PENGERTIAN DAN PENJELASAN OSILATOR

pengertian dan penjelasan osilator

PENGERTIAN DAN PENJELASAN OSILATOR

Diagram Rangkaian Osilator Secara Umum

PENGERTIAN OSILATOR 

Osilator adalah suatu alat yang merupakan gabungan elemen-elemen aktif dan pasif untuk menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal atau bentuk gelombang periodik lainnya. Suatu osilator memberikan tegangan keluaran dari suatu bentuk gelombang yang diketahui tanpa penggunaan sinyal masuk dari luar. Osilator mengubah daya arus seaarh (dc) dari catu daya ke daya arus bolak-balik (ac) dalam beban. Dengan demikian fungsi osilator berlawanan dengan penyearah yang mengubah daya searah ke daya bolak-balik. Suatu osilator dapat membangkitkan bentuk gelombang pada suatu frekuensi dalam batas beberapa siklus tiap jam sampai beberapa ratus juta siklus tiap detik. Osilator dapat hamper secara murni menghasikan gelombang sinusoidal dengan frekuensi tetap, ataupun gelombang yang hanya dengan harmonic. Osilator umumnya digunakan dalam pemancar dan penerima radio dan televise, dalam radar dan dalam berbagai sistem komunikasi.

TEORI RANGKAIAN

Osilator bisa dibangun dengan menggunakan beberapa teknik dasar, yaitu:

1. Menggunakan komponen-komponen yang memperlihatkan karakteristik resistansi negatif, dan lazimnya menggunakan dioda terobosan dan UJT
2. Menggunakan umpanbalik positif pada penguat. Umpanbalik positif menguatkan desah internal yang terdapat pada penguat. Jika keluaran penguat sefasa dengan masukkannya, osilasi akan terjadi.

PRINSIP DASAR OSILATOR

            Dalam suatu osilator, suatu resistansi negatif diberikan untuk kompensasi kehilangan-kehilangan (kebocoran) dalam rangkaian. Dalam osilator umpan-balik, umpan-balik positif dari luar cukup untuk membuat perolehan keseluruhan menjadi tidak terhingga dan memberikan resistansi negatif yang diperlukan untuk menanggulangi peredaman alami dari osilator. Dalam osilator resistansi negatif terjadi umpan-balik positif dalam dan berperan menghasilkan resistansi negatif yang diperlukan. Dalam suatu osilator tidak ada sinyal yang diberikan dari luar. Sinyal awal untuk menyulut (trigger) osilasi biasanya diberikan oleh tegangan derau. Tegangan derau muncul sewaktu catu daya dihidupkan. Karena spektrum frekuensi derau sangat lebar, osilator selalu memiliki tegangan komponen pada frekuensi yang benar untuk bekerjanya osilator.

            Seluruh osilator umpan balik memerlukan beberapa devais atau mekanisme yang menyediakan penguatan (gain) yang dikombinasikan dengan sebuah susunan umpan balik. Gambar di bawah ini, menunjukkan diagram rangkaian osilator secara umum.

            Sebuah penguat (amplifier) yang mempunyai penguatan tegangan yang output dan inputnya dihubungkan melalui rangkaian umpan balik. Ini mengembalikan sebuah fraksi, dari tegangan output ke input penguat. Catatlah bahwa gain dari penguat dan faktor umpan balik tergantung frekuensi. Secara umum, baik penguat maupun rangkaian umpan balik akan mengubah besar dan fasa dari sinyal.
Misal sebuah sinyal fluktuasi:

maka output dari penguat

yang akan menghasilkan sinyal input baru ("echoed")

yang kembali ke input penguat. Ini akan menjadi input baru dimana input baru ini akan dikuatkan dan akan menghasilkan echo baru pada input dan seterusnya. Setelah beberapa kali mengelilingi loop, amplitudo dari echo terbaru akan menjadi:

Dengan melihat persamaan diatas, maka jika:

Echo akan berangsur-angsur menghilang. Namun jika kita mengatur :

Ukuran echo cenderung bertambah dengan waktu, atau paling tidak akan tetap konstan jika kita mengatur

sebagai hasilnya kita menemukan bahwa sebuah sinyal inisial menghasila]kan sebuah sinyal yang berulang terus-menerus yang amplitudonya tidak hilang:

memberikan bahwa:

dua persamaan terakhir disebut juga "Kriteria Barkhausen" . Beberapa sistem yang memenuhi kriteria ini dapat berosilasi pada frekuensi dimana kedua persamaan diatas dapat terpenuhi.

