BAB V MULTIVIBRATOR A. Pendahuluan 1. Deskripsi Judul bab ini adalah Multivibrator. Melalui bab ini pembaca khususnya mahasiswa akan mendapatkan gambaran tentang konsep dasar Multivibrator. Konsep dasar multivibrator meliputi pengertian multivibrator, jenis-jenis multivibrator, cara kerja multivibrator, karakteristik multivibrator dan aplikasi multivibrator dalam elektronika digita. 2. Manfaat Multivibrator merupakan salah satu komponen penting dalam sistem elektronika digital. Multivibrator dapat digunakan untuk penyusunan berbagai macam sistem dan rangkaian elektronika digital, misalnya untuk menyusun counter, register, flip-flop dan pembangkit gelombang. Dengan memahami cara kerja dan karakteristik multivibrator, mahasiswa akan lebih mudah memahami rangkaian elektronika yang lebih kompleks. 3. Kemampuan yang diharapkan Setelah mempelajari bab ini, mahasiswadiharapkan dapat menjelaskan cara kerja multivibrator dan penerapannya dalam sebuah sistem digital.
4. Petunjuk Belajar Disarankan kepada para mahasiswa agar memahami kompetensi dasar yang akan dicapai pada bab ini dan menjadikan kompetensi dasar tersebut sebagai pedoman atau arah dalam mempelajari materi. Langkah berikutnya adalah mencoba mengkaji materi pada bab ini melalui bagian demi bagian dengan mengacu pada kompetensi dasar. Hal ini dapat dilakukan dengan cara menandai (menggarisbawahi, memberi warna dengan stabilo, dll.). Mahasiswa juga dapat menambahkan catatan-catatan penting pada bagian-bagian tertentu, atau mencatat kesulitan-kesulitan yang ditemukan untuk didiskusikan dengan teman atau ditanyakan kepada dosen pengampu. Untuk mengetahui sejauh mana pemahaman mahasiswa terhadap materi yang dipelajari, mahasiswa dituntut melaksanakan tugas-tugas maupun perintah yang terdapat pada bab ini, termasuk mengerjakan latihan maupun soal-soal yang ada. Selanjutnya, mencocokan pekerjaan dengan kunci jawab yang tersedia. Langkah terakhir yang perlu dilakukan mahasiswa adalah memperdalam materi pada bab ini dengan menghubungkan buku-buku sumber lain yang relevan 5. Prasyarat Agar dapat tercapai tujuan pembelajaran dan pembaca mampu menguasai kompetensi dasar yang diharapkan, pembaca diharapkan sudah memiliki pengetahuan dan kompetensi dasar sebagai prasyarat sebagai berikut : a. Telah memahami dan mengerti konsep dasar teknik digital b. Telah memahami dan mengerti konsep dasar gerbang-gerbang logika dasar dan aplikasinya dalam rangkaian elektronika digital c. Telah memahami dan mengerti konsep dasar komponen elektronika analog : Op-Amp, Kapasitor, Resistor dan Resistor
B. Penyajian 1. Konsep Dasar Multivibrator adalah rangkaian elektronik terpadu yang digunakan untuk menerapkan variasi dari sistem dua keadaan (two state system) yang dapat menghasilkan suatu sinyal kontinu, yang dapat digunakan sebagai pewaktu (timer) dari rangkaian-rangkaian sekuensial. Multivibrator beroperasi sebagai osilator, yaitu sebagai sebuah rangkaian pembangkit sinyal, di mana sinyal yang dihasilkan pada keluaran akan berbentuk gelombang persegi (square wave). Multivibrator dalam pengoperasiannya memiliki dua keadaan utama, yaitu keadaan stabil dan keadaan tak stabil a. Keadaan stabil adalah keadaan di mana taraf amplitudo sinyal keluaran adalah tetap/stagnan pada suatu nilai tertentu. b. Keadaan tak stabil adalah keadaan di mana taraf ampiltudo sinyal selalu berubah-ubah mengikuti denyut tegangan pada komponen aktif. Keadaan tak stabil dipengaruhi oleh waktu laju pengisian/pengosongan kapasitor yang besarnya ditentukan dari kapasitas kapasitor. 2. Prinsip Kerja Multivibrator Rangkaian multivibrator terdiri dari komponen penguat aktif yang dikopel silang dengan komponen-komponen pasif (resistor dan kapasitor). Prinsip kerja dari sebuah rangkaian multivibrator dapat dijelaskan dengan model pengisian dan pengosongan kapasitor yang berulang-ulang.
