Oscilator Jembatan Wien

Percobaan 9

Oscilator Jembatan Wien

(Wien Bridge Oscillator)

9.1  Tujuan :

1.      Mahasiswa dapat mengetahui prinsip kerja dan karakteristik oscilator Wien Bridge.

2.      Mahasiswa mampu merangkai rangkaian oscilator Wien Bridge secara praktik dengan benar.

3.      Mahasiswa mampu menguji rangkaian oscilator Wien Bridge secara praktik dengan menggunakan alat ukur.

4.      Mahasiswa mampu membuat analisa dan kesimpulan dari hasil praktikum

Rangkaian oscilator Wien Bridge.

9.2  Dasar Teori

1)      OP-AMP sebagai Oscilator

            Operational Amplifier atau disingkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang populer digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp populer yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator, differensiator, oscilator dll. Pada pokok bahasan kali ini akan dijelaskan aplikasi op-amp sebagai pembangkit sinyal (Oscilator). Untuk lebih jelasnya perhatikan Spesifikasi OP-AMP 741 yang digunakan dalam praktikum.

Gambar 1.1 Tata Letak Kaki IC 741

Keterangan

Kaki 1 & 5      : offset null

Kaki 2             : masukan membalik (inverting input)

Kaki 3             : masukan tak membalik (non inverting input)

Kaki 4             : tanah (ground)

Kaki 6             : keluaran

Kaki 7             : catu tegangan positif

Kaki 8             : tak digunakan

2)      Topologi Oscilator RC

 

			Wien Bridge sebagai α
					Bridged-T sebagai β
					Twin-T sebagai β

Keterangan:

 α = Penguat Inverting (-)

 

                                                                                                                    ........(1)

	Dari Feedback

 

 β  = Penguat Non Inverting (+)

 

.......(2)

3)      Oscilator Jembatan Wien (Wien Bridge)

            Oscilator ini ditemukan oleh Max Wien yang lahir pada tahun 1866 di Kaliningrad Rusia dan tinggal di Jerman, beliau merupakan orang pertama yang mencetuskan ide penggeser fasa 2 tingkat, perhatikan Gambar 1.2 dibawah ini.

Gambar 1.2 Rangkaian Dasar Wien Bridge

            Berdasarkan Gambar 1.2, secara utuh rangkaian oscilator jembatan wien adalah seperti Gambar 1.3 dibawah ini:

Gambar 1.3 Rangkaian Oscialtor Wien Bridge

            Rangkaian ini dinamakan Bridge atau jembatan. Pertanyannya dimanakah jembatannya ? karena pada kenyataannya tidak terdapat jembatan pada Gambar 1.3 diatas. Cobalah perhatikan Gambar 1.4 dibawah ini yang merupakan modivikasi berdasarkan Gambar 1.3.

Gambar 1.4 Rangkaian Oscialtor Wien Bridge

            Berdasarkan Gambar 1.3 dan Gambar 1.4 maka dapat diketahui dimana letak penguat β dan yang mana feedback dengan penguatan α. Gain tegangan dari rangkaian penguat HARUS sama dengan tiga (Gain = 3) agar rangkaian dapat meng-osilasi. Nilai ini ditentukan oleh jaringan resistor umpan balik yakni Resistor feedback (Rf) dan Resistor gain (Rg).

            Berdasarkan teori diketahui penguatan β adalah penguatan op-amp yang dibentuk oleh rangkaian resistor Rf dan Rg yang dirangkai ke input negatif Op-Amp, sehingga menggunakan rumus seperti persamaan 2 (dua). Resistor feedback (Rf) HARUS sama dengan dua kali Resistor gain (Rf = 2Rg). Sehingga dengan demikian besar penguat β = 3.

            Dengan hasil ini, untuk memenuhi syarat terjadinya osilasi dimana αβ = 1 maka α penguatannya harus 1/3. Karena keterbatasan ruang, kita dapat menganalisa sendiri rangkaian penggeser phasa pada Gambar 1.2 dengan pesyaratan osilasi yaitu:

 

                                                            .......................................................(3)

            Kita akan menemukan bahwa rangkaian penggeser phasa tersebut akan mencapai nilai maksimum pada satu frekuensi tertentu. Nilai maksimun ini akan tercapai jika:

    ωC = R   ..................................................................  (4)

                       ω = 2πf   ................................................................... (5)

    2πfC = R  ..................................................................(6)

            Berdasarkan persamaan 4, 5 dan 6 maka apabila diuraikan dapat diketahui besar frekuensi ini yakni:

 

                                                                        .......................................................(7)

            Inilah yang dikenal dengan sebutan frekuensi resonansi (resonant frequency). Dengan demikian osilator wien akan menghasilkan gelombang sinus dengan frekuensi resonansi tersebut. Syarat yang harus dipenuhi untuk membangun rangkaian osilator jembatan wien ini adalah penentuan besarnya Resistor dan Kapasitor pada α. Berdasarkan Gambar 1.3 harga dari R1 harus sama dengan R2, dan C1 harus sama dengan C2.

