Relaxation Oscillator

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Pinsip Kerja

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Link Download

1. Pendahuluan[Kembali]

Relaxation oscillator adalah jenis osilator yang menghasilkan gelombang non-sinusoidal (biasanya gelombang gigi gergaji atau pulsa) berdasarkan proses pengisian dan pengosongan kapasitor. Osilator ini sangat berguna dalam sistem waktu, rangkaian pemicu, dan aplikasi digital.Osilator ini menghasilkan gelombang non-sinusoidal seperti gelombang gigi gergaji atau pulsa, dan sering digunakan dalam timer, pemicu, dan pembangkit pulsa.

Salah satu bentuk dasar dari relaxation oscillator menggunakan Unijunction Transistor (UJT). Dalam konfigurasi ini, UJT berperan sebagai saklar yang mengontrol proses pelepasan muatan kapasitor setelah mencapai tegangan puncak (peak voltage, $V_P$). Ketika tegangan kapasitor mencapai $V_P$, UJT menghantar dan kapasitor cepat mengosongkan muatannya melalui resistor, menciptakan sinyal periodik.

2. Tujuan[Kembali]

1. Memahami prinsip kerja relaxation oscillator berbasis UJT.
2. Mempelajari parameter yang mempengaruhi frekuensi osilasi.
3. Menghitung periode dan frekuensi osilasi dari rangkaian menggunakan rumus analitik.
4. Menyusun dan menguji rangkaian relaxation oscillator secara praktis

3. Alat dan Bahan[Kembali]

Resistor R1 (50 kΩ)

• Resistor ini berfungsi sebagai pengatur laju pengisian muatan pada kapasitor. Nilai dari R1 sangat memengaruhi frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh rangkaian, karena menentukan seberapa cepat kapasitor akan terisi hingga mencapai tegangan puncak (Vp) yang dibutuhkan untuk mengaktifkan UJT.

Resistor R2 (0.1 kΩ)

• R2 berfungsi sebagai resistor beban pada emitor UJT. Ketika kapasitor membuang muatannya secara tiba-tiba ke terminal emitor UJT, arus akan mengalir melalui R2. Resistor ini membantu membentuk pulsa tegangan yang bisa dimanfaatkan oleh rangkaian berikutnya atau untuk diamati pada osiloskop.

Kapasitor C (0.1 µF)

• Kapasitor ini menyimpan muatan dari catu daya. Tegangan di ujung kapasitor akan meningkat seiring waktu hingga mencapai tegangan puncak (Vp) dari UJT. Saat tegangan ini tercapai, UJT akan menghantar dan kapasitor akan membuang muatannya secara tiba-tiba, menciptakan pulsa tegangan. Kapasitor kemudian mulai terisi ulang setelah UJT kembali ke kondisi OFF.

UJT (Unijunction Transistor)

• UJT adalah komponen utama dalam pembentukan osilasi. Komponen ini memiliki karakteristik unik di mana ia tidak menghantar arus sampai tegangan input mencapai titik tertentu (Vp - peak voltage). Setelah itu, ia tiba-tiba menjadi konduktif, membuang muatan dari kapasitor dan menghasilkan pulsa tegangan. UJT yang umum digunakan dalam praktik adalah tipe 2N2646.

Power Supply (12V DC)

• Catu daya DC digunakan untuk memberikan tegangan konstan yang dibutuhkan agar kapasitor bisa mengisi muatan. Tegangan ini juga menentukan nilai tegangan puncak (Vp) yang harus dicapai agar UJT dapat menghantar.

Ground (Tanah)

• Ground merupakan titik referensi nol volt dalam sistem. Digunakan untuk memastikan semua tegangan diukur dengan akurat dan agar arus listrik dapat mengalir secara stabil kembali ke sumber.

Amperemeter/Voltmeter atau Oscilloscope (opsional)

• Digunakan untuk mengamati tegangan keluaran yang berosilasi (gelombang pulsa) dan untuk memverifikasi frekuensi kerja rangkaian secara visual maupun numerik.

4. Dasar Teori[Kembali]

Unijunction Transistor (UJT) adalah sebuah komponen semikonduktor dengan tiga terminal: Emitter (E), Base1 (B1), dan Base2 (B2). UJT digunakan secara luas dalam rangkaian pemicu dan osilator karena kemampuannya untuk mengalirkan arus secara tiba-tiba ketika tegangan pada emitter mencapai tegangan puncak tertentu (Vp).

Rangkaian relaxation oscillator dengan UJT menghasilkan gelombang berdasarkan proses pengisian kapasitor $C$ melalui resistor $R_1$. Ketika tegangan pada kapasitor mencapai tegangan puncak $V_P$, UJT menghantar, menyebabkan kapasitor segera mengosongkan muatannya ke tanah (ground) melalui $R_{B1}$. Setelah tegangan turun di bawah tegangan valley $V_V$, UJT kembali ke kondisi tidak menghantar, dan proses pengisian diulang.

