14.7 Wien Bridge Oscillator

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

 Dalam sistem elektronika, rangkaian umpan balik (feedback circuit) dan osilator memainkan peran penting dalam penguatan sinyal dan generasi sinyal frekuensi tertentu. Umpan balik adalah proses di mana sebagian dari sinyal keluaran dikembalikan ke masukan, yang dapat bersifat positif (positive feedback) atau negatif (negative feedback), tergantung pada aplikasinya. Umpan balik negatif banyak digunakan dalam penguat(amplifier) untuk meningkatkan stabilitas, linearitas, dan bandwidth, serta mengurangi distorsi  dan noise.
  Sementara itu, rangkaian osilator dirancang untuk menghasilkan sinyal periodik secara kontinu tanpa sinyal input eksternal. Osilator memanfaatkan prinsip umpan balik positif untuk menghasilkan sinyal sinusoidal, kotak, atau gelombang segitiga, yang sangat penting dalam aplikasi komunikasi, sistem pengatur waktu, dan perangkat digital.
 Pemahaman yang baik mengenai prinsip kerja, jenis-jenis, dan implementasi rangkaian umpan balik dan osilator sangat penting dalam bidang teknik elektro dan elektronika untuk merancang sistem yang efisien dan andal.

2. Tujuan (kembali)

1. Memahami prinsip kerja rangkaian umpan balik dalam sistem penguat, baik umpan balik positif maupun negatif.
2. Menganalisis pengaruh umpan balik terhadap karakteristik penguat, seperti gain, bandwidth, stabilitas, dan distorsi.
3. Mengenal berbagai jenis rangkaian osilator seperti osilator RC, LC, dan Kristal, serta memahami cara kerjanya dalam menghasilkan sinyal periodik tanpa input eksternal.
4. Mampu merancang dan mengimplementasikan rangkaian osilator sederhana untuk menghasilkan sinyal dengan frekuensi tertentu.
5. Meningkatkan keterampilan dalam penggunaan perangkat simulasi dan alat ukur elektronik dalam pengujian karakteristik umpan balik dan osilator.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A. Op-amp 

B. Resistor

 Resistor atau disebut juga dengan Hambatan adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai Resistor atau Hambatan adalah Ohm.

 

     Spesifikasi dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi. Resistor dapat diintegrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Untuk mengetahui nilai resistansi dari suatu resistor, dapat dilihat dari tabel berikut:

Terdapat bebrapa cara untuk menghitung nilai resistansi suatu resistor yaitu :

C. Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan energi listrik dalam bentuk muatan. Dalam berbagai jenis rangkaian, kapasitor memiliki peran penting, seperti menyaring sinyal untuk menghilangkan noise atau komponen frekuensi tertentu, serta memblokir arus searah (DC) sambil meneruskan arus bolak-balik (AC), yang sering digunakan dalam proses kopling sinyal antar tahap rangkaian.

D. Power supply

Power supply (catu daya) adalah perangkat atau sistem yang menyediakan energi listrik ke beban listrik. Fungsi utamanya adalah untuk mengubah energi listrik dari satu bentuk (biasanya dari sumber utama seperti listrik PLN) menjadi bentuk lain yang sesuai dengan kebutuhan perangkat yang akan dioperasikan.

E. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal  bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

F.  Oscilloscope

Osiloskop adalah alat ukur elektronik yang digunakan untuk menampilkan bentuk gelombang sinyal listrik secara grafis pada layar, biasanya dalam bentuk tegangan (sumbu Y) terhadap waktu (sumbu X).

4. Dasar Teori (kembali)

Wien Bridge Oscillator adalah rangkaian osilator analog yang menghasilkan gelombang sinus secara kontinu dan stabil tanpa input eksternal. Rangkaian ini menggunakan operational amplifier (Op-Amp) dan jaringan RC (resistor-kapasitor) dalam konfigurasi jembatan Wheatstone yang dimodifikasi.
    Komponen utama terdiri dari : 
1. Op-Amp sebagai penguat.
2. Dua resistor dan dua kapasitor membentuk jaringan RC seri-paralel (jembatan Wien).
3. Feedback positif dan negatif untuk menjaga stabilitas dan amplitudo sinyal.
    Frekuensi osilasi ditentukan oleh nilai resistor (R) dan kapasitor (C) pada jaringan RC:
$$f = \frac{1}{2\pi RC}$$

5. Prinsip Kerja [kembali]

Prinsip Kerja Wien Bridge Oscillator menggunakan dua jalur umpan balik:
- Jalur umpan balik positif yang terdiri dari jaringan RC seri dan paralel (membentuk jembatan Wien).
- Jalur umpan balik negatif melalui amplifier (biasanya Op-Amp) untuk mengontrol kestabilan dan amplitudo output.
- Kondisi osilasi (berdasarkan Kriteria Barkhausen):
   1. Total pergeseran fase harus 0° atau kelipatan 360°
   2. Loop gain Aβ≥1

6. Problem [kembali]

Dalam praktikum atau pembelajaran tentang Feedback and Oscillator Circuits, terdapat beberapa permasalahan yang sering dihadapi, antara lain:

1. Stabilitas Osilasi Tidak Tercapai Osilator tidak menghasilkan sinyal karena tidak terpenuhinya syarat osilasi, seperti gain loop $A\beta$ kurang dari 1 atau pergeseran fase tidak tepat.

