RANGKAIAN OSILATOR
Banyak sistem elektronik menggunakan rangkaian yang mengubah energi DC menjadi
berbagai bentuk AC yang bermanfaat. Osilator, generator, lonceng elektronika
termasuk kelompok rangkaian ini. Pada penerima radio misalnya, isyarat DC diubah
menjadi isyarat AC frekuensi-tinggi. Osilator juga digunakan untuk menghasilkan
isyarat horizontal dan vertikal untuk mengontrol berkas elektron pada pesawat TV.
Masih banyak lagi penerapan rangkaian ini pada sistem lain seperti kalkulator,
komputer dan transmiter RF.
Kita dapat mengelompokkan osilator berdasarkan metode pengoperasiannya
menjadi dua kelompok, yaitu osilator balikan dan osilator relaksasi. Masing-masing
kelompok memiliki keistimewaan tersendiri.
Pada osilator balikan, sebagian daya keluaran dikembalikan ke masukan yang
miasalnya dengan menggunakan rangkaian LC. Osilator biasanya dioperasikan pada
frekuensi tertentu. Osilator gelombang sinus biasanya termasuk kelompok osilator ini
dengan frekuensi operasi dari beberapa Hz sampai jutaan Hz. Osilator balikan banyak
digunakan pada rangkaian penerima radio dan TV dan pada transmiter.
Osilator relaksasi merespon piranti elektronik dimana akan bekerja pada selang
waktu tertentu kemudian mati untuk periode waktu tertentu. Kondisi pengoperasian ini
berulang secara mandiri dan kontinu. Osilator ini biasanya merespon proses pemuatan
dan pengosongan jaringan RC atau RL. Osilator ini biasanya membangkitkan isyarat
gelombang kotak atau segitiga. Aplikasi osilator ini diantaranya pada generator
penyapu horizontal dan vertikal pada penerima TV. Osilator relaksasi dapat merespon
aplikasi frekuensi-rendah dengan sangat baik.
17.1 Osilator Balikan (Feedback Oscillator)
Kita sering melihat contoh terjadinya balikan pada sistem-suara yang digunakan pada
suatu pertemuan. Jika mikropon terletak terlalu dekat dengan speaker, maka sering
terjadi proses balikan dimana suara dari speaker terambil kembali oleh mikropon
diteruskan ke amplifier menghasilkan dengung. Gambar 17.1 memperlihatkan proses
terjadinya balikan dimaksud. Kondisi ini dikenal dengan balikan mekanik. Terjadinya
balikan pada sistem ini sangat tidak diharapkan, namun sistem balikan pada osilator
sangat diperlukan.
17.1.1 Dasar-dasar Osilator
Diagram blok osilator balikan diperlihatkan pada gambar 17.2. Terlihat osilator
memiliki perangkat penguat, jaringan balikan, rangkaian penentu frekuensi dan catu
daya. Isyarat masukan diperkuat oleh penguat (amplifier) kemudian sebagian isyarat
yang telah diperkuat dikirim kembali ke masukan melalui rangkaian balikan. Isyarat
balikan harus memiliki fase dan nilai yang betul agar terjadi osilasi
Gambar 17.2 Bagian-bagian utama osilator balikan
Gambar 17.3 Rangkaian tangki LC dalam proses pengisian: a) Rangkaian dasar
b) Pengisian dan c) Kapasitor terisi.
17.1.2 Pengoperasian Rangkaian LC
Frekuensi osilator balikan biasanya ditentukan dengan menggunakan jaringan induktorkapasitor
(LC). Jaringan LC sering disebut sebagai “rangkaian tangki”, karena
kemampuannya menampung tegangan AC pada “frekuensi resonansi”.
Untuk melihat bagaimana isyarat AC dapat dihasilkan dari isyarat DC, marilah
kita lihat rangkaian tangki LC seperti terlihat pada gambar 17.3. Pada saat saklar
ditutup sementara (gambar 17.3-a), maka kapasitor akan terisi sebesar tegangan baterai.
Perhatikan arah arus pengisian. Gambar 17.3-c memperlihatkan kapasitor telah secara
penuh termuati.
