Rangkaian Pembangkit Gelombang Kotak

Pembangkit gelombang kotak termasuk dalam keluarga osilator yang disebut sebagaimultivibrator. Tepatnya,

pembangkit ini dikatakan sebagai multivibrator astabil ataumultivibrator bergerak bebas

(freerunning), karena keluaran terus menerus berubah keadaannya (tinggi dan rendah) tanpa adanya masukan.

Pada Gambar 1. berikut diperlihatkan sebuah pembangkit gelombang kotak dasar.

Rangkaian Pembangkit Gelombang Kotak Dasar

 

Ada dua buah lintasan umpan balik untuk rangkaian ini. Lintasan pertama datang dari keluaran menuju masukan

membalik (inverter), pada lintasan ini terdapat sebuah resistorumpan balik dan sebuah kapasitor yang

dibumikan. Kombinasi RC ini menentukan frekuensi kerja pembangkit. Lintasan kedua datang dari keluaran menuju

masukan tak membalik (non inverter) dan terdiri atas dua buah resistor. Resistor-resistor ini membentuk pembagi

tegangan yang memberikan tegangan  acuan (Vref) pada masukan tak membalik. Bila resistor-resistor ini

dipilih sehingga R3 86% dari R2, frekuensi pembangkit dapat didekati dengan rumus sederhana berikut :

f out = 1 / 2RIC

Dengan jaringan pembagi tegangan R2 dan R3 memberikan Vref pada masukan tak membalik, rangkaian

berperilaku sepertidetector level tegangan.

Tegangan Kapasitor dengan Tegangan Keluaran

Rangkaian Pembangkit Gelombang Kotak

Sebagai contoh, bila pada rangkaian ini diberikan daya, kapasitor akan mengisi lewat R1 sampai mencapai Vout.

Keluaran op-amp akan + Vsat, dan Vref pada masukan tak membalik akan berada pada tegangan positif, VT.

Bila tegangan kapasitor melebihi +VT keluaran op-amp akan beralih keadaan yaitu menuju – Vsat. Kini Vref pada

masukan tak membalik berada pada tegangan ambang negatif, – VT. Sebaliknya kini kapasitor mulai mengisi

dalam arah yang berlawanan menuju – Vsat. Ketika tegangan kapasitor turun di bawah – VT, keluaran op-amp

kembali pada keadaan semula dan Vout kembali pada Vsat. Satu siklus telah terpenuhi, lalu proses akan berulang

lagi.

Gambar 2. memperlihatkan aksi tengangan kapasitor (Vc) dan tegangan keluaran op-amp (Vout). Tegangan

ambang +VT dan –VT ditentukan oleh resistor pembagi tegangan R2 dan R3 dan dinyatakan dalam

Untuk membuat sebuah pembangkit gelombang kotak dengan gelombang uji 1 kHz, ambil R1 10 KW, C = 0,05

μF, R2 = 100 KW, dan R3 = 86 KW.

Frekuensi keluaran diperiksa melalui :

fout = 1 / (2(10×103)(0,05×10-6))

fout = 1 / 2(0,5×10-3)

fout = 1 / 1×10-3

fout = 1 KHz

Bila +Vsat dan – Vsat sama dengan +13,5V dan – 13,5V, maka amplitudo tegangan ambang adalah :

+VT = 0,46 (+13,5 V)

= +6,21

dan

-VT = 0,46 (-13,5 V)

= -6,21

Karena itu, tegangan ambang antar puncak VH adalah

VH (pp) = (+VT) – ( – VT)

= +6,21 – ( – 6,21)

= 12,42 V

Atau dengan perkataan lain VH dua kali +VT atau dua kali –VT .

VH(pp) = 2 (+VT) atau 2 ( – VT)

Pembangkit Gelombang Kotak dengan Duty Cycle 50% dan Frekuensi Variabel Menggunakan Pewaktu 555

Gelombang kotak adalah salah satu bentuk gelombang dasar yang sering dipakai dalam

elektronika dan pengolahan isyarat. Pada tulisan ini, saya akan sedikit membahas

rangkaian pembangkit gelombang kotak berbasis pewaktu 555 dengan duty cycle 50% dan

frekuensi yang dapat diubah sesuai kebutuhan. Pembangkit gelombang kotak tersebut

terdiri dari sebuah pewaktu 555 yang dirangkai dengan dua buah resistor (R1 dan R2), dua

buah kapasitor (C1 dan C2), serta sumber tegangan (Vcc) sebagaimana diperlihatkan pada

Gambar 1 berikut.

Gambar 1. Rangkaian Pembangkit Gelombang Kotak, Duty Cylcle 50%, Frekuensi Variabel

Jika R1 dan R2 pada rangkaian Gambar 1 ditetapkan nilainya pada 33 k dan 13,9 k ,Ω Ω

frekuensi gelombang kotak keluaran dalam Hz adalah

Jadi, dengan mengatur nilai kapasitans dari kapasitor C1, frekuensi keluaran dapat diubah.

Misalnya, untuk menghasilkan frekuensi 56 Hz, digunakan kapasitor C1 dengan kapasitans

sebesar 39 nF. Gambar 2 memperlihatkan tegangan pin OUT (output) hasil simulasi

menggunakan LTspice jika nilai kapasitans dari kapasitor C1 dibuat sama dengan 39 nF.

