14.28 - Op-amp Colpitts oscillator.

 

DAFTAR ISI

1. 1. Pendahuluan
2. 2. Tujuan
3. 3. Alat dan Bahan
4. 4. Dasar Teori
5. 5. Example
6. 6. Problem
7. 7. Soal Latihan
8. 8. Percobaan
9. 9. Link Download

1. Pendahuluan

Umpan balik memegang peranan krusial dalam mengatur besarnya penguatan amplifier, menjaga kestabilan, dan membentuk respons frekuensinya. Bab 14 mengulas berbagai konfigurasi umpan balik (seperti seri-shunt dan shunt-series) serta berbagai jenis rangkaian osilator (RC, LC, dan kristal).Secara khusus membahas perancangan catu daya, termasuk komponen penyearah, filter, dan regulator tegangan, yang bertujuan untuk menghasilkan tegangan DC yang stabil bagi operasional sistem elektronik.

2. Tujuan

Mengerti bagaimana umpan balik mempengaruhi kinerja amplifier.

Menganalisis cara kerja rangkaian osilator Wien Bridge, Colpitts, dan kristal.

Mendesain rangkaian catu daya yang menggunakan regulator linier dan switching.

Menilai besarnya faktor riak dan efisiensi pada penyearah.

3. Alat dan Bahan

• Resistor 

     Resistor merupakan komponen elektronik yang memiliki dua pin dan didesain untuk mengatur tegangan listrik dan arus . Resistor mempunyai nilai resistansi (tahanan) tertentu yang dapat memproduksi tegangan listrik di antara kedua pin dimana nilai tegangan terhadap resistansi tersebut berbanding lurus dengan arus yang mengalir, berdasarkan persamaan hukum ohm 




 
• Transistor
  
  
  

                   Transistor merupakan sebuah alat semikonduktor yang dapat dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung arus (switching), stabilisasi tegangan, dan modulasi sinyal.

• Transformator
  

  
  
  

  Transformator adalah komponen elektromagnetik yang digunakan untuk mengubah tingkat tegangan listrik AC (arus bolak-balik) dari satu nilai ke nilai lainnya melalui prinsip induksi elektromagnetik. Transformator terdiri dari dua kumparan kawat, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder, yang dililitkan pada inti besi yang sama. Ketika arus AC mengalir melalui kumparan primer, medan magnet yang berubah-ubah terbentuk di inti, dan medan ini kemudian menginduksi tegangan pada kumparan sekunder. Besarnya tegangan output tergantung pada rasio jumlah lilitan antara kedua kumparan

• Ground

    Grounding atau Pentanahan adalah sistem pentanahan yang terpasang pada suatu instalasi listrik yang bekerja untuk meniadakan beda potensial dengan mengalirkan arus sisa dari kebocoran tegangan atau arus dari sambaran petir ke bumi. 






• Op-Amp 741

    Perangkat penguat tegangan yang dirancang untuk digunakan dengan komponen umpan balik eksternal seperti resistor dan kapasitor antara terminal keluaran dan masukannya.





• Baterai
            Baterai adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.










• Voltmeter DC



• Kapasitor
          Kapasitor merupakan komponen listrik yang digunakan untuk menyimpan muatan listrik

        Voltmeter DC berfungsi untuk mengetahui beda potensial tegangan DC antara 2 titik pada suatu beban listrik atau rangkaian elektronika.


• Amperemeter DC
Amperemeter DC berfungsi untuk mengetahui arus tegangan DC pada suatu rangkaian listrik atau beban listrik

4. Dasar Teori

Umpan Balik:

• Umpan Balik Positif: Umumnya diterapkan pada rangkaian osilator.
• Umpan Balik Negatif: Berfungsi untuk menekan distorsi dan memperlebar rentang frekuensi kerja (bandwidth).

Osilator: Memenuhi Syarat Barkhausen, yaitu penguatan loop sama dengan atau lebih besar dari satu dan pergeseran fasa dalam loop sebesar 0 derajat.

