Preamp dan Amplifier Tabung : Sebuah Alternatif Bagi Penggemar Dunia Audio

Menilik dari artikel sebelumnya. Preamp atau amplifier yang terbuat dari tabung bukanlah hal yang asing lagi bagi para penggemar audio. Bahkan untuk membuat preamp atau amplifier yang terbuat dari tabung tidaklah mudah dan juga tidak murah. Selain itu komponen utamanya, saat ini, tidak terlalu mudah didapatkan di pasaran bebas. Biasanya komponen tube hanya bisa didapatkan dari luar negeri atau dari suatu komunitas amplifier tube dengan tukar tambah atau barter, karena saya belum ketemu toko yang menjual tube amplifier ini.

Saat ini, memang, preamp atau amplifier yang terbuat dari tabung tidaklah populer lagi jika dibandingkan pada saat belum ditemukannya semikonduktor. Tetapi saat ini preamp ataupun amplifier yang terbuat dari tabung masih digunakan pada pemancar RF yang dayanya besar, sekitar 10Kwatt dan pada frekuensi diatas 50 MHz. Hal ini disebabkan karena alasan biaya dan effisiensi.

Pada penggunaan transistor sebagai RF amplifier dengan daya yang besar akan membutuhkan transistor semikonduktor dalam jumlah besar yang diparalel sehingga biaya untuk pembuatannya menjadi tidak lebih murah jika menggunakan transistor tabung. Selain itu juga diperlukan logam pendingin yang tidak kecil untuk mencegah transistor ‘over heat’ karena disipasi daya yang besar.

RF amplifier yang terbuat dari transistor semikonduktor hanya akan effisien jika dioperasikan pada pemancar yang memiliki daya tidak terlalu besar dan frekuansi yang tidak terlalu tinggi.

Perbandingan Tabung dan Semikonduktor

Jika dibuat sebuah perbandingan pada karakteristik tabung dengan transistor semikonduktor maka transistor tabung mempunyai daerah linear yang lebih lebar dari pada transistor semikonduktor. Hal ini akan menyebabkan kualitas suara yang dihasilkan oleh preamp tabung akan lebih jernih (tanpa cacat yang dikarenakan tidak linearnya karakteristik) daripada kualitas suara yang dihasilkan oleh transistor semikonduktor.

Gambar 1
Vacuum Tube

Dalam penggunaan daya, amplifier yang terbuat dari tabung akan menggunakan daya yang lebih besar dari pada amplifier yang menggunakan transistor solid state (semikonduktor). Hal ini disebabkan adanya ‘plate’ yang harus dipanaskan agar sebuah transistor tabung dapat bekerja dengan baik. Filamen pemanas ini membutuhkan daya tambahan selain daya untuk memperkuat sinyal. Jadi secara garis besar, daya yang dibutuhkan agar sebuah transistor tabung dapat bekerja akan menggunakan daya yang lebih besar dari pada sebuah amplifier yang menggunakan transistor solid state pada daya output yang sama.

Penggunaan Vacuum Tube

Seperti telah diungkapkan sebelumnya bahwa saat ini vacuum tube masih sering digunakan pada pemancar RF dengan daya yang besar. Selain itu vacuum tube ini juga masih diminati oleh para penggemar gitar. Penguat depan gitar yang dibuat dari vacuum tube lebih disukai karena karakteristik suara yang dihasilkan oleh vacuum tube tidak dapat dihasilkan oleh transistor solid state.

Kejernihan suara dan karakteristik ‘dumping’ speaker pada amplifier tabung pentoda, serta output transformator yang digunakan untuk me-‘matching’-kan antara output amplifier dan speaker merupakan suatu keunikan dan sangat sulit untuk dibuat dengan menggunakan amplifier solid state. Dalam hal ini dengan mempunyai karakteristik yang sama.

High End audio saat ini mulai ada kecenderungan untuk kembali menggunakan vacuum tube sebagai preamp maupun amplifiernya. Kecederungan ini mulai tampak dengan adanya produk preamp atau amplifier, yang menggunakan vacuum tube sebagai komponen utamanya, mulai masuk pada pasaran umum.

