OSCILLATOR COLPITTS

MODUL OSILATOR COLPITTS

ABSTRAK

Osilator merupakan rangkaian untuk mengubah daya DC menjadi daya AC atau dengan perkataan lain sinyal output akan dihasilkan tanpa adanya sebuah sinyal input yang diberikan. Osilator dirancang untuk menghasilkan GGL (Gaya Gerak Listrik) bolak-balik dengan frekuensi dan bentuk gelombang yang diketahui, seperti gelombang sinus, gelombang kotak dan gelombang gergaji. Pada dasarnya untuk menghasilkan getaran frekuensi agar dapat berosilasi digunakan rangkaian tangki dari  LC yang disambungkan dengan rangkaian umpan balik.

Osilator Colpits ditemukan oleh Edwin Colpitts yang merupakan topologi osilator yang efektif digunakan untuk pembangkit gelombang sinus pada rentang frekuensi antara 10kHz hingga 10 MHz. Pada rangkaian osilator colpitts menggunakan dua buah kapasitor pada rangkaian tangkinya. Fungsi dari kedua kapasitor ini adalah sebagai pembagi tegangan keluaran dan masukan penguat. Pada osilator colpitts, Pengaturan kumparan dan perubahan harga kapasitor menentukan frekuensi yang dihasilkan.

Kata kunci: Osilator, Osilator Colpitts, Rangkaian, Sinyal Output, Sinyal Input

DASAR TEORI

Dasar dari sebuah osilator yaitu sebuah rangkaian penguat dengan feedback. Adapun beberapa bagian yang menjadi syarat untuk sebuah osilator agar terjadi osilasi adalah rangkaian penguat, rangkaian feedback, dan rangkaian tank circuit.

Rangkaian feedback yaitu suatu rangkaian umpan balik yang sebagian sinyal keluarannya dikembalikan lagi ke masukan, hal ini salah satu sistem agar terjadinya tegangan dan phase yang sama antara input dan output. Pada umumnya rangkaian feedback menggunakan komponen pasif yaitu R dan C. (Malvini, 1993)

Tank circuit adalah rangkaian yang menentukan frekuensi kerja dari osilator frekuensi pembawa (carrier), dengan menggunakan komponen L dan C semakin tinggi frekuensi maka semakin kecil harga komponen yang digunakan. Menggunakan R dan C frekuensi yang dihasilkan tidak akan bisa mencapai harga yang paling tinggi karena terbatasnya harga resistor.

Fenomena osilasi tercipta karena ada ketidak-stabilan pada sistem penguat dengan umpanbalik. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada gambar berikut, yaitu sistem penguat A dengan umpan balik B. Biasanya sistem umpanbalik dibuat untuk mencapai suatu keadaan stabil pada keluarannya dengan mengatur porsi penguatan umpanbalik dengan nilai tertentu. Namun ada suatu keadaan dimana sistem menjadi tidak stabil. Secara matematis sistem ini dimodelkan dengan rumus 1.

Gambar 1. Sistem penguat dengan umpanbalik

Rumus 1  model sistem penguat

Pada rumus 1, sistem menjadi tidak stabil jika 1+AB = 0 atau AB= -1. Sehingga Vout/Vin pada rumus tersebut nilainya menjadi infinite. Keadaan ini dikenal dengan sebutan kriteria Barkhausen. AB = -1 dapat juga ditulis dengan :

  AB = 1 (F - 180^o)

Inilah syarat terjadinya osilasi, jika dan hanya jika penguatan sistem keseluruhan = 1 dan phasa sinyal tergeser (phase shift) sebesar 180^o. Seperti yang sudah diketahui pada rangkain filter pasif, satu tingkat (single pole) rangkaian RL atau RC dapat menggeser phasa sinyal sebesar 90^o. Setidak-tidaknya diperlukan rangkaian penggeser phase 2 tingkat agar phasa sinyal tergeser 180^o. Sebenarnya rangkaian LC adalah pengeser phase 2 tingkat, namun untuk aplikasi frekuensi rendah (< 1 MHz) akan diperlukan nilai induktansi L yang relatif besar dengan ukuran fisik yang besar juga. Sehingga pada kali dihindari pemakaian induktor L tetapi menggunakan rangkaian penggeser phasa RC 2 tingkat.