Catu Daya:

• Penyearah (Rectifier): Terdiri dari jenis setengah gelombang (half-wave), gelombang penuh (full-wave), dan jembatan (bridge).
• Filter: Menggunakan komponen seperti kapasitor, rangkaian RC, dan rangkaian LC.
• Regulator: Contohnya adalah dioda Zener, IC seri LM78XX, dan regulator switching.

5. Example

Example 1

Example 2

6. Problem

1. Rancanglah rangkaian Op-Amp Colpitts Oscillator yang menghasilkan frekuensi osilasi sebesar 500 kHz.
Gunakan kapasitor identik $C_1=C_2$, dan pilih nilai induktor $L=2\mu H$.
Tentukan nilai kapasitor $C_1$ dan $C_2$, serta jelaskan prinsip kerja osilator ini.

Jawaban:

1. Rumus frekuensi osilasi Colpitts Oscillator:

$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\cdot C_{eq}}}$$

Untuk Colpitts Oscillator:

$$C_{eq}=\frac{C_1\cdot C_2}{C_1+C_2}$$

Karena $C_1=C_2=C$, maka:

$$C_{eq}=\frac{C\cdot C}{C+C}=\frac{C^2}{2C}=\frac{C}{2}$$$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\cdot \frac{C}{2}}}$$$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{\frac{L\cdot C}{2}}}$$

2. Substitusi nilai:

• $f=500\text{kHz}=500\times {10}^3\text{Hz}$

• $L=2\mu H=2\times {10}^{-6}H$

$$500\times {10}^3=\frac{1}{2\pi \sqrt{\frac{2\times {10}^{-6}\cdot C}{2}}}$$​1​500×103=2π22×10−6⋅C

Kuadratkan kedua sisi:

$$(500\times {10}^3{)}^2=\frac{1}{4{\pi }^2\cdot \frac{2\times {10}^{-6}\cdot C}{2}}$$$$2.5\times {10}^{11}=\frac{1}{4{\pi }^2\cdot {10}^{-6}\cdot C}$$$$4{\pi }^2\cdot {10}^{-6}\cdot C=\frac{1}{2.5\times {10}^{11}}$$$$C=\frac{1}{2.5\times {10}^{11}\cdot 4{\pi }^2\cdot {10}^{-6}}$$$$C\approx \frac{1}{2.5\times {10}^{11}\cdot 39.478\cdot {10}^{-6}}\approx \frac{1}{9.869\times {10}^6}\approx 1.013\times {10}^{-7}\text{F}$$$$C\approx 101.3\text{nF}$$

Nilai $C_1=C_2\approx 101.3\text{nF}$

Penjelasan Prinsip Kerja Colpitts Oscillator:

Colpitts Oscillator bekerja berdasarkan prinsip umpan balik positif dari sinyal yang diperkuat oleh op-amp. Kombinasi dari induktor (L) dan dua kapasitor (C1 dan C2) membentuk rangkaian LC resonansi, yang menentukan frekuensi osilasi.

• Pembagi tegangan kapasitif (C1 dan C2) menyediakan umpan balik ke input op-amp.

• Osilasi terjadi saat kondisi Barkhausen terpenuhi: penguatan loop ≥ 1 dan total fasa = 0° atau kelipatan 360°.

Sinyal yang dihasilkan merupakan gelombang sinus dengan frekuensi yang ditentukan oleh komponen LC.

SOAL 2:

Rancanglah sebuah rangkaian Colpitts Oscillator berbasis Op-Amp yang menghasilkan frekuensi osilasi sebesar 1 MHz.
Jika kapasitor yang digunakan adalah $C_1=33\text{nF}$ dan $C_2=33\text{nF}$, tentukan nilai induktor $L$ yang dibutuhkan.
Jelaskan bagaimana pemilihan kapasitor identik mempengaruhi kestabilan frekuensi osilasi.

