Chapter 14
Dalam
dunia elektronika, konsep feedback atau umpan balik merupakan salah
satu prinsip dasar yang sangat penting dalam perancangan berbagai rangkaian,
terutama rangkaian penguat dan osilator. Seperti dijelaskan dalam
buku Electronic Devices and Circuit Theory oleh Robert L. Boylestad
dan Louis Nashelsky, feedback adalah proses di mana sebagian sinyal keluaran
suatu sistem dikembalikan ke bagian inputnya. Feedback dapat dibedakan menjadi
dua jenis utama, yaitu feedback negatif yang digunakan untuk meningkatkan
stabilitas dan linearitas penguat, serta feedback positif yang menjadi inti
dari kerja rangkaian osilator.
Pada rangkaian osilator, feedback positif digunakan untuk mempertahankan osilasi, yaitu sinyal keluaran yang berbentuk periodik meskipun tanpa adanya sinyal input eksternal. Agar osilasi dapat terjadi, harus dipenuhi syarat Barkhausen, yaitu penguatan loop (loop gain) harus sama dengan satu dan perubahan fase total dalam loop harus kelipatan 360 derajat. Dengan memenuhi syarat ini, energi yang hilang akibat rugi-rugi dalam rangkaian dapat digantikan secara terus-menerus sehingga osilasi tidak meredam.
- Memahami prinsip kerja rangkaian osilator Colpitts.
- Menjelaskan peran feedback positif dalam menghasilkan osilasi.
- Membedakan karakteristik osilator Colpitts berbasis BJT dan FET.
- Mengidentifikasi fungsi setiap komponen utama dalam rangkaian.
- Menghitung dan menganalisis frekuensi osilasi berdasarkan nilai komponen.
- Menjelaskan syarat terjadinya osilasi (syarat Barkhausen).
- Mengaitkan aplikasi praktis osilator Colpitts dalam bidang elektronika dan komunikasi.
- Melatih kemampuan analisis dan perancangan rangkaian osilator.
Alat
Software Proteus
Bahan
1. Voltmeter
Alat
ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt
2. DC Voltage
Komponen
yang menyediakan tegangan tetap antara dua terminal: terminal positif (+) dan
terminal negatif (–). Sumber ini digunakan untuk memberikan energi listrik ke
rangkaian, dan nilainya bisa berupa tegangan tetap (seperti baterai 5V atau
12V) atau variabel, tergantung konfigurasi rangkaian.
3. Ground
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.
4. Resistor
Fungsi
utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan
arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus)
resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika.
Cara Menghitung Nilai Resistor
5. Op Amp
Op-amp
(operational amplifier) adalah komponen elektronik aktif yang berfungsi untuk
memperkuat perbedaan tegangan antara dua inputnya (input inverting dan
non-inverting).
6. Transistors
Transistor adalah komponen elektronik yang
berfungsi sebagai saklar atau penguat sinyal. Transistor
memiliki tiga kaki: basis (B), kolektor (C), dan emitor (E).
Dengan mengatur arus kecil di basis, transistor bisa mengendalikan arus yang
lebih besar antara kolektor dan emitor.
7. Baterai
Baterai
adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang
dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.
8. Kapasitor
Kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik,
dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik.
Kapasitor mempunyai satuan Farad dari Michael Faraday.
9. Transformator
komponen trafo yang digunakan untuk mensimulasikan proses perubahan tegangan listrik dalam sebuah rangkaian elektronik.
Oscillator
adalah rangkaian yang menghasilkan sinyal bolak-balik (AC) secara mandiri tanpa
input sinyal eksternal setelah inisiasi awal. Pada tuned oscillator,
rangkaian resonansi LC (induktor dan kapasitor) digunakan untuk menentukan
frekuensi osilasi. Rangkaian resonansi ini berfungsi sebagai tank
circuit yang menyimpan dan saling bertukar energi antara medan magnetik
induktor dan medan elektrostatik kapasitor, sehingga menghasilkan osilasi pada
frekuensi resonansi tertentu.
Frekuensi resonansi dari rangkaian LC
dihitung dengan rumus:
di
mana L adalah induktansi (Henry) dan C adalah kapasitansi
(Farad). Pada frekuensi ini, impedansi rangkaian LC sangat tinggi (untuk
rangkaian paralel) atau sangat rendah (untuk rangkaian seri), sehingga hanya
frekuensi ini yang mendapat umpan balik positif yang cukup untuk mempertahankan
osilasi.
Dalam oscillator tipe Colpitts, rangkaian
resonansi terdiri dari induktor L dan dua kapasitor
dan C1 dan C2 yang
terhubung secara seri. Frekuensi osilasi pada Colpitts oscillator adalah:
Sedangkan
pada Hartley oscillator, rangkaian resonansi terdiri dari dua induktor L1
dan L2 (atau satu induktor dengan tap) dan satu kapasitor 𝐶.
Frekuensi osilasi dihitung dengan:
di mana 𝑀 adalah
induktansi mutual antara kumparan.
