PENGUJIAN
TRAINER
OSCILATOR
WIEN BRIDGE
(JEMBATAN
WIEN) DENGAN MENGGUNAKAN OSCILOSKOP DAN FREKUENSI
COUNTER
Syifaul Fuada1
1 Mahasiswa S1 Pendidikan Teknik Elektro 2010, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik,
Jln. Semarang, No.5 Malang (64154), +6285755136100
Abstrak
Pembangkit sinyal atau Oscilator merupakan rangkaian yang berfungsi untuk menghasilkan output sinyal periodik/frekuensi tertentu hanya dengan bantuan sumber searah/DC. Aplikasinya dalam sistem elektronika sangat luas misalnya saja pada radio, televisi, perangkat nirkabel, radar yang kesemuanya membutuhkan pembangkitan sinyal. Makalah ini membahas tentang pengujian trainer oscilator Wien Bridge, trainer ini merupakan salah satu dari 5 (lima) trainer yang dikembangkan oleh penulis. Metode yang digunakan adalah eksperimen, yakni membandingkan persamaan teoritik dengan hasil pengukuran frekuensi oleh osciloskop dan Frequency Counter. IC yang digunakan pada trainer ini adalah IC Op-Amp 741CN. Hasil yang didapatkan dari serangkaian eksperimen ini nantinya dimasukkan dalam Jobsheet dan modul ajar untuk menunjang pembelajaran praktikum pada mata kuliah Workshop Instrumentasi Industri di Jurusan Teknik Elektro Universitas Negeri Malang (UM).
Kata Kunci: Oscilator Wien Bridge, Osciloskop, Frequency Counter.
1. Pendahuluan
Oscilator merupakan salah satu sub bab bahasan materi dari mata kuliah teori & praktikum instrumentasi industri yang diajarkan pada mahasiswa prodi S1 Pendidikan Teknik Elektro. Mengingat kompleksitas dan urgensi sistem pembangkit sinyal ini, menjadikan oscilator sebagai suatu keharusan untuk dikuasai mahasiswa baik dari segi konsep maupun implementasi dalam bentuk hardware.
Namun pada kenyataan yang ada berdasarkan data angket wawancara dosen pengampu mata kuliah praktikum instrumentasi industri, bahwa tidak semua kompetensi yang tertulis dikatalog terlaksana. Hal ini karena modul praktikum sebagian besar belum tersedia khususnya untuk bahasan pembangkitan sinyal (Oscilator). Sehingga pada saat proses pembelajaran praktikum masih sebatas pada penggunaan projek board, apabila dilihat dari sisi efektifitas waktu tentu saja masih kurang. Dengan demikian dirasa penting untuk dirancang sebuah trainer pembangkit sinyal (oscilator) untuk menunjang pembelajaran pada mata kuliah praktikum Instrumentasi Industri.
Terdapat 5 (lima) trainer oscilator yang dikembangkan, namun pada makalah ini sebatas pada trainer oscilator Wien Bridge.
2. Tujuan Peneltian
Tujuan dari penelitian eksperimen ini adalah menguji trainer oscilator Wien Bridge dengan menggunakan osciloskop dan frequency counter
sebagai bahan ajar berupa jobsheet dan modul ajar cetak untuk menunjang pembelajaran praktikum pada mata kuliah Workshop Instrumentasi Industri di Jurusan Teknik Elektro Universitas Negeri Malang (UM).
3. Tinjauan Pustaka 3.1 Topologi Oscilator RC
Berdasarkan teori diketahui penguatan α adalah penguatan op-amp yang dibentuk oleh rangkaian resistor Rf dan Rg yang dirangkai ke input negatif Op-Amp. Sedangkan β merupakan feedback yang dibentuk oleh jaringan R-C yang dirangkai ke input positif Op-Amp. Perhatikan gambar 1 dibawah ini:
Dalam hal ini Jaringan R-C pada oscilator Wien Bridge dirangkai ke input positif (+) yakni sebagai β. Perhatikan Gambar 2
Gambar 2. Oscilator Wien Bridge sebagai β
Sehingga penguatan α mernggunakan jaringan
INVERTING, seperti yang ditujukan pada Gambar 3 dibawah ini:
Gambar 3. Penguat Inverting pada α 3.2 Oscilator 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. dibawah ini.
Gambar 4. Rangkaian dasar oscilator Wien Bridge (Sumber:
http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/wien_bridge.html)
Berdasarkan gambar 4. Maka secara lengkap rangkaian oscilator Wien Bridge seperti gambar 5.