PENYELESAIAN SOAL 2:

1. Rumus frekuensi:

$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\cdot \frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}}}$$

Karena $C_1=C_2=33\text{nF}$, maka:

$$C_{eq}=\frac{33\cdot 33}{33+33}=\frac{1089}{66}=16.5\text{nF}$$$$1\times {10}^6=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\cdot 16.5\times {10}^{-9}}}$$$$L=\frac{1}{(2\pi \cdot 1\times {10}^6{)}^2\cdot 16.5\times {10}^{-9}}$$$$L\approx \frac{1}{(6.2832\times {10}^6{)}^2\cdot 16.5\times {10}^{-9}}\approx 1.47\mu H$$

Penjelasan:
Menggunakan kapasitor identik menyederhanakan perhitungan dan membuat pembagi tegangan simetris, yang dapat meningkatkan kestabilan amplitudo dan frekuensi osilasi.

Sebuah Colpitts Oscillator dirancang menggunakan op-amp dan menghasilkan frekuensi sebesar 250 kHz. Jika kapasitor $C_1=47\text{nF}$ dan $C_2=100\text{nF}$, tentukan induktor $L$ yang diperlukan untuk menghasilkan frekuensi tersebut.
Apakah perbedaan nilai antara $C_1$ dan $C_2$ memengaruhi tegangan umpan balik?

PENYELESAIAN SOAL 3:

1. Hitung $C_{eq}$:

$$C_{eq}=\frac{C_1\cdot C_2}{C_1+C_2}=\frac{47\cdot 100}{47+100}=\frac{4700}{147}\approx 31.97\text{nF}$$$$f=250\text{kHz}=250\times {10}^3$$$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\cdot C_{eq}}}\Rightarrow L=\frac{1}{(2\pi f{)}^2\cdot C_{eq}}$$$$L=\frac{1}{(2\pi \cdot 250\times {10}^3{)}^2\cdot 31.97\times {10}^{-9}}\approx 5.07\mu H$$

Penjelasan:
Perbedaan nilai $C_1$ dan $C_2$ menyebabkan pembagi tegangan menjadi tidak simetris. Hal ini memengaruhi tegangan umpan balik ke input op-amp, sehingga bisa memengaruhi stabilitas atau amplitudo osilasi.

7. Soal Latihan

 SOAL 1: Konsep Dasar Osilator

Jelaskan syarat terjadinya osilasi pada rangkaian Colpitts Oscillator dan sebutkan dua komponen utama yang membentuk frekuensi osilasi!

Jawaban:

• Syarat osilasi: memenuhi kondisi Barkhausen

• Dua komponen utama: induktor (L) dan kapasitor (C1 dan C2)

 SOAL 2: Fungsi Komponen

Apa fungsi dari dua kapasitor (C1 dan C2) yang disusun seri dalam Colpitts Oscillator, dan bagaimana hubungannya dengan feedback (umpan balik)?

Jawaban:

• C1 dan C2 membentuk pembagi tegangan kapasitif

• Pembagi ini memberikan umpan balik positif ke input op-amp

 SOAL 3: Karakteristik Gelombang

Jenis gelombang seperti apa yang dihasilkan oleh Colpitts Oscillator dan apa pengaruh nilai LC terhadap bentuk dan frekuensinya?

 Jawaban:

• Colpitts menghasilkan gelombang sinusoidal

• Nilai L dan C menentukan frekuensi: semakin besar L atau C, maka frekuensi makin rendah

8. Percobaan

a. Prosedur

1). Buka aplikasi proteus

2). Pilih komponen yang akan digunakan dalam rangkaian

3). Susunlah komponen sesuai gambar

4). Setelah merangkai seluruh komponen, jalankan simulasi

5). Amatilah simulasi yang sedang berjalan

b. Rangkaian simulasi

9. Link Download

download rangkaian klik [disini]

download datasheet resistor [disini]

Download Datasheet Transistor 2N2222 [disini]

Download Datasheet Kapasitor [disini]

download datasheet mosfet [disini]