CRYSTAL OSCILLATOR
Osilator adalah suatu rangkaian elektronik yang digunakan untuk menghasilkan sinyal periodik secara terus-menerus tanpa memerlukan sinyal masukan eksternal. Sinyal yang dihasilkan dapat berupa gelombang sinus, persegi, segitiga, atau pulsa, tergantung pada jenis dan konfigurasi osilator. Dalam sistem digital, sinyal dari osilator umumnya digunakan sebagai clock generator, sedangkan dalam sistem komunikasi, digunakan sebagai pembawa (carrier) sinyal.
1. Osilator Kristal (Crystal Oscillator)
Salah satu jenis osilator yang dikenal memiliki tingkat kestabilan frekuensi yang sangat tinggi adalah osilator kristal. Rangkaian ini menggunakan kristal kuarsa sebagai elemen resonansi yang berosilasi pada frekuensi tertentu ketika diberikan tegangan. Kristal ini memiliki sifat piezoelektrik, yaitu dapat bergetar secara mekanis saat diberi tegangan listrik, dan menghasilkan sinyal dengan frekuensi yang sangat stabil.
Pada konfigurasi umum, osilator kristal sering dirancang menggunakan op-amp seperti LM833N, yang memberikan penguatan pada sinyal dari kristal untuk mempertahankan osilasi. Keunggulan osilator jenis ini adalah ketahanannya terhadap perubahan suhu, keausan waktu, dan ketidakstabilan tegangan, menjadikannya sangat ideal untuk aplikasi seperti jam digital, komunikasi nirkabel, dan sistem mikroprosesor.
2. Osilator Relaksasi (Relaxation Oscillator)
Berbeda dengan osilator kristal yang menghasilkan gelombang sinusoidal, osilator relaksasi menghasilkan gelombang non-sinusoidal, seperti pulsa atau gelombang gigi gergaji. Prinsip kerja osilator relaksasi didasarkan pada proses pengisian dan pengosongan kapasitor secara berulang melalui resistor, hingga mencapai ambang tegangan tertentu yang kemudian memicu proses pelepasan muatan secara cepat.
Salah satu komponen utama yang digunakan dalam jenis osilator ini adalah UJT (Uni Junction Transistor). UJT memiliki karakteristik switching yang khas, di mana tegangan pada terminal emitter akan memicu konduksi secara tiba-tiba setelah melewati tegangan peak. Ketika ini terjadi, kapasitor yang sebelumnya mengisi akan cepat mengosongkan muatannya, menciptakan denyut tegangan yang tajam dan periodik. Karena karakteristik ini, UJT sangat efektif dalam membangkitkan pulsa dan digunakan dalam rangkaian pemicu (triggering), pewaktu (timing), dan pembangkit sinyal.
1. Memahami cara kerja dasar rangkaian osilator relaksasi yang menggunakan komponen UJT (Uni Junction Transistor).
2. Mengidentifikasi bagaimana perubahan nilai resistor dan kapasitor memengaruhi frekuensi sinyal keluaran pada rangkaian osilator.
3. Melakukan simulasi dan mengobservasi bentuk gelombang output dari berbagai konfigurasi osilator relaksasi menggunakan perangkat lunak Proteus.
4. Memperdalam pemahaman mengenai fungsi UJT sebagai elemen pemicu dalam sistem rangkaian elektronik, baik digital maupun analog.
1.Voltmeter / Multimeter Digital
.jpg)
.jpg)
3. Software Simulasi (misalnya Proteus)
.jpg)
B. BAHAN
1. IC Op-Amp 741
Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.
1. Transistor
Transistor adalah sebuah komponen di dalam elektronika
yang diciptakan dari bahan-bahan semikonduktor dan memiliki tiga buah kaki.
Masing-masing kaki disebut sebagai basis, kolektor, dan emitor.
1. Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan
elektron atau muatan negatif.
2. Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan
negatif untuk keluar dari dalam transistor.
3. Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan
negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.
Berfungsi sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan
penyambung arus (switching), stabilisasi tegangan, dan modulasi
sinyal. Selain itu, transistor biasanya juga dapat digunakan sebagai
saklar dalam rangkaian elektronika. Jika ada arus yang cukup besar di kaki
basis, transistor akan mencapai titik jenuh. Pada titik jenuh ini transistor
mengalirkan arus secara maksimum dari kolektor ke emitor sehingga transistor
seolah-olah short pada hubungan kolektor-emitor. Jika arus base sangat kecil
maka kolektor dan emitor bagaikan saklar yang terbuka. Pada kondisi ini
transistor dalam keadaan cut off sehingga tidak ada arus dari kolektor ke
emitor.