JENIS - JENIS OSILATOR

            Osilator dapat diklasifikasikan dalam berbagai cara. Berdasarkan pembangkitannya, osilator dibedakan menjadi dua:

1. Self sustaining ( free running oscillator )
2. Nonself sustaining ( triggered oscillator )

Untuk "free running oscillator" terdapat empat kebutuhan agar osilator umpan balik bekerja:

1. Amplification (penguatan)
2. Umpan balik positif
3. Pembentuk frekuensi
4. Power supply

            Tergantung kepada alam bentuk gelombang yang dibangkitkan, osilator dapat dibagi menjadi dua kategori : osilator sinusoidal atau osilator harmonic dan osilator relaksasi. Osilator sinusoidal menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal atau mendekati sinusoidal pada frekuensi tertentu. Osilator relaksasi menghasilkan bentuk gelombang bukan sinusoidal seperti gelombang segiempat dan gelombang gigi-gergaji.

            Osilator dapat pula digolongkan pada alat-alat tertentu yang menghasilkan osilasi. Pada penggolongan ini, osilator dapat merupakan jenis resistansi negatif atau jenis umpan balik. Osilator resistansi negatif menggunakan alat aktif yang memproses lengkung karakteristik arus tegangan dengan kemiringan negatif dalam daerah operasinya. Dioda kanal merupakan alat resistansi negatif yang digunakan dalam resistor. Osilator umpan-balik sebaliknya, mempunyai penguat umpan-balik regeneratif (positif), dimana perolehan lingkar juga diatur sedemikian sehingga perolehan keseluruhan menjadi tidak terhingga.

            Baik osilator sinusoidal maupun osilator relaksaasi dapat merupakan jenis resistansi negatif dan jenis umpan-balik. Osilator sinusoidal jenis umpan-balik dapat digolongkan lebih lanjut menjadi osilator LC (indktor-kapasitor) dan RC (tahanan kapasitor).
            Osilator sinusoidal kadang-kadang digolongkan menurut frekuensi sinyal yang dihasilkan. Jadi osilator yang membangkitkan sinyal dalam daerah frekuensi audio dikenal sebagai osilator frekuensi audio. Demikian pula, osilator yang menghasilkan sinyal-sinyal daerah frekuensi radio dinamakan osilator frekuensi radio, dan seterusnya.
            Klasifikasi osilator didasarkan pada daerah frekuensi yang dihasilkan :

1. Osilator Frekuensi Audio (AF) beberapa hz -20 KHz
2. Osilator Frekuensi Radio (RF) 20 KHz - 30MHz
3. Osilator Frekuensi Sangat Tinggi (VHF) 30MHz - 300MHz
4. Osilator Frekuensi Ultra Tinggi (UHF) 300MHz - 3GHz
5. Osilator Gelombang Mikro 3 GHz - Beberapa GHz

1.      OSILATOR HARMONIK atau OSILATOR SINUSOIDAL

Bentuk gelombang sinusoidal periodik mempunyai fenomena yang sangat mirip gerakan bandul-mekanik atau bandul-matematis yang akan berayun ke kiri dan kemudian ke kanan melalui titik diamnya dengan frekuensi yang tertentu dari:

 (Persamaan 1)

            Secara teori, bandul akan terus berayun dengan simpangan yang tetap tanpa diperlukan energi tambahan dari luar berbentuk dorongan yang searah ayunan. Tetapi pada kenyataannya, ayunan tersebut makin lama makin mengecil simpangannya sampai akahirnya berhenti di titik setimbangnya. Hal ini disebabkan karena sistem bandul mengalami gaya gesekan dengan udara selama dia mengayun yang akhirnya tentu mengurangi energi bandul sampai menjadi nol.

      Dalam hal ayunan elektronis, yaitu yang terjadi pada rangkaian osilator, tepatnya pada satu tank-circuit, ayunan yang berbentuk siklus pengisian dan pengosongan muatan kapasitot akan berlangsung terus tanpa memerlukan energi elektris tambahan dari luar. Sebuah tank-circuit ditunjukkan pada gambar di bawah ini yaitu satu induktor yang terpasang paralel dengan sebuah kapasitor.

Gambar 1 Komposisi sebuah tank-circuit

(a)    tank-circuit,

(b)   saat pengisian kapasitor,

(c)    saat pengisian induktor.

            Dalam keadaan diam, sebuah tank-circuit hanyalah sebuah rangkaian biasa seperti ditunjukkan pada Gambar 1(a). Tetapi bila diinjeksikan satu muatan listrik pada kapasitornya sampai penuh seperti ditunjukkan pada Gambar 1(b), maka disitulah akan dimulai osilasi. Energi listrik yang telah tersimpan dalam kapasitor akan mengalami pengosongan (discharge) ke induktor sampai muatan kapasitor tersebut habis. Energi listrik tersebut kemudian berpindah seluruhnya ke induktor. Setelah itu proses discharge terjadi sebaliknya, yaitu dari induktor ke kapasitor sampai muatan seluruhnya ditampung kapasitor. Selanjutnya siklus yang sama terjadi dan demikian seterusnya. Bila tidak terjadi kerugian energi karena disipasi energi pada bahan resitif induktor dan kerugian dielektrik pada kapasitor, maka ayunan atau osilasi tersebut berlangsung terus. Tetapi dalam kenyataannya tidaklah demikian.

