Percobaan 10 MULTIVIBTO (STBIL, MONOSTBIL, DN PIU-SHMITT) Oleh : Sumarna, Jurdik Fisika, FMIP, UNY E-mail : sumarna@uny.ac.id Tujua : 1. Mempelajari cara kerja rangkaian multivibrator, 2. Menyusun rangkaian multivibrator, 3. Menyusun rangkaian picu Schmitt, 4. Mengamatai bentuk gelombang dan frekuensi keluaran multivibrator dan picu Schmitt. lat-alat : atu daya dc +5 volt, breadboard, I-7400, I-7413 atau I-7414, resistor, kapasitor, osiloskop, multimeter, FG (udio Frequency Generator), dan kabel penghubung. Dasar Teori : Multivibrator Dalam dunia elektronik banyak proses yang pada prinsipnya sekedar memutus atau menghubungkan suatu rangkaian listrik (proses pensaklaran). Proses tersebut harus memenuhi syarat tertentu, yakni cepat (tidak timbul getaran) dan tidak menimbulkan percikan bunga api listrik. Saklar mekanik atau manual tidak dapat memenuhi persyaratan tersebut. Karena saklar mekanik memiliki kelembaman yang relatif besar dan kecepatannya terbatas. Selain itu, saklar mekanik juga menimbulkan percikan bunga api listrik yang dapat membakar bahan yang bersinggungan. Proses pemsaklaran tersebut dapat kita jumpai pada sistem pewaktu agar suatu rangkaian dapat bekerja ataupun tidak bekerja dalam selang waktu tertentu. Misalkan rangkaian pewaktu untuk membuat agar sebuah relay dapat tertutup atau terputus dalam selang waktu tertentu. Juga sering kita dapat memodulasi lebar pulsa dan untuk penundaan waktu (time delay). 138
angkaian elektronik yang mempunyai kemampuan untuk membuat waktu tunda atau lebar pulsa tertentu ini lebih jauh akan dipelajari dalam multivibrator monostabil. Multivibrator sebenarnya merupakan rangkaian elektronik yang menghasilkan gelombang kotak, atau gelombang lain yang bukan sinusoida seperti gelobang segi empat dan gelombang gigi gergaji. Nama multivibrator diturunkan dari kenyataan bahwa gelombang kotak terdiri dari sejumlah besar gelombang sinusoida dengan frekuensi yang berbeda-beda (berdasarkan analisis deret fourier). Selain flip-flop dan monostabil, ada jenis multivibrator lain yang akan kita pelajari yaitu multivibrator astabil dan picu Schmitt. Keduanya sering berperan sebagai osilator yang menghasilkan pulsa kotak (square). Pulsa kotak yang stabil dengan frekuensi tertentu dalam elektronika digital lebih dikenal sebagai detak (clock). Detak ini penting, bahkan sangat penting, dalam operasi suatu piranti elektronika digital seperti komputer dan kalkulator. Selanjutnya kita akan mempelajari beberapa rangkaian multivibrator. Meskipun flip-flop merupakan dasar dari monostabil, astabil dan picu Schmitt tetapi akan kita pelajari lebih akhir. Hal ini disebabkan karena banyaknya jenis flip-flop sehingga memerlukan tempat yang lebih banyak pula. 1. Multivibrator Monostabil Sesuai dengan namanya, rangkaian multivibrator monostabil mempunyai keluaran dengan satu keadaan stabil (mantap). angkaian tersebut tetap dalam keadaan stabilnya sampai ada pemicu. Sekali dipicu, keluarannya berubah dari keadaan stabilnya tadi ke keadaan tak stabil (keadaan baru). Keadaan tak stabil itu bertahan selama waktu tertentu dan setelah itu dengan sendirinya kembali ke keadaan stabilnya lagi. Ternyata monostabil merupakan rangkaian yang penting, bahkan terlalu penting, untuk membangkitkan pulsa yang dapat diatur polaritas dan lebarnya pada amplitudo tetap. Sebuatan lain untuk monostabil adalah ekamantap, one-shot, atau monoflop. Monostabil dapat dibuat dengan berbagai cara, namun pada kesempatan ini kita akan membahas monostabil yang menggunakan gerbang logika NND yang dilengkapi dengan resistor dan 139
