mengalirkan arus besar pada saat penyambungan (just turned on),
setelah sebelumnya menahan atau memblokir tegangan tinggi akan
menghasilkan rugi penyakelaran yang juga tinggi. Dengan kata lain, rugi
pada saat penyakelaran Ploss = V@turn-off * I@turn-on, menjadi besar
karena tegangan V@turn-off tinggi dan arus I@turn-on juga tinggi.
Fenomena ini yang dikenal dengan nama Penyakelaran Berdaya Tinggi
(High-Power Switching). Rangkaian resonansi inilah yang kemudian
digunakan untuk mengatasi fenomena merugikan tersebut. Apabila dirancang
dengan benar, maka rangkaian resonansi dapat dimanfaatkan untuk operasi
transisi penyakelaran pada saat piranti penyakelar bertegangan rendah
atau berarus rendah atau malah kedua-duanya. Maka dari itu, aksi
penyakelaran dengan metoda resonansi ini sering disebut dibanyak tulisan
sebagai metoda penyakelaran lembut (Soft Switching). Dengan operasi
penyakelaran resonansi yang sedemikian rupa, maka rugi penyakelaranpun
akan dapat ditekan seminimal mungkin sehingga penyediaan alat pengubah
daya yang jsuh lebih efisien dapat terwujud.
Konsep Metoda Resonansi
Seperti telah disebutkan, rugi penyakelaran terjadi pada saat
transisi penyakelaran berlangsung karena hadirnya tegangan pada dan arus
yang melalui piranti penyakelar. Oleh karena itu jika kita dapat
menihilkan tegangan atau pun arus pada saat transisi tersebut maka, rugi
penyakelaran pun akan dapat dihilangkan. Pada rangkaian seri LC, kita
dapat membuat rangkaiannya ber-resonansi sehingga tegangan dan arus pun
secara otomatis atau alami akan menyebrangi nol dengan tanpa bantuan
piranti penyakelar. Demikian pula dengan rangkaian paralel LC, dapat
dirancang supaya tegangan dan arus dapat menyebrangi nol. Kedua
rangkaian ini lah yang menjadi kunci dari metoda resonansi pada sistim
pengubahan daya.
Sebagai contoh, pada gambar 1(a) terlihat rangkaian half-bridge
dengan dua sumber daya DC, V1 dan V2, yang identik, dengan rangkaian
seri LC didalamnya. Beban resistor R dihubungkan secara seri dengan
rangkaian seri LC. Pada prakteknya, beban R ini sebenarnya terdapat pada
sisi sekunder dari transformer penginsulasi seperti terlihat pada
gambar 1(b). Disamping itu untuk memudahkan analisa, rangkaian penyaring
tidak diperlihatkan pada gambar 1(b). Ada dua piranti penyakelar, S1
and S2, yang umumnya menggunakan MOSFET. Dalam pengoperasiannya, ketika
S1 disambung (turned ON) pertama kalinya pada saat T1, gambar 1(c),
tegangan V1 akan jatuh pada rangkaian seri LC dan beban R. Tegangan yang
jatuh pada beban seharusnya tidak begitu besar sehingga rangkaian
menjadi underdamped dan arus pada rangkaian pun menjadi terosilasi
seperti pada gambar 1(c). Arus tersebut akan mengisi kapasitor C ,
tegangan VC, sampai batas maksimum tegangan positive. Pada saat VC
mencapai maksimum, pada titik T2, arus menjadi nol. Karena keberadaan
dioda D1, setelah arus menjadi nol, kapasitor dengan segera melepas
simpanan energinya sehingga arus pun kembali muncul cuma dengan arah
yang berbeda (arah negatif atau ke kanan). Ini terjadi dari titik T2 ke
T3. Karena arus melewati dioda D1 dan karena penyakelar S1 dihubungkan
secara paralel dengan D1 maka tegangan yang jatuh pada penyakelar S1 pun
akan menjadi sangat kecil, yaitu sebesar drop tegangan maju pada dioda
D1. Maka dari itu, pada perioda T2 sampai T3 inilah penyakelar S1 dapat
di putus (turned off) tanpa rugi penyakelaran yang berarti.
Pengoperasian seperti ini yang kemudian disebut sebagai Penyakelaran
Tegangan Nol (Zero-Voltage Switching). Pada saat penyakelaran S1 pertama
kalinya pada titik T1 kita mendapatkan apa yang disebut sebagai
Penyakelaran Arus Nol (Zero-Current Switching), karena arus pada
rangkaian bermula dari nol. Demikian pula pada saat penyambungan dioda
D1 pada titik T2, terjadi ketika arus melewati nol. Dioda D1 terputus
pada T3 ketika arus rangkaian juga nol, kembali menghasilkan fenomena
zero-current switching. Setelah titik T3, kapasitor telah selesai
menghabiskan semua energinya sehingga arus pada rangkaian pun kembali
menjadi nol.
