14.12 COMPUTER ANALYSIS (Fig 14.43 and Fig 14.44)
Osilator merupakan rangkaian elektronika yang mampu menghasilkan sinyal periodik secara terus-menerus tanpa memerlukan sinyal input eksternal. Prinsip kerja osilator didasarkan pada penggunaan positive feedback (umpan balik positif) yang menyebabkan nilai closed-loop gain menjadi lebih besar dari satu serta memenuhi kondisi fasa tertentu sehingga osilasi dapat terjadi dan dipertahankan. Dengan adanya umpan balik positif tersebut, energi dari sumber catu daya diubah menjadi sinyal AC berbentuk gelombang tertentu, seperti gelombang sinusoidal.
Secara umum, rangkaian osilator terdiri dari amplifier sebagai penguat sinyal, feedback network sebagai jalur umpan balik, dan frequency determining network yang menentukan frekuensi osilasi. Pada osilator sinusoidal, jaringan penentu frekuensi biasanya menggunakan kombinasi kapasitor, induktor, maupun kristal kuarsa untuk menghasilkan frekuensi tertentu yang stabil.
Pada percobaan ini digunakan dua jenis osilator, yaitu Colpitts oscillator dan crystal oscillator. Colpitts oscillator merupakan osilator LC yang menggunakan induktor dan dua kapasitor sebagai rangkaian resonansi. Frekuensi osilasi ditentukan oleh kombinasi nilai induktor dan kapasitor, sedangkan umpan balik positif diperoleh melalui pembagi tegangan kapasitif. Rangkaian ini banyak digunakan pada pembangkit frekuensi tinggi karena mampu menghasilkan gelombang sinusoidal yang stabil.
Selain itu, digunakan juga crystal oscillator yang memanfaatkan kristal kuarsa sebagai penentu frekuensi. Berbeda dengan osilator LC, crystal oscillator memiliki kestabilan frekuensi yang lebih tinggi karena bekerja berdasarkan efek piezoelektrik pada kristal. Oleh sebab itu, crystal oscillator banyak digunakan pada sistem digital, mikrokontroler, dan perangkat komunikasi yang membutuhkan frekuensi presisi.
- Memahami prinsip kerja rangkaian osilator dalam menghasilkan sinyal periodik secara kontinu.
- Mengamati proses pembangkitan gelombang sinusoidal tanpa menggunakan input eksternal.
- Mengetahui fungsi komponen utama seperti op-amp, kapasitor, dan induktor pada rangkaian Colpitts oscillator.
- Menganalisis pengaruh nilai induktor dan kapasitor terhadap frekuensi osilasi yang dihasilkan.
- Mengetahui bentuk gelombang keluaran pada rangkaian Colpitts oscillator menggunakan osiloskop.
- Menerapkan dan mensimulasikan rangkaian Colpitts oscillator menggunakan software Proteus.
1. Software
2. Instrument
a. Oscilloscope
Osiloskop adalah alat ukur elektronik yang digunakan untuk menampilkan dan menganalisis bentuk gelombang sinyal listrik secara visual pada layar dalam bentuk grafik tegangan terhadap waktu.
B. Bahan
1. Operational Amplifier (Op-Amp)
a. Op-Amp LM741
Merupakan salah satu jenis penguat operasional (operational amplifier) yang paling umum digunakan dalam rangkaian elektronika analog.
2. Resistor
Merupakan komponen pasif yang digunakan untuk menghambat arus listrik dalam suatu rangkaian. Nilai resistansi resistor menentukan besar kecilnya arus yang mengalir serta mempengaruhi pembagian tegangan dalam rangkaian. Resistor banyak digunakan dalam berbagai aplikasi elektronika, seperti pengatur arus, pembagi tegangan, dan penentu nilai penguatan pada rangkaian op-amp.
Merupakan komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan muatan listrik dalam bentuk medan listrik. Kapasitor terdiri dari dua pelat konduktor yang dipisahkan oleh bahan isolator (dielektrik).
4. Induktor
Merupakan komponen elektronika pasif yang berfungsi menyimpan energi dalam bentuk medan magnet saat dialiri arus listrik. Komponen ini bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dan digunakan untuk menahan perubahan arus serta pada rangkaian seperti filter dan osilator.
5. Crystal HC49U
Merupakan komponen elektronik berupa kristal kuarsa yang digunakan sebagai osilator untuk menghasilkan frekuensi yang stabil dan presisi. Komponen ini banyak digunakan pada rangkaian seperti clock generator, mikrokontroler, dan sistem komunikasi karena kestabilan frekuensinya yang tinggi.
Merupakan dioda yang dirancang untuk bekerja pada kondisi reverse bias guna menjaga tegangan tetap stabil pada nilai tertentu (sekitar 10 V). Komponen ini sering digunakan sebagai penstabil tegangan dan proteksi rangkaian terhadap tegangan berlebih.