kapasitor sebagai komponen pewaktunya. da 2 jenis monostabil, yaitu monostabil terpicu positif dan monostabil terpicu negatif. Perhatikan Gambar berikut. T 2 K 1 3 Gambar : angkaian monostabil terpicu positif nggaplah mula-mula masukan pemicu T = 0, keluaran = 1, dan keluaran = 0. Perhatikan keluaran dari NND-2 dalam keadaan 1 sehingga K = 1. Pada saat masukan T berubah dari 0 ke 1 (terpicu positif) tentu saja kedua masukan NND-1 ada pada keadaan 1, sehingga berubah dari 1 ke 0. Tetapi begitu T berubah dari 0 ke 1, maka keluaran dari NND-2 juga berubah menjadi 0. Muatan pada kapasitor yang mula-mula memberikan K = 1 sedikit demi sedikit dilucuti (dikosongkan) melalui resistor sehingga tegangan pada K turun menuju 0. Perubahan K dari 1 ke 0 ini akan melewati twgangan ambang yang akan menyebabkan K dianggap 0. Pada saat ini keluaran NND-1, yaitu, akan kembali ke keadaan 1 lagi (keadaan sebelum dipicu). Lama pulsa t (keadaan tak stabil) di tersebut tergantung pada resistansi dan kapasitansi yang terpasang. Secara umum berlaku : t =.. Karena NND-3 berperan sebagai NOT, maka antara dan saling komplemen, artinya jika = 1 maka = 0, dan sebaliknya jika = 0 maka = 1. Kelemahan dari monostabil terpicu positif adalah adanya syarat agar pulsa pemicu di T harus lebih lama dari pada pulsa keluaran di. Hal ini diakibatkan oleh adanya hubungan langsung T dengan salah satu masukan NND-1 yang menyebabkan 140
jika T = 0 maka = 1. Sehingga jika T berubah ke 0 lagi sebelum pulsa pemicu T mencapai tegangan ambang maka lebar pulsa keluaran tidak tepat sama dengan. dan tentu saja harga t (lama tak stabil) pasti kurang dari pada.. Jenis lain dari monostabil adalah yang terpicu negatif (dipicu dari 1 ke 0). ara menyusunnya antara lain dengan menambahkan NND-4 seperti terlihat pada Gambar di bawah ini. T 4 2 B 1 3 Gambar : angkaian monostabil terpicu negatif Menggunakan gerbang logika NND Mula-mula T = 1 dan = 1, keadaan ini adalah stabil. Jika T berubah dari 1 ke 0 maka keluaran NND-4 dalam keadaan 1 ( = 1). Karena masukan NND-1 keduanya dalam keadaan 1 maka = 0. Selanjutnya, tegangan di titik B semaki lama semakin turun akibat lucutan muatan pada melalui. Sehingga pada saat melewati tegangan ambang membuat = 1 kembali semula. Dengan demikian keluaran menjadi tidak tergantung pada perubahan masukan T dari 0 ke 1, oleh karenanya benar-benar berlaku bahwa lama keadaan tak stabilnya adalah t =.. Untuk lebih jelasnya, perhatikan bentuk pulsa monostabil terpicu positif dan terpicu negatif pada Gambar berikut. 141
T T K Tegangan ambang B t (a) t (b) Gambar : Bentuk pulsa pada monostabi (a) terpicu Positif dan (b) terpicu negatif. Masih banyak cara untuk menyusun monostabil dari gerbang logika lain, seperti NOT ataupun NO, bahkan dengan NND dengan konfigurasi yang berbedabeda. Pada Gambar 8.4 tampak rangkaian monostabil dari gerbang NND dengan konfigurasi yang berbeda dari sebelumnya. Misalkan mula-mula adalah stabil dalam keadaan 1. Ketika pulsa sempit 0 dikenakan pada masukan, maka keluaran NND-1 menjadi 1 dan melalui 2 membuat kedua masukan NND-2 dalam keadaan 1. Hal ini menghasilkam keluaran pada NND-2 menjadi 0 yang menjamin keluaran NND-1 tetap 1 meskipun pulsa masukan telah berakhir. Sekarang 2 membuang muatan lewat 2 dan dengan demikian kedua masukan NND-2 menjadi 0. Keadaan ini membuat keluaran NND-2 menjadi 1 dan keluaran NND-1 menjadi 0. khirnya, rangkaian tersebut mencapai keadaan stabilnya lagi dengan masukan NND-1 dalam keadaan 1 dan keluaran NND-2 juga 1. Lama monostabil tersebut dalam keadaan tidak stabil ditentukan oleh nilai 2 dan 2. 142