Keterbatasan dari high end audio yang menggunakan vacuum tube adalah tidak sebaik high end audio solid state dalam hal kontrol dan displaynya. Bahkan efek DSP pada high end audio yang dibuat dari vacuum tube tidak akan dapat diwujudkan.

Struktur Vacuum Tube

Vacuum tube bekerja atas dasar konsep lompatan elektron yang terjadi anatara katoda, yang dipanaskan dan anoda. Katoda yang dipanaskan ini akan memberikan energi tambahan bagi elektron yang akan melompat ke anoda. Lompatan elektron berasal dari katoda kemudian meleawati ‘grid’ dan kemudian mencapai anoda.

Gris merupakan bagian dari vacuum tube yang berguna untuk membatasi arus yang terjadi karena lompatan arus elektron tersebut. Jumlah grid pada setiap vacuum tube tidak sama. Hal ini tergantung dari arus yang dihasilkan, semakin banyak grid maka arus lompatan elektron yang terjadi akan semakin kecil.

Sehingga dengan pengaturan besar lempengan katoda, grid, dan lempengan katoda dapat dihasilkan suatu penguatan sinyal AC seperti yang terjadi pada sebuah transistor. Jadi dengan input sinyal AC yang kecil didapatkan output sinyal AC yang mempunyai amplitudo lebih besar.

Gambar 2
Struktur Vacuum Tube

Katoda

Saat ini ada dua macam katoda yang digunakan untuk men-generate elektron yang melompat ke anoda.

1. Thoriated Filament. Terbuat dari bahan tungsten (bahan filamen biasa) seperti yang digunakan pada lampu pijar tetapi ditambahkan suatu bahan metal yang jarang yaitu THORIUM. Ketika filamen ini dipanaskan sampai 2400°C maka elektron oada bahan thorium akan mengemisikan/memancarkan elektron. Filamen dengan bahan thorium lebih baik dalam hal menghasilkan elektron dari pada filamen dari bahan tungsten biasa. Selain itu bahan thorium ini mempunyai daya tahan yang lebih lama dan mampu menahan panas yang tinggi serta tegangan tinggi.

2. Oxide-Coated Cathode/Filament. Katoda yang terbuat dari filamen jenis ini dilapisi dengan suatu campuran unsur Barium dan Oksida Strontium. Bahan lain daaari tipe jenis ini adalah filamen yang dilapisi oleh unsur Nickel yang mampu menghasilkan elektron dengan pemanas yang terpisah. Pada katoda dengan jenis filamen seperti ini (coated) agar dapat menghasilkan elektron harus dipanasi namun tidak sepanas katoda yang terbuat dari filamen yang dicampur dengan Thorium. Cukup dengan memanaskan sampai sekitar 1000°C. Pada suhu 1000°C ternyata katoda jenis ini mampu menghasilkan elektron yang lebih banyak dari pada katoda yang terbuat dari jenis filamen yang pertama.

Karena katoda yang terbuat dari lapisan Nickel atau Barium dan Oksida Strontium lebih mudah menghasilkan elektron maka ukuran tabung yang digunakan juga semakin kecil. Effisiensi katoda yang terbuat dari Nickel atau campuran Barium dan Oksida Strontium lebih tinggi dari pada katoda yang menggunakan filamen dengan campuran thorium.

Umur dari katoda ditentukan dari lama emisi pada katoda itu sendiri. Selain itu juga tergantung dari suhu dari vacuum tube dan kemurnian (purity) dari bahan yang digunakan dalam pembuatan katoda tersebut. Umur dari vacuum tube tergantung dari suhu, yang artinya tergantung dari filamen atau tegangan pemanas. Pemanasan yang berlebihan akan mengakibatkan umur vacuum tube akan berkurang. Sedangkan pada pemberian pemanasan yang kurang dari semestinya juga dapat akan mengakibatkan umur dari vacuum tube berkurang terutama katoda yang terbuat dari bahan filamen dengan bahan thorium.