Gambar 2  Rangkaian penggeser phasa RC 2 tingkat

Inilah rangkaian RC yang akan digunakan sebagai rangkaian umpanbalik pada sistem pembangkit gelombang sinus yang hendak dibuat.

Osilator Colpitts adalah satu topologi osilator yang efektif digunakan untuk pembangkit gelombang sinus pada rentang frekuensi antara 10 kHz hingga 10 MHz. Osilator Colpitts sangat mirip dengan osilator Shunt-fed Hartley. Perbedaan yang pokok adalah pada bagian rangkaian tangkinya. Pada osilator Colpitts, digunakan dua kapasitor sebagai pengganti kumparan yang terbagi. Balikan dikembangkan dengan menggunakan “medan elektrostatik” melalui jaringan pembagi kapasitor. Frekuensi ditentukan oleh dua kapasitor terhubung seri dan induktor. Osilator Colpitts menggunakan panggung bipolar transistor penguat tunggal sebagai elemen gain yang menghasilkan output sinusoidal. Berikut gambar Dasar Colpitts Oscillator Circuit:

Gambar3. Dasar Colpitts Oscillator Circuit

Frekuensi osilasi rangkaian Osilator Colpitts dapat ditentukan dengan:

Rumus2. Frekuensi Oscillator Colpitts

Berikut gambar rangkaian dari Osilator Colpitts menggunakan Op-Amp:

Gambar4. Rangkaian Oscillator Oscillator menggunakan Op-Amp

Berikut gambar rangkaian dari Osilator Colpitts menggunakan Transistor:

Gambar 5. Rangkaian Osilator Colpitts menggunakan Transisitor

Gambar diatas memperlihatkan rangkaian osilator Colpitts. Tegangan panjar untuk basis diberikan oleh R 1 dan R 2 sedangkan untuk emiitor diberikan oleh R 4 . Kolektor diberi panjar  mundur dengan menghubungkan ke bagian positif dari V CC  melalui R 3 . Resistor ini juga berfungsi sebagai beban kolektor. Transistor dihubungkan dengan konfigurasi emitor-bersama.

Ketika daya DC diberikan pada rangkaian, arus mengalir dari bagian negatif V CC  melalui R 4 , Q 1 dan R 3 . Arus I C yang mengalir melalui R 3 menyebabkan penurunan tegangan V C dengan harga positif. Tegangan yang berubah ke arah negatif ini dikenakan ke bagian atas C 1 melalui C 3 . Bagian bawah C 2 bermuatan positif dan tertambahkan ke tegangan basis dan menaikkan harga    IB. Transistor Q 1 akan semakin berkonduksi sampai pada titik jenuh.

Saat Q 1 sampai pada titik jenuh maka tidak ada lagi kenaikan I C dan perubahan V C juga akan terhenti. Tidak terdapat balikan ke bagian atas C 2 . C 1 dan C 2 akan dilucuti lewat  L 1 dan  selanjutnya medan magnet di sekitarnya akan menghilang. Arus pengosongan tetap berlangsung untuk sesaat. Keping C 2bagian bawah menjadi bermuatan negatif dan keping C 1bagian atas bermuatan positif. Ini akan mengurangi tegangan maju Q 1 dan I C akan menurun. Harga V C akan mulai naik. Kenaikan ini akan diupankan kembali ke bagian atas keping C 1melalui C 3 . C 1 akan bermuatan lebih positif dan bagian bawah 2 C menjadi lebih negatif. Proses ini terus berlanjut sampai Q 1 sampai pada titik cutoff.