R1 = R2 ,  C1 = C2                            .......................................................(8)

            Frekuensi yang dihasilkan oleh oscilator jembatan wien adalah dari range 1 Hz sampai 1 MHz. Sehingga besar R dan C tersebut diatur sedemikian rupa sehingga frekuensi outputnya dapat menunjukkan minimal sebesar 1 KHz. Sebab bila kurang dari 1 KHz maka akan menyebabkan rangkaian menjadi tidak stabil, akibatnya pembacaan menjadi tidak akurat dan terpengaruh waktu (s).

            Sedangkan bila pengaturan frekuensi bila diatas 1 MHz maka frekuensi akan terpotong, hal ini karena keterbatasan gain dari OP-AMP. Dalam kasus ini maka diperlukan Op-Amp khusus yang dapat bekerja pada frekuensi tinggi.

4)      Contoh

                Tentukan frekuensi osilasi dari rangkaian Jembatan Wien Oscillator yang memiliki R1 dan R2 40kΩ dan C1 dan C2 100nF!

5)      Distorsi

            Dengan menggunakan rumus 7, hasil perhitungan menunjukkan bahwa oscilator jembatan wien akan menghasilkan frekuensi 39,8 Hz. Tetapi bila mencoba rangkaian tersebut dan mengukur hasilnya dengan osciloskop atau frekuensi counter, ternyata frekuensi resonansinya adalah < 39,8 Hz. Hal ini memang diketahui karena adanya distorsi pada rangkaian penggeser phasa (baik 1 tingkat, 2 tingkat atau 3 tingkat) yang non-linier. Untuk mempekecil distorsi tersebut dapat digunakan rangkaian feedback nonlinear. Misalnya dengan mengganti resistor Rg dengan lampu DC 6 Volt 1 Watt, tentu besar resistor Rf juga harus disesuaikan agar tetap nilainya kurang lebih = 2Rg. Besar arus yang melewati lampu tidak akan menyalakannya, tetapi cukup untuk memanaskan filamennya. Besar resistansi lampu akan berubah-ubah karena sesuai dengan besar arus yang melewatinya. Ini yang mengakibatkan penguatan pada Op-Amp menjadi tidak linear. Pada rangkaian pembangkit sinyal sinus jembatan Wien yang profesional yang biasanya diimplementasikan pada sistem pemancar, untuk memperkecil distorsi dapat dibuat dengan menambahkan rangkaian AGC (Automatic Gain Controller).

6)      Ringkasan Oscilator Wien Bridge

§  Oscilator jembatan wien dapat menghasilkan osilasi sinyal output meskipun tanpa menggunakan sinyal input.

§  Kelebihan oscilator jembatan wien ini menghasilkan output yang konstan dan dapat diatur frekuensinya dengan mudah, tentunya menggunakan potensiometer atau variable kapasitor pada C dan R.

§  Oscilator jembatan wien dapat menghasilkan berbagai macam frekuensi.

§  Gain tegangan pada penguat minimal sama dengan 3 (Gain = 3).

§  Jaringan menggunakan Non-Inverting Amplifier.

§  Resistansi input dari penguat harus lebih tinggi dari R (lihat persamaan 6) sehingga jaringan RC tidak Overload.

§  Resistansi keluaran dari penguat harus rendah, Vout/Vin = 1/3

§  Agar menghasilkan osilasi sempurna maka syarat yang harus dipenuhi adalah R1 HARUS sama dengan R2 dan C1 HARUS sama dengan C2,

§  Sebelum pengujian nilai C HENDAKNYA diukur terlebih dahulu menggunakan RLC meter karena terkadang kapasitor sudah rusak/tidak dapat bekerja secara maksimal sehingga pengosongan dan pengisian pada kapasitor tidak sempurna.

§  Pilihlah Resistor yang berbahan Metalfilm, karena toleransinya hanya 1% sehingga tidak terdapat penyimpangan jauh. Apabila menggunakan karbon maka perbedaan frekuensi menyimpang sedikit karena tolerasinya 5%.