Agar osilasi dapat terjadi dan
berkelanjutan, rangkaian harus memenuhi kriteria Barkhausen, yaitu:
Besar loop gain sama dengan satu:
Total pergeseran fase dalam loop adalah 0°
atau kelipatan 360°:
Pada
tuned oscillator, rangkaian LC memberikan pergeseran fase yang diperlukan, dan
amplifier memberikan penguatan yang cukup sehingga sinyal yang diumpankan
kembali ke input memiliki amplitudo dan fase yang tepat untuk mempertahankan
osilasi. Misalnya, pada osilator tuned kolektor, rangkaian tangki LC terhubung
ke kolektor transistor, dan umpan balik dihasilkan melalui kopling induktif
yang mengatur kuantitas umpan balik agar memenuhi kondisi osilasi.
Energi
osilasi berosilasi antara kapasitor dan induktor: ketika kapasitor terisi
penuh, energi tersimpan dalam medan elektrostatik, kemudian energi ini
berpindah ke induktor sebagai medan magnetik saat kapasitor mengosongkan
muatannya, dan siklus ini berulang terus-menerus. Rangkaian resonansi LC ini
menentukan frekuensi osilasi dan membantu menjaga kestabilan sinyal keluaran.
Dengan demikian, rumus-rumus frekuensi resonansi LC dan kriteria Barkhausen merupakan dasar teori utama dalam memahami tuned oscillator circuits, yang banyak digunakan dalam aplikasi frekuensi radio, pemancar, dan sistem komunikasi.
Rangkaian pada gambar adalah osilator Colpitts yang menggunakan transistor sebagai penguat utama. Prinsip kerjanya dimulai ketika sumber tegangan diberikan, arus mengalir melalui resistor bias (R1 dan R2) sehingga transistor berada pada kondisi aktif.
Rangkaian LC yang terdiri dari induktor (L) dan dua kapasitor (C1 dan C2) membentuk rangkaian resonansi yang menentukan frekuensi osilasi. Ketika transistor menghantarkan, arus mengalir melalui L dan menghasilkan tegangan bolak-balik pada titik kolektor. Tegangan ini sebagian diumpan-balikkan ke basis transistor melalui pembagi kapasitor C1 dan C2. Umpan balik ini harus sefasa dan cukup besar agar syarat osilasi terpenuhi (syarat Barkhausen).
Dengan demikian, sinyal osilasi akan terus diperkuat dan dipertahankan oleh transistor, menghasilkan gelombang sinus pada output (V0). Kapasitor bypass (CE) digunakan untuk meningkatkan penguatan AC dengan mem-bypass resistor emitor (RE) pada frekuensi tinggi, sedangkan RFC (Radio Frequency Choke) mencegah sinyal RF kembali ke sumber tegangan.
Frekuensi osilasi dari rangkaian Colpitts ini dapat dihitung dengan rumus:
Dengan:
Rumus ini menunjukkan bahwa frekuensi osilasi bergantung pada nilai induktansi (L) dan kombinasi seri dari kedua kapasitor (C1 dan C2)
Example
1. Clock Generator pada Sistem Digital
Menyediakan sinyal jam (clock) pada rangkaian digital yang membutuhkan frekuensi stabil.
2. Oscillator untuk Metal Detector
Digunakan sebagai bagian dari detektor logam yang bekerja dengan prinsip perubahan frekuensi resonansi.
3. Pembangkit Sinyal pada Wireless Microphone
Membantu menghasilkan sinyal pembawa untuk mikrofon nirkabel.
Soal Pilihan Ganda
Soal No 1. Komponen apa yang berfungsi sebagai pembagi tegangan untuk umpan balik pada rangkaian osilator Colpitts ini?
a. R1 dan R2
b. C1 dan C2
c. L dan RFC
d. RE dan CE
Jawaban: b. C1 dan C2
Soal 2
Apa fungsi kapasitor CE pada rangkaian ini?
a. Menyaring sinyal AC pada output
b. Menstabilkan tegangan kolektor
c. Membypass resistor emitor untuk meningkatkan penguatan AC
d. Menentukan frekuensi osilasi
Jawaban: c. Membypass resistor emitor untuk meningkatkan penguatan AC
Soal 3
Jika nilai induktor (L) diperbesar, maka frekuensi osilasi yang dihasilkan akan...
a. Tetap
b. Naik
c. Turun
d. Tidak terpengaruh
Jawaban: c. Turun
B. Rangkaian 2: Osilator Colpitts dengan FET (Gambar Kedua)
Soal 4
Pada rangkaian Colpitts dengan FET, komponen apa yang berfungsi sebagai penguat utama?
a. Kapasitor C1
b. Induktor L
c. FET
d. Resistor RG
Jawaban: c. FET
Soal 5
Apa peran kapasitor kopling (CC) pada rangkaian ini?
a. Menentukan frekuensi osilasi
b. Menghubungkan sinyal AC output ke rangkaian luar dan memblokir DC
c. Mengatur bias FET
d. Mengurangi noise pada power supply
Jawaban: b. Menghubungkan sinyal AC output ke rangkaian luar dan memblokir DC
Soal 6
Jika nilai kapasitor C2 diperkecil, maka frekuensi osilasi akan...
a. Tetap
b. Naik
c. Turun
d. Tidak terpengaruh
Jawaban: b. Naik
.png){kind=logo}
Komentar
Posting Komentar