Persamaan periode osilasi:

$$f_{osc} = \frac{1}{T}$$ $$T = R_1 C \ln \left( \frac{1}{1 - \eta} \right)$$
$$\text{Dengan: } \eta = \frac{V_P}{V}$$

Dimana:

• $R_1$: resistor pengisi

• $C$: kapasitor

• $\eta$: rasio tegangan peak terhadap V

• $V_P$: tegangan peak (tegangan saat UJT mulai menghantar)

• $V$: tegangan sumber

Dengan adalah rasio intrinsik UJT (biasanya antara 0.5 hingga 0.8).

5. Prinsip Kerja[Kembali]

• Osilator:

  Osilator bekerja dengan menghasilkan sinyal periodik melalui proses umpan balik positif. Energi diberikan secara berulang dari sumber ke elemen reaktif (kapasitor dan/atau induktor), yang menciptakan osilasi. Dalam praktikum ini, bisa digunakan osilator berbasis IC seperti 555 timer, atau rangkaian transistor multivibrator.

  Gerbang AND dengan Isolasi Optik:

  • Setiap input (A dan B) terhubung ke LED.

  • LED hanya menyala bila input diberi tegangan HIGH.

  • LED menyinari phototransistor yang berada dalam satu kapsul opto-isolator.

  • Phototransistor hanya aktif (menghantarkan arus) bila kedua LED menyala bersamaan (kedua input HIGH), sehingga sinar gabungan cukup untuk mengaktifkan transistor.

  • Dengan demikian, keluaran hanya HIGH bila kedua masukan HIGH → logika AND.

6. Problem[Kembali]

Problem 1: Perhitungan Frekuensi Osilator

Soal:
Sebuah rangkaian osilator dibangun menggunakan IC 555 dalam mode astable. Komponen yang digunakan adalah:

• $R_1=1\text{k}\mathrm{\Omega }$

• $R_2=2\text{k}\mathrm{\Omega }$

• $C=0.1\mu \text{F}$

Hitung frekuensi output osilator tersebut. Jelaskan pengaruh perubahan kapasitor terhadap frekuensi.

Jawaban:
Rumus frekuensi osilator astable (IC 555):

$$f=\frac{1.44}{(R_1+2R_2)\cdot C}$$

                                                                    f=(R1​+2R2​)⋅C1.44

​$$\mathrm{<br>}\mathrm{<br>}f=\frac{1.44}{(1k+2\cdot 2k)\cdot 0.1\mu F}=\frac{1.44}{(5k)\cdot 0.1\mu F}=\frac{1.44}{0.0005}=2880\text{Hz}=2.88\text{kHz}\text{<br>}\text{<br>}$$

Pengaruh kapasitor:
Jika kapasitor diperbesar, maka waktu pengisian dan pengosongan meningkat → frekuensi menurun.

    problem 2 : Desain dan Prinsip Kerja Gerbang AND Optik

Soal:
Anda diminta merancang sebuah gerbang AND dengan isolasi tinggi menggunakan dua LED dan satu phototransistor. Jelaskan:

a) Bagaimana susunan fisik LED dan phototransistor agar fungsi logika AND dapat tercapai?
b) Apa yang terjadi jika hanya satu LED yang menyala?
c) Bagaimana sistem ini tetap memberikan keamanan terhadap gangguan dari bagian output?

Jawaban:

a) Susunan Fisik:
Dua LED diposisikan mengarah ke satu phototransistor dari sudut yang memungkinkan kedua pancaran cahaya dapat mengenai area sensitif phototransistor secara bersamaan. Phototransistor hanya aktif (menghantarkan arus) ketika kedua LED menyala bersamaan — mewakili logika AND.

b) Jika Satu LED Menyala:
Jika hanya satu LED yang menyala, intensitas cahaya yang diterima phototransistor tidak mencukupi untuk mengaktifkannya. Akibatnya, phototransistor tetap dalam keadaan non-konduktif → output tetap LOW (0).

c) Keamanan Sistem:
Karena tidak ada koneksi listrik langsung antara input (LED) dan output (phototransistor), maka lonjakan tegangan, noise, atau gangguan dari sisi output tidak akan merusak bagian input. Ini disebut isolasi optik, yang sangat berguna pada sistem bertegangan tinggi atau sensitif seperti mikrokontroler.

    Problem 3: Keamanan Sistem dengan Opto-Isolator

Soal:
Sebuah mikrokontroler digunakan untuk mengendalikan sebuah sistem motor 220V AC. Mengapa lebih aman menggunakan gerbang logika AND dengan LED dan phototransistor (opto-isolator) dalam sistem ini dibandingkan menyambungkan logika langsung ke rangkaian kontrol motor?

Jawaban:
Penggunaan opto-isolator menciptakan isolasi elektrik antara rangkaian logika (mikrokontroler) dan rangkaian daya (motor AC). Keuntungannya:

• Melindungi mikrokontroler dari lonjakan tegangan atau arus balik (back EMF).

• Menghindari kerusakan akibat beda potensial atau gangguan dari sisi beban.

• Menjamin keamanan pengguna dan perangkat.

