Dasar-Dasar Osilator LC

Osilator adalah rangkaian elektronik yang menghasilkan bentuk gelombang periodik kontinu (terus-menerus) pada frekuensi yang tepat/presisi.

Osilator mengubah input DC (tegangan supply) menjadi output AC (bentuk gelombang), yang dapat memiliki berbagai macam bentuk gelombang dan frekuensi yang dapat menjadi rumit di alam atau gelombang sinusoidal sederhana tergantung pada aplikasi.

Osilator juga digunakan dalam banyak peralatan uji yang menghasilkan baik gelombang sinusoidal, kuadrat, gelombang gigi gergaji atau bentuk gelombang segitiga atau hanya kereta pulsa dari variabel atau lebar konstan. Osilator LC umumnya digunakan di rangkaian frekuensi radio karena karakteristik noise fasa yang baik dan kemudahan implementasi.

Sebuah Osilator pada dasarnya adalah Penguat (Amplifier) dengan “Umpan Balik Positif”, atau umpan balik regeneratif (dalam-fasa) dan salah satu dari banyak masalah dalam desain rangkaian elektronik adalah menghentikan penguat dari berosilasi ketika mencoba membuat osilator berosilasi.

Osilator bekerja karena mereka mengatasi kerugian dari rangkaian resonator umpan balik mereka baik dalam bentuk kapasitor, induktor atau keduanya di rangkaian yang sama dengan menerapkan energi DC pada frekuensi yang diperlukan ke dalam rangkaian resonator ini. Dengan kata lain, osilator adalah penguat yang menggunakan umpan balik positif yang menghasilkan frekuensi output tanpa menggunakan sinyal input.

Dengan demikian Osilator adalah rangkaian yang dapat bertahan sendiri yang menghasilkan bentuk gelombang output periodik pada frekuensi yang tepat dan untuk setiap rangkaian elektronik yang beroperasi sebagai osilator, ia harus memiliki tiga karakteristik berikut.

Beberapa bentuk Amplifikasi
Umpan Balik Positif (regenerasi)
Frekuensi menentukan jaringan umpan balik (feedback)

Osilator memiliki penguat umpan balik sinyal kecil dengan gain loop-terbuka yang sama terlalu atau sedikit lebih besar dari satu untuk memulai osilasi tetapi untuk melanjutkan osilasi, gain loop rata-rata harus kembali ke satu. Selain komponen reaktif ini, perangkat penguatan seperti Penguat Operasional Op-amp atau Transistor Bipolar diperlukan.

Tidak seperti Op-amp, tidak ada input AC eksternal yang diperlukan untuk membuat Osilator berfungsi karena energi supply DC dikonversi oleh osilator menjadi energi AC pada frekuensi yang diperlukan.

Dasar Rangkaian Umpan Balik Osilator

Di mana: β adalah fraksi umpan balik.

Gain Osilator Tanpa Umpan Balik

Gain Osilator Dengan Umpan Balik

Osilator adalah rangkaian yang menghasilkan bentuk gelombang output tegangan kontinu pada frekuensi yang diperlukan dengan nilai-nilai Induktor, Kapasitor atau Resistor yang membentuk rangkaian tangki resonansi LC selektif frekuensi dan jaringan umpan balik.

Jaringan feedback atau umpan balik ini adalah jaringan Atenuasi (pelemahan) yang memiliki gain kurang dari satu ( β <1 ) dan memulai osilasi ketika Aβ> 1 yang kembali ke kesatuan ( Aβ = 1 ) setelah osilasi dimulai.

Frekuensi osilator LC dikendalikan menggunakan rangkaian induktif/kapasitif (LC) yang disetel atau resonan dengan frekuensi output yang dihasilkan dikenal sebagai Frekuensi Osilasi. Dengan membuat umpan balik osilator jaringan reaktif, sudut fasa umpan balik akan bervariasi sebagai fungsi frekuensi dan ini disebut Pergeseran Fasa.

Pada dasarnya ada jenis Osilator berikut:

Osilator Sinusoidal – ini dikenal sebagai Osilator Harmonik dan umumnya merupakan jenis umpan balik “LC Tuned-feedback” atau “RC tuned-feedback” yang menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal murni yang memiliki amplitudo dan frekuensi konstan.
Osilator Non-Sinusoidal – ini dikenal sebagai Osilator Relaksasi dan menghasilkan bentuk gelombang non-sinusoidal kompleks yang berubah sangat cepat dari satu kondisi stabilitas ke kondisi lain seperti jenis bentuk gelombang “Gelombang-persegi”, “Gelombang-segitiga” atau “Gelombang-Gigi Gergaji”.