Selanjutnya akan kita lihat bagaimana rangkaian tangki menghasilkan tegangan
dalam bentuk gelombang sinus. Pertama, kita berasumsi kapasitor pada gambar 17.4-a
telah termuati. Gambar 17.4-b memperlihatkan kapasitor dilucuti melalui induktor.
Arus pelucutan melewati L menyebabkan terjadinya elektromagnet yang membesar di
sekitar induktor. Gambar 17.4-c memperlihatkan kapasitor telah terlucuti berakibat
terjadinya penurunan elektromagnet di sekitar induktor. Ini menyebabkan arus akan
tetap mengalir dalam waktu yang singkat. Gambar 17.4-d memperlihatkan proses
pengisian kapasitor melalui arus induksi dari hasil penurunan
Selanjutnya kapasitor mulai dilucuti lagi melalui L. Perhatikan pada gambar 17.5-e,
arah arus pelucutan berkebalikan dari sebelumnya. Elektromagnet mulai membesar lagi
(polaritas terbalik). Gambar 17.4-f menunjukkan kapasitor telah terlucuti dan termuati
lagi melalui arus induksi (gambar 17.4-g). Demikian seterusnya proses ini akan
berulang dan menghasilkan tegangan AC.
Frekuensi tegangan AC yang dibangkitkan oleh rangkaian tangki akan
tergantung dari harga L dan C yang digunakan. Ini yang disebut sebagai “frekuensi
resonansi” dengan harga
LC
f r p 2
1 = (17.1)
dimana r f adalah frekuensi resonansi dalam hertz (Hz), L adalah induktasi dalam henry
dan C adalah kapasitansi dalam farad. Resonansi terjadi saat reaktansi kapasitif ( ) C X
besarnya sama dengan reaktansi induktif ( ) L X . Rangkaian tangkai akan berosilasi pada
frekuensi ini.
Pada frekuensi osilasi rangkaian tangki LC tentunya memiliki resistaansi yang
akan mengganggu aliran arus pada rangkaian. Akibatnya, tegangan AC akan cenderung
menurun setelah melakukan beberapa putaran osilasi. Gambar 17.5-a memperlihatkan
hasil gelombang rangkaian tangki. Perhatikan bagaimana omplitudo gelombang
mengalami penurunan yang biasa disebut sebagai gelombang sinus teredam (damped
sine wave). Dalam hal ini, rangkaian telah terjadi kehilangan energi yang diubah dalam
bentuk panas.
Osilasi rangkaian tangkai dapat dibuat secara kontinu jika kita menambahkan
energi secara periodik dalam rangkaian. Energi ini akan digunakan untuk mengganti
energi panas yang hilang. Gambar 17.5-b menunjukkan gelombang kontinu
(continuous wave-CW) pada rangkaian tangki yang secara periodik ditambahkan energi
pada rangkaian.
17.1.3 Osilator Armstrong
Osilator Armstrong seperti diperlihatkan pada gambar 17.7 merupakan hasil penerapan
osilator LC. Rangkaian dasar dibuat dengan memberikan panjar maju pada sambungan
emitor-basis dan panjar mundur pada kolektor. Pemberian panjar dilakukan lewat
resistor 3 R . Resistor 1 R dan 2 R berlaku sebagai pembagi tegangan.
Saat awal transistor diberi daya, resistor 1 R dan 2 R membawa transistor ke titik
pengoperasian Q pada bagian tengah garis beban (lihat gambar 17.7-b). Keluaran
transistor (pada kolektor) secara ideal adalah 0 volt. Saat terjadi hantaran arus awal
pada saat dihidupkan, terjadi darau (noise) yang akan terlihat pada kolektor. Namun
biasanya berharga sangat kecil. Misalnya kita mempunyai isyarat -1 mV yang nampak
pada kolektor. Transformator T1 akan membalik tegangan ini dan menurunkannya
dengan faktor 10 (nisbah primer-sekunder 1:10). Isyarat sebesar +0,1 mV akan nampak
pada C1 pada rangkaian basis.
Perhatikan bahwa transistor memiliki b = 100. Dengan +0,1 mV berada pada
basis, 1 Q akan memberikan isyarat keluaran sebesar -10 mV pada kolektor. Perubahan
polaritas dari + ke – pada keluaran akibat adanya karakteristik dasar penguat emitorbersama.
