Astable Multivibrator

Abstact :
Astable multivibrator is oscillator free running are activation in two digital level to certain frequency and certain duty cycle. Astable multivibrator are function to trigerred device or freerunning. Multivibrator trigerr have a input signal or pulse. Output of astable multivibrator is controlled or sincronized by the input signal. Astable multivibrator is included free-running. A astable multivibrator plain (free-running oscillator) can make from inverter Schmitt trigger 74HC14 and connecting structure RC.
Keyword : column two, astable multivibrator.

Abstrak :
Multivibrator astable : adalah oscillator free running yang bergerak di dua level digital pada frekuensi tertentu dan duty cycle tertentu. Multivibrator difungsikan sebagai piranti pemicu (trigerred device) atau freerunning. Multivibrator pemicu memerlukan isyarat masukan atau pulsa. Keluaran multivibrator dikontrol atau disinkronkan (sincronized) oleh isyarat masukan. Astable multivibrator termasuk jenis free-running. Sebuah multivibrator astable sederhana (atau free-running oscillator) dapat dibuat dari inverter Schmitt trigger 74HC14 dan rangkaian RC.
Kata Kunci : dua kolom, astable multivibrator.


1. Pendahuluan
Dalam sistem digital, pewaktuan adalah hal yang sangat diperhatikan. Multivibrator adalah rangkaian yang dapat menghasilkan sinyal kontinyu, yang digunakan sebagai pewaktu dari rangkaian-rangkaian digital sekuensial. Dengan input clock yang dihasilkan oleh sebuah multivibrator, rangkaian seperti counter, shift register maupun memory dapat menjalankan fungsinya dengan benar.
Berdasarkan bentuk sinyal output yang dihasilkan, ada 3 macam multivibrator :

a) Multivibrator bistable : ditrigger oleh sebuah sumber dari luar (external source) pada salah satu dari dua state digital. Ciri khas dari multivibrator ini adalah state-nya tetap bertahan pada nilai tertentu, sampai ada trigger kembali yang mengubah ke nilai yang berlawanan. SR Flip-flop adalah contoh multivibrator bistable. Bistable multivibrator mempunyai dua keadaan stabil. Pulsa pemicu masukan akan menyebabkan rangkaian diasumsikan pada salah satu kondisi stabil. Pulsa kedua akan menyebabkan terjadinya pergeseran ke kondisi stabil lainnya. Multivibraator tipe ini hanya akan berubah keadaan jika diberi pulsa pemicu. Multivibrator ini sering disebut sebagai flip-flop. Ia akan lompat ke satu kondisi (flip) saat dipicu dan bergeser kembali ke kondisi lain (flop) jika dipicu. Rangkaian kemudian menjadi stabil pada suatu kondisi dan tidak akan berubah atau toggle sampai ada perintah dengan diberi pulsa pemicu.

b) Multivibrator astable : adalah oscillator free running yang bergerak di dua level digital pada frekuensi tertentu dan duty cycle tertentu. Multivibrator merupakan jenis osilator relaksasi yang sangat penting. Rangkaian osilator ini menggunakan jaringan RC dan menghasilkan gelombang kotak pada keluarannya.

Astabel multivibrator biasa digunakan pada penerima TV untuk mengontrol berkas elektron pada tabung gambar. Pada komputer rangkaian ini digunakan untuk mengembangkan pulsa waktu. Sebuah multivibrator terdiri atas dua penguat yang digandeng secara silang.
Keluaran penguat yang satu dihubungkan dengan masukan penguat yang lain. Karena masing-masing penguat membalik isyarat masukan, efek dari gabungan ini adalah berupa balikan positif. Dengan adanya (positif) balikan, osilator akan “regenerative” (selalu mendapatkan tambahan energi) dan menghasilkan keluaran yang kontinyu.


c) Multivibrator monostable : disebut juga multivibrator one-shoot, menghasilkan pulsa output tunggal pada waktu pengamatan tertentu saat mendapat trigger dari luar.
Monostable multivibrator memiliki satu kondisi stabil sehingga sring juga disebut sebagai multibrator one-shot.

Saat osilator terpicu untuk berubah ke suatu kondisi pengoperasian, maka pada waktu singkat akan kembali ke titik awal pengoperasian. Konstanta waktu RC menentukan periode waktu perubahan keadaan. Monostable multivibrator termasuk jenis osilator triggered. Skema rangkaian monostable multivibrator diperlihatkan pada gambar.Rangkaian memiliki dua kondisi yaitu kondisi stabil dan kondisi tak stabil.

Rangkaian akan rileks pada kondisi stabil saat tidak ada pulsa. Kondisi tak stabil diawali dengan pulsa pemicu pada masukan. Setelah selang waktu 2 1 0,7 ´ R C , rangkaian kembali ke kondisi stabil. Rangkaian tidak mengalami perubahan sampai ada pulsa pemicu yang datang pada masukan.

Pada multivibrator monostable, kondisi one-shoot mempunyai satu state stabil, dimana ini terjadi jika clock berada pada negative edge trigger (tergantung jenis IC-nya). Saat mendapat trigger, Q menjadi LOW pada panjang t tertentu (tw), selanjutnya berubah ke nilai sebaliknya (HIGH), hingga bertemu lagi dengan negative edge trigger berikutnya dari clock. Salah satu IC Multivibrator monostable adalah 74121.

2. Pembahasan
2.1 Astable Multivibrator
Multivibrator merupakan jenis osilator relaksasi yang sangat penting. Rangkaian osilator ini menggunakan jaringan RC dan menghasilkan gelombang kotak pada keluarannya.
Astabel multivibrator