            Saat Q 1 sampai pada titik cutoff, tidak ada arus I C. Tidak ada tegangan balikan ke C 1 . Gabungan muatan yang terkumpul pada C 1dan C 2 dilucuti melalui L 1 . Arus pelucutan mengalir dari bagian bawah C 2 ke bagian atas C 1 . Muatan negatif pada C 2  secepatnya akan habis dan medan magnet di sekitar  L 1akan menghilang. Arus yang mengalir masih terus berlanjut. Keping C 2 bagian bawah menjadi bermuatan positif dan keping C 1bagian atas bermuatan negatif. Tegangan positif pada C 2 menarik  Q 1 dari daerah daerah cutoff . Selanjutnya I C akan mulai mengalir lagi dan proses dimulai lagi dari titik ini. Energi balikan ditambahkan ke rangkaian tangki sesaat pada setiap adanya perubahan.

            Pada percobaan ini menggunakan Oscillator Colpitts dengan Op-Amp LM324. Berikut penjelasannya:

Komponen Osilator Colpitts:

1.      Resistor

Resistor adalah komponen elektronika dua pin/kaki yang didesain untuk menahan arus listrik dengan menurunkan tegangan diantara kedua salurannya sesuai dengan arus yang mengalirinya. Resistor dapat diumpamakan dengan sebuah papan yang digunakan untuk menahan aliran air yang deras di parit kecil.

Dengan adanya tahanan papan ini, maka arus air menjadi terhambat alirannya. Makin besar papan yang dipergunakan untuk menahan air parit, makin kecil air yang mengalir. Begitu pula peran resistor dalam elektronika, makin besar resistansi (nilai tahanan), makin kecil arus dan tegangan listrik yang melaluinya. Satuan resistor adalah Ohm.

2.      IC LM741

LM741 adalah salah satu IC (Integrated Circuit) Op-Amp (Operational Amplifier) yang memiliki 8 pin. IC Op-Amp init erdapat 2 jenis bentuk, yaitu tabung (lingkaran) dan kotak (persegi), tetapi yang umum adalah yang berbentuk persegi.Op-Amp banyak digunakan dalam sistem analog komputer, penguat video/gambar, penguat audio, osilator, detector dan lainnya. LM741 biasanya bekerja pada tegangan positif/negatif 12 volt, di bawah itu IC tidak akan bekerja. Setiap pin/kaki-kaki pada IC LM741 mempunya fungsi yang berbeda-beda, keterangan pin/kaki-kaki LM741 dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

3.      Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Untuk level tegangan tertentu. Selain kapasitansi juga tak kalah pentingnya yaitu tegangan kerja dan temperature kerja. Tegangan kerja adalah tegangan maksimum yang  diijinkan sehingga kapasitor masih dapat bekerja dengan baik. Sedangkan temperatr kerjaya itu batasan temperature dimana kapasitor masih bisa bekerja dengan optimal. Selain itu capasitor juga dapat digunakan sebagai filter atau memperbaiki noise pada suatu sinyal.

Pinsip kerja alat

Redamannya adalah:

Sebagai persyaratan osilasi, jika penguatan rangkaian penguat adalah Av, maka:

Untuk self start, biasanya dibuat Av.B dibuat sedikit lebih besar dari 1. Dan, rangkaian Oscillator Colpitts akan berosilasi dengan frekuensi resonansi, yaitu:

Dimana,

     Keselamatan dan kesehatan kerja

1.      Periksa meja kerja pada saat praktikum terkondisi

2.      Periksa kondisi alat dan bahan sebelum digunakan

3.      Kondisi tangan sebelum praktikum harus dalam kondisi kering

4.      Power supply yang digunakan adalah simetri, yaitu terdapat VCC (+), VEE (-), dan ground, jangan sampai antara VCC (+) dan VEE (-) tersambung tanpa adanya komponen lain sebagai beban.

5.      Pin 7 IC LM 741 hanya boleh tersambung dengan VCC (+), sedangkan pin 4 pada IC LM741 hanya boleh tersambung pada VEE (-)