Merupakan sumber tegangan DC yang digunakan untuk menyuplai energi listrik pada rangkaian elektronika. Komponen ini memberikan tegangan tetap sekitar 5 volt dan banyak digunakan pada perangkat kecil seperti mikrokontroler dan rangkaian digital.
8. Ground
Merupakan titik referensi nol volt (0 V) dalam suatu rangkaian listrik atau elektronika. Komponen ini berfungsi sebagai acuan tegangan serta jalur kembali arus dalam rangkaian, sehingga seluruh pengukuran tegangan dilakukan relatif terhadap ground.
1. Colpitts Oscillator
Merupakan salah satu jenis osilator LC
yang digunakan untuk menghasilkan sinyal gelombang sinus dengan frekuensi
tinggi. Osilator ini termasuk dalam kategori feedback oscillator, yaitu
rangkaian yang memanfaatkan umpan balik positif untuk mempertahankan osilasi
tanpa memerlukan sinyal input eksternal.
Prinsip kerja Colpitts oscillator didasarkan pada penggunaan rangkaian tangki (tank circuit) yang terdiri dari satu induktor (L) dan dua kapasitor (C₁ dan C₂) yang disusun secara seri. Kedua kapasitor ini berfungsi sebagai pembagi tegangan yang menentukan besar umpan balik ke input penguat. Kombinasi antara induktor dan kapasitor akan menghasilkan frekuensi resonansi tertentu, yang menjadi frekuensi osilasi dari rangkaian.
Untuk menyederhanakan analisis, dua kapasitor tersebut dapat digantikan dengan kapasitor ekivalen yang dirumuskan sebagai:
Frekuensi osilasi dari rangkaian Colpitts ditentukan oleh nilai induktor dan kapasitor ekivalen, yang dinyatakan dengan persamaan:
Merupakan rangkaian osilator yang menggunakan kristal kuarsa (quartz crystal) sebagai elemen penentu frekuensi. Berbeda dengan osilator LC seperti Colpitts, crystal oscillator memiliki tingkat kestabilan frekuensi yang sangat tinggi karena sifat mekanik dari kristal yang bergetar pada frekuensi tertentu.
Dalam rangkaian, kristal berfungsi sebagai resonator yang menggantikan rangkaian LC. Ketika rangkaian diberi catu daya, kristal akan berosilasi pada frekuensi resonansinya, dan sinyal ini diperkuat oleh komponen aktif seperti transistor atau op-amp untuk menghasilkan output yang kontinu.
Frekuensi osilasi dapat ditentukan dari periode gelombang menggunakan persamaan:
F=1/T
1. Sebuah rangkaian osilator LC menggunakan induktor dengan nilai L = 250mH dan kapasitor C = 100pF. Tentukan frekuensi resonansi (osilasi) yang dihasilkan oleh rangkaian tersebut!
Penyelesaian:
2. Dalam sebuah desain
osilator Jembatan Wien (Wien Bridge), diketahui bahwa faktor umpan balik
β pada frekuensi resonansi adalah 1/3.
a. Berdasarkan kriteria Barkhausen, berapakah penguatan
penguat (A) minimal yang dibutuhkan agar osilasi dapat dimulai?
b. Apa yang terjadi jika penguatan loop (βA) kurang dari 1?
Penyelesaian:
a.Berdasarkan Kriteria Barkhausen, syarat terjadinya osilasi
yang kontinu adalah penguatan loop harus sama dengan 1 Aβ = 1.
Jika β = 1/3, maka:
A ×1/3 = 1
A = 3
Jadi, penguatan minimal yang dibutuhkan adalah 3.
b. Jika penguatan loop kurang dari 1, maka energi
yang hilang di dalam rangkaian tidak sepenuhnya digantikan oleh penguat.
Akibatnya, sinyal osilasi akan meluruh (semakin kecil) dan akhirnya
berhenti sama sekali.
3. Sebuah sistem
penguat memiliki penguatan terbuka (open-loop gain) sebesar A =
100. Jika sistem ini diberikan umpan balik positif dengan faktor umpan balik
β = 0.01:
a. Hitunglah penguatan tertutup (closed-loop gain)
sistem tersebut.
b. Jelaskan secara singkat mengapa umpan balik positif yang
tidak terkendali dapat menyebabkan instabilitas (ketidakstabilan) pada
rangkaian dibandingkan dengan umpan balik negatif.
Penyelesaian:
a.Rumus penguatan dengan feedback positif adalah:
Diketahui A = 100 dan β= 0,01, maka Aβ = 100× 0,01 = 1.
= Tak hingga
Problem 1: Osilator Hartley
Seorang teknisi ingin merancang sebuah osilator Hartley
(salah satu jenis osilator LC) yang bekerja pada frekuensi resonansi f=500kHz.
Jika kapasitor yang tersedia di laboratorium memiliki nilai C=200pF ,
berapakah nilai induktansi total L yang harus digunakan agar rangkaian
dapat berosilasi pada frekuensi yang diinginkan?
