Fig 14.44

[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 kristal adalah rangkaian pembangkit gelombang periodik yang menggunakan kristal kuarsa untuk menentukan frekuensi kerja. Kristal ini memiliki frekuensi resonansi yang sangat stabil dan presisi tinggi, menjadikannya ideal untuk aplikasi waktu dan frekuensi presisi seperti jam, mikrokontroler, dan sistem komunikasi.

Rangkaian ini menggunakan op-amp LM308 sebagai elemen aktif dan kristal HC-49/U sebagai resonator. Sinyal keluaran dari op-amp menunjukkan bentuk gelombang yang stabil, dengan frekuensi ditentukan oleh karakteristik resonansi kristal dan jaringan RC yang menyertainya.

2. Tujuan[Kembali]

1. Mempelajari prinsip kerja osilator kristal menggunakan op-amp.

2. Mengamati kestabilan frekuensi output dari osilator kristal.

3. Menganalisis peran komponen kristal (X1) dalam menentukan frekuensi kerja rangkaian.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

Software Simulasi Rangkaian

1. Op-Amp LM308

2. Kristal HC-49/U 

3. Resistor:

• R1 = 1 kΩ
• 
• R2 = 100 kΩ
• 
  
  
  
  
• R3 = 100 kΩ
• 

4. Kapasitor C1 = 1 nF

5. Dioda D1 dan D2

6. Osiloskop (untuk mengamati gelombang output)

7. Catu daya ±15 V

4. Dasar Teori[Kembali]

1. Osilator Kristal

Kristal kuarsa bekerja berdasarkan efek piezoelektrik, di mana kristal berosilasi pada frekuensi tertentu saat diberi tegangan. Osilator kristal memanfaatkan resonansi ini untuk menghasilkan frekuensi yang sangat stabil.

2. Konfigurasi Op-Amp

Op-amp LM308 dikonfigurasikan sebagai penguat tak membalik dengan umpan balik melalui kristal dan kapasitor. Umpan balik ini mempertahankan osilasi dengan frekuensi yang ditentukan oleh kristal.

3. Jaringan RC dan Kristal

• Kristal (X1): HC-49/U, biasanya berfrekuensi 8 MHz atau 4 MHz tergantung spesifikasi.

• Kapasitor (C1): Bekerja bersama kristal untuk menyempurnakan frekuensi resonansi.

• R3 (100 kΩ): Memberikan bias pada input non-inverting.

• Dioda D1 dan D2: Berfungsi sebagai pembatas tegangan untuk mencegah output berlebih, menjaga bentuk gelombang agar tetap simetris.

4. Frekuensi Osilasi

Frekuensi osilasi utama ditentukan oleh resonansi kristal, dengan nilai yang sangat presisi, mengikuti persamaan resonansi kristal, bukan dari komponen L dan C secara eksplisit seperti pada osilator LC.

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

11.  . Pemasangan Komponen:

• Susun semua komponen sesuai skema.
• Gunakan kristal HC-49/U sesuai frekuensi yang diinginkan (misalnya 1 MHz, 8 MHz).

2.  Pemberian Catu Daya:

• Hubungkan catu daya ke op-amp (±V sesuai dengan datasheet LM308, misalnya ±15 V).

3.  Pengamatan Output:

• Sambungkan output (pin 6) ke osiloskop.
• Amati bentuk gelombang dan frekuensi.
• Pastikan osilasi terjadi tanpa noise berlebih.

4.  Pengukuran Frekuensi:

• Gunakan fitur pengukuran frekuensi pada osiloskop.
• Bandingkan frekuensi hasil dengan spesifikasi kristal.

5.  Analisa Klipping:

• Periksa apakah dioda D1 dan D2 memotong sinyal pada ±0.7V.
• Jika dioda dilepas, perhatikan bahwa amplitudo output akan lebih tinggi dan bisa distorsi.

b. Rangkaian Simulasi Dan Prinsip kerja

Rangkaian Simulasi

Fig 14.44

Video Rangkaian

Prinsip Kerja

1.      Sinyal Input:

a. Sinyal sinusoidal dari V1 diberikan ke input non-inverting (pin 3) op-amp.

b. Pin inverting (pin 2) terhubung ke ground, artinya level referensi = 0 V.

2.      Fungsi Komparator:

a. Op-amp membandingkan sinyal input dengan level referensi (0 V).

b. Jika tegangan input > 0 V, maka output op-amp menjadi +10 V.

c. Jika tegangan input < 0 V, maka output op-amp menjadi -10 V.

3.      Pengendalian Transistor:

a. Output op-amp masuk ke basis transistor Q1.

b. Ketika output op-amp positif (+10 V), transistor Q1 ON, sehingga arus mengalir dari      +10 V → R1 → kolektor-emitor Q1 → ground.

c. Ketika output op-amp negatif (-10 V), transistor Q1 OFF, tidak ada arus yang                  mengalir ke R1.

4.      Output (R1):

a. Tegangan di R1 akan naik dan turun mengikuti kondisi transistor Q1.

b. Ini menghasilkan bentuk gelombang persegi (digital) sesuai dengan crossing nol dari      sinyal sinus input.

 

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