Osilator Colpitts Karakteristik Rangkaian Resonansi dan Aplikasinya

Rangkaian Q lebih rendah, bandwidth lebih lebar dan kurva responnya lebih datar. Lebih rendah nilai Q suatu rangkaian, lebih rendah amplitudo dari kurva respon tersebut dan penguatan rangkaian lebih rendah.

1.6 Osilator Colpitts

Pada dasarnya untuk menghasilkan getaran frekuensi agar dapat berosilasi digunakan rangkaian tangki dari LC yang disambungkan dengan rangkaian umpan balik. Kekhususan pada rangkaian osilator colpitt gambar 7 adalah digunakannya dua buah kapasitor pada rangkaian tangkinya. Fungsi dari kedua kapasitor ini adalah sebagai pembagi tegangan keluaran dan masukan penguat. Pada osilator colpitt, pengaturan kumparan dan perubahan harga kapasitor menentukan frekuensi yang dihasilkan. Gambar 7. Rangkaian Osilator Colpitts dengan transistor NPN Pada gambar 13 merupakan rangkaian osilator colpitt yang bekerja menggunakan transistor NPN. Besarnya frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian tangkinya L1, C1 dan C2 adalah : fr = 2 1 2 1 1 2 1 C C C C L + × × π atau fr = T C L × 1 2 1 π dimana : T C 1 = 1 1 C + 2 1 C Dimana : fr = frekuensi resonansi Hz L1 = induktor H C1 dan C2 = kapasitor F C T = kapasitansi total Untuk memperoleh getaran frekuensi yang lebih akurat perlu diperhitungkan pengaruh dari kapasitansi dalam dari transistor dan induksi rangkaian. Kapasitor C3 merupakan kopling keluaran sinyal AC yang dikembalikan ke rangkaian tangki L1 C1 C2, berupa umpan balik positif. Tegangan yang terjadi pada kapasitor C1 merupakan tegangan umpan balik yang diberikan ke basis transistor Q1. Kemudian sinyal AC akan dikuatkan oleh transistor Q1, bias basis Q1 dihasilkan oleh R1 dan R2. Tegangan bias R1 dan R2 berfungsi mengatur titik operasi transistor Q1. Rangkaian LC paralel dibentuk dari gulungan L1 dan kapasitor C1, C2. Kedua kapasitor ini secara seri berfungsi seperti sebuah kapasitor tunggal selama resonansi LC. Cabang tengah kedua kapasitor merupakan jalur umpan balik terhadap emitor transistor melalui ground. Jika nilai kedua kapasitor tersebut sama, kapasitansi efektif total dalam jaringan LC akan sama dengan setengah nilai masing-masing secara terpisah. Jika nilai kedua kapasitor ini tidak sama, maka nilai kapasitansi total didapatkan T C 1 = 1 1 C + 2 1 C . Osilator colpitt dapat menghasilkan gelombang sinus yang sempurna yaitu mempunyai amplitudo konstan dan frekuensi stabil. Merancang Osilator Colpitts Kita sekarang akan melakukan langkah perancangan sebuah osilator colpitts yang umum. Spesifikasi tujuan adalah sebagai berikut : • • • Vcc = 9 Volt Frekuensi output = 10 kHz 10000 Hz Daya output = 35 mW 0,035 Watt Tingkatan penguat akan dioperasikan pada kelas A untuk stabilitas yang maksimum. Diagram rangkaian baku untuk osilator colpitt ini adalah seperti gambar 8. +9 V Gambar 8. Rangkaian osilator colpitt dengan Condensator variable Transistor yang digunakan adalah transistor NPN serbaguna HEP-50 dengan data spesifikasi sebagi berikut : Unjuk kerja maksimum mutlak Daya 400 mW 0,4 Watt Ic Arus Kolektor Vcb Vce Veb 300 mA 0,3 Ampere 25 Volt 15 Volt 4,0 volt Respon frekuensi 250 Mhz 250.000.000 Hz Selanjutnya untuk memilih gulungan bagi rangkaian LC L1 perlu diperhatikan faktor Q kumparan, dimana Q ditentukan dengan : Q = s L R X atau Q = L p X R Q akan mempengaruhi lebar pita rangkaian : BW = Q fr dimana fr adalah frekuensi output BW adalah lebar pita Contoh: Pada sebuah osilator dengan Q sebesar 20 dan diberi beban 900 ohm, dimana Q dihubungkan paralel dengan Q, maka untuk menghitung reaktansinya adalah : Jawab: Q = X R p Maka X = Q R p = 20 900 = 45 ohm Untuk mencari induktansi dari gulungan yang mempunyai reaktansi 45 ohm pada 10000 Hz, dapat ditentukan dengan : X L = 2 π f L Maka : L = f Xl . 2 π = 10000 14 , 3 2 45 × × = 62832 45 = 0,0007162 henry = 0,72 mH = 720 µH Dan jika dibulatkan menjadi 750 µH, reaktansi yang sebenarnya pada 10000 Hz harus sama dengan : XL = 2 π fL = 2 x 3,14 x 10000 x 0,00075 = 47 ohm Sehingga Q menjadi : Q = X R p = 47 900 = 19,1 Pada kondisi resonansi, diketahui XL = XC = 45 ohm, maka untuk mencari reaktansi kapasitif: C T = Xc F ⋅ ⋅ π 2 1 = 45 10000 14 , 3 2 1 × × × = 2827433 1 = 0,00000035 farad = 0,35 µF Nilai ini adalah nilai kapasitansi C total dalam rangkain LC yaitu kombinasi seri dari C1 dan C2 C3 diabaikan sementara dan dianggap bahwa nilai kedua kapasitor sama. Saat nilai C3 sebagai kapasitor penala diperhitungkan misalnya dengan nilai 365 pF dengan pengaturan kapasitansi minimum Cs 5 pF, maka kapasitas total menjadi : CT = C3 + Cs = 35 pF + 5 pF = 0,35 µF + 0,000005 µF = 0,350005 µF = 0,000000350005 F Frekuensi resonansi pada pengaturan ini adalah : fr = T LC ⋅ π 2 1 = 05 0000003500 , 750 14 , 3 2 1 × × uH = 05 0000003500 , 00075 , 14 , 3 2 1 × × = 6250375 0000000002 , 14 , 3 2 1 × = 0000162 , 28 , 6 1 × = 001018 , 1 = 9823 Hz Saat C3 diatur pada kondisi kapasitansi maksimum yaitu pada 365 pF, maka : CT = C3 + Cs = 0,35 µF + 365 pF = 0,35 µF + 0,000365 µF = 0,350365 µF = 0,000000350365 F Frekuensi keluaran dengan nilai-nilai komponen yang tercantum pada percobaan ini dapat mempunyai jangkauan dari 9772,5 Hz sampai 9823 Hz dengan lebar jangkauan frekuensi : BW = 9823 – 9772,5 = 50,5 Hz Ini cocok untuk penalaan yang peka. Untuk jangkauan-jangkauan keluaran dapat dilakukan dengan mengatur nilai penalaan pada kapasitor C3. Untuk jangkauan keluaran yang besar, maka nilai kapsitor penala C3 dipilih dengan nilai yang besar. Dan untuk jangkauan keluaran yang kecil digunakan nilai C3 yang kecil Jika menginginkan cakupan jangkauan frekuensi yang lebih lebar maka penalaan C3 dinaikkan. Frekuensi resonansi pada pengaturan ini adalah : fr = T LC ⋅ π 2 1 = 65 0000003503 , 750 14 , 3 2 1 × × uH = 65 0000003503 , 00075 , 14 , 3 2 1 × × = 652375 0000000002 , 14 , 3 2 1 × = 0000163 , 28 , 6 1 × = 001023 , 1 = 9772,5 Hz Karena nilai maksimum C3 relatif kecil dibandingkan Cs kombinasi seri C1 dan C2, jangkauan frekuensi agak kecil. Misalnya nilai maksimum dari C3 dari rangkaian diubah menjadi 0,05 µF, maka akan didapat kapasitansi rangkaian total menjadi : CT = C3 + Cs = 0,35 µF + 0,05 µF = 0,4 µF = 0,0000004 F Sehingga respon frekuensi minimum yang didapat adalah : fr = T LC π 2 1 = 0000004 , 750 14 , 3 2 1 × × uH = 0000004 , 00075 , 14 , 3 2 1 × × = 0000000003 , 14 , 23 1 = 0000173 , 28 , 6 1 × = 001088 , 1 = 9189 Hz Dengan demikian didapat bahwa jangkauan frekuensi pada perancangan ini adalah 9189 Hz sampai 9823 Hz dengan lebar bidang BW sebesar 634 Hz.