Resonansi Osilator

Ketika tegangan konstan tetapi frekuensi yang bervariasi diterapkan pada rangkaian yang terdiri dari induktor, kapasitor, dan resistor, reaktansi dari rangkaian Capacitor/Resistor dan Inductor/Resistor adalah untuk mengubah baik amplitudo dan fasa dari sinyal output dibandingkan dengan sinyal input karena reaktansi komponen yang digunakan.

Pada frekuensi tinggi reaktansi kapasitor sangat rendah bertindak sebagai korsleting sedangkan reaktansi induktor bertindak tinggi sebagai rangkaian terbuka. Pada frekuensi rendah, kebalikannya adalah benar, reaktansi kapasitor bertindak sebagai rangkaian terbuka dan reaktansi induktor bertindak sebagai konsleting.

Di antara kedua ekstrem ini, kombinasi induktor dan kapasitor menghasilkan rangkaian “Tuned” atau “Resonant” yang memiliki Frekuensi Resonansi, ( ƒr ) di mana reaktansi kapasitif dan induktif sama dan membatalkan satu sama lain, hanya menyisakan resistansi dari rangkaian untuk menentang aliran arus. Ini berarti bahwa tidak ada pergeseran fasa karena arus dalam fasa dengan tegangan. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.

Dasar Rangkaian Tangki Osilator LC

Rangkaian ini terdiri dari sebuah kumparan induktor, L dan kapasitor, C. Kapasitor menyimpan energi dalam bentuk medan elektrostatik dan yang menghasilkan potensial ( tegangan statis ) di seluruh platnya, sedangkan kumparan induktif menyimpan energinya dalam bentuk medan elektromagnetik. Kapasitor diisi sampai dengan tegangan supply DC, V dengan menempatkan sakelar dalam posisi A. Ketika kapasitor terisi penuh perubahan beralih ke posisi B.

Baca Juga

Kapasitor yang diisi daya sekarang dihubungkan secara paralel di seluruh kumparan induktif sehingga kapasitor mulai melepaskan diri melalui coil. Tegangan di kapasitor mulai turun ketika arus melalui coil atau kumparan mulai naik.

Arus yang naik ini mengatur medan elektromagnetik di sekitar coil yang menahan aliran arus ini. Ketika kapasitor, C benar-benar mengeluarkan energi yang awalnya disimpan dalam kapasitor, C sebagai medan elektrostatik sekarang disimpan dalam coil induktif, L sebagai medan elektromagnetik di sekitar gulungan coil.

Karena sekarang tidak ada tegangan eksternal di rangkaian untuk mempertahankan arus dalam coil, itu mulai turun ketika medan elektromagnetik mulai runtuh. Ggl-balik diinduksi dalam coil ( e = -Ldi/dt ) menjaga arus mengalir ke arah semula.

Arus ini mengisi kapasitor, C dengan polaritas berlawanan dengan muatan aslinya. kapasitor terus mengisi hingga arus berkurang ke nol dan medan elektromagnetik coil telah runtuh sepenuhnya.

Energi yang semula dimasukkan ke dalam rangkaian melalui sakelar, telah dikembalikan ke kapasitor yang lagi-lagi memiliki potensi tegangan elektrostatik di atasnya, meskipun sekarang memiliki polaritas yang berlawanan.

Kapasitor sekarang mulai mengalir kembali melalui coil dan seluruh proses diulang. Polaritas tegangan berubah ketika energi dilewatkan bolak-balik antara kapasitor dan induktor yang menghasilkan tegangan sinusoidal tipe AC dan bentuk gelombang arus.

Proses ini kemudian membentuk dasar dari rangkaian tangki osilator LC dan secara teori cycling back akan terus tanpa batas. Namun, hal-hal yang tidak sempurna dan setiap kali energi ditransfer dari kapasitor, C ke induktor, L dan kembali dari L ke C beberapa kehilangan energi terjadi yang mengurangi osilasi ke nol dari waktu ke waktu.