Tegangan keluaran sekali lagi akan mengalami penurunan oleh transformator
dan diberikan pada basis 1 Q . Isyarat kolektor sebesar -10 mV sekarang akan
menyebabkan terjadinya tegangan sebesar + 1 mV pada basis. Melalui penguatan
transistor, tegangan kolektor akan segera menjadi -100 mV. Proses ini akan
berlangsung, menghasilkan tegangan kolektor sebesar -1 V dan akhirnya -10 V. Pada
titik ini, transistor akan membawa garis beban sampai mencapai kejenuhan (perhatikan
daeran ini pada garis beban). Sampai pada titik ini tegangan kolektor tidak akan
berubah.
Dengan tanpa adanya perubahan pada C V pada kumparan primer 1 T , tegangan
pada kumparan sekunder secepatnya akan menjadi nol. Tegangan basis secapatnya
akan kembali pada titik Q. Penurunan tegangan basis ke arah negatif ini (dari jenuh ke
titik Q) membawa C V ke arah positif. Melalui transformator, ini akan nampak sebagai
tegangan ke arah positif pada basis. Proses ini akan berlangsung melewati titik Q
sampai berhenti pada saat titik cutoff dicapai. Transformator selanjutnya akan berhenti
memberikan masukan tegangan ke basis. Transistor segera akan berbalik arah. 1 R dan
2 R menyebabkan tegangan basis naik lagi ke titik Q. Proses ini akan terus berulang:
1 Q akan sampai di titik jenuh – kembali ke titik Q – ke cutoff - kembali ke titik Q.
Dengan demikian tegangan AC akan terjadi pada kumparan sekunder dari
transformator.
Frekuensi osilator Armstrong ditentukan oleh nilai 1 C dan S (nilai induktasi diri
kumparan sekunder) dengan mengikuti persamaan frekuensi resonansi untuk LC.
Perhatikan 1 C dan S membentuk rangkaian tangki dengan mengikutkan sambungan
emitor-basis dari 1 Q dan 1 R .
Keluaran dari osilator Armstrong seperti pada gambar 17.7 dapat diubah dengan
mengatur harga 3 R . Penguatan akan mencapai harga tertinggi dengan memasang 3 R
pada harga optimum. Namun pemasangan 3 R yang terlalu tinggi akan mengakibatkan
terjadinya distorsi, misalnya keluaran akan berupa gelombang kotak karena isyarat
keluaran terpotong.
17.1.4 Osilator Hartley
Osilator Hartley seperti pada gambar 17.8 banyak digunakan pada rangkaian penerima
radio AM dan FM. Frekuensi resonansi ditentukan oleh harga 1 T dan 1 C . Kapasitor
2 C berfungsi sebagai penggandeng AC ke basis 1 Q . Tegangan panjar 1 Q diberikan
oleh resistor 2 R dan 1 R . Kapasitor 4 C sebagai penggandeng variasi tegangan kolektor
dengan bagian bawah 1 T . Kumparan penarik RF ( 1 L ) menahan AC agar tidak ke
pencatu daya. 1 L juga berfungsi sebagai beban rangkaian. 1 Q adalah dari tipe n-p-n
dengan konfigurasi emitor bersama.
Saat daya DC diberikan pada rangkaian, arus mengalir dari bagian negatif dari
sumber lewat 1 R ke emitor. Kolektor dan basis keduanya dihubungkan ke bagian
positif dari CC V . Ini akan memberikan panjar maju pada emitor-basis dan panjar
mundur pada kolektor. Pada awalnya E I , B I dan C I mengalir lewat 1 Q . Dengan C I
mengalir lewat 1 L , tegangan kolektor mengalami penurunan. Tegangan ke arah negatif
ini diberikan pada bagian bawah 1 T oleh kapasitor 4 C . Ini mengakibatkan arus
mengalir pada kumparan bawah. Elektromagnet akan membesar di sekitar kumparan.