Gambar 1 Prinsip Kerja Multivibrator Keterangan : a. Rangkaian dasar RC saat pengisian dan pengosongan tegangan kapasitor c. Kurva pengisian kapasitor d. Kurva pengosongan kapasitor Fungsi resistor pada rangkaian multivibrator adalah sebagai sumber arus bagi pengisian muatan kapasitor, sedangkan kapasitor berfungsi sebagai
kopel yang akan menentukan besar tegangan dari komponen penguat yang aktif. Persamaan. 1 Persamaan perubahan tegangan kapasitor dimana: Δv = perubahan tegangan kapasitor. E = perbedaan tegangan antara tegangan kapasitor yang pertama dan tegangan total. e = ketetapan yang bernilailog (2,718) t = waktu saat pengisian kapasitor R = resistansi, ohm C = kapasitansi, farad Rangkaian multivibrator dapat dibuat dengan transistor bipolar (bipolar junction transistor, BJT), FET dan penguat operasional (operational ampilfier, op-amp), yang mana bentuk rangkaian untuk setiap komponen aktif perlu disesuaikan dengan karakteristik dari setiap komponen aktif tersebut. Karena cara kerja FET lebih rumit dari cara kerja BJT, rangkaian multivibrator pada umumnya dibuat dengan rangkaian BJT. 3. Jenis-Jenis Multivibrator Berdasarkan bentuk sinyal keluaran (output), multivibrator dapat dibagi ke dalam 3 jenis, yaitu: a. Multivibrator astabil (astable multivibrator) b. Multivibrator monostabil (monostable multivibrator) c. Multivibrator bistabil (bistable multivibrator)
a. Multivibrator Astabil Multivibrator astabil adalah multivibrator yang bersifat freerunning, yaitu tidak memiliki keadaan stabil yang permanen pada suatu periode tertentu, oleh sebab itu tidak dibutuhkan suatu masukan (input). Waktu aktif dari setiap komponen penguat bergantung pada waktu pengisian dan pengosongan kapasitor pada rangkaian. Cara Kerja: 1. Keadaan 1 Catatan: C 1 = C 2 R 2 = R 3 Gambar 2 Multivibrator astabil menggunakan komponen transistor BJT
a. Q 1 menahan tegangan kaki R 1 dan C 1 yang terhubung pada kolektor di 0 V. b. Kapasitor C 1 diisi melalui R 2 hingga tegangan basis Q 2 mencapai 0,6 V. c. R 3 menaikkan tegangan basis-emitor Q 1, tetapi dioda basisemitor Q 1 menahan tegangan basis pada taraf 0,7 V. d. R 4 mengisi muatan C 2 hingga mencapai tegangan sumber (V CC ), yang waktu pengisiannya lebih cepat dari waktu pengisian C 1. e. Karena tegangan basis-emitor mencapai 0,7 V, maka Q 2 aktif, dan menahan tegangan kaki R 4 dan C 2 yang terhubung pada kolektor Q 2 di 0 V. f. Tegangan basis-emitor Q 1 akan menurun kurang dari 0 V, yang mengakibatkan Q 1 nonaktif g. R 1 dan R 2 akan mengisi muatan kapasitor hingga mencapai tegangan sumber (V CC ), akan tetapi dioda basis-emitor Q 2 menahan tegangan basis-emitor pada taraf 0,7 V 2. Keadaan 2 Keadaan ini merupakan kebalikan dari keadaan 1, di mana pada keadaan awal Q 1 nonaktif, sedangkan Q 2 aktif. Siklus pengisian dan pengosongan akan berulang jika tegangan basis transistor mencapai 0,6 V.
Gambar 3 Rangkaian Multivibrator Astabil (Op-Amp) Cara Kerja 1. Keadaan 1 (output op-amp bernilai 1) Tegangan yang melalui kapasitor C 1 akan meningkat karena adanya arus yang melalui R 3 dari nilai awal t = 0 hingga keadaan t, yang menyebabkan output op-amp menjadi bernilai 0. 2. Keadaan 2 Keadaan ini merupakan kebalikan dari keadaan 1, di mana terjadi pengosongan kapasitor hingga waktu t sehingga output op-amp berubah dari nilai 0 kembali pada nilai 1. Pada aplikasi praktis, multivibrator dapat dibangun dari sebuah IC 555. Dengan menggunakan IC, kita hanya memerlukan tambahan rankaian RC sebagai pengatur variable waktu pengisian dan pengosongan
kapasitor,selebihnya, bentuk gelombang akan dihasilkan dari IC tersebut. Gambar 4 Blok diagram dari IC pewaktu 555 dengan komponen eksternal IC pewaktu 555 sudah banyak dikenal sebagai suatu IC pewaktu yang general purpose. 555 berasal dari tiga buah resistor yang terdapat pada rangkaian tersebut yang masing-masing nilainya adalah 5 KΩ. Resistor ini akan membentuk rantai pembagi tegangan dari VCC ke ground. Ada tegangan sebesar 1/3 VCC pada komparator 1 yang melewati resistor 5 KΩ yang pertama. Dan tegangan 2/3 VCC pada komparator 2 yang melewati resistor 5 KO yang kedua. Komparator disini berfungsi untuk menunjukkan tinggi atau rendahnya output berdasarkan perbandingan level tegangan analog pada input. Jika input positif lebih besar dari input negatif maka outputnya akan