9.3  Alat dan Bahan :

1.      AVO meter Digital atau Analog                                                         1 buah

2.      Osciloskop                                                                                          1 buah

3.      Kabel Probe                                                                                        1 buah

4.      Modul Oscilator Wien Bridge                                                            1 buah

5.      Power Supply  Simetris                                                                       1 buah

6.      Modul Resistor 1K & 10K, 2K & 20K, 3K & 30K                           1 buah

7.      Modul Kapasitor 10nF & 100nF                                                        1 buah

8.      Jumper                                                                                                 Secukupnya

9.4  Langkah percobaan

1.      Siapkan alat dan komponen yang diperlukan.

2.      Hidupkan dan kalibrasi osciloskop yang akan digunakan

3.      Hidupkan power supply dan atur tegangan positif 12V dan tegangan negatif -12V

4.      Rangkai komponen-komponen pada projectboard sesuai dengan gambar percobaan berikut :

Gambar 1.5. Rangkaian Oscilator Wien Bridge

5.      Sambungkan rangkaian yang telah selesai dirangkai dengan sumber tegangan (power supply).

6.      Sambungkan output pada channel 1 atau chanel 2 osciloskop.

7.      Gantilah komponen R dan C sesuai tabel percobaan

8.      Catat dan gambar sinyal output pada tabel percobaan.

9.      Lakukan pengamatan pada layar osciloskop terhadap setiap perubahan frekuensi dari penggantian kompnen R dan C

10.  Catat hasil yang didapat sesuai dengan tabel percobaan.

11.  Buat kesimpulan dari hasil praktikum.

9.5  Data Hasil

a.      Tabel Hasil Percobaan

No	Komponen Praktikum						Frekuensi Output
	Rf	Rg	R1	R2	C1	C2	T/DIV: 5 ms
							DIV    : 5 V
1	20K	10K	10K	10K	100nF	100nF
2	20K	10K	1K	1K	100nF	100nF	T/DIV: 5 ms
							DIV    : 5 V
3	20K	10K	10K	10K	10nF	10nF	T/DIV: 5 ms
							DIV    : 5 V
4	20K	10K	1K	1K	10nF	10nF	T/DIV: 5 ms
							DIV    : 5 V
5	20K	10K	2K	2K	10nF	10nF	T/DIV: 5 ms
							DIV    : 5 V
6	20K	10K	2K	2K	100nF	100nF	T/DIV: 5 ms
							DIV    : 5 V

9.6  Analisa Data

No	Teori	Hasil Praktikum	Distorsi
1	Diketahui: R = 10K C = 100nF ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ………………………………………	Diketahui: V/Div = Div     = V        = T/Div = Div     = T        = f = 1/T
2	Diketahui: R = 1K C = 100nF ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ………………………………………	Diketahui: V/Div = Div     = V        = T/Div = Div     = T        = f = 1/T
3	Diketahui: R = 10K C = 10nF ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ………………………………………	Diketahui: V/Div = Div     = V        = T/Div = Div     = T        = f = 1/T
4	Diketahui: R = 1K C = 10nF ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ………………………………………	Diketahui: V/Div = Div     = V        = T/Div = Div     = T        = f = 1/T
5	Diketahui: R = 2K C = 10nF ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ………………………………………	Diketahui: V/Div = Div     = V        = T/Div = Div     = T        = f = 1/T
6	Diketahui: R = 2K C = 100nF ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ………………………………………	Diketahui: V/Div = Div     = V        = T/Div = Div     = T        = f = 1/T

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

9.7  Kesimpulan

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

9.8  Simulasi

1)       

2)       

3)     

4)     

5)     

6)     

9.9  Tugas

1.      Tentukan frekuensi maksimum dan minimum osilasi dari rangkaian Jembatan Wien Oscillator yang memiliki Potensiometer 1kΩ ke 100kΩ dan kapasitor 1pF!

2.      Tentukan frekuensi maksimum dan minimum osilasi dari rangkaian Jembatan Wien Oscillator yang memiliki Resistor 2KΩ dan kapasitor Variabel 10nF ke 1000nF!

3.      Sebutkan ciri-ciri dan karakteristik dari rangkaian Oscilator Jembatan Wien yang anda ketahui dari percobaan ini?

4.      Berdasarkan percobaan dapat dilihat perbedaan frekuensi antara hasil perhitungan matematis (secara teori) dengan hasil pengamatan menggunakan alat bantu osciloskop, mengapa demikian? dan bagaimana solusinya?

Jawab :

……………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………