+ 1 1 B 1 2 2 2 Gambar : Monostabil digital yang tersusun dari gerbang NND ontoh berikutnya adalah monostabil digital yang tersusun dari gerbang logika NO, dan salah satu konfigurasinya dapat diperhatikan pada Gambar berikut. + 1 M Gambar : Monostabil digital yang tersusun dari gerbang NO. Keadaan stabil dari monostabil pada gambar di atas adalah = 0 dan = 0. Selanjutnya, cobalah untuk menjelaskan cara kerja rangkaian tersebut dengan memberikan pemicu singkat dengan transisi dari 0 ke 1 (pemicu positif). 143
2. Multivibrator stabil Multivibrator astabil merupakan suatu rangkaian yang keadaan pada keluarannya tidak dapat stabil pada satu keadaan, tetapi berubah secara terusmenerus dari keadaan 0 ke keadaan 1 berulang secara bergantian. stabil biasa digunakan sebagai osilator yang menghasilkan gelombang kotak (square). Masalah yang biasa dihadapi adalah menyangkut kestabilan frekuensi keluaran astabil. stabil banyak digunakan dalam rangkaian digital untuk membangkitkan rentetan gelombang kotak untuk keperluan pendetakan (clock). angkaian digital seperti pencacah, register, dan lain-lain mutlak memerlukan gelombang kotak yang dapat diandalkan. da banyak cara untuk menyusun rangkaian astabil dengan gerbang logika. Sebagai contoh pada Gambar di bawah ini disajikan rangkaian astabil dari gerbang logika NND yang dilengkapi dengan resistor dan kapasitor sebagai penentu frekuensi. 1 2 D B 3 4 Gambar : angkaian multivibrator astabil menggunakan gerbang NND Mula-mula masukan NND-1 yaitu titik = 0, maka titik B = 1 dan titik D = 0. Oleh karena B = 1 dan dan = 0 maka tegangan B lebih tinggi dari pada dan arus mengalir dari B ke melalui. kibatnya kapasitor aakan terisi dan tegangannya naik sedikit demi sedikit hingga menuju 1. Pada saat = 1, maka B berubah dari 1 ke 0. Keadaan sekarang menjadi terbalik dari sebelumnya. Karena B 144
= 0 dan = 1, maka arus mengalir dari ke B melalui sedemikian hingga tegangan turun sedikit demi sedikit. Ketika = 0 maka B berubah dari 0 ke 1 lagi. Demikian seterusnya, peristiwa tersebut terjadi secara berulang sehingga timbul osilasi. Gerbang NND-3 dan NND-4 berfungsi sebagai pembentuk gelombang kotak. Bentuk gelombang dari rangkaian astabil tersebut dapat dilihat pada Gambar berikut. B 0 t 1 t 2 t 3 Gambar : Bentuk gelombang astabil pada Gambar 8.6. ntara 0 dan t tegangan titik naik secara eksponensial yang berarti kapasitor terisi dan arus mengalir dari B ke melalui. ntara t dan t tegangan turun yang berarti arus mengalir dari ke B atau kapasitor dikosongkan. stabil yang menggunakan gerbang logika NND pada gambar di atas bukanlah satusatunya konfigurasi. Selain dengan gerbang NND, multivibrator astabil digital juga dapat disusun dari gerbang logika NOT atau NO. Pada Gambar di bawah ini dapat dilihat astabil yang tersusun dari gerbang logika NO. 145