bernilai tinggi. Sebaliknya jika input positif lebih kecil dari input negatif maka outputnya akan bernilai rendah. Gambar 5 Grafik Tegangan pada IC 555 Untuk menentukan waktu pengosongan kapasitor ( t LO ) dapat digunakan persamaan berikut: Untuk menentukan waktu pengisian kapasitor ( t HI ) dapat digunakan persamaan berikut: Sedangkan duty cycle dan frekuensi, ergantung pada parameter diatas:
b. Multivibrator Monostabil Multivibrator monostabil adalah multivibrator yang memiliki satu kondisi stabil dan satu kondisi tak stabil. Mempunyai satu buah masukan denyut pemicu (input trigger pulse) untuk mengubah keadaan stabil dan tak stabil. Keadaan stabil akan menjadi tak stabil apabila diberikan suatu denyut pemicu negatif (negative trigger pulse) pada komponen penguat yang sedang aktif. Jika suatu denyut masukan berulang-ulang yang diterapkan pada rangkaian dapat mempertahankan kondisi tak stabil, maka rangkaian tersebut disebut retriggerable monostable. Sebaliknya jika suatu denyut masukan berulang-ulang yang diterapkan pada rangkaian tidak mempengaruhi periode kondisi tak stabil, maka rangkaian tersebut disebut nonretriggerable monostable. Gambar 6 Rangkaian Multivibrator Monostabil (BJT)
1. Keadaan stabil (Q 2 aktif) a. Jika diberi suatu denyut masukan pada basis Q 2, maka kapasitor C 1 akan mengosongkan muatan karena tegangan pada titik sambungan R 3 dan R 4 adalah 0 V, sehingga tegangan basis dari Q 2 berada di bawah tegangan ground (0 V), yang menyebabkan Q 2 berada dalam daerah cut-off sehingga Q 2 nonaktif. b. Arus basis Q 1 akan naik dengan cepat mencapai nilai 0,7 V akibat tidak adanya kapasitor pada R 3, sehingga Q 1 berada dalam daerah aktif dalam waktu yang relatif singkat, dan keadaan ini merupakan keadaan tak stabil. 2. Keadaan tak stabil a. Kapasitor C 1 akan diisi muatannya oleh R 1 & R 2, sehingga arus basis Q 2 akan naik mencapai 0,7 V, dan akibatnya Q 2 berada dalam daerah aktif, yang menandakan bahwa multivibrator dalam keadaan stabil. b. Saat C 2 berada dalam keadaan jenuh, jika ada suatu denyut masukan pada basis Q 2, maka siklus pengosongan dimulai kembali hingga Q 1 kembali aktif.
Gambar 7 Multivibrator Monostabil (Op-Amp) Cara Kerja 1. Keadaan stabil Dioda D1 akan menahan (clamp) tegangan pada titik sambungan masukan negatif pada op-amp sebesar 0,6 V, yang menyebabkan output op-amp tetap. 2. Keadaan tak stabil Jika diberikan suatu denyut pemicu negatif (negative trigger pulse) pada C 2, maka pada titik sambungan dioda D 2 dengan masukan positif op-amp akan timbul denyut dengan amplitudo cukup besar yang menyebabkan output op-amp menjadi kebalikan dari keadaan sebelumnya.
c. Multivibrator Bistabil Multivibrator bistabil adalah multivibrator yang memiliki dua keadaan stabil. Tidak adanya waktu pengisian/pengosongan karena tidak memiliki kapasitor, sehingga waktu aktif dari komponen penguat diatur oleh pemicu (trigger) eksternal. Memiliki dua keadaan set dan reset yang menyebabkan pada keadaan awal komponen-komponen aktif menghantar. Gambar 8 Rangkaian Multivibrator Bistabil (BJT) Cara Kerja a. Pada awal rangkaian diaktifkan, kedua transistor berada dalam keadaan aktif karena tak adanya kapasitor.
b. Jika ada masukan denyut pemicu dari terminal set, maka Q 1 akan berada pada daerah aktif, sedangkan Q 2 akan berada pada daerah cut-off. c. Jika ada masukan denyut pemicu dari terminal reset, maka Q 2 akan berada pada daerah aktif, sedangkan Q 1 akan berada pada daerah cut-off. Gambar 9 Rangkaian Multivibrator Bistabil (Op-Amp) Cara Kerja Ada/tidaknya denyut masukan dari terminal V IN mempengaruhi nilai keluaran (output) dari op-amp, di mana jika ada sinyal masukan pada terminal masukan negatif op-amp, maka akan timbul nilai 1 pada terminal keluaran dan begitu juga sebaliknya untuk nilai 0 pada keluaran diperoleh dengan meniadakan sinyal masukan pada terminal masukan negatif.