Gambar 2. Tegangan Pin OUT (Output) Hasil Simulasi LTspice

Prinsip Kerja

Pewaktu 555 merupakan rangkaian terintegrasi yang sangat popular untuk

membangkitkan gelombang kotak. Di dalamnya, terdapat flip-flop, komparator, dan

transistor yang dirangkai sedemikian rupa membentuk suatu multivibrator. Gambar 3

memperlihatkan interior dari pewaktu 555.

Gambar 3. Interior Pewaktu 555

Pada rangkaian Gambar 1, pewaktu 555 dioperasikan sebagai multivibrator astabil dengan

cara menghubungkan pin TRIG (trigger) dengan pin THRS (threshold), sehingga pewaktu

555 tersebut dapat menyulut dirinya sendiri. Duty cycle dan frekuensi dari gelombang

kotak keluaran ditentukan oleh nilai komponen eksternal, yaitu resistor R1 dan R2, serta

kapasitor C1.

Untuk memahami prinsip kerja dari rangkaian ini, mari kita asumsikan bahwa mula-mula

keluaran pin OUT (output) berlogika rendah, misalnya 0 V, dan kapasitor C1 telah terisi

penuh oleh sumber tegangan Vcc, misalnya sampai tegangan 12 V, melalui resistor R1.

Selama pin OUT (output) berlogika rendah, discharging transistor di dalam pewaktu 555

menjadi on, mengakibatkan peluahan muatan dari kapasitor C1 menuju GND melalui

resistor R2, pin DIS (discharge), dan discharging transistor, sehingga tegangan kapasitor C1

turun. Karena tegangan pin TRIG (trigger) selalu mengikuti tegangan kapasitor C1, ketika

tegangan kapasitor C1 hendak jatuh ke nilai di bawah  1/3 Vcc, yaitu 4 V, komparator yang

terhubung ke pin TRIG (trigger) berubah ke logika tinggi dan keluaran pin OUT (output)

berubah ke logika tinggi.

Selama pin OUT (output) berlogika tinggi, discharging transistor di dalam pewaktu 555

menjadi off, mengakibatkan kapasitor C1 terisi muatannya kembali melalui resistor R1,

sehingga tegangan kapasitor C1 naik. Karena tegangan pin THRS (threshold) juga selalu

mengikuti tegangan kapasitor C1, ketika tegangan kapasitor C1 hendak melampaui 2/3 Vcc,

yaitu 8 V, komparator yang terhubung ke pin THRS (threshold) berubah ke logika rendah

dan keluaran pin OUT  (output) berubah ke logika rendah kembali, dan fase sebelumnya

terulang lagi, begitu seterusnya sampai sumber tegangan Vcc dilepas. Gambar 4

memperlihatkan perubahan tegangan kapasitor C1 dan tegangan pin OUT  (output) hasil

simulasi menggunakan LTspice.

Gambar 4. Tegangan Kapasitor C1 (Biru) dan Tegangan Pin OUT (Hijau) Hasil Simulasi LTspice

Menghitung th dan tl

th adalah durasi logika tinggi dari keluaran pin OUT (output), yaitu ketika terjadi pengisian

kapasitor C1 dari tegangan awal 1/3 Vcc menuju 2/3 Vcc. Pada saat tersebut, rangkaian

ekuivalen pengisian kapasitor C1 diperlihatkan pada Gambar 5 berikut.

Gambar 5. Rangkaian Ekuivalen Pengisian Kapasitor C1

Penerapan Hukum Tegangan Kirchoff pada rangkaian Gambar 5 menghasilkan

Dengan mengelompokkan suku-suku, diperoleh

Penerapan integral pada kedua sisi menghasilkan

Tegangan awal kapasitor C1 saat terjadi pengisian adalah 1/3 Vcc. Dengan demikian,

sehingga

Setelah waktu berlansung selama th detik, tegangan kapasitor C1 telah naik ke 2/3 Vcc.

Dengan demikian,

sehingga

tl adalah durasi logika rendah keluaran pin OUT (output), yaitu ketika terjadi pengosongan

kapasitor C1 dari tegangan awal 2/3 Vcc menuju 1/3 Vcc. Pada saat tersebut, rangkaian

ekuivalen pengosongan kapasitor C1 diperlihatkan pada Gambar 6 berikut.

Gambar 6. Rangkaian Ekuivalen Pengosongan Kapasitor C1

Penerapan Hukum Arus Kirchoff pada rangkaian Gambar 6 menghasilkan

Dengan mengelompokkan suku-suku, diperoleh

Penerapan integral pada kedua sisi menghasilkan

Tegangan awal kapasitor C1 saat terjadi pengosongan adalah 2/3 Vcc. Dengan demikian,

sehingga

Setelah waktu berlansung selama tl detik, tegangan kapasitor C1 telah turun ke 1/3 Vcc.

Dengan demikian,

sehingga

Kemudian, untuk mendapatkan duty cycle sebesar 50%, th harus dibuat sama dengan tl.

Selain itu, R2 tidak boleh memiliki nilai lebih besar daripada separuh nilai R1 sebab hal itu

akan mencegah tegangan kapasitor turun sampai 1/3 Vcc, sehingga rangkaian tidak akan

tersulut. Ada dua kombinasi nilai R1 dan R2 yang bisa dengan mudah dipakai, yaitu 33

kΩ dan 13,9 k (seri 10Ω  k dan 3,9Ω  k ) atau 51Ω  kΩ dan 22 k . Untuk kombinasi kedua,Ω

hubungan frekuensi gelombang kotak keluaran dan kapasitans C1 adalah

About these ads