1 D Gambar : angkaian astabil dengan gerbang NO. obalah untuk menjelaskan cara kerja astabil pada gambar di atas dengan mengingat bahwa pengisian dan pengosongan muatan pada kapasitor melalui resistor. Kedua komponen tersebut, yakni dan, dihubungkan dengan keluaran astabil. 3. Picu Schmitt (Schmitt Trigger) Picu Schmitt sebenarnya merupakan rangkaian bistabil (flip-flop) yang keadaan keluarannya dikendalikan melalui tingkat tegangan pada masukannya. Picu Schmitt sering digunakan untuk mengubah masukan gelombang sinus menjadi gelombang kotak. Gelombang kotak tersebut dapat menyediakan pulsa pemicu yang tajam untuk mengendalikan rangkaian lain. Picu Schmitt sangat baik untuk pembentukan kembali pulsa-pulsa yang cacat pada tepi tepinya, atau dengan kata lain picu Schmitt sangat handal untuk penghapusan desah (noise) yang menumpang pada suatu isyarat. angkaian picu Schmitt dapat dibuat dengan menggunakan gerbang logika NND 3 masukan sejumlah 3 buah, dan 2 di antara 3 tersbut dirangkai untuk membuat bistabil. angkaian picu Schmitt seutuhnya dapat diperhatikan pada Gambar berikut. 146
V i Gambar : angkaian picu Schmitt dengan gerbang NND 3 masukan Suatu bentuk rangkaian astabil yang sederhana dapat dibuat dengan menggunakan picu Schmitt. Sebagai contoh astabil dari picu Schmitt 7413 dapat dilihat pada Gambar berikut. 1 2 B Gambar : stabil dengan picu Schmitt 7413. Jika masukan NND-1 yaitu = 0, maka titik B = 1 dan arus akan mengalir dari B ke melalui. kibatnya keadaan menjadi naik menuju 1. Jika = 1, maka B akan berubah dari 1 ke 0 dan arus mengalir dari ke B melalui. Demikian seterusnya proses tersebut terjadi secara berulang-ulang. Jika diperhatikan dengan seksama, keadaan selalu berkebalikan dengan keadaan B, 147
artinya jika B = 0 maka = 1 dan jika B = 1 maka = 0. Ternyata frekuensi keluaran astabil yang tersusun dari picu Schmitt dapat diandalkan kestabilannya. Picu Schmitt bersifat sebagai komparator yang memiliki dua tingkat tegangan pada masukannya. Bila tingkat tegangan itu dilampaui oleh suatu isyarat masukan maka keluarannya akan mengalami perubahan keadaan. Untuk lebih jelasnya perhatikan Gambar berikut. V+ V- V i t V o V cc t Gambar 1 : Hubungan antara isyarat masukan dan keluaran pada picu Schmitt. V adalah tegangan ambang atas dan V menyatakan tegangan ambang bawah. Jika tegangan masukan V > V maka keadaan keluarannya akan tinggi, dan jika V < V maka keadaan keluarannya menjadi rendah. Karena ambang atas dan bawah tidak sama mengakibatkan picu Schmitt memiliki histerisis. Kurva histerisisnya tampak pada Gambar di bawai ini. 148
V o V i V- V+ Gambar : Kurva histerisis pada picu Schmitt. Histerisis inilah yang menjadi ciri khas picu Schmitt, yaitu bahwa rangkaian tidak segera menyambung balik sesudah isyarat masukan turun tepat di bawah suatu tegangan ambang (atas) tetapi pada tingkat tegangan yang jauh lebih rendah (pada ambang bawah). Lambang picu Schmitt dengan histerisis sebagai ciri khasnya tampak pada Gambar di bawah ini. atau Gambar : Lambang picu Schmitt. ara lain untuk membangun rangkaian picu Schmitt adalah menggunakan suatu penyangga (buffer) seperti D-4050 dengan memasang balikan positif seperti tampak pada Gambar berikut ini. 149
V o ( i / f ).V cc f V cc i 4050 (a) (b) V- V cc /2 V+ V i Gambar : (a). Picu Schmitt menggunakan penyangga (b). Kurva Histerisisnya. Secara praktis, harga-harga tegangan ambang atas dan bawah dapat dinyatakan sebagai : V+ = Vcc ( i f ) 2f V- = Vcc - Vcc ( i f ). 2f 4. angkaian Terpadu Monostabil, stabil, dan Picu Schmitt angkaian monostabil, astabil dan picu Schmitt dapat disusun dengan gerbang logika dengan menambhkan beberapa komponen diskrit resistor maupun kapasitor sesuai dengan keperluan. Tetapi cara yang lebih mudah dan praktis adalah memanfaatkan rangkaian tersebut yang telah tersedia dalam bentuk I. Banyak tersedia I yang telah dirancang secara khusus sebagai monostabil, astabil ataupun picu Schmitt, beberapa di antaranya akan dibahas sebagai berikut. 150