2. Osilator Krystal

Pengantar Osilator kristal adalah osilator yang menggunakan kristal pada rangkaian tangkinya. Kristal dapat menghasilkan frekuensi dengan stabilitas tinggi. Kemantapan frekuensi yang tidak kita dapatkan dengan osilator LC karena dibatasi oleh pertimbangan ekonomis. Jika diinginkan kemantapan yang lebih baik, maka dapat digunakan osilator kristal. Keuntungan dari kristal adalah : 1. Frekuensi resonansinya lebih tepat dan stabil 2. Lebih andal Osilator kristal yang paling popular adalah pada rangkaian Colpitt, Pierce dan Miller. Sebagai frekuensi dasarnya mengunakan frekuensi paling tinggi 20 MHz dan frekuensi harmoniknya 200 MHz. Untuk memperoleh yang lebih tinggi dalam spektrum VHF dan UHF digunakan rangkaian pengganda frekuensi pada osilator kristal tersebut. Kestabilan frekuensi yang ideal pada osilator kristal pada umumnya adalah seperjuta bagian, frekuensi osilator tidak akan berubah 1 Hz pada keluaran 1 MHz. Walaupun sudah dipakai lama atau terjadi perubahan temperatur. Ukuran dan ketebalan kristal menentukan frekuensi resonansi. Semakin tipis lempengannya, maka semakin tinggi frekuensi resonannya. Frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi normal dapat dicapai oleh osilator kristal dengan memaksa kristal untuk berosilasi pada salah satu harmonisanya atau dengan melewatkan sinyal melalui rangkaian penyangga frekuensi. a b Gambar 9. a Simbol kristal ; b Kontruksi kristal Pada gambar 9a, dapat kita lihat simbol rangkaian yang digunakan untuk sebuah kristal serta pada gambar 9 b adalah kontruksi fisik dari kristal yang terdiri dari: 1. Lempengan kristal. 2. Dua buah elektroda. 3. Pembungkus dari bahan metal.

2.1 Efek Piezoelektrik

Beberapa kristal yang ditemukan di alam menunjukkan efek piezoelektrik; jika Anda memasang tegangan ac melalui kristal tersebut mereka akan bervibrasi pada frekuensi dari tegangan ac yang dipasang. Bahan utama yang menimbulkan efek piezoelektnik ini adalah kuarts, garam Rochelle, dan tourmaline.