Rumus-rumus transistor:
Spesifikasi :
- Bi-Polar
Transistor
- DC Current
Gain (hFE) is 800 maximum
- Continuous
Collector current (IC) is 100mA
- Emitter Base
Voltage (VBE) is > 0.6V
- Base
Current(IB) is 5mA maximum
Konfigurasi Transistor
Konfigurasi Common Base adalah konfigurasi yang kaki
Basis-nya di-ground-kan dan digunakan bersama untuk INPUT maupun OUTPUT.
Pada Konfigurasi Common Base, sinyal INPUT dimasukan ke Emitor dan sinyal
OUTPUT-nya diambil dari Kolektor, sedangkan kaki Basis-nya di-ground-kan. Oleh
karena itu, Common Base juga sering disebut dengan istilah “Grounded Base”.
Konfigurasi Common Base ini menghasilkan Penguatan Tegangan antara sinyal INPUT
dan sinyal OUTPUT namun tidak menghasilkan penguatan pada arus.
Konfigurasi Common Collector (CC) atau Kolektor
Bersama memiliki sifat dan fungsi yang berlawan dengan Common Base (Basis
Bersama). Kalau pada Common Base menghasilkan penguatan Tegangan tanpa
memperkuat Arus, maka Common Collector ini memiliki fungsi yang dapat
menghasilkan Penguatan Arus namun tidak menghasilkan penguatan Tegangan.
Pada Konfigurasi Common Collector, Input diumpankan ke Basis Transistor
sedangkan Outputnya diperoleh dari Emitor Transistor sedangkan Kolektor-nya
di-ground-kan dan digunakan bersama untuk INPUT maupun OUTPUT. Konfigurasi
Kolektor bersama (Common Collector) ini sering disebut juga dengan Pengikut
Emitor (Emitter Follower) karena tegangan sinyal Output pada Emitor hampir sama
dengan tegangan Input Basis.
Konfigurasi Common Emitter (CE) atau Emitor Bersama
merupakan Konfigurasi Transistor yang paling sering digunakan, terutama pada
penguat yang membutuhkan penguatan Tegangan dan Arus secara bersamaan. Hal ini
dikarenakan Konfigurasi Transistor dengan Common Emitter ini menghasilkan
penguatan Tegangan dan Arus antara sinyal Input dan sinyal Output. Common
Emitter adalah konfigurasi Transistor dimana kaki Emitor Transistor
di-ground-kan dan dipergunakan bersama untuk INPUT dan OUTPUT. Pada Konfigurasi
Common Emitter ini, sinyal INPUT dimasukan ke Basis dan sinyal OUTPUT-nya
diperoleh dari kaki Kolektor.
2. Dioda
Spesifikasi
Dioda adalah komponen yang terbuat dari bahan
semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu
arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Sebuah Dioda dibuat
dengan menggabungkan dua bahan semi-konduktor tipe-P dan semi-konduktor tipe-N.
Ketika dua bahan ini digabungkan, terbentuk lapisan kecil lain di antaranya
yang disebut depletion layer. Ini karena lapisan tipe-P memiliki hole berlebih
dan lapisan tipe-N memiliki elektron berlebih dan keduanya mencoba berdifusi satu
sama lain membentuk penghambat resistansi tinggi antara kedua bahan seperti
pada gambar di bawah ini. Lapisan penyumbatan ini disebut depletion layer.
Ketika tegangan positif diterapkan ke Anoda dan
tegangan negatif diterapkan ke Katoda, dioda dikatakan dalam kondisi bias maju.
Selama keadaan ini tegangan positif akan memompa lebih banyak hole ke daerah
tipe-P dan tegangan negatif akan memompa lebih banyak elektron ke daerah tipe-N
yang menyebabkan depletion layer hilang sehingga arus mengalir dari Anoda ke
Katoda. Tegangan minimum yang diperlukan untuk membuat dioda bias maju disebut
forward breakdown voltage.
Jika tegangan negatif diterapkan ke anoda dan tegangan
positif diterapkan ke katoda, dioda dikatakan dalam kondisi bias terbalik.
Selama keadaan ini tegangan negatif akan memompa lebih banyak elektron ke
material tipe-P dan material tipe-N akan mendapatkan lebih banyak hole dari
tegangan positif yang membuat depletion layer lebih besar dan dengan demikian
tidak memungkinkan arus mengalir melaluinya. Kondisi ini hanya terjadi pada
dioda yang ideal, kenyataannya arus yang kecil tetap dapat mengalir pada bias terbalik
dioda.