Monostabil/stabil D-4047B I D-4047B dapat dioperasikan sebagai salah satu dari monostabil atau astabil. I tersebut memerlukan kapasitor luar (dipasang antara kaki 1 dan 3) dan resistor luar (dipasang antara kaki 2 dan 3) untuk menentukan lebar pulsa bila sebagai monostabil dan menentukan frekuensi keluaran bila sebagai astabil. Pengoperasiannya sebagai astabil adalah dengan memberikan keadaan tinggi pada masukan STBLE (kaki 5) atau keadaan rendah pada masukan STBLE (kaki 4). Frekuensi keluaran pada (kaki 10) dan (kaki 11) ditentukan oleh rangkaian konstanta waktu (kapasitor dan resistor). Frekuensi 2 kali frekuensi keluaran tersedia pada keluaran OSILLTO (kaki 13). Sedangkan peropersiannya sebagai monostabil diperoleh ketika pada I D- 4047B dipicu dengan transisi dari rendah ke tinggi pada masukan +TIGGE (kaki 8) atau dengan transisi dari tinggi ke rendah pada masukan -TIGGE (kaki 6). I dapat dipicu ulang dengan memberikan pulsa transisi dari rendah ke tinggi secara bersamaan pada kedua masukan +TIGGE dan ETIGGE (kaki 12). Suatu pulsa tinggi pada masukan EXT.ESET (kaki 9) akan me-reset keluaran pada keadaan rendah dan pada keadaan tinggi. Diagram I D-4047B tampak pada Gambar berikut. 5 4 3 1 2 13 12 6 11 8 10 9 Gambar : Diagram blok I D-4047B. 151
Picu Schmitt 7413 Untuk mendapatkan hasil operasi rangkaian digital yang terpercaya diperlukan pulsa masukan dengan waktu transisi yang sangat cepat. Transisi tersebut meliputi dari rendah ke tinggi (transisi positif) ataupun dari tinggi ke rendah (transisi negatif). Pada daerah transisi tersebut sangat potensial untuk terjadinya gangguan ataupun keadaan tidak stabil, sehingga daerah transisi merupakan daerah yang kritis. danya pulsa dengan waktu transisi yang lambat banyak menimbulkan masalah. Salah satu penyelesaiannya adalah menggunakan komparator dengan balikan positif untuk menghasilkan histerisis. Tetapi ada penyelesaian yang lebih praktis dan mudah, yaitu menggunakan I picu Schmitt, misalnya 7413, 7414 dan 40106. Setiap I 7413 terdiri dari 2 picu Schmitt yang identik. Secara logik, setiap rangkaian picu tersebut merupakan gerbang NND 4 masuan dengan mengenakan balikan positif dan dengan ambang masukan yang berbeda untuk pulsa masukan positif maupun negatif. mbang transisi positifnya sekitar 1,7 volt dan ambang transisi negatifnya sekitar 0,9 volt. Desah (noise) frekuensi timggi sering menumpang pada sinyal informasi. Desah yang tidak diinginkan itu dapat dihilangkan dengan menggunakan picu Schmitt yang cara menyusunnya tampak pada Gambar di bawah ini. masukan Keluara n Gambar : Picu Schmitt untuk menghilangkan desah. 152
Kapasitansi kapasitor yang optimum tergantung dari sifat desah dan frekuensi sinyal, sehingga perlu mengadakan percobaan untuk mendapatkan hasil yang terbaik. Picu Schmitt 7413 juga dapat dimanfaatkan sebagai sumber detak (clock) yang rangkaiannya seperti tampak pada Gambar di bawah ini. Frekuensi keluaran jika dipasang resistor balikan 390 dinyatakan dengan pendekatan sebagai : f = 2000, di mana dalam F. Keluara n Gambar : Picu Schmitt sebagai sumber detak. Langkah-langkah Percobaan :. stabil 1. Susunlah rangkaian multivibrator astabil seperti tampak pada gambar berikut. Gunakanlah = 100, = 1 F, I-7400, dan Vcc = +5 volt. B D P 153