• Data sinyal ditransmisikan melalui cahaya (LED → phototransistor), bukan sambungan listrik langsung.

Tanpa isolasi, tegangan tinggi dari motor bisa merusak port I/O atau bahkan seluruh mikrokontroler.

7. Soal Latihan[Kembali]

1: Fungsi Osilator

Soal:
Apa fungsi utama dari sebuah rangkaian osilator dalam sistem elektronik?

A. Mengubah tegangan AC ke DC
B. Menguatkan sinyal input
C. Menghasilkan sinyal periodik atau gelombang berulang
D. Menyimpan energi dalam waktu tertentu

Jawaban:  C. Menghasilkan sinyal periodik atau gelombang berulang

Penjelasan:
Osilator menghasilkan sinyal berosilasi secara terus-menerus seperti gelombang persegi, sinus, atau segitiga — digunakan sebagai clock, pembawa sinyal, dll.

 2: Prinsip Kerja Gerbang AND Optik

Soal:
Sebuah gerbang logika AND menggunakan dua LED dan satu phototransistor. Kapan phototransistor akan menghantarkan arus (aktif)?

A. Saat salah satu LED menyala
B. Saat hanya satu LED mati
C. Saat kedua LED menyala bersamaan
D. Saat tidak ada LED yang menyala

Jawaban: C. Saat kedua LED menyala bersamaan

Penjelasan:
Phototransistor hanya aktif jika menerima cahaya yang cukup, yaitu dari dua LED menyala bersamaan, sesuai fungsi logika AND.

3: Tujuan Isolasi Optik

Soal:
Mengapa digunakan isolasi optik (LED dan phototransistor) antara mikrokontroler dan beban bertegangan tinggi?

A. Untuk menghemat konsumsi daya LED
B. Untuk mengurangi kecepatan transfer sinyal
C. Untuk melindungi mikrokontroler dari gangguan atau lonjakan arus
D. Agar phototransistor tidak memerlukan daya listrik

Jawaban: C. Untuk melindungi mikrokontroler dari gangguan atau lonjakan arus

Penjelasan:
Isolasi optik memisahkan sistem logika (rendah tegangan) dari sistem beban (tegangan tinggi), mencegah kerusakan akibat gangguan listrik atau lonjakan tegangan.

8. Percobaan[Kembali]

Prosedur Simulasi di Proteus:

1. Siapkan komponen yang dibutuhkan seperti UJT (2N2646), resistor (R1 = 50 kΩ, R2 = 0.1 kΩ), kapasitor (C = 0.1 μF), dan power supply DC 12V.

2. Susun rangkaian sesuai diagram pada gambar FIG 17.45 di software Proteus.

3. Sambungkan power supply ke node atas R1 dan terminal B2 pada UJT. Hubungkan ground ke bawah kapasitor dan R2.

4. Hubungkan kapasitor secara seri dengan R1 ke terminal emitter UJT.

5. Pasang voltmeter atau probe osiloskop pada titik antara B1 dan ground (vR2) untuk memantau sinyal output.

6. Aktifkan simulasi dan amati hasil output di voltmeter atau osiloskop.

7. Jika gelombang periodik muncul dan rangkaian berjalan tanpa error, maka simulasi berhasil.

Prinsip Kerja: 

Relaxation oscillator bekerja berdasarkan pengisian dan pengosongan kapasitor yang dikontrol oleh karakteristik switching dari UJT (Unijunction Transistor).

1. Pengisian Kapasitor (Charging):
   Ketika rangkaian pertama kali aktif, kapasitor $C$ mulai mengisi melalui resistor $R_1$. Tegangan $V_C$ pada kapasitor naik secara eksponensial menuju tegangan suplai (12V).

2. Pemicu UJT (Triggering):
   Saat tegangan $V_C$ mencapai tegangan puncak $V_P$, UJT mulai menghantarkan arus dari emitter ke basis B1. Ini menyebabkan kapasitor mengosongkan muatannya secara cepat melalui R₂ (via terminal B1 ke ground).

   Tegangan puncak $V_P$ dihitung dengan rumus:

   $$V_P = \eta \cdot V + V_D$$

   Jika $\eta = 0.6$, dan $V = 12V$, maka:

   $$V_P = 0.6 \times 12V = 7.2V$$

   (Jika $V_D$ diabaikan)

3. Pelepasan Kapasitor (Discharging):
   Setelah kapasitor mengosongkan muatan di bawah tegangan lembah $V_V$, UJT kembali ke kondisi off. Proses pengisian ulang dimulai lagi dari awal. Inilah yang menyebabkan gelombang periodik atau osilasi.

4. Frekuensi Osilasi:

Periode $T$ dan frekuensi $f$ ditentukan oleh:

Rangkaian :

Fig.17.45

9. Link Download[Kembali]

Download file Proteus Klik Di sini

Download Datasheet Resistor [klik disini]

Download Datasheet Kapasitor [klik disini]

Download Datasheet UJT [klik disini]

Download Datasheet SCR [klik disini]