2. Distorsi Sinyal Keluaran Sinyal yang dihasilkan tidak berbentuk sinus murni karena pengaturan gain yang tidak sesuai atau penggunaan komponen yang tidak ideal

3. Kesalahan Penempatan Komponen Salah dalam menyusun jaringan RC atau LC pada umpan balik menyebabkan rangkaian tidak berfungsi sebagaimana mestinya.

4. Pengaruh Suhu dan Toleransi Komponen Variasi suhu dan toleransi pada resistor, kapasitor, atau transistor dapat mengubah karakteristik rangkaian dan mengganggu kestabilan osilasi.

5. Kekurangan Pemahaman Konsep Feedback Banyak siswa mengalami kesulitan memahami perbedaan antara umpan balik negatif dan positif, serta dampaknya pada kerja rangkaian.

6. Kesulitan Menentukan Frekuensi Osilasi Perhitungan teoritis tidak sesuai dengan hasil praktik karena perbedaan nilai komponen aktual dan pengaruh lingkungan (seperti noise).

7. Soal Latihan [kembali]               

1.) Sebuah rangkaian Wien Bridge Oscillator memiliki nilai resistor R1 = R2 = 33 kΩ dan kapasitor C1 = C2 = 0,0015 µF. Hitunglah frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh rangkaian tersebut.

Gunakan rumus frekuensi osilasi:

$$f_0 = \frac{1}{2\pi RC}$$

Masukkan nilai-nilainya:

• $R = 33 \times 10^3 \ \Omega$
  

• $C = 0{,}0015 \times 10^{-6} \ \text{F}$
  

$$f_0 = \frac{1}{2\pi \times 33 \times 10^3 \times 0{,}0015 \times 10^{-6}}$$ $$f_0=\frac{1}{2\pi \times \mathrm{49,5}\times {10}^{-6}}=\frac{1}{\mathrm{3,1067}\times {10}^{-4}}\approx \mathrm{3,22}\text{ kHz}$$

Jawaban: Frekuensi osilasi ≈ 3,22 kHz

2.) Jika diketahui frekuensi osilasi yang diinginkan adalah 10 kHz, dan kapasitor C1 = C2 = 0,001 µF, berapakah nilai resistor R1 dan R2 yang harus digunakan dalam rangkaian Wien Bridge Oscillator agar sesuai dengan frekuensi tersebut?

Gunakan rumus:

$$$$f0=12πRC⇒R=12πf0C​

Masukkan nilai:

• $f_0 = 10{,}000 \ \text{Hz}$
  

• $C = 0{,}001 \times 10^{-6} \ \text{F}$
  

$$R=\frac{1}{2\pi \times {10}^4\times \mathrm{0,001}\times {10}^{-6}}=\frac{1}{\mathrm{6,283}\times {10}^{-5}}\approx \mathrm{15,9}\text{ k}\mathrm{\Omega }$$

$$\text{Jawaban: Resistor yang dibutuhkan ≈ 15,9 kΩ}$$

$$\text{3.)}$$Dalam sebuah rangkaian Wien Bridge Oscillator, diketahui nilai R₁ = R₂ = 100 kΩ dan C₁ = C₂ = 1000 pF. Hitunglah frekuensi osilasi dan tentukan apakah nilai R₃ dan R₄ yang digunakan harus memenuhi syarat kestabilan

$\frac{R_3}{R_4} = 2$

Jawab :

1. Hitung frekuensi osilasi:

Gunakan:

$$f_0=\frac{1}{2\pi R\mathrm{C}}$$

• $R = 100 \times 10^3 \ \Omega$
  

• $C = 1000 \ \text{pF} = 1000 \times 10^{-12} \ \text{F}$
  

$$f_0 = \frac{1}{2\pi \times 100 \times 10^3 \times 1000 \times 10^{-12}} = \frac{1}{2\pi \times 10^{-4}} \approx 1{,}59 \ \text{kHz}$$

2. Syarat kestabilan:
   Agar osilasi tetap stabil:

$$\frac{R_3}{R_4}=2\Rightarrow R_3=2\times R_{\mathrm{4}}$$

Jawaban :

• Frekuensi osilasi ≈ 1,59 kHz

• Untuk stabil, R₃ harus dua kali lipat dari R₄

8. Percobaan [kembali]

FIG 14.23 Wien bridge oscillator circuit using an op-amp amplifier

FIG 14.24 Wien bridge oscillator circuit for Example 14.8

9. Download File [kembali]

FIG. 14.23 [Klik Disini]

FIG. 14.24 [Klik Disini]

Download Datasheet

• Datasheet transistor klik disini

• Datasheet osiloskop klik disini

• Datasheet dioda klik disini

• Datasheet baterai klik disini

• Datasheet Op- Amp klik disini

• Datasheet resistor klik disini