Ini akan memotong kumparan bagian atas dan memberikan tegangan positif mengisi
kapasitor 1 C . Tegangan ini juga diberikan pada 1 Q melalui 2 C . 1 Q akhirnya sampai
pada titik jenuh dan mengakibatkan tidak terjadinya perubahan pada C V .
bagian bawah 1 T akan dengan cepat habis dan mengakibatkan terjadinya perubahan
polaritas tegangan pada bagian atas. Keping 1 C bagian atas sekarang menjadi negatif
sedangkan bagian bawah menjadi positif.
Muatan 1 C yang telah terakumulasi akan mulai dilucuti melalui 1 T melalui
proses rangkaian tangki. Tegangan negatif pada bagian atas 1 C menyebabkan 1 Q
berubah ke negatif menuju cutoff. Selanjutnya ini akan mengakibatkan C V membesar
dengan cepat. Tegangan ke arah positif kemudian ditransfer ke bagian bawah 1 T oleh
4 C , memberikan balikan. Tegangan ini akan tertambahkan pada tegangan 1 C .
Perubahan pada C V beragsur-angsur berhenti, dan tidak ada tegangan yang dibalikkan
melalui 4 C . 1 C telah sepenuhnya terlucuti.
kemudian menghilang. 1 C kemudian termuati lagi, dengan bagian bawah berpolaritas
positif dan bagian atas negatif. 1 Q kemudian berkonduksi lagi. Proses ini akan
berulang terus. Rangkaian tangki menghasilkan gelombang kontinu dimana hilangnya
isi tangki dipenuhi lagi melalui balikan.
Sifat khusus osilator Hartley adalah adanya tapped coil. Sejumlah variasi
rangkaian dimungkinkan. Kumparan mungkin dapat dipasang seri dengan kolektor.
Variasi ini biasa disebut sebagai osilator Series-fed Hartley. Rangkaian seperti pada
gambar 17.8 termasuk osilator Shunt-fed Hartley.
17.1.5 Osilator Colpitts
Osilator Colpitts sangat mirip dengan osilator Shunt-fed Hartley. Perbedaan yang
pokok adalah pada bagian rangkaian tangkinya. Pada osilator Colpitts, digunakan dua
kapasitor sebagai pengganti kumparan yang terbagi. Balikan dikembangkan dengan
menggunakan “
ditentukan oleh dua kapasitor terhubung seri dan induktor.
Gambar 17.9 memperlihatkan rangkaian osilator Colpitts. Tegangan panjar
untuk basis diberikan oleh 1 R dan 2 R sedangkan untuk emiitor diberikan oleh 4 R .
Kolektor diberi panjar mundur dengan menghubungkan ke bagian positif dari CC V
melalui 3 R . Resistor ini juga berfungsi sebagai beban kolektor. Transistor
dihubungkan dengan konfigurasi emitor-bersama.
Ketika daya DC diberikan pada rangkaian, arus mengalir dari bagian negatif CC V
melalui R , Q dan R . Arus I yang mengalir melalui R menyebabkan penurunan
tegangan C V dengan harga positif. Tegangan yang berubah ke arah negatif ini
dikenakan ke bagian atas 1 C melalui 3 C . Bagian bawah 2 C bermuatan positif dan
tertambahkan ke tegangan basis dan menaikkan harga B I . Transistor 1 Q akan semakin
berkonduksi sampai pada titik jenuh.
Saat 1 Q sampai pada titik jenuh maka tidak ada lagi kenaikan C I dan perubahan
C V juga akan terhenti. Tidak terdapat balikan ke bagian atas 2 C . 1 C dan 2 C akan
dilucuti lewat 1 L dan selanjutnya
pengosongan tetap berlangsung untuk sesaat. Keping 2 C bagian bawah menjadi
bermuatan negatif dan keping 1 C bagian atas bermuatan positif. Ini akan mengurangi
tegangan maju 1 Q dan C I akan menurun. Harga C V akan mulai naik. Kenaikan ini
akan diupankan kembali ke bagian atas keping 1 C melalui 3 C . 1 C akan bermuatan
lebih positif dan bagian bawah 2 C menjadi lebih negatif. Proses ini terus berlanjut
sampai 1 Q sampai pada titik cutoff.