            Untuk mempertahankan osilasi tersebut, maka harus ada energi tambahan dari luar tank-circuit yang dapat mempertahankannya. Hal yang sama terjadi pada ayunan bandul-matematis seperti diuraikan di atas, yaitu dorongan yang searah ayunan. Sementara pada tank-circuit, energi yang ditambahkan harus satu fasa dengan fasa osilasi. Inilah yang dimaksudkan, bahwa osilasi listrik tersebut mempunyai fenomena yang persis sama dengan ayunan bandul-matematis. Frekuensi osilasi juga mempunyai bentuk yang mirip, yaitu,

(Persamaan 2)

            Pelaksanaan pemberian energi tambahan dari luar tank-circuit agar osilasi berlangsung terus, dilakukan dengan proses feedback dari output ke tank-circuit. Secara umum, apabila satu penguat mempunyai jalur feedback positif sedemikian, sehingga dicapai satu kondisi yang disebut sebagai Barkhausen-Criterion, maka terjadilah osilasi tersebut.

            Secara umum, diagram blok sebuah penguat dengan jalur feedback dilukiskan pada Gambar 2. A adalah faktor penguatan tanpa feedback sementara β adalah fungsi-alih jalur feedback. Dengan adanya jalur umpan-balik positif, maka faktor penguatan menjadi,

 (Persamaan 3)

Gambar 2 Diagram blok penguat dengan jalur umpan balik positif

            Kriteria Barkhausen untuk menghasilkan satu osilasi, adalah kondisi dimana, faktor  ( 1-A β ) = 0 atau Aβ = 1, sehingga nilai A_f menjadi tak berhingga. Hal ini mempunyai makna, bahwa sinyal output (sinusoidal) tetap ada walupun inputnya nihil. Karena kedua faktor tersebut, A dan β, adalah bilangan kompleks, maka kondisi Aβ = 1, menunjukkan, bahwa |Aβ| = 1, dan fasa Aβ = nol. Kedua parameter ini masing-masing dapat digunakan untuk menentukan syarat osilasi, dan nilai frekuensi osilasinya.

      Rangkaian osilator yang menggunakan tank-circuit, secara diagram blok ditunjukkan pada Gambar 3. Jenis osilator yang menggunakan tank circuit adalah Hartley, Colpitts, dan osilator Clapp.

Gambar 3 Diagram blok osilator yang menggunakan tank-circuit (tuned circuit)

            Diagram blok Gambar 3 ini bila disesuaikan dengan digram blok Gambar 2 adalah, blok amplifier pada Gambar 3 adalah blok amplifier pada Gambar 2 yang mempunyai penguatan A. Sedang blok umpan-balik pada Gambar 2 direpresentasikan sebagai impedansi Z₂ pada Gambar 3, yang outputnya adalah tegangan V_i’, yaitu sinyal umpan-balik positif. Z₁, Z₂, dan Z₃, masing-masing adalah komponen tank-circuit yang digunakan.

      Rangkaian tiga loop di atas membentuk satu rangkaian penggeser fasa antara input dan outputnya. Rangkaian tersebut akan berosilasi dengan frekuensi tertentu bila total pergeseran fasanya sebesar 0º, serta loop-gain sama atau lebih besar dari satu. Kedua persyaratan tersebut adalah kriteria lengkap Barkhausen. Bila nilai mutlak loop-gain lebih besar dari satu, maka amplitudo osilasi membesar dalam rangkaian osilator praktis, osilasi yang membesar itu terus berlangsung sampai daerah nonlinier karakteristik amplifier itu sendiri yang membatasi nilai loop-gain tersebut sampai menjadi satu. Setelah itu, nilai satu tersebut secara otomatis dipertahankan tetap satu, atau dihasilkan kondisi ‘stabil’ osilasi.

            Blok rangkaian dapat dianalisa bila rangkaian diputus pada input amplifier, dan menghitung loop-gain ( = perkalian Aβ ) dari V_i ke V_i’. Bila impedansi input cukup besar, maka dapat diabaikan, dan dihasilkan dua loop yang masing-masing dialiri arus I₁ dan I₂. Persamaan loop yang muncul adalah,

            Dengan menyelesaikan empat persamaan tersebut di atas, dihasilkan,

 (Persamaan 3)

           

            Karena pada kondisi resonansi, (Z₁ + Z₂ + Z₃) merupakan rangkaian resonansi seri dengan nilai Q yang tinggi, maka nilai resistansi-dinamis-nya yang dihasilkan sangat kecil serta dapat diabaikan, sehingga jumlah ketiga reaktansi tersebut sama dengan nol, atau,

               (Persamaan 4)

      dan nilai loop gain Persamaan 3 menjadi leih sederhana seperti persamaan berikut,

                             (Persamaan 5)

      Pada penerapannya, tiga reaktansi tersebut dapat bervariasi, sehingga terbentuk rangkaian osilator Hartley misalnya, dimana X₁ dan X₂ adalah induktor, dan X₃ adalah kapasitor, dsb.