Problem 2: Osilator Geser Fasa (Phase-Shift Oscillator)
Dalam sebuah rangkaian osilator geser fasa, jaringan umpan balik (feedback network) memberikan pelemahan sinyal sehingga nilai faktor umpan balik Adalah β=1/29
a. Berapakah penguatan minimum amplifier (A) yang
harus dipenuhi agar osilasi tetap terjadi dan tidak mati?
b. Jika karena panas berlebih penguatan amplifier turun
menjadi A=25 , jelaskan apa yang akan terjadi pada bentuk gelombang
outputnya!
Problem 3: Osilator LC
Sebuah osilator LC menggunakan inductor L=2mH dan
kapasitor C=500nF
a. Hitung frekuensi osilasi awal rangkaian tersebut.
b. Jika nilai kapasitor diganti menjadi dua kali lipat dari nilai semula (Cbaru = 1uF) tentukan apakah frekuensi osilasi akan meningkat atau menurun, serta hitung nilai frekuensi yang baru!
Soal No.1
Sebuah rangkaian osilator LC memiliki nilai induktansi L
= 10 mH dan kapasitansi C = 100 nF. Berapakah frekuensi resonansi
yang dihasilkan? A. 1.592,3 Hz
B. 5.032,9 Hz
C. 15.915,5 Hz
D. 50.329,2 Hz
Jawaban: B
Soal No.2
Apa yang terjadi pada amplitudo osilasi jika penguatan loop
total Aβ diatur tepat bernilai 1 sesuai Kriteria Barkhausen?
A. Amplitudo akan terus meningkat hingga jenuh (saturasi)
B. Amplitudo akan meluruh secara eksponensial hingga nol
C. Amplitudo akan tetap konstan dan stabil
D. Osilasi akan berhenti seketika
Jawaban: C
Soal No.3
Pada osilator LC, jika kita
ingin menaikkan frekuensi osilasi menjadi dua kali lipat dari
frekuensi semula, maka hal yang harus dilakukan pada nilai kapasitor (C)
adalah... A. Mengganti kapasitor dengan nilai 2 kali semula
B. Mengganti kapasitor dengan nilai 4 kali semula
C. Mengganti kapasitor dengan nilai 1/2 kali semula
D. Mengganti kapasitor dengan nilai 1/4 kali semula
Jawaban: D
Buka aplikasi Proteus kemudian buat lembar kerja baru (new project).
Pilih komponen yang diperlukan untuk rangkaian Colpitts Oscillator, seperti op-amp LM741, resistor, kapasitor, induktor, sumber tegangan DC, ground, dan osiloskop.
Susun komponen sesuai dengan gambar rangkaian Colpitts Oscillator (Fig 14.43), kemudian hubungkan setiap komponen menggunakan wire (kabel) sesuai jalur rangkaian.
Atur nilai masing-masing komponen sesuai rangkaian, yaitu resistor feedback RF = 100 kΩ, resistor R2 = 10 kΩ, kapasitor C1 dan C2 = 150 pF, serta induktor L1 = 100 µH.
Hubungkan catu daya op-amp dengan tegangan +9 V dan −9 V serta sambungkan ground pada rangkaian.
Pasang probe voltage atau hubungkan channel osiloskop pada bagian output rangkaian untuk mengamati bentuk gelombang yang dihasilkan.
Atur time base osiloskop pada skala mikrodetik (µs/div) agar gelombang sinusoidal frekuensi tinggi dapat diamati dengan jelas.
Jalankan simulasi kemudian amati bentuk gelombang output pada osiloskop serta analisis frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh rangkaian Colpitts Oscillator.
- Buka aplikasi Proteus kemudian buat lembar kerja baru (new project).
- Pilih komponen yang diperlukan untuk rangkaian Crystal Oscillator, seperti op-amp LM308A/TL081, crystal HC-49/U 5 MHz, resistor, kapasitor, sumber tegangan DC, ground, osiloskop, dan komponen pendukung lainnya.
- Susun komponen sesuai dengan gambar rangkaian Crystal Oscillator (Fig 14.44), kemudian hubungkan setiap komponen menggunakan wire (kabel) sesuai jalur rangkaian.
- Atur nilai masing-masing komponen sesuai rangkaian, seperti resistor 100 kΩ dan 1 kΩ, kapasitor 1 nF, serta crystal 5 MHz.
- Hubungkan catu daya op-amp dengan tegangan +16 V dan −16 V serta sambungkan ground pada rangkaian.
- Pasang probe voltage atau hubungkan channel osiloskop pada bagian output rangkaian untuk mengamati bentuk gelombang yang dihasilkan.
- Atur time base osiloskop pada skala mikrodetik (µs/div) agar gelombang frekuensi tinggi dapat diamati dengan jelas.
- Jalankan simulasi kemudian amati bentuk gelombang output pada osiloskop serta analisis frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh rangkaian Crystal Oscillator.
1. Rangkaian 14.43
Simulasi Fig 14.43
Download Datasheet LM741 [Klik Disini]
Komentar
Posting Komentar