Saat 1 Q sampai pada titik cutoff, tidak ada arus C I . Tidak ada tegangan balikan
ke 1 C . Gabungan muatan yang terkumpul pada 1 C dan 2 C dilucuti melalui 1 L . Arus
pelucutan mengalir dari bagian bawah 2 C ke bagian atas 1 C . Muatan negatif pada 2 C
secepatnya akan habis dan
mengalir masih terus berlanjut. Keping 2 C bagian bawah menjadi bermuatan positif
dan keping 1 C bagian atas bermuatan negatif. Tegangan positif pada 2 C menarik 1 Q
dari daerah daerah cutoff . Selanjutnya C I akan mulai mengalir lagi dan proses dimulai
lagi dari titik ini. Energi balikan ditambahkan ke rangkaian tangki sesaat pada setiap
adanya perubahan.
Besarnya balikan pada rangkaian osilator Colpitts ditentukan oleh “nisbah
kapasitansi” 1 C dan 2 C . Harga 1 C pada rangkaian ini jauh lebih kecil dibandingkan
dengan 2 C atau 2 1 C C X X > . Tegangan pada 1 C lebih besar dibandingkan pada 2 C .
Dengan membuat 2 C lebih kecil akan diperoleh tegangan balikan yang lebih besar.
Namun dengan menaikkan balikan terlalu tinggi akan mengakibatkan terjadinya
distorsi. Biasanya sekitar 10-50% tegangan kolektor dikembalikan ke rangkaian tangki
sebagai balikan.
Gambar 17.10 Rangaian setara kristal : a) resonansi seri dan b) resonansi paralel.
17.1.6 Osilator Kristal
Kristal osilator digunakan untuk menghasilkan isyarat dengan tingkat kestabilan
frekuensi yang sangat tinggi. Kristal pada osilator ini terbuat dari quartz atau Rochelle
salt dengan kualitas yang baik. Material ini memiliki kemampuan mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik berupa getaran atau sebaliknya. Kemampuan ini lebih
dikenal dengan piezoelectric effect.
Kristal untuk osilator ini dilekatkan di antara dua pelat logam. Kontak dibuat
pada masing-masing permukaan kristal oleh pelat logam ini kemudian diletakkan pada
suatu wadah. Kedua pelat dihubungkan ke rangkaian melalui soket.
Pada osilator ini, kristal berperilaku sebagai rangkaian resonansi seri. Kristal
seolah-olah memiliki induktansi (L), kapasitansi (C) dan resistansi (R). Gambar 17.10-a
memperlihatkan rangkaian setara dari bagian ini. Harga L ditentukan oleh
harga C ditentukan oleh kemampuannya berubah secara mekanik dan R berhubungan
dengan gesekan mekanik.
Rangkaian setara resonansi seri akan berubah jika kristal ditempatkan pada suatu
wadah atau “pemegang”. Kapasitansi akibat adanya keping logam akan terhubung
paralel dengan rangkaian setara kristal. Gambar 17.10-b memperlihatkan rangkaian
setara kristal yang dilekatkan pada pemegang. Jadi pada hal ini kristal memiliki
kemampuan untuk memberikan resonansi paralel dan resonansi seri.
Kristal ini dapat dioperasikan pada rangkaian tangki dengan fungsi sebagai
penghasil frekuensi resonansi paralel. Kristal sendiri dapat dioperasikan sebagai
rangkaian tangki. Jika kristal diletakkan sebagai balikan, ia akan merespon sebagai
piranti penghasil resonansi seri. Kristal sebenarnya merespon sebagai tapis yang tajam.
Ia dapat difungsikan sebagai balikan pada suatu frekuensi tertentu saja. Osilator Hartley
dan Colpitts dapat dimodifikasi dengan memasang kristal ini. Stabilitas osilator akan
meningkat dengan pemasangan kristal. Gambar 17.11 memperlihatkan pemasangan
kristal pada osilator Hartley dan Colpitts.
17.1.7 Osilator Pierce
Osilator Pierce seperti diperlihatkan pada gambar 17.12 menggunakan kristal sebagai
rangkaian tangkinya. Pada osilator ini kristal merespon sebagai rangkaian resonansi
paralel. Jadi osilator ini adalah merupakan modifikasi dari osilator Colpitts.