4. Karakteristik Multivibrator a. Karakteristik Multivibrator Astabil Multivibrator astabil memiliki karakteristik sebagai berikut : 1. Memiliki waktu tunda pengisian dan pengosongan kapasitor. 2. Tidak memiliki masukan (input) karena keadaan ditentukan oleh besarnya tegangan pada komponen penguat aktif. 3. Periode waktu osilasi T t t t t 1 2 1 V V BE BE 2 R C 1 2 3 R C 2 4. Frekuensi osilasi f 1 1 T 2V RC BE 5. Bentuk gelombang multivibrator astabil
Gambar 10 Bentuk gelombang multivibrator astabil b. Karakteristik Multivibrator Monostabil Multivibrator monostabil memiliki karakteristik sebagai berikut : 1. Keadaan tak stabil dicapai dengan menerapkan sinyal pemicu ujung negatif (negative edge triggering). 2. Memiliki 1 buah masukan pada salah satu komponen kopel yang mengatur keadaan stabil dan tak stabil. 3. Periode waktu osilasi adalah selang waktu yang dibutuhkan untuk mengubah keadaan rangkaian dari keadaan stabil menjadi tak stabil, yang dirumuskan dengan: V BE RC 4. Bentuk Gelombang Multivibrator Monistabil
Gambar 11 Bentuk Gelombang Multivibrator Monistabil 5. Aplikasi Multivibrator a. Aplikasi Multivibrator astabil Kegunaan dari multivibrator astabil antara lain: 1. Sebagai pembangkit sinyal yang menghasilkan gelombang keluaran dengan periode tetap. 2. Sebagai rangkaian pembangkit denyut lonceng (clock pulse) untuk rangkaian pencacah (counter), penghitung waktu (timer), modulator dan rangkaian logika digital lainnya. b. Aplikasi Multivibrator monostabil Kegunaan dari multivibrator monostabil antara lain: 1. Peregangan periode waktu terhadap denyut sinyal keluaran (pulse stretching).
2. Sebagai rangkaian pendeteksi ujung jatuh pada denyut rangkaian flip-flop. c. Karakteristik Multivibrator bistabil Kegunaan dari multivibrator bistabil antara lain: 1. Membangkitkan dan memproses sinyal-sinyal denyut. 2. Melakukan operasi-operasi seperti penyimpanan bit data dan operasi logika (aljabar Boole) 3. Pembentuk sistem memori dalam bentuk flip-flop RS atau JK. C. Penutup 1. Rangkuman Pada pkok bahasan ini dipelajari mengenai multivibrator. Terdapat 3 jenis multivibrator yaitu : a. Multivibrator astabil, b. Multivibrator monostabil c. Multivibrator bistabil. Multivibrator dibangun menggunakan pronsip pengosongan dan pengisian tegangan pada rangkaian RC. Pada prakteknya, multivibrator dapat dibangun menggunakan transistor, op-amp dan yang paling mudah menggunakan IC pewaktu 555. Pada multivibrator astabil sebagai pembangkit gelombang kotak, frekuensi dan dutycycle dapat ditentukang menggunakan komponen eksternal yang terdiri atas rangkaian RC.
2. Evaluasi a. Soal 1. Berdasarkan gambar diatas,anggap bahwa mulanya tegangan pada kapasitor berisi sebesar 1 V. Berapa lama waktu yang dibutuhkan setelah saklar dirubah dari posisi 2 ke posisi 1 dan tegangan kapasitor menuju 3 V. 2. Berdasarkan gambar yang sama, anggap bahwa mulanya tegangan kapasitor berisi sebesar 4,2 V. Berapa lama waktu yang dibutuhkan jika saklar dirubah dari posisi 2 ke posisi 3 dan menyebabkan tegangan pada kapasitor drop menjadi 1,5 V. b. Kunci Test Formatif 1. Jawaban soal 1 v = 3 V 1 V = 2 V E = 5 V 1 V = 4 V, Kemudian gunakan persamaan T = RC ln ( 1 1 V ) E =10 KΩ 0,047 µf ( 1 1 2 4 ) =0,326 µs
2. Jawaban soal 2 Soal ini merupakan prinsip laju pengosongan tegangan pda kapasitor: v E = 4,2 V 1,5 V = 2,7 V = 4,2 V 0 V = 4,2 V Kemudian gunakan persamaan perhitungan pengosongan kapasitor: T = RC ln ( 1 1 V ) E =10 KΩ 0,047 µf ( =0,484 µs 1 1 2,7 4,2 ) Bentuk grasik pada pengosongan kapasitor tersebut:
D. Daftar Pustaka E. Senerai