Dioda dapat dibagi menjadi beberapa jenis:
1. Dioda Penyearah (Dioda Biasa atau Dioda Bridge)
yang berfungsi sebagai penyearah arus AC ke arus DC.
2. Dioda Zener yang berfungsi sebagai pengaman
rangkaian dan juga sebagai penstabil tegangan.
3. Dioda LED yang berfungsi sebagai lampu Indikator
ataupun lampu penerangan.
4. Dioda Photo yang berfungsi sebagai sensor cahaya.
5. Dioda Schottky yang berfungsi sebagai Pengendali.
Untuk menentukan arus zenner berlaku persamaan:
Keterangan:
Pada grafik terlihat bahwa pada tegangan dibawah
ambang batas tegangan mundur (reverse) sebuah dioda akan tembus (menghantar)
dan tidak bisa menahan lagi. Batas ini disebut dengan area tegangan breakdown
dioda. Kondisi dioda pada area ini adalah tembus atau menghantar dan tidak
menghambat. Kemudian pada level tegangan diantara tegangan breakdown dan
tegangan forward terdapat area tegangan reverse dan tegangan cut off. Pada area
ini kondisi dioda adalah menahan atau tidak mengalirkan arus listrik.
3. Resistor
Resistor merupakan salah satu komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk membatasi arus yang mengalir pada suatu rangkaian dan berfungsi sebagai terminal antara dua komponen elektronika.Tegangan pada suatu resistor sebanding dengan arus yang melewatinya (V=IR).Cara menghitung nilai resistor dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Cara menghitung resistansi pada resistor:
Pita atau gelang ke-1 menunjukkan nilai atau angka pada digit pertama, begitu pula pada gelang ke dua. Masing-masing warna pada pita memiliki nilai yang berbeda
Pita ke-3 menunjukkan jumlah angka 0 di belakang digit ke 2 atau dikalikan dengan 10^n, yang dimana n merupakan nilai pada warna pita ke 3
Pita ke-4 menunjukkan nilai toleransi dari resistor
Contoh :
Pita ke-1 : Coklat = 1
Pita ke-2 : Hitam = 0
Pita ke-3 : Hijau = 5 nol di belakang angka pita ke-2, atau dikalikan 105
Pita ke-4 : Perak = Toleransi 10%
Maka nilai resistor tersebut adalah 10×105 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%
4. Crystal Oscillator
Osilator kristal adalah rangkaian elektronik yang menghasilkan sinyal osilasi dengan frekuensi yang sangat stabil dan presisi tinggi, menggunakan kristal kuarsa sebagai elemen utama penentu frekuensi. Kristal kuarsa bekerja berdasarkan efek piezoelektrik, yaitu kemampuan bahan tertentu (seperti kuarsa) untuk menghasilkan tegangan listrik saat dikenai tekanan mekanik, dan sebaliknya, berosilasi secara mekanis saat dialiri arus listrik.
Kristal kuarsa dalam osilator berperan seperti resonator, yaitu komponen yang hanya memungkinkan frekuensi tertentu untuk bertahan dan diperkuat dalam rangkaian. Karena kristal memiliki kualitas resonansi (Q-factor) yang sangat tinggi, frekuensi osilasinya sangat tajam dan stabil, serta sangat sedikit terpengaruh oleh perubahan suhu, tegangan, atau beban.
Dalam praktiknya, kristal biasanya digunakan dalam rangkaian osilator berbasis transistor atau op-amp (seperti LM833N), yang menyediakan penguatan dan umpan balik positif untuk mempertahankan osilasi. Salah satu konfigurasi umum adalah Pierce oscillator, Colpitts, atau Wien-Bridge, yang dimodifikasi agar dapat menggunakan kristal sebagai penentu frekuensi.
Rangkaian 14.36 merupakan osilator kristal yang menggunakan op-amp sebagai penguat, di mana kristal kuarsa berfungsi sebagai elemen frekuensi yang sangat stabil. Kristal dipasang pada jalur umpan balik op-amp bersama dengan komponen resistor dan kapasitor yang menentukan titik kerja osilasi. Saat op-amp mendapatkan tegangan awal, penguatan dan umpan balik positif dari kristal akan menyebabkan terbentuknya osilasi pada frekuensi resonansi kristal. Karena kristal memiliki faktor kualitas (Q) yang sangat tinggi, frekuensi osilasi yang dihasilkan akan sangat stabil dan akurat. Osilator ini biasanya digunakan dalam rangkaian jam, mikrokontroler, atau sistem digital lainnya yang membutuhkan ketelitian waktu.