Pengoperasian osilator Pierce didasarkan pada balikan yang dipasang
kolektor ke basis melalui 1 C dan 2 C . Kedua transistor memberikan kombinasi
pergeseran fase sbesar 180o. Keluaran dari emitor-bersama mengalami pembalikan agar
sefase atau sebagai balikan regeneratif. Nilai 1 C dan 2 C menentukan besarnya
tegangan balikan. Sekitar 10 – 50 % dari keluaran dikirim kembali sebagai balikan
untuk memberikan energi kembali ke kristal. Jika kristal mendapatkan energi yang
tepat, frekuensi resonansi yang dihasilkan akan sangat tajam. Kristal akan bergetar pada
selang frekuensi yang sangat sempit. Keluaran pada frekuensi ini akan sangat stabil.
Namun keluaran osilator Pierce adalah sangat kecil dan kristal dapat mengalami
kerusakan dengan strain mekanik yang terus-menerus.
17.2 Osilator Relaksasi
Osilator ralaksasi utamanya digunakan sebagai pembangkit gelombang sinusosidal.
Gelombang gigi gergaji, gelombang kotak dan variasi bentuk gelombang tak beraturan
termasuk dalam kelas ini. Pada dasarnya pada osilator ini tergantung pada proses
pengosongan-pengisian jaringan kapasitor-resistor. Perubahan tegangan pada jaringan
digunakan untuk mengubah-ubah konduksi piranti elektronik. Untuk pengontrol, pada
osilator dapat digunakan transistor, UJT (uni junction transistors) atau IC (integrated
circuit).
17.2.2 Osilator UJT
Pengisian dan pengosongan kapasitor melalui resistor dapat digunakan untuk
menghasilkan gelombang gergaji. Saklar pengisian dan pengosongan pada rangkaian
gambar 17.13 dan 17.14 dapat diganti dengan saklar elektronik, yaitu dengan
menggunakan transistor atau IC. Rangkaian yang terhubung dengan cara ini
dikelompokkan sebagai osilator relaksasi. Saat piranti berkonduksi disebut “aktif” dan
saat tidak berkonduksi disebut “rileks”. Gelombang gergaji akan terjadi pada ujung
kaki kapasitor.
Pada gambar 17.15 diperlihatkan penggunaan UJT untuk osilator relaksasi.
Jaringan RC terdiri atas 1 R dan 1 C . Sambungan dari jaringan dihubungkan dengan
emitor dari UJT. UJT tidak akan berkonduksi sampai pada harga tegangan tertentu
dicapai. Saat terjadi konduksi sambungan E-B1 menjadi beresistansi rendah. Ini
memberikan proses pengosongan C dengan resistansi rendah. Arus hanya mengalir
lewat 3 R saat UJT berkonduksi. Pada rangkaian ini sebagai 3 R adalah speaker.
Saat awal diberi catu daya, osilator UJT dalam kondisi tidak berkonduksi
Sambungan E- 1 B berpanjar mundur. Dalam waktu singkat muatan pada 1 C akan
terakumulasi (dalam hal ini ukuran waktu adalah C R ´ ). Dengan termuatinya 1 C akan
menyebabkan sambungan E- 1 B menjadi konduktif atau memiliki resistansi rendah.
Selanjutnya terjadi pelucutan 1 C lewat sambungan E- 1 B yang memiliki resistansi
rendah. Ini akan menghilangkan panjar maju pada emitor. UJT selanjutnya menjadi
tidak berkonduksi dan 1 C mulai terisi kembali melalui 1 R . Proses ini secara kontinu
akan berulang.
Osilator UJT dipakai untuk aplikasi yang memerlukan tegangan dengan waktu
kenaikan (rise time) lambat dan waktu jatuh (fall time) cepat. Sambungan E- 1 B dari
UJT memiliki keluaran tipe ini. Antara 1 B dan “tanah” pada UJT menghasilkan pulsa
tajam (spike pulse). Keluaran tipe ini biasanya digunakan untuk rangkaian pengatur
waktu dan rangkaian penghitung. Sebagai kesimpulan osilator UJT sangat stabil dan
akurat untuk konstanta waktu satu atau lebih rendah.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar