Chapter 14 : Feedback and Oscillator Circuit

 [KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat Dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

    a). Prosedur

    b). Rangkaian simulasi dan prinsip kerja

    c). Video simulasi

6. Download File

1. Pendahuluan[Back]

       Osilator merupakan suatu rangkaian elektronik yang digunakan untuk menghasilkan sinyal periodik tanpa input eksternal, dengan memanfaatkan prinsip feedback positif. Salah satu jenis osilator yang paling dasar namun efektif adalah phase shift oscillator, yang memanfaatkan jaringan RC (resistor-kapasitor) untuk menghasilkan pergeseran fasa total 180°. Ketika dipadukan dengan penguatan inverting sebesar 180° dari penguat aktif seperti FET, transistor BJT, atau IC Op-Amp, total pergeseran fasa menjadi 360° atau 0°, yang memungkinkan terbentuknya osilasi berkelanjutan (sesuai dengan kriteria Barkhausen).

        Phase shift oscillator sangat populer dalam aplikasi frekuensi rendah hingga menengah karena stabilitasnya yang baik dan desainnya yang sederhana. Berbagai komponen aktif dapat digunakan sebagai penguat dalam osilator ini, termasuk FET, transistor, dan IC op-amp, masing-masing dengan kelebihan tersendiri.

2. Tujuan[Back]

1. Memahami prinsip kerja rangkaian osilator dengan umpan balik positif (positive feedback).
2. Menganalisis dan membandingkan karakteristik dari FET, transistor, dan IC-based phase shift oscillator.
3. Menghitung frekuensi keluaran berdasarkan nilai komponen RC.
4. Mengamati bentuk gelombang output sinusoidal dan kestabilannya dari masing-masing rangkaian.
5. Meningkatkan keterampilan dalam merancang dan menganalisis rangkaian osilator sederhana menggunakan berbagai jenis komponen aktif.

3. Alat dan Bahan[Back]

•  Alat :

• AC dan DC Generator

        Generator AC (Alternator) dan DC memiliki fungsi utama yang sama yaitu mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, tetapi mereka melakukannya dengan cara yang berbeda. Generator AC menghasilkan arus bolak balik, di mana arah arus berubah secara periodik karena perubahan posisi relatif antara medan magnet dan kumparan konduktor, dan biasanya digunakan dalam distribusi daya skala besar seperti di jaringan listik umum. Di sisi lain, generator DC menghasilkan arus searah, di mana arus mengalir dalam satu arah tetap, dan lebih sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan arus stabil, seperti perangkat elektronik stabil dan pengisian baterai. 

• Voltmeter 

        Voltmeter adalah alat pengukur yang digunakan untuk mengukur tegangan listrik atau perbedaan potensial antara dua titik dalam sebuah rangkaian listrik. Fungsinya adalah untuk memberikan nilai tegangan atau potensial listrik pada komponen atau rangkaian tertentu, sehingga memungkinkan pengguna untuk memonitor atau mengukur kekuatan listrik yang ada dalam sistem tersebut.

• Bahan : 

• Operasional Amplifier

        Operational Amplifier (Op Amp) adalah jenis amplifier elektronik yang memiliki banyak aplikasi dalam elektronika. Op Amp memiliki dua input dan satu output, di mana perbedaan tegangan antara kedua inputnya digunakan untuk mengontrol gain atau penguatan sinyal yang dikeluarkan pada outputnya. Op Amp umumnya digunakan dalam rangkaian pemrosesan sinyal, pengaturan tegangan, filter, dan banyak aplikasi lainnya dalam perangkat elektronik modern.

Karakteristik utama IC Operational Amplifier (Op Amp) :

1. Penguatan Tegangan Open-loop (Av = ∞): Secara ideal, Op Amp memiliki penguatan tegangan open-loop yang sangat besar atau bahkan tak terhingga. Ini berarti bahwa perbedaan tegangan yang sangat kecil antara input inverting dan non-inverting dapat menghasilkan perubahan tegangan output yang sangat besar.
2. Tegangan Offset Keluaran (Voo = 0): Secara ideal, Op Amp tidak menghasilkan tegangan offset pada keluaran ketika tegangan inputnya adalah nol. Ini berarti bahwa output Op Amp harus berada pada nol volt ketika tidak ada perbedaan tegangan di antara kedua inputnya.
3. Impedansi Masukan (Zin = ∞): Impedansi input yang sangat tinggi atau tak terhingga berarti bahwa Op Amp tidak menarik arus dari sumber sinyal yang dihubungkan ke inputnya. Hal ini sangat penting untuk memastikan bahwa sinyal input tidak terdistorsi.
4. Impedansi Output (Zout = 0): Impedansi output yang sangat rendah atau nol memungkinkan Op Amp untuk menggerakkan beban tanpa menyebabkan penurunan tegangan yang signifikan. Ini memastikan bahwa sinyal output tetap kuat dan tidak terpengaruh oleh beban yang terhubung.
5. Lebar Pita (BW = ∞): Idealnya, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga, yang berarti bahwa ia dapat memperkuat sinyal pada frekuensi berapa pun tanpa kehilangan gain. Dalam praktiknya, lebar pita terbatas, tetapi sering kali cukup lebar untuk banyak aplikasi.
6. Stabilitas Termal: Karakteristik ideal Op Amp tidak berubah dengan suhu. Ini berarti bahwa performa Op Amp tetap konsisten meskipun terjadi perubahan suhu di lingkungan sekitarnya, yang sangat penting untuk aplikasi yang membutuhkan keakuratan tinggi. 

Spesifikasi :

•  Resistor

        Resistor digunakan untuk mengatur aliran arus listrik, membagi tegangan, melindungi komponen dari arus berlebih, mengatur waktu dalam rangkaian RC, menyaring sinyal dalam rangkaian filter, menyesuaikan tingkat tegangan, dan mengurangi noise dalam rangkaian elektronika.

Karakteristik transistor NPN secara singkat:

1. Tiga Terminal: Memiliki tiga terminal - emitor (E), basis (B), dan kolektor (C).
2. Polarisasi: Basis harus lebih positif dari emitor untuk mengaktifkan transistor.
3. Arus Basis Kecil: Arus kecil di basis mengontrol arus lebih besar di kolektor.
4. Penguatan Arus: Memiliki penguatan arus (β atau hFE), yaitu rasio antara arus kolektor dan arus basis.
5. Saklar dan Penguat: Dapat berfungsi sebagai sakelar atau penguat sinyal.
6. Tegangan Kolektor-Emitor: Biasanya memerlukan tegangan kolektor-emitor yang cukup tinggi untuk operasi normal.

Spesifikasi :

• Dioda 

         Dioda adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik hanya dalam satu arah, memberikan kemampuan untuk mengendalikan arah aliran arus dalam rangkaian. Ini membuat dioda berguna dalam berbagai aplikasi seperti penyearah arus (rectifier) untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC), perlindungan terhadap tegangan balik dalam rangkaian, dan sebagai pengganda tegangan dalam rangkaian daya. Selain itu, dioda digunakan dalam rangkaian logika digital, sebagai penstabil tegangan dalam regulator tegangan, dan dalam aplikasi khusus seperti dioda Zener yang digunakan untuk pengaturan tegangan tetap.

Spesifikasi :

• Baterai 

       Baterai adalah sumber daya portabel yang menyimpan energi kimia dan mengubahnya menjadi energi listrik untuk digunakan dalam berbagai perangkat elektronik. Baterai berfungsi menyediakan daya listrik yang stabil dan berkelanjutan bagi perangkat yang tidak terhubung langsung ke sumber listrik utama, seperti ponsel, laptop, remote control, dan kendaraan listrik. Selain itu, baterai juga digunakan dalam aplikasi kritis seperti cadangan daya (UPS) untuk komputer dan sistem keamanan, serta dalam perangkat medis seperti alat pacu jantung. Dengan kemampuan untuk menyimpan dan melepaskan energi sesuai kebutuhan, baterai memainkan peran penting dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi modern. 

• Ground

        Ground atau tanah adalah referensi potensial nol dalam sistem listrik atau elektronik. Fungsinya adalah untuk menyediakan jalur pengembalian arus listrik yang aman ke bumi atau tanah secara fisik. Ground digunakan untuk melindungi perangkat dan pengguna dari potensi bahaya listrik seperti korsleting atau lonjakan tegangan. Selain itu, ground juga digunakan sebagai referensi potensial untuk mengukur dan memastikan stabilitas sirkuit elektronik serta untuk mengurangi noise atau gangguan dalam sinyal-sinyal elektronik.

4. Dasar Teori[Back]

a. FET Phase Shift Oscillator

FET phase shift oscillator menggunakan field effect transistor sebagai elemen penguat utama. Jaringan RC tiga tahap terhubung pada gerbang (gate) FET dan memberikan total pergeseran fasa sebesar 180°. Sementara itu, FET sendiri bertindak sebagai inverter dan menambahkan pergeseran fasa tambahan 180°, sehingga total pergeseran mencapai 360° (atau 0°), memenuhi syarat osilasi.
Frekuensi output ditentukan oleh nilai resistor dan kapasitor dalam jaringan RC, dan dihitung dengan rumus:

$$f\approx \frac{1}{2\pi RC\sqrt{\mathrm{6}}}$$

Kelebihan menggunakan FET adalah input impedance-nya yang tinggi, sehingga jaringan RC tidak dibebani secara berlebihan dan frekuensinya lebih stabil. Output yang dihasilkan berupa sinyal sinusoidal dengan amplitudo dan frekuensi yang bergantung pada nilai komponen.