Sementara itu, rangkaian 14.37 dan 14.39 merupakan osilator yang menggunakan unijunction transistor (UJT). Pada rangkaian 14.37, prinsip kerjanya didasarkan pada pengisian dan pengosongan kapasitor melalui resistor. Saat kapasitor terisi hingga mencapai tegangan ambang (peak point voltage) dari UJT, transistor akan menghantarkan dengan cepat, menyebabkan kapasitor membuang muatannya secara tiba-tiba ke beban (biasanya melalui terminal emitter). Proses ini menghasilkan pulsa pendek yang diulang-ulang, membentuk gelombang periodik. Setelah kapasitor kosong, proses pengisian dimulai kembali dan siklus berulang.
Pada rangkaian 14.39, ditampilkan beberapa konfigurasi variasi osilator UJT, tetapi prinsip kerjanya tetap sama, yaitu menghasilkan gelombang periodik berdasarkan kerja siklus pengisian dan pengosongan kapasitor yang dikendalikan oleh karakteristik switching dari UJT. Masing-masing konfigurasi tersebut dapat menghasilkan bentuk gelombang yang berbeda tergantung pada letak beban atau penggunaan transformator pulsa. Frekuensi osilasi pada osilator UJT ditentukan oleh nilai resistor dan kapasitor, serta tegangan karakteristik dari UJT itu sendiri. Rangkaian ini umum digunakan dalam pembangkit pulsa, pewaktu (timer), atau pemicu SCR.
1. Rangkaian 14.36 – Osilator Kristal dengan Op-Amp
Permasalahan utama pada rangkaian ini adalah kegagalan osilasi saat start-up. Jika penguatan total dari op-amp dan elemen umpan balik (termasuk kristal) tidak mencukupi untuk memenuhi kondisi osilasi (loop gain ≥ 1), maka rangkaian tidak akan menghasilkan sinyal sama sekali meskipun kristal sudah dipasang dengan benar.
2. Rangkaian 14.37 – Osilator UJT
Permasalahan yang sering terjadi pada osilator UJT adalah ketidakstabilan frekuensi akibat toleransi komponen. Karena frekuensi osilasi ditentukan oleh nilai resistor (RT) dan kapasitor (CT), perubahan kecil pada nilai komponen akibat suhu atau usia akan menyebabkan frekuensi output menjadi tidak stabil atau meleset dari nilai yang diharapkan.
3. Rangkaian 14.39 – Variasi Osilator UJT
Permasalahan pada variasi rangkaian ini adalah bentuk gelombang output yang tidak konsisten saat beban berubah. Beberapa konfigurasi dalam variasi osilator UJT sangat bergantung pada posisi beban atau transformator pulsa. Jika beban berubah-ubah atau tidak sesuai spesifikasi, maka bentuk pulsa bisa berubah, terdistorsi, atau tidak muncul sama sekali.
1. Apa fungsi utama kristal dalam rangkaian osilator kristal dengan op-amp seperti pada rangkaian 14.36?
a. Menguatkan sinyal input secara linier
b. Mengatur amplitudo sinyal output c. Menstabilkan frekuensi osilasi pada nilai tertentu d. Menyaring komponen DC dari sinyal
Jawaban: c. Menstabilkan frekuensi osilasi pada nilai tertentu
2. Apa yang terjadi ketika tegangan kapasitor dalam rangkaian osilator UJT melebihi tegangan ambang (peak point) UJT?
a. Kapasitor berhenti mengisi dan tidak ada osilasi
b. UJT mulai menghantarkan dan kapasitor melepaskan muatannya
c. Tegangan output berubah menjadi sinusoidal
d. UJT rusak karena kelebihan tegangan
Jawaban: b. UJT mulai menghantarkan dan kapasitor melepaskan muatannya
3. Salah satu masalah utama pada variasi rangkaian osilator UJT seperti pada gambar 14.39 adalah:
a. Output menjadi DC murni tanpa osilasi
b. Transistor selalu dalam kondisi aktif
c. Bentuk gelombang output tidak konsisten saat beban berubah
d. Frekuensi osilasi terkunci dan tidak bisa diatur
Jawaban: c. Bentuk gelombang output tidak konsisten saat beban berubah
Fig 14.36 Crystal oscillator using an op-amp [Download]
Fig 14.37 Basic unijunction oscillator circuit [Download]
Fig 14.39 Some unijunction oscillator circuit configurations [Download]
Datasheet Resistor [Download]
Datasheet Baterai [Download]
Datasheet Op Amp [Download]
Datasheet Voltmeter [Download]
Datasheet Amperemeter [Download]
Datasheet Kapasitor [Download]
Datasheet Transistor [Download]
Komentar
Posting Komentar