Gambar 5. Rangkaian oscilator Wien Bridge
menggunakan Op-Amp
Berdasarkan Gambar 2, 3 dan 5 maka dapat diketahui dimana letak penguat α dan yang mana feedback dengan penguatan β. 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). Resistor feedback (Rf) HARUS sama dengan dua kali Resistor gain (Rf = 2Rg). Sehingga dengan demikian besar penguat α = 3.
Dengan hasil ini, untuk memenuhi syarat terjadinya osilasi dimana αβ = 1 maka β penguatannya harus 1/3. Berikut merupakan penjelasannya:
αβ = 1 ... (2)
α = 1/β ... (3)
α = 1/ Rg /(Rg + Rf)... (4)
α = (Rf + Rg)/Rg ... (6)
Karena keterbatasan ruang, kita dapat menganalisa sendiri rangkaian penggeser phasa pada Gambar 5. dengan pesyaratan osilasi yaitu: ...(7)
3
1
Vin
Vout
Gambar 6. Kurva Respon Rangkaian Oscialtor Wien Bridge (Asad : 4)
Dari pemaparan diatas bahwa rangkaian penggeser phasa tersebut akan mencapai nilai maksimum pada satu frekuensi tertentu. Nilai maksimun ini akan tercapai jika:
ω = 1/RC ... (8)
ω = 2πf ... (9)
2πf = 1/RC ...(10) Berdasarkan persamaan 8, 9 dan 10 maka apabila diuraikan dapat diketahui besar frekuensi ini yakni:
...(11) 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 β. Berdasarkan Gambar 5. harga dari R1 harus sama dengan R2, dan C1 harus sama dengan C2.
R1 = R2 , C1 = C2 ...(12)
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.
3.3 Distorsi
Dengan menggunakan rumus 11, misalnya hasil perhitungan menunjukkan bahwa oscilator Wien Bridge 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).
4. Metode
4.1 Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilakukan di Labolatorium elektonika daya dan Labolatorium elektronika digital, Gedung G4 Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Malang dengan rentang waktu Januari s.d Maret 2014.
4.2 Alat dan Bahan
AVO meter Digital atau Analog, Osciloskop, Frequency Counter, Kabel Probe, Power Supply Simetris +12V, GND, -12V, Modul Resistor 1K & 10K, Modul Resistor 2K & 20K, Modul Resistor 3K & 30K, Modul Kapasitor 10nF & 100nF dan Modul
Oscilator Wien Bridge (PTEL-ORC2) dan Jumper secukupnya.
4.3 Langkah kerja
4.3.1 Menganalisan menggunakan perhitungan manual
Langkah pertama yakni menghitung manual, sesuai dengan formula pada persamaan 11. Kapasitor yang digunakan adalah 10nF dan 100nF, sedangkan resistor yang digunakan sebanyak 6 buah yakni: 1K, 10K, 2K, 20K, 3K dan 30K. Sehingga bila dikombinasikan terdapat 12 eksperimen.
4.3.2 Merangkai Rangkaian
Pada proses ini penulis merangkai modul Resistor, Kapasitor ke trainer. Kemudian menyambungkan ke power supply dan menyambung output trainer ke osciloskop dan Frequency Counter. Setelah dipastikan benar rangkaian maka power supply dihidupkan, maka frekuensi dapat terlihat.
RC
2
1
f
4.3.3 Melakukan analisa
Penulis mencatat data hasil dari serangkaian eksperimen diatas kemudian dibandingkan, antara perhitungan manual dengan osciloskop dan Frequency Counter.
5. Hasil dan Pembahasan Tabel 1. Hasil pengujian
NO R1, R2 C1,C2 F hitung F osc F fc 1 1K 10nF 15,92KHz 13,15KHz 13,38KHz 2 1K 100nF 1,592KHz 1,562KHz 1,614KHz 3 10K 10nF 1,592KHz 1,515KHz 1,55 KHz 4 10K 100nF 159,23Hz 161,29Hz 162,78Hz 5 2K 10nF 7,96 KHz 7,40 KHz 7, 40 KHz 6 2K 100nF 796,1 Hz 800 Hz 802, 1 Hz 7 20K 10nF 796,1 Hz 769,2 Hz 777,8 Hz 8 20K 100nF 79,61 Hz 80 Hz 80, 48 Hz 9 3K 10nF 5,30KHz 4,87 KHz 5,02 KHz 10 3K 100nF 530,7 Hz 540,5 Hz 539,76Hz 11 30K 10nF 530,7 Hz 526,3 Hz 518,5 Hz 12 30K 100nF 53,07 Hz 54,05 Hz 53,87 Hz Keterangan: Rf : 2K, Rg : 1K
F osc : Frekuensi yang ditampilkan osciloskop F fc : Frekuensi yang ditampilkan Frequency Counter
Pada data hasil terdapat selisih baik secara teoritis, hasil pengukuran menggunakan osciloskop maupun frekuensi counter. Nilai sebenarnya ditunjukkan pada frekuensi counter, karena ketelitian osciloskop kurang yakni 0,2 atau 1/5. Sedangkan frequency counter memiliki ketelitian hingga 0,00001 atau 1/105.