Katoda dengan bahan filamen thorium tergantung pada banyak sedikitnya jumlah difusi unsur thorium pada filamen katoda tersebut. Sedangkan pada katoda yang terbuat dari filamen dengan lapisan Oksida, para peneliti menemukan suatu gejala dimana dengan menurunkan tegangan pemanas sampai 20% akan dapat meningkatkan umur dari vacuum tube tersebut. Penurunan tegangan pemanas sampai dengan 20% ternyata tidak terlalu berpengaruh banyak pada emisi elektron pada katoda.

Tetapi para peneliti tidak menyarankan untuk menurunkan tegangan pemanas filamen pada vacuum tube yang digunakan sebagai power amplifier tetapi boleh dilakukan pada vacuum tube yang berfungsi sebagai ‘small signal amplifier’. Pada umumnya untuk aplikasi small signal digunakan katoda dengan lapisan oksida strontium dan barium (Oxide cathode). Dengan tegangan operasi yang benar (didalam range tegangan) dan pemberian suhu pemanas yang benar maka vacuum tube ini mampu bertahan sampai 100.000 jam bahkan lebih (berbagai sumber, red)

Pada kenyataannya, vacuum tube dengan oksida katoda mempunyai kecenderungan mempunayi umur yang lebih lama dari pada vacuum tube yang terbuat dari filamen dengan campuran thorium. Hal ini disebabkan karena pembuatan lapisan oksida yang benar-benar murni tidaklah mudah. Lapisan oksida strontium dan barium yang ada biasanya masih terdapat ‘impurities’ yang menyebabkan emisi elektron lebi awal sehingga jumlah elektron yang diemisikan lebih banyak. Hal ini mengakibatkan umur vacuum tube lebih pendek.

Begitu pula dengan katoda yang terbuat dengan lapisan Nickel. Pada pembuatannya unsur nickel masih selalu terdapat ‘impurities’ walaupun masih dalam jumlah kecil namun masih tetap berarti dalam mendorong lompatan (emisi) elektron. Rekor mencatat bahwa yang paling lama beroperasi adalah vacum tube dengan katoda yang terbuat dari bahan filamen dengan campuran thorium selama adalah 80.000 jam atau kira-kira 10 tahun. Sebagai perbandingan, vacuum tube dengan katoda terbuat dari lapisan oksida (tipe SV300B) hanya mampu bertahan sampai 4000-10.000 jam sedangkan vacuum tube dengan katoda yang terbuat dari oksida strontium (tipe EL34) hanya mampu bertahan 1500-2000 jam.

Anode (Plate)

Anoda merupakan elektroda yang berfungsi untuk mengeluarkan sinyal yang diperkuat. Karena anoda menerima lompatan/aliran elektron maka anoda dapat naik suhunya/panas. Terutama pada vacuum tube yang berfungsi sebagai power amplifier.

Oleh karena itu disain gelas tabung juga perlu dipikirkan untuk mendisipasi panas yang terjadi di anoda. Selain itu juga dapat didinginkan dengan memberikan ‘ait flow’ disekitar power vacuum tube. Bahkan untuk vacuum tube yang mempnyai daya yang besar didinginkan dengan menggunakan bahan cair dan tabungnya tidak lagi terbuat dari gelas kaca namun terbuat dari keramik.

Pada beberapa macam vacuum tube, anoda terbuat dari bahan grafit. Bahan ini mampu menahan panas yang tinggi dan hanya mengemisikan elektron sangat sedikti ke grid. Karena jika anoda mengemisikan elektron dalam jumlah yang besar maka grid akan ikut panas dan dapat menyebabkan terjadinya kegagalan operasi pada vacuum tube.

Kontrol Grid

Pada tipe vacuum tube glass audio tube, kontrol grid dapat berupa gulungan kawat yang melingkari bahan logam lunak. Biasanya digunakan logam emas dan logam lunaknya digunakan tembaga lunak.

Grid untuk power amplifier yang mempunyai daya yang besar harus mampu mentoleransi peningkatan suhu yang tinggi sehingga grid untuk power yang besar terbuat dari bahan kawat tungsten atau kawat molybdenum yang digulung pada ‘basket form’. Bahkan ada yang menggunakan bahan grafit pada tube yang mempunyai power yang besar.