2. Selidikilah gelombang yang dikeluarkan rangkaian itu dengan menghubungkan saluran keluaran P dan masing-masing ke masukan osiloskop pada saluran 1 (H-1) dan saluran 2 (H-2). Tentukan besar frekuensi dan amplitudonya, serta gambarlah bentuk gelombangnya. 3. Pasanglah kapasitor = 10 F secara paralel dengan semula sehingga kapasitansi totalnya 11 F, dan ulangilah pengamatan seperti langkah 2 di atas. B. Picu Schmitt 1. Susunlah rangkaian picu Schmitt seperti tampak pada gambar berikut. Gunakanlah = 330, = 4,7 F, I-7413 atau I-7414, dan Vcc = +5 volt. B 2. Selidikilah gelombang yang dikeluarkan rangkaian itu dengan menghubungkan saluran keluaran ke masukan osiloskop pada saluran 1 (H-1) atau saluran 2 (H-2). Tentukan besar frekuensi dan amplitudonya, serta gambarlah bentuk gelombangnya. 3. Pasanglah kapasitor = 2200 F secara paralel dengan semula sehingga kapasitansi totalnya 2204,7 F, dan ulangilah pengamatan seperti langkah 2 di atas. 4. pakah besar frekuensi hasil pengamatan sesuai dengan hasil perhitungannya secara teoritis? Berikan penjelasan. 154
. Monostabil 1. Susunlah rangkaian multivibrator monostabil (picu positif) seperti tampak pada gambar berikut. Gunakan P = 300, = 1 F, Vcc = +5 volt, dan I-7400. Pulsa pemicunya digunakan gelombang kotak dengan frekuensi 400 Hz yang diperoleh dari rangkaian picu Schmitt pada percobaan sebelumnya, atau berasal dari FG. Masukkan pemicu tersebut pada titik D. Sebelumnya letakkan potensiometer P pada kedudukan maksimum sehingga resistansinya 300. P D P 2. Selidikilah pulsa yang dikeluarkan rangkaian itu dengan menghubungkan saluran keluaran ke masukan osiloskop pada saluran 1 (H-1) dan pulsa pemicu (titik D) pada saluran 2 (H-2). matilah kapan monostabil terpicu oleh pulsa pemicu. atat dan gambar semua tampilan yang teramati pada layar. mati berapa lama (t) pulsa yang terjadi. pakah lama pulsa tersebut sesuai dengan teori berdasarkan rumus t = detik? Berikan penjelasan. 3. Pasanglah kapasitor = 10 F secara paralel dengan semula sehingga kapasitansi totalnya 11 F, dan ulangilah pengamatan seperti langkah 2 di atas. 4. Ulangi semua langkah 2 tersebut dengan memutar kedudukan potensiometer P pada posisi yang semakin kecil, catat resistansinya! 5. Susunlah rangkaian multivibrator monostabil (picu negatif) seperti tampak pada gambar berikut. Gunakan P = 300, = 1 F, Vcc = +5 volt, dan I-7400. Pulsa pemicunya digunakan gelombang kotak dengan frekuensi 400 Hz yang diperoleh dari rangkaian picu Schmitt pada percobaan sebelumnya, atau berasal 155
dari FG. Masukkan pemicu tersebut dikenakan pada titik. Sebelumnya letakkan potensiometer P pada kedudukan maksimum sehingga resistansinya 300. P P 6. Selidikilah pulsa yang dikeluarkan rangkaian itu dengan menghubungkan saluran keluaran ke masukan osiloskop pada saluran 1 (H-1) dan pulsa pemicu (titik ) pada saluran 2 (H-2). matilah kapan monostabil terpicu oleh pulsa pemicu. atat dan gambar semua tampilan yang teramati pada layar. mati berapa lama (t) pulsa yang terjadi. pakah lama pulsa tersebut sesuai dengan teori berdasarkan rumus t = detik? Berikan penjelasan. 7. Pasanglah kapasitor = 10 F secara paralel dengan semula sehingga kapasitansi totalnya 11 F, dan ulangilah pengamatan seperti langkah 2 di atas. 8. Ulangi semua langkah 2 tersebut dengan memutar kedudukan potensiometer P pada posisi yang semakin kecil, catat resistansinya! 156