Secara keseluruhan terdapat selisih, namun tidak terlalu jauh penyimpangannya. Perbedaan frekuensi ini karena faktor komponen pasif pada rangkaian oscilator misalnya saja Resistor dan kapasitor. Agar hasilnya maksimum hendaknya menggunakan Resistor yang baru dengan toleransi 1% yakni dari jenis metal film. Umumnya bila menggunakan komponen yang Second hand sulit menemukan hasil yang sempurna. Sedangkan penguatan (Gain) lebih menekankan pada faktor catu daya. Bila catu daya yang dipakai tidak maksimal (Drop Voltage) maka amplitudo yang ditampilkan pada osciloskop tidak sesuai dengan perhitungan Gain.
6. Kesimpulan
Oscilator jembatan wien dapat menghasilkan frekuensi daam bentuk gelombang sinus tanpa input. Frekuensi yang dihasilkan tersebut didapat melalui rangkaian RC sebagai feeddback, Sehingga apabila komponen R atau C diubah maka akan mempengaruhi besar frekuensi. Hal ini terbukti pada percobaan ke-1 sampai ke-12, dengan R dan C yang berbeda maka frekuensi berbeda pula.
Gain pada oscilator jembatan wien ini menggunakan model Jaringan menggunakan Non-Inverting Amplifier, hal ini sesuai teori bahwa Gain harus Sama dengan 3 (tiga). Sehingga pada praktikum menggunakan nilai Resistor feedback (Rf)
Sama dengan dua kali Resistor gain (Rg). Yakni 2K dan 1K atau 20K dan 10K
Berdasarkan praktikum dapat disimpulkan bahwa percobaan ini berhasil karena perbandingan antara perhitungan secara teoritis, hasil pengukuran menggunakan osciloskop dan frekuensi counter adalah mendekati. Nilai sebenarnya ditunjukkan pada frekuensi counter, karena ketelitian osciloskop
kurang yakni 0,2 atau 1/5. Sedangkan frequency counter memiliki ketelitian hingga 0,00001 atau 1/105.
7. Saran
Nilai R atau 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% Op-Amp 741 yang digunakan mempunyai
frekuensi maksimum dan tahanan dalam tertentu, sehingga apabila menghendaki frekuensi ~1MHz diperlukan Op-Amp khusus yang dapat bekerja pada rentang frekuensi demikian.
Ucapan Terimakasih
Terimakasih kepada bapak Dr. Hakkun Elmunsyah, S.T., M.T. selaku pembimbing I skripsi saya dan juga kepada Drs. Suwasono, M.T. selaku pembimbing II. Terimakasih saya haturkan kepada M. Isna Khoirul Huda dan Adhi Bagus Pribadi yang telah membantu dalam penyelesaian hitungan matematik dari eksperimen ini. Terimakasih juga kepada Dita Dwi Andriyani yang telah membantu dalam pelarutan perak PCB di lab. Kimia FMIPA UM. Skripsi ini mendapat hibah PKM Penelitian dari DIKTI tahun 2014.
Daftar pustaka
Asad, Syed Muhammad. Oscillators. EEET 201 – Chapter 16. Diakses di
http://www.hbcc.edu.sa/facpages/SyedMuhammadAsa d/Data_files/EEET%20201/Ch16.pdf pada 2 Januari 2014
Storr, Wayne 2014. The Wien Bridge Oscillator. Diakses di http://www.electronics
tutorials.ws/oscillator/wien_bridge.html pada 2 Januari 2014
Ron Mancini and Richard Palmer. 2001. Sine-Wave Oscillator: Wien Bridge Oscillator. Texas
Instrument Application Report SLOA060 - March 2001.PP 10-11
8. Lampiran-Lampiran
Gambar 7. Rangkaian eksperimen Oscialtor Wien Bridge
Gambar 8. Penulis yang sedang melakukan eksperimen
Gambar 9. Dimensi Trainer oscilator Wien Bridge
Gambar 10. Trainer oscilator Wien Bridge tampak depan
