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.
Garam Rochelle: mempunyai aktivitas piezoelektnik yang terbesar untuk suatu tegangan ac yang diberikan. Mereka bervibrasi lebih dari kuarts
atau tourmaline. Secara mekanis, mereka adalah yang paling lemah; mereka mudah pecah. Garam Rochelle telah digunakan
untuk membuat mikropon, pickup gramopon, headset dan pengeras suara.
Tourmaline: menunjukkan aktivitas piezoelektnik yang terkecil, tetapi diantara
ketiganya dialah yang paling kuat. Kristal ini juga yang paling mahal. Kadang-kadang dia digunakan pada frekuensi yang sangat
tinggi.
Kuarts: adalah kompromi antara aktivitas piezoelektrik dari garam Rochelle
dan kekuatan dari tourmaline. Karena tidak mahal dan dapat diperoleh di alam, kuarts digunakan secara luas untuk osilator RF
dan filter.
Bentuk alami dari kuarts adalah prisma heksagonal dengan piramida pada ujung- ujungnya lihat gambar 10-a. Untuk mendapatkan kristal yang berguna, kita harus
mengirisnya menjadi sebuah lempeng empat pensegi panjang. Gambar 10-b menunjukkan lempeng tersebut yang tebalnya
t. Jumlah lempeng yang kita peroleh
dari kristal alam tergantung pada ukuran dari lempeng dan sudut pemotongan.
t
a b Gambar 10. Kristal Kuarts
Ada sejumlah cara yang berbeda untuk memotong kristal alam; potongan tersebut mempunyai nama seperti potongan X, potongan Y, potongan XY dan potongan AT.
Untuk tujuan kita, semua yang harus kita ketahui adalah potongan mempunyai sifat piezoelektrik yang berbeda. Katalog dari pabriknya biasanya merupakan sumber
informasi yang paling baik mengenai potongan yang berbeda dari sifat-sifatnya.
Untuk penggunaan dalam rangkaian elektronik, lempeng harus dipasang antara dua pelat logam seperti yang ditunjukkan dalam gambar 11. Dalam rangkaian ini jumlah
dari vibrasi kristal tergantung pada frekuensi dari tegangan yang dipasang.
Dengan mengubah frekuensi sumber kita dapat menemukan frekuensi resonan di mana vibrasi kristal mencapai maksimum. Karena energi untuk vibrasi harus diberikan
oleh sumber ac, arus ac menjadi maksimum pada tiap frekuensi resonan.
Sumber ac Kristal
Gambar 11. Vibrasi kristal akibat sumber ac
Frekuensi Dasar dan Nada Tambahan
Untuk waktu yang lama kristal dipotong dan dipasang untuk bervibrasi paling baik pada salah satu frekuensi resonannya, biasanya
frekuensi dasar atau frekuensi yang terendah. Frekuensi resonan yang lebih tinggi disebut
nada tambahan adalah hampir kelipatan eksak dari frekuensi dasar. Sebagai contoh sebuah kristal dengan frekuensi
dasar 1 MHz mempunyai nada tambahan pertama mendekati 2 MHz, pada tambahan kedua mendekati 3 MHz dan seterusnya.
Rumus untuk frekuensi dasar dari kristal adalah:
t K
f =
dimana f = frekuensi dasar K
= sebuah konstanta yang tergantung pada potongan t
= tebal kristal. Seperti kita lihat, frekuensi dasar berbanding terbalik terhadap tebal. Untuk alasan ini
ada batas praktis mengenai berapa tingginya kita dapat menaikkan frekuensi. Makin tipis kristal tersebut; makin menjadi rapuh dan makin besar kemungkinannya untuk
pecah karena vibrasi.
Kristal kuarts bekerja dengan baik sampai 10 MHz pada frekuensi dasar. Untuk mencapai frekuensi yang lebih tinggi kita dapat menggunakan kristal yang dipasang
untuk bervibrasi pada nada tambahan dengan cara ini kita dapat mencapai frekuensi sampai 100 MHz. Kadang-kadang tourmaline yang lebih mahal namun lebih kuat
digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi.
2.2 Rangkaian Ekivalen AC