Dalam melakukan penguatan, yang harus dihindari adalah adanya emisi sekunder. Emisi sekunder ini terjadi disebabkan karena elektron menumbuk permukaan logam yang rata/halus. Jika jumlah secondary electron muncul terlalu banyak dari grid maka akan terjadi kehilangan kontrol pada arus elektron. Kondisi ini menyebabkan jumlah arus yang timbul pada vacuum tube tidak lagi terkontrol sehingga kondisi ini dapat merusak vacuum tube itu sendiri karena jumlah arus yang terlalu besar.

Vacuum tube yang hanya mempunayi satu buah grid dinamakan TRIODE. Tipe yang sering dipakai adalah tipe 12AX7 yang merupakan small signal vacuum tube. Selain itu yang juga sering digunakan pada aplikasi audio adalah 6N1P, 6DJ8/6922, 12AT7, 12AU7, 6CG7, 12BH7, 6SN7 and 6SL7. Untuk tipe power triode, ada dua macam, yaitu tipe dengan gain rendah dan gain tinggi. Untuk gain yang rendah biasanya digunakan pada high end audio amplifier karena mempunyai karakteristik low distortion sedangkan untuk triode yang mempunyai gain yang tinggi biasanya digunakan untuk radio trasnmitter dan power amplifier yang mempunyai daya yang besar. Bahkan triode vacuum tube tidak hanya digunakan pad high end amplifer tetapi juga digunakan pada radar dan perobaan fisika yang melibatkan tegangan dan daya yang besar. Untuk apliksai seperti ini biasanya digunakan vacuum tube triode yang terbuat dari keramik.

Screen Grid

Gambar 3
Screen Grid pada Tetroda

Screen grid tidak dimiliki oleh vakum tube triode tetapi pada vacuum tube jenis tetroda (4 elektroda). Pada vaccum jenis tetroda terdapat 2 buah grid yaitu kontrol grid dan screen grid. Screen grid terletak di antara kontrol grid dan anoda. Screen grid sendiri berfungsi sebagai pemisah antara kontrol grid dengan anoda. Pemisahan ini berfungsi untuk mengurangi efek Miller dengan cara menimbulkan kapasintansi antara grid dan anoda yang semakin besar. Screen grid juga menyebabkan akselerasi elektron semakin cepat sehingga terjadi peningkatan gain yang cepat pula. Screen grid pada power amplifier biasanya memiliki arus yang dapat menyebabkan screen grid panas. Untuk alasan ini, screen grid dibuat dari bahan yang dilapisi oleh grafit. Selain itu screen grid dapat mengurangi emisi secondary sehingga dapat menjaga kontrol grid tetap dingin dan arus tetap terkontrol.

Vacuum tube tetroda masih banyak digunakan pada pemancar TV dengan daya yang besar karena mampu beroperasi pada frekuensi tinggi dan mempunyai effisiensi yang tinggi. Tipe vacuum tube ini tidak banyak digunakan pada aplikasi high end audio karena timbulnya efek ‘kink’. Efek ini timbul karena terjadinya emisi sekunder yang terjadi antara anode dan screen. Hal ini dapat mengakibatkan ketidakstabilan pada sistem jika tidak memperhatikan tata cara pengoperasian tetroda yang benar.

Grid Pada Pentoda

Dengan penambahan grid ketiga maka terbentuklah vacuum tube pentoda. Grid yang ketiga ini berfungsi sebagai supressor grid dan terletak diantara anoda dan screen grid. Fungsi dari grid ini adalah untuk menangkap elektron liar yang terjadi karena emisi sekunder yang terjadi karena pantulan elektron dari grid ke anode. Sehingga pada vacuum tube jenis pentoda tidak dijumpai efek pentoda kink’. Walaupun demikian vacuum tube tetroda dan pentoda menghasilkan distorsi yang lebih besar daripada vacuum tube jenis trioda.

Gambar 4
Grid pada Tabung Pentoda