Tindakan osilasi untuk mengalirkan energi bolak-balik antara kapasitor, C ke induktor, L akan berlanjut tanpa batas waktu jika bukan karena kehilangan energi di dalam rangkaian. Energi listrik hilang di DC atau resistansi nyata dari coil induktor, di dielektrik kapasitor, dan dalam radiasi dari rangkaian sehingga osilasi terus berkurang sampai mereka mati sepenuhnya dan proses berhenti.

Kemudian dalam rangkaian LC praktis amplitudo tegangan osilasi berkurang pada setiap setengah siklus osilasi dan pada akhirnya akan mati menjadi nol. Osilasi kemudian dikatakan teredam “damped” dengan jumlah redaman yang ditentukan oleh kualitas atau faktor-Q dari rangkaian.

Osilasi LC Damped (Teredam)

Frekuensi tegangan osilasi tergantung pada nilai induktansi dan kapasitansi dalam rangkaian tangki LC. Kita sekarang tahu bahwa untuk resonansi terjadi di rangkaian tangki, harus ada titik frekuensi adalah nilai X_C, reaktansi kapasitif adalah sama dengan nilai dari X_L, reaktansi induktif ( X_L = X_C ) dan yang karenanya akan membatalkan satu sama lain keluar hanya menyisakan resistansi DC di rangkaian untuk menentang aliran arus.

Jika sekarang kita menempatkan kurva untuk reaktansi induktif dari induktor di atas kurva untuk reaktansi kapasitif dari kapasitor sehingga kedua kurva berada di sumbu frekuensi yang sama, titik persimpangan akan memberi kita titik frekuensi resonansi, ( ƒ_r atau ωr ) seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Frekuensi Resonansi

Dimana: ƒ_r dalam Hertz, L adalah henry dan C di Farad.

Maka frekuensi terjadinya hal ini diberikan sebagai:

Kemudian dengan menyederhanakan persamaan di atas kita mendapatkan persamaan akhir untuk Frekuensi Resonansi, ƒ_r dalam disetel LC rangkaian sebagai:

Frekuensi Resonansi dari Osilator LC

Dimana:

L adalah Induktansi dalam Henry

C adalah Kapasitansi dalam Farad

ƒ_r adalah Frekuensi output dalam Hertz

Persamaan ini menunjukkan bahwa jika L atau C menurun, frekuensinya meningkat. Frekuensi output ini biasanya diberi singkatan ( ƒ_r ) untuk mengidentifikasinya sebagai “frekuensi resonansi”.

Untuk menjaga agar osilasi tetap dalam rangkaian tangki LC, kita harus mengganti semua energi yang hilang di setiap osilasi dan juga menjaga amplitudo osilasi ini pada tingkat yang konstan. Karena itu jumlah energi yang diganti harus sama dengan energi yang hilang selama setiap siklus.

Jika energi yang diganti terlalu besar, amplitudo akan meningkat sampai kliping rel supply terjadi. Atau, jika jumlah energi yang diganti terlalu kecil, amplitudo pada akhirnya akan berkurang menjadi nol seiring waktu dan osilasi akan berhenti.

Cara paling sederhana untuk mengganti energi yang hilang ini adalah dengan mengambil bagian dari output dari rangkaian tangki LC, memperkuatnya dan kemudian memasukkannya kembali ke rangkaian LC lagi. Proses ini dapat dicapai dengan menggunakan penguat tegangan menggunakan Op-amp, FET atau transistor bipolar sebagai perangkat aktifnya. Namun, jika gain loop dari penguat umpan balik terlalu kecil, osilasi yang diinginkan meluruh ke nol dan jika terlalu besar, bentuk gelombang menjadi terdistorsi.

Untuk menghasilkan osilasi konstan, tingkat energi yang diumpankan kembali ke jaringan LC harus dikontrol secara akurat. Maka harus ada beberapa bentuk amplitudo otomatis atau kontrol gain ketika amplitudo mencoba bervariasi dari tegangan referensi baik naik atau turun.

Untuk mempertahankan osilasi yang stabil, gain keseluruhan dari rangkaian harus sama dengan satu atau kesatuan. Kurang dari itu dan osilasi tidak akan mulai atau mati ke nol, lagi osilasi akan terjadi tetapi amplitudo akan menjadi terpotong oleh rel supply yang menyebabkan distorsi. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.

