Fig 14.21, Fig 14.22



1. Pendahuluan [Kembali]

    Osilator adalah rangkaian elektronik yang digunakan untuk menghasilkan sinyal periodik tanpa memerlukan sinyal input eksternal. Salah satu jenis osilator yang banyak digunakan dalam aplikasi analog adalah Phase-Shift Oscillator. Osilator ini menggunakan prinsip umpan balik positif melalui jaringan RC bertingkat untuk menghasilkan osilasi sinusoidal yang stabil.

Phase-shift oscillator bekerja berdasarkan kriteria Barkhausen, yaitu: (1) total pergeseran fasa dalam loop tertutup harus 360° (atau 0°), dan (2) loop gain harus lebih besar dari satu. Dalam phase-shift oscillator, pergeseran fasa 180° disediakan oleh jaringan RC tiga tahap, dan 180° lainnya berasal dari penguat inverting, sehingga total pergeseran fasa mencapai 360°.

2. Tujuan [Kembali]

  1. Memahami prinsip kerja dasar osilator dengan umpan balik positif.
  2. Menjelaskan bagaimana jaringan RC tiga tahap menghasilkan pergeseran fasa sebesar 180°.
  3. Mengetahui syarat terjadinya osilasi berdasarkan kriteria Barkhausen (loop gain dan pergeseran fasa).
  4. Menganalisis dan menghitung frekuensi osilasi dari rangkaian phase-shift oscillator.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

A. Alat

1.Software Proteus (ISIS Professional)


    Untuk merancang dan menyimulasikan rangkaian elektronika.
    
 2. Voltmeter

Voltmeter adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengukur besar tegangan atau beda potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian listrik. Fungsi utamanya adalah memastikan nilai tegangan sesuai dengan kebutuhan komponen agar tidak terjadi kerusakan akibat tegangan berlebih atau kurang. Dalam konfigurasi pengukuran, voltmeter harus dipasang secara paralel dengan beban atau komponen yang akan diukur tegangannya, karena dengan cara ini arus listrik tidak mengalir langsung ke dalam voltmeter (karena hambatan dalamnya sangat besar), sehingga pengukuran menjadi akurat dan tidak mengganggu kinerja rangkaian.

B. Bahan

1. 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.

2. 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.

3. Resistor

 Resistor  adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai Resistor atau Hambatan adalah Ohm.

Spesifikasi dari Resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi. Resistor dapat diintegrasikan ke dalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu.

 

Spesifikasi :


4. Operational Amplifier (Op-Amp)

    Op-Amp (Operational Amplifier) adalah penguat tegangan (voltage amplifier) yang memiliki penguatan sangat tinggi, digunakan untuk memperkuat sinyal analog, melakukan operasi matematika (seperti penjumlahan, pengurangan, integrasi, dan diferensiasi), serta sebagai komponen inti dalam berbagai rangkaian elektronik analog. Op-amp biasanya dikemas dalam bentuk IC (Integrated Circuit) seperti IC 741, dan memiliki dua input (inverting dan non-inverting) serta satu output.

 

 

Spesifikasi :


Pin Out :

 


4. Dasar Teori[Kembali]

Phase-shift oscillator merupakan salah satu jenis osilator sinusoidal yang menghasilkan gelombang sinus kontinu tanpa input eksternal. Osilator ini bekerja berdasarkan prinsip umpan balik positif, yaitu sebagian dari sinyal keluaran dikembalikan ke input untuk memperkuat sinyal tersebut. Agar osilasi dapat terjadi dan bertahan, dua syarat utama yang dikenal sebagai kriteria Barkhausen harus dipenuhi: pertama, total pergeseran fasa dalam loop tertutup harus bernilai 360° (atau ekuivalen dengan 0°), dan kedua, besar penguatan loop (loop gain), yaitu hasil kali penguatan penguat (A) dan faktor umpan balik (β), harus sama dengan atau lebih besar dari satu (|Aβ| ≥ 1).

Pada phase-shift oscillator, pergeseran fasa 180° diperoleh dari jaringan umpan balik yang terdiri dari tiga tingkat RC secara seri, di mana masing-masing tingkat memberikan kontribusi pergeseran fasa. Namun, karena efek saling memuat antar tahap (loading effect), distribusi pergeseran fasa tidak merata, dan secara keseluruhan hanya memastikan total pergeseran fasa sebesar 180°. Tambahan pergeseran fasa sebesar 180° diperoleh dari penguat inverting (seperti op-amp, FET, atau BJT), sehingga totalnya mencapai 360°. 

5. Prinsip Kerja[Kembali]

Phase-shift oscillator bekerja berdasarkan prinsip umpan balik positif yang memenuhi kriteria osilasi Barkhausen. Rangkaian ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu penguat (amplifier) dan jaringan umpan balik (feedback network) yang menghasilkan pergeseran fasa sebesar 180°. Jaringan umpan balik biasanya dibentuk oleh tiga rangkaian RC seri, yang masing-masing menyumbangkan pergeseran fasa kurang dari 60° akibat adanya efek pembebanan antar tahap. Total pergeseran fasa dari ketiga rangkaian RC ini diatur agar mendekati 180°, yang kemudian dikombinasikan dengan tambahan pergeseran fasa 180° dari penguat inverting (seperti op-amp, FET, atau BJT), sehingga total pergeseran fasa dalam satu putaran (loop) mencapai 360° atau kelipatan 2π radian, memenuhi syarat osilasi.

