Fig 14.43

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

6. Download File

1. Pendahuluan[Kembali]

Osilator adalah rangkaian elektronik yang menghasilkan sinyal AC periodik secara mandiri tanpa memerlukan sinyal input eksternal. Dalam percobaan ini, osilator dibangun menggunakan op-amp 741 yang dikombinasikan dengan komponen pasif seperti resistor, kapasitor, dan induktor.

Rangkaian ini menunjukkan karakteristik frekuensi osilasi yang ditentukan oleh konstanta waktu dari jaringan umpan balik yang melibatkan induktor (L) dan kapasitor (C). Op-amp digunakan dalam konfigurasi penguat dengan umpan balik positif untuk menopang osilasi. Sinyal keluaran ditampilkan melalui osiloskop, memperlihatkan bentuk gelombang yang khas dari osilator LC aktif.

2. Tujuan[Kembali]

1.  Mempelajari prinsip kerja osilator berbasis op-amp.

2.  Mengamati pembangkitan sinyal periodik tanpa input eksternal (self-oscillating circuit).

3.  Menganalisis pengaruh komponen L dan C terhadap frekuensi osilasi.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

Software Simulasi Rangkaian

1. Op-Amp IC 741

2. Resistor 10 kΩ (R1)

3. Resistor 100 kΩ (R2)

4. Kapasitor 1 nF (C1 dan C2)

5. Induktor 1 mH (L1)

6. Catu daya ±15 V untuk op-amp

7. Osiloskop (untuk melihat gelombang output)

4. Dasar Teori[Kembali]

1. Osilator

Osilator menghasilkan sinyal periodik (biasanya sinus, segitiga, atau kotak) tanpa masukan eksternal. Osilasi terjadi karena adanya umpan balik positif yang menyebabkan penguatan sinyal secara berulang.

2. Kondisi Osilasi (Kriteria Barkhausen):

Agar suatu sistem dapat berosilasi, harus memenuhi dua syarat:

• Penguatan loop (loop gain) harus sama dengan satu: $\mathrm{\mid }A\beta \mathrm{\mid }=1$

• Fase total dari umpan balik adalah kelipatan 360° (atau 0°)

3. Op-Amp (741)

Op-amp digunakan sebagai penguat sinyal dalam konfigurasi terbuka. Dengan umpan balik dari jaringan LC, op-amp membantu mempertahankan osilasi.

4. Rangkaian LC

Rangkaian LC berfungsi sebagai elemen resonansi. Frekuensi resonansi ditentukan oleh rumus:

$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$$

Dengan $L=1\text{ mH}$, dan $C=1\text{ nF}$, maka frekuensi osilasi idealnya adalah:

$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{(1\times {10}^{-3})(1\times {10}^{-9})}}\approx 159.15\text{ kHz}$$

3 Problem 

Problem 1. Pada rangkaian osilator LC, sebuah induktor $L=1H$ dan kapasitor $C=1\mu F$ digunakan. Jika rangkaian ini harus menghasilkan osilasi, tentukan penguatan loop minimal yang dibutuhkan!

Penyelesaian:
Untuk osilator LC, penguatan loop minimum yang diperlukan adalah 1 (sesuai dengan kriteria Barkhausen).

Frekuensi osilasi untuk osilator LC dihitung dengan rumus:

rumus:

$$f=\frac{1}{2\pi RC}$$

Substitusikan nilai $R=10k\mathrm{\Omega \; dan }$$C=100nF$:

$$f=\frac{1}{2\pi (10\times {10}^3)(100\times {10}^{-9})}$$$$f\approx 159.15\text{Hz}$$

Jadi, frekuensi osilasi adalah sekitar 159.15 Hz.

Problem 2: Menentukan Penguatan Loop dalam Osilator LC

Pada rangkaian osilator LC, sebuah induktor $L=1\mathrm{H\; dan\; kapasitor }$$C=1\mu F$ digunakan. Jika rangkaian ini harus menghasilkan osilasi, tentukan penguatan loop minimal yang dibutuhkan!

Penyelesaian:
Untuk osilator LC, penguatan loop minimum yang diperlukan adalah 1 (sesuai dengan kriteria Barkhausen).

Frekuensi osilasi untuk osilator LC dihitung dengan rumus:

$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\mathrm{C}}}$$

Substitusikan $L=1H$ dan $C=1\mu \mathrm{F:}\mathrm{<br>}\mathrm{<br>}\mathrm{<br>}$

$\mathrm{<span\; class="katex-display"><span\; class="katex"><span\; class="katex-mathml"><math\; display="block"\; xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><annotation\; encoding="application/x-tex"></annotation></semantics></math></span></span></span>}$

Penguatan loop harus memenuhi syarat untuk menghasilkan sinyal yang cukup kuat agar osilasi dapat dipertahankan.

$$

Problem 3: Analisis Pengaruh Feedback Positif dalam Rangkaian Osilator

Sebuah rangkaian osilator menggunakan feedback positif dengan penguatan 

$A=10$. Jika feedback negatif pada sistem tersebut terlalu tinggi, jelaskan apa yang akan terjadi terhadap osilasi!

Penyelesaian:
Jika feedback negatif terlalu tinggi, maka amplitudo osilasi akan berkurang dan akhirnya osilasi bisa terhenti. Pada osilator, feedback positif sangat penting untuk mempertahankan osilasi. Feedback negatif yang terlalu kuat akan merusak kondisi yang diperlukan untuk menghasilkan sinyal periodik yang stabil.

Untuk mempertahankan osilasi, penguatan dan feedback harus diatur sedemikian rupa agar sistem tetap berada dalam keadaan osilasi yang stabil.

Jadi, Feedback dapat digunakan untuk meningkatkan atau menstabilkan performa rangkaian elektronik.Osilator bergantung pada umpan balik positif untuk menghasilkan sinyal periodik tanpa input eksternal.Pemahaman tentang kondisi osilasi (misalnya kriteria Barkhausen) dan pengaruh feedback sangat penting dalam desain rangkaian osilator.

Problem 4: Menjelaskan Cara Kerja PNPN (Thyristor)

Sebuah rangkaian menggunakan Thyristor dengan tegangan anoda 100V dan tegangan gate sebesar 10V. Jika sinyal pemicu diberikan pada terminal gate, jelaskan bagaimana aliran arus terjadi.

Penyelesaian:

• Pada awalnya, ketika tidak ada tegangan pemicu pada gate, thyristor dalam keadaan OFF dan tidak ada arus yang mengalir.

• Ketika tegangan pemicu diberikan pada gate, thyristor berubah menjadi ON dan arus mulai mengalir dari anoda ke katoda.

• Setelah arus mulai mengalir, thyristor tetap ON bahkan jika tegangan pada gate dilepas. Ini terjadi karena efek dari struktur feedback positif antara lapisan P dan N.

• Untuk mematikan thyristor, dibutuhkan kondisi tertentu (misalnya, menurunkan tegangan anoda atau menggunakan pulse reverse voltage).

Problem 5: Perbedaan Antara Triac dan SCR

Sebuah rangkaian pengendalian daya AC menggunakan Triac dan SCR. Jelaskan perbedaan utama antara kedua perangkat tersebut!

Penyelesaian:

• SCR (Silicon Controlled Rectifier): SCR hanya dapat mengalirkan arus dalam satu arah (dari anoda ke katoda) setelah dipicu. SCR tidak dapat mengendalikan arus dalam kedua arah.

  • Aplikasi: Pengendalian daya DC atau satu arah.

• Triac: Triac adalah perangkat dua arah yang dapat mengalirkan arus baik dalam arah positif maupun negatif setelah dipicu. Triac sering digunakan untuk mengendalikan aliran arus AC.

• Aplikasi: Pengendalian daya AC seperti dimmer lampu, kontrol motor AC.

3 Soal Pilihan Ganda

Soal 1: Menghitung Arus pada Rangkaian SCR (Thyristor)

Sebuah rangkaian menggunakan SCR dengan tegangan anoda 120V dan beban resistor $R=10\mathrm{\Omega }$. Jika SCR dalam keadaan ON, berapa besar arus yang mengalir pada beban?

a. 10 V        c. 17 V

b. 12 V        d. 20 V

Penyelesaian:
Jika SCR sudah dalam keadaan ON (terkait dengan prinsip kerja dan karakteristik Thyristor), maka rangkaian ini bertindak seperti sirkuit sederhana dengan resistor.

Menggunakan hukum Ohm:

$$$$

Sebuah rangkaian menggunakan SCR dengan tegangan anoda 120V dan beban resistor $R=10\mathrm{\Omega }$. Jika SCR dalam keadaan ON, berapa besar arus yang mengalir pada beban?

Penyelesaian:
Jika SCR sudah dalam keadaan ON (terkait dengan prinsip kerja dan karakteristik Thyristor), maka rangkaian ini bertindak seperti sirkuit sederhana dengan resistor.

Menggunakan hukum Ohm

I=VR​

Substitusikan nilai-nilai:

$$I=\frac{120V}{10\mathrm{\Omega }}=12A$$

Jadi, arus yang mengalir pada beban adalah 12 A (B)

Soal No.2 Syarat utama terjadinya osilasi dalam suatu osilator menurut kriteria Barkhausen adalah...

A. Gain total < 1 dan pergeseran fasa 0°
B. Gain total = 1 dan pergeseran fasa 180°
C. Gain total ≥ 1 dan pergeseran fasa 0°
D. Gain total = 1 dan pergeseran fasa 360° atau 0°

Jawaban: D

Pembahasan:
Menurut kriteria Barkhausen, syarat terjadinya osilasi adalah:

1. Loop gain (Aβ) = 1

2. Total pergeseran fasa dalam loop tertutup = 0° atau kelipatan 360°
   Kondisi ini membuat sinyal yang diumpan balik tidak saling meniadakan, tetapi justru memperkuat.

Soal No.3 Komponen utama dalam menentukan frekuensi osilasi pada osilator Colpitts adalah...

A. Kombinasi resistor dan kapasitor
B. Dua induktor dalam konfigurasi paralel
C. Dua kapasitor dan satu induktor
D. Satu resistor dan satu dioda zener

Jawaban: C

Pembahasan:
Osilator Colpitts menggunakan dua kapasitor (C1 dan C2) yang disusun seri dan satu induktor (L) untuk membentuk jaringan LC. Frekuensi osilasi ditentukan oleh nilai L, C1, dan C2 sesuai rumus:

$$f = \frac{1}{2\pi\sqrt{L \cdot \frac{C1 \cdot C2}{C1 + C2}}}$$

5. Percobaan[Kembali]

a. Prosedur

1  Persiapan:

• Pasang semua komponen sesuai skematik.
• Hubungkan catu daya ±V (biasanya ±12 V atau ±15 V) ke op-amp.

2  Pengecekan Awal:

• Pastikan tidak ada hubungan pendek.
• Pastikan polaritas op-amp, kapasitor, dan induktor benar (walaupun C1 dan C2 umumnya non-polar).

3  Pengamatan Osilasi:

• Hubungkan osiloskop ke pin output (pin 6 op-amp).
• Nyalakan rangkaian.
• Amati bentuk gelombang sinus pada output.
• Pastikan frekuensi mendekati nilai teoritis:

4  Analisis:

• Pastikan osilasi stabil (tidak terlalu cepat membesar atau mengecil).
• Jika tidak muncul osilasi, sesuaikan nilai R2 untuk menaikkan gain agar lebih dari 1 (misalnya dengan potensiometer).

b. Rangkaian Simulasi Dan Prinsip kerja

Rangkaian Simulasi

14.43

Video Penjelasan

Prinsip Kerja

1  Rangkaian Resonansi:

• C1, C2, dan L1 membentuk jaringan umpan balik frekuensi selektif (resonant feedback network).
• Frekuensi resonansi ditentukan oleh:

            Di mana Ceq adalah kapasitor ekuivalen dari C1 dan C2.

2  Op-Amp Sebagai Penguat:

• Sinyal dari rangkaian LC dikuatkan oleh op-amp.
• R2 dan R1 membentuk loop umpan balik yang menjaga osilasi tetap stabil.
• Jika gain > 1, osilasi akan muncul dan bertahan.

3  Proses Osilasi:

• Osilasi terjadi ketika sinyal dari output op-amp kembali ke input non-inverting (+) dengan fase dan amplitudo yang sesuai.
• Ini menyebabkan osilasi sinusoidal kontinu pada frekuensi resonansi LC.

4  Output:

• Gelombang sinus terlihat pada output (pin 6 op-amp), dan ditampilkan di osiloskop (kanal A, B, C, D).
• Kanal A menunjukkan output utama, kanal lain bisa menampilkan titik-titik dalam rangkaian untuk analisis.

 

6. Download File[Kembali]

File Rangkaian disini

Video Penjelasan disini

Download Datasheet

• Datasheet voltmeter klik disini

• Datasheet transistor klik disini

• Datasheet osiloskop klik disini

• Datasheet dioda klik disini

• Datasheet baterai klik disini

• Datasheet Op- Amp klik disini

• Datasheet resistor klik disini