Dasar Rangkaian Transistor Osilator LC

Bipolar Transistor digunakan sebagai penguat osilator LC dengan rangkaian tangki LC yang disetel bertindak sebagai beban Collector. Coil L2 lainya dihubungkan antara base dan Emitter dari transistor yang medan elektromagnetik adalah “saling” ditambah dengan yang dari coil/kumparan induktor, L.

Induktansi Timbal-balik (Mutual Inductance) ada antara dua rangkaian dan arus yang berubah mengalir dalam satu rangkaian kumparan menginduksi, dengan induksi elektromagnetik, tegangan potensial di yang lain (efek transformator) sehingga ketika osilasi terjadi di rangkaian yang disetel, energi elektromagnetik ditransfer dari coil L ke coil L2 dan tegangan dengan frekuensi yang sama dengan yang di rangkaian yang disetel diterapkan antara base dan Emitter dari transistor. Dengan cara ini tegangan umpan balik otomatis yang diperlukan diterapkan pada transistor penguatan.

Jumlah umpan balik dapat ditingkatkan atau dikurangi dengan mengubah sambungan antara dua coil L dan L2. Ketika rangkaian berosilasi impedansinya resistif dan collector dan tegangan basis 180° diluar-fasa. Untuk mempertahankan osilasi (disebut stabilitas frekuensi), tegangan yang diterapkan pada rangkaian yang disetel harus “dalam-fasa” dengan osilasi yang terjadi pada rangkaian yang disetel.

Oleh karena itu, kita harus memperkenalkan perubahan fasa 180° tambahan ke jalur umpan balik antara collector dan base. Ini dicapai dengan menggulung coil L2 ke arah yang benar relatif terhadap coil L memberi kita hubungan amplitudo dan fasa yang benar untuk rangkaian Osilator atau dengan menghubungkan jaringan pergeseran fasa antara output dan input penguat.

Osilator LC karena itu merupakan “Osilator Sinusoidal” atau “Osilator Harmonik” seperti yang lebih sering disebut. Osilator LC dapat menghasilkan gelombang sinus frekuensi tinggi untuk digunakan dalam aplikasi jenis frekuensi radio (RF) dengan penguat transistor dari Transistor Bipolar atau FET.

Osilator Harmonik datang dalam berbagai bentuk karena ada banyak cara berbeda untuk membangun jaringan filter LC dan penguat amplifier dengan yang paling umum adalah Osilator Hartley LC, Osilator Colpitts LC, Osilator Armstrong dan Osilator Clapp.

Contoh: Osilator LC No.1

Induktansi 200mH dan kapasitor 10pF dihubungkan bersama secara paralel untuk membuat rangkaian tangki osilator LC. Hitung frekuensi osilasi.

Kemudian kita dapat melihat dari contoh di atas bahwa dengan mengurangi nilai kapasitansi, C atau induktansi, L akan memiliki efek meningkatkan frekuensi osilasi dari rangkaian tangki LC.

Ringkasan Osilator LC

Kondisi dasar yang diperlukan untuk rangkaian tangki resonansi Osilator LC diberikan sebagai berikut.

Agar osilasi ada, rangkaian osilator HARUS mengandung komponen reaktif (tergantung-frekuensi) baik “Induktor“, ( L ) atau “Kapasitor“, ( C ) serta sumber daya DC.
Dalam induktor-kapasitor sederhana, rangkaian LC, osilasi menjadi teredam (damped) dari waktu ke waktu karena kehilangan komponen dan rangkaian.
Diperlukan penguatan tegangan untuk mengatasi kerugian rangkaian ini dan memberikan gain positif.
Gain keseluruhan penguat amplifier harus lebih dari satu, kesatuan.
Osilasi dapat dipertahankan dengan mengumpan balik beberapa tegangan output ke rangkaian yang disetel yang memiliki amplitudo dan fasa yang benar, (0°).
Osilasi hanya dapat terjadi ketika umpan balik “Positif” (regenerasi diri).
Pergeseran fasa keseluruhan dari rangkaian harus nol atau 360° sehingga sinyal output dari jaringan umpan balik akan “in-phase” dengan sinyal input.

Dalam tutorial berikutnya tentang Osilator, kita akan memeriksa operasi salah satu rangkaian osilator LC yang paling umum yang menggunakan dua coil induktansi untuk membentuk induktansi pusat yang disadap dalam rangkaian tangki resonansinya. Jenis rangkaian Osilator LC ini dikenal secara umum sebagai Osilator Hartley.