6.      Periksa terlebih dahulu modul trainer yang akan digunakan

7.      Periksalah terlebih dahulu semua komponen aktif maupun pasif sebelum digunakan

8.      Bacalah dan pahami petunjuk praktikum pada lembar kegiatan belajar

9.      Pastikan tegangan keluaran catu daya sesuai yang dibutuhkan

10.  Dalam Menyusun rangkaian, perhatikan letak kaki kaki komponen

11.  Sebelum catu daya dihidupkan , hubungi dosen pendamping untuk mengecek kebenaran pemasangan rangkaian.

12.  Kalibrasi terlebih dahulu alat ukur yang akan digunakan

13.  Hati-hati dalam penggunaan peralatan praktikum

      Langkah Percobaan

1.      Siapkan alat dan bahan yang diperlukan

2.      Hidupkan dan kalibrasi osciloskop yang akan digunakan

3.      Hidupkan power supply dan atur tegangan positif 12 V dan tegangan negatif -12 V

4.      Pastikan saklar untuk memilih kapasitor dalam keadaan OFF

5.      Sambungkan jack banana VCC, VEE, dan GND pada sumber tegangan

6.      Sambungkan output pada chanel 1 osciloskop

7.      Pilihlah C1 dan C2 sesuai tabel percobaan

8.      Catat dan gambar sinyal output pada tabel percobaan

9.      Buat kesimpulan dari hasil praktikum

Rangkaian Percobaan Osilator Colpitts

Gambar6 Rangkaian Osilator Colpitts

Modul trainer Osilator Colpitts

Gambar7 Modul Trainer Osilator Colpitts

D.    HASIL PERCOBAAN

E.     Analisa

Dari hasil praktikum yang telahdilakukan dapat diketahui bahwa untuk mengetahui frekuensi osilasi dapat menggunakan rumus sebagai berikut:

Berikut analisa data Osilator Colpitts

1.      C1 = 15nF, C2 = 100nF, L=0.00068 H

·         Hasil Teori

                      Ceq =

                            

                                         F₀ =

                               F₀ =  53467.41535 Hz

·         Hasil Praktikum

V/DIV = 2 V/DIV, TIME/DIV = 10 μs = 10 x 10^-6 s,

kotak horizontal = 2.98 kotak

F₀ = 10 x 10^-6 x 2.98

F₀ = 33557.04698 Hz

Distorsi Praktikum = Hasil Teori – Hasil Praktikum

                                  = 53467.41535 - 33557.04698

                                  = 19910.38637 Hz

·         Hasil Pengukuran Frekuensi Counter = 38072.6 Hz

Distorsi Frekuensi Counter = Hasil Teori – Hasil Pengukuran

   Frejuensi Counter

= 53467.41535 - 38072.6 Hz

Lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel analisa data, sebagai berikut:

        

Tabel Analisa Data:

Dari hasil perhitungan secara teori dan hasil praktikum terjadi perbedaan, hal ini terjadi kemungkinan pada saat praktikum terjadi kesalahan, misalnya: komponen dan alat yang digunakan sudah tidak layak dipakai sehingga terjadi perbedaan. Untuk Rangkaian yang menentukan frekuensi kerja dari osilator frekuensi pembawa (carrier) adalah tank circuit, dengan menggunakan komponen L dan C semakin tinggi frekuensi maka makin kecil harga komponen yang digunakan.

F.     KESIMPULAN

Dari hasil praktikum yang telah dilakukan maka dapat di tarik kesimpulan bahwa:

Ø  Osilator colpitts mempunyai ciri utama yaitu umpan baliknya tersusun atas 2 kapasitor serial (L1 dan L2) dan terhubung parallel dengan sebuah inductor (C1). Nilai C1 pada rangkaian ini jauh lebih kecil dibandingkan dengan C2. Tegangan C1 lebih besar dibandingkan pada C2. Dengan membuat C2 lebih kecil akan diperoleh tegangan balikan yang lebih besar.

Ø  Semakin tinggi nilai feedback maka semakin tinggi akan distorsi yang terjadi.

Ø  Percobaan kali ini termasuk berhasil karena frekuensi yang diukur menggunakan frekuensi counter hampir mendekati dengan frekuensi praktikum.

Ø  Hasil praktikum menunjukkan frekuensi dalam range 10 kHz hingga 10 MHz.

Sumber : www.um.ac.id
              http://rahmatwebs.blogspot.com/2012/04/osilator-pembangkit-sinyal.html
              http://www.scribd.com/doc/58240109/Oscillator-Colpittsc
              http://elektronika-dasar.web.id/rangkaian/oscilator-colpitts/