Ketika rangkaian pertama kali diberi daya, noise atau gangguan kecil pada input akan diperkuat oleh penguat dan dikembalikan ke input melalui jaringan RC. Jika penguatan total loop (Aβ) lebih dari satu, maka sinyal ini akan diperkuat terus menerus hingga membentuk osilasi yang stabil. Frekuensi osilasi ditentukan oleh nilai resistor dan kapasitor dalam jaringan RC, dan secara teoritis diberikan oleh rumus

Agar osilasi bisa dipertahankan, penguat harus memiliki gain lebih besar dari 29 karena nilai atenuasi dari jaringan umpan balik adalah 1/29. Dalam kondisi kerja normal, sinyal osilasi yang terbentuk akan terus berlangsung selama catu daya tetap diberikan dan parameter rangkaian tidak berubah secara signifikan.

6. Ringkasan [Kembali]


7. Soal Latihan [Kembali]

    A. Example

1.Sebuah phase-shift oscillator (Gambar 14.21 a) dengan menggunakan FET yang memiliki:

transkonduktansi , resistansi drain , dan nilai rangkaian umpan balik .

Tentukan nilai kapasitor
agar osilator bekerja pada frekuensi 1 kHz, dan tentukan nilai resistor drain agar penguatan ** untuk memastikan osilasi dapat terjadi.

Jawab:

untuk menghitung nilai agar didapatkan penguatan ** (melebihi minimum ** agar aman terhadap loading antara dan impedansi input jaringan umpan balik):

 

Menggunakan persamaan :

RD=10kΩ

2.Rangkaian osilator BJT seperti pada gambar (b).14.21

 

Diketahui:

  • ,
  • Frekuensi osilasi yang diinginkan:1 kHz

Hitung nilai kapasitor  yang dibutuhkan.

 

 

Jawab:

 

3.Diketahui sebuah rangkaian phase-shift oscillator menggunakan transistor BJT seperti pada Gambar 14.21(b). Nilai-nilai komponennya adalah:

 

 

Hitunglah frekuensi osilasi  dari rangkaian.

Jawab :

                                    

 B. Soal Pilihan Ganda

1.Mengapa digunakan tiga jaringan RC dalam phase-shift oscillator?

A. Untuk memperkuat sinyal input
B. Untuk menghasilkan total pergeseran fasa sebesar 180 derajat
C. Untuk mengurangi distorsi gelombang
D. Untuk meningkatkan daya keluaran
Jawaban : B. Untuk menghasilkan total pergeseran fasa sebesar 180 derajat

Pembahasan:

Setiap jaringan RC memberikan pergeseran fasa sekitar 60°, sehingga tiga jaringan RC memberikan total pergeseran fasa 180°. Ditambah dengan 180° dari penguat inverting (seperti op-amp), total menjadi 360°, memungkinkan umpan balik positif dan osilasi berkelanjutan sesuai dengan kriteria Barkhausen.     

2.Apa efek jika nilai kapasitor dalam jaringan RC digandakan?

A. Frekuensi osilasi meningkat
B. Frekuensi osilasi menurun
C. Tidak ada pengaruh
D. Gelombang menjadi lebih tajam

Jawaban : B. Frekuensi osilasi menurun
Pembahasan:

Frekuensi osilasi berbanding terbalik dengan nilai RC, sesuai rumus 

 

Jika kapasitor (C) digandakan, nilai RC menjadi lebih besar, sehingga frekuensi menjadi lebih rendah.



3.Mengapa sinyal output dari phase-shift oscillator bisa terdistorsi?

A. Karena osilator tidak menggunakan penguat
B. Karena nilai resistor terlalu kecil
C. Tidak ada pembatas amplitudo atau gain control
D. Frekuensi terlalu tinggi untuk bandwidth penguat operasional

     Jawaban :
C. Tidak ada pembatas amplitudo atau gain control
D. Frekuensi terlalu tinggi untuk bandwidth penguat operasional

      Pembahasan:
Tanpa pembatas amplitudo atau pengaturan gain, osilator bisa menghasilkan sinyal dengan amplitudo berlebih, menyebabkan distorsi. Selain itu, jika frekuensi osilasi melebihi bandwidth penguat (op-amp), bentuk sinyal tidak dapat diikuti secara akurat, menghasilkan distorsi tambahan pada output.

 

8. Percobaan [Kembali]

A. Prosedur

    1)    Fig.14.21

  1. Buka aplikasi proteus.
  2. Pilih komponen yang diperlukan dalam rangkaian, seperti Vsource,  resistor, Op Amp LM741 dan Voltmeter
  3. Susunlah komponen seperti pada gambar 10.34 lalu hubungkan tiap komponen menggunakan wire (kabel).
  4. Jalankan simulasi dan amati nilai tegangan  output yang terukur.

    2)    Fig. 14.22

  1. Buka aplikasi proteus.
  2. Pilih komponen yang diperlukan dalam rangkaian, seperti, kapasitor, resistor, op-amp LM 741, dan Voltmeter.
  3. Susunlah komponen seperti pada gambar 10.35 lalu hubungkan tiap komponen menggunakan wire (kabel).
  4. Jalankan simulasi dan amati nilai tegangan output yang terukur.
     

 B. Simulasi Rangkaian

   1) Rangkaian Fig 14.21a

    





            Video Simulasi:

     2) Rangkaian Fig 14.21b





            Video Simulasi:
       3) Rangkaian Fig 14.22
  

                                         
            Video Simulasi:

9. Download File [Kembali]

Download rangkaian Fig 14.21a (klik disini)

Download rangkaian Fig 14.21b (klik disini)

Download rangkaian Fig 14.22 (klik disini)

Download datasheet resistor (klik disini)

Download datasheet OpAmp LM741 (klik disini)

Download datasheet transistor 2N2222 (klik disini)


Komentar

Posting Komentar