Arus berikutnya dimulai ketika S2 disambung pada T4. Kembali, operasi
yang serupa berlangsung seperti pada proses penyambungan dan pemutusan
penyakelar S1 sebelum ini. Namun perlu diingat, seperti yang
diilustrasikan pada gambar 1(c), arah arus pada rangkaian segera setelah
S2 disambungkan akan sama dengan arus yang terjadi pada perioda setelah
T2 (ke kanan). Kembali dari T4 ke T5 menunjukan proses pengisian
kapasitor C, dan pada titik T5, tegangan kapasitor VC mancapai maksimum
sehingga arus menjadi nol. Segera setelah T5, kapasitor mulai melepaskan
energinya melalui perantaraan dioda D2 yang memungkinkan arus memutari
rangkaian dengan arah yang berlawanan (ke kiri). Satu perioda
penyakelaran berakhir sampai pada titik T7, dimana penyakelaran S1
berlangsung kembali dan proses yang serupa kembali berjalan. Perlu
diperhatikan bahwa pada metoda resonansi, terdapat dua macam perioda.
Pertama adalah perioda penyakelaran (switching period) yang pada gambar
1(c) terjadi dari titik T1 sampai titik T7. Yang kedua adalah perioda
resonansi, dan ini terjadi dari titik T1 ke T3 atau dari titik T4 ke
titik T6. Selain itu, terdapat selang waktu dimana arus pada rangkaian
tetap nol, seperti dari titik T3 ke T4, dan dari titik T6 ke T7.
Kekosongan dalam kedua selang waktu tersebut terjadi karena perioda
penyakelaran lebih besar dari perioda resonansi. Oleh karena itu, jika
perioda penyakelaran dikecilkan atau dengan kata lain frekuensi
penyakelaran ditinggikan, maka selang waktu yang kosong tersebut akan
semakin pendek. Semakin pendek selang waktu yang kosong, maka semakin
besar tegangan ataupun daya keluaran yang dihasilkan. Dengan cara
demikian, yaitu dengan pengaturan perioda penyakelaran, maka kita dapat
mengatur seberapa banyak tegangan atau daya keluaran yang kita inginkan
pada beban.
Selain dengan cara rangkaian seri LC, alternatif lain untuk metoda
resonansi adalah dengan cara rangkaian paralel LC seperti yang
ditunjukkan pada gambar 3. Pada metoda ini, beban R dihubungkan secara
paralel dengan kapasitor C, namun induktor dan kapasitor tetap dalam
posisi seri. Pada pengoperasiannya, rangkaian paralel tidak berbeda
dengan rangkaian seri. Hanya dalam analisa matematikanya, persamaan
diferensial untuk rangkaian tersebut akan mengubah faktor L/R pada
persamaan (1) menjadi CR, sedangkan frekuensi resonansi w0 tidak
berubah.
Kesimpulan
Pada tulisan ini telah dibahas secara ringkas metoda resonansi pada
sistim pengubahan daya dengan penyakelaran. Pengubahan daya dengan
metoda resonansi dicapai dengan mengkombinasikan topologi pengubahan
daya dengan strategi penyakelaran yang menghasilkan terjadinya transisi
penyakelaran pada saat arus melalui dan/atau tegangan pada penyakelar
tersebut nol. Dengan demikian, rugi penyakelaran yang merupakan salah
satu faktor penghambat utama dalam sistim pengubahan daya dengan metoda
penyakelaran dapat ditekan serendah mungkin atau mendekati nol. Selain
dari itu, tanpa menggunakan metoda resonansi, piranti penyakelar akan
selalu melibatkan tegangan tinggi dan/atau arus tinggi pada saat
transisi penyakelarannya, sehingga tidak hanya mengakibatkan rugi
penyakelaran yang tinggi, namun juga tekanan penyakelaran (switching
stress) berunsurkan dv/dt dan di/dt yang juga tinggi. Oleh karena itu
peranan metoda resonansi ini akan terasa peranannya karena dapat menekan
unsur dv/dt dan di/dt tersebut sehingga pemakaian piranti penyakelar
pun menjadi awet. Tambahan lagi, rugi penyakelaran dan tekanan
penyakelaran pada umumnya meningkat secara linier dengan semakin
tingginya frekuensi penyakelaran yang digunakan. Ini merupakan salah
satu faktor penghambat dalam usaha pemakaian frekuensi tinggi pada
sistim pengubahan daya dimana frekuensi tinggi tersebut sangat
diperlukan untuk meningkatkan kualitas daya keluaran, efisiensi daya,
ukuran serta berat dari piranti pengubah daya. Dengan metoda resonansi
ini pula lah maka permasalahan yang berkaitan dengan frekuensi
penyakelaran yang tinggi dapat teratasi. Ini dirasakan sangat penting,
karena perkembangan piranti penyakelar seperti IGBT, MOSFET, MCT dan
lainnya akan terus menuju tidak hanya kepada peningkatan kemampuan
dayanya tetapi juga pada batas maksimum kemampuan frekuensi
penyakelarannya. Dengan metoda resonansi ini pulalah maka kita dapat
dimungkinkan untuk mengoperasikan piranti penyakelar pada kapasitas
kemampuan frekuensi penyakelarannya semaksimal mungkin.