b. Transistor (BJT) Phase Shift Oscillator

Berbeda dengan FET, transistor BJT memiliki input impedance yang lebih rendah namun tetap dapat digunakan sebagai penguat sinyal dalam rangkaian phase shift oscillator. Jaringan RC disusun secara seri dan terhubung dari output ke input basis transistor. Kolektor transistor dihubungkan ke catu daya, sedangkan emitor biasanya diberi resistor untuk mengatur arus bias.
Penguatan dari transistor memberikan pergeseran fasa 180°, dan jaringan RC memberikan tambahan 180°, sehingga total tetap 360°. Osilasi akan terjadi jika penguatan mencukupi untuk mengkompensasi kehilangan daya dalam jaringan RC.
Frekuensi output juga menggunakan rumus yang sama:

$$f\approx \frac{1}{2\pi RC\sqrt{\mathrm{6}}}$$

Jenis ini mudah dibangun dan umum digunakan dalam pengajaran dasar osilator, meskipun stabilitasnya sedikit lebih rendah dibandingkan versi FET karena loading efek pada jaringan RC.

c. IC Phase Shift Oscillator

Jenis ini menggunakan IC op-amp, seperti LM741 atau 741C, sebagai elemen penguat utama. Jaringan RC tiga tahap dihubungkan dari output ke input inverting (-) op-amp. Input non-inverting (+) biasanya di-ground-kan atau digunakan untuk pengaturan bias. Karena op-amp memberikan penguatan tinggi dan pergeseran fasa 180°, ditambah jaringan RC 180°, maka kriteria Barkhausen tercapai. Keunggulan dari konfigurasi ini adalah penguatan yang mudah dikontrol, stabilitas tinggi, serta kemudahan implementasi. Op-amp memiliki impedansi input tinggi seperti FET, tetapi lebih fleksibel dalam pengaturan gain dan feedback. Frekuensi output masih mengikuti rumus:

$$f\approx \frac{1}{2\pi RC\sqrt{\mathrm{6}}}$$

Konfigurasi IC phase shift oscillator sangat cocok untuk aplikasi praktikum dan eksperimen osilator frekuensi rendah.

5. Percobaan[Back]

    a). Prosedur[Back]

• Siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, diambil dari library Proteus.
• Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi di mana alat dan bahan terletak.
• Tepatkan posisi letaknya dengan gambar rangkaian.
• Selanjutnya, hubungkan semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh.
• Lalu mencoba menjalankan rangkaian, jika tidak terjadi error, maka rangkaian bekerja.

    b). Rangkaian simulasi dan prinsip kerja[Back]

• Prinsip Kerja Rangkaian 14.21 (a)

Rangkaian ini menggunakan op-amp inverting dengan tiga tahap RC (C1–C3 dan R2–R4) yang menghasilkan total fasa 180°, sedangkan op-amp sendiri menghasilkan 180° tambahan karena konfigurasi inverting. Dengan kombinasi ini, sinyal dapat mengalami umpan balik positif dan menghasilkan osilasi. Frekuensi osilasi ditentukan oleh rumus:

$$f=\frac{1}{2\pi RC\sqrt{6}}$$

seperti yang ditunjukkan pada perhitungan, menghasilkan frekuensi sekitar 6.49 Hz.

• Prinsip kerja Rangkaian 14.21 (b)

 

Di sini digunakan transistor FET sebagai penguat utama. Sama seperti pada versi op-amp, tiga tahap RC menghasilkan pergeseran fasa 180°, dan penguatan oleh FET menambahkan 180° lagi. Keunggulan FET adalah impedansi input yang tinggi, sehingga beban pada jaringan RC minimal dan menghasilkan osilasi yang lebih stabil. Frekuensi osilasi masih mengikuti rumus yang sama seperti sebelumnya, dan berdasarkan perhitungan menghasilkan frekuensi sekitar 1 kHz.

• Prinsip kerja Rangkaian 12.17

                                           

Rangkaian ini menggunakan transistor BJT sebagai penguat. Prinsip kerja tetap sama, yaitu tiga tahap RC untuk pergeseran fasa 180°, dan penguatan dari BJT memberikan fasa tambahan 180°. Namun, karena transistor BJT memiliki impedansi input lebih rendah dibanding FET, perlu penyesuaian nilai resistor agar osilasi tetap stabil. Rumus frekuensi sedikit dimodifikasi untuk mempertimbangkan resistansi input transistor:

$$f=\frac{1}{2\pi RC\sqrt{6+4(R_C\mathrm{/}R)}}$$

Di mana hasil akhirnya menunjukkan frekuensi sekitar 869.17 Hz.

    c). Video simulasi[Back]

• Rangkaian 10.34

• Rangkaian 10.35

• Rangkaian 10.36

6. Download file[Back]

• Download Rangkaian FIG.14.21 (a) klik disini
• Download Rangkaian FIG.14.21 (b) klik disini
• Download Rangkaian FIG.14.22 klik disini
• Download Datasheet Baterai klik disini
• Download Datasheet Op Amp 741 klik disini
• Download Tambahan Datasheet op amp klik disini
• Download Datasheet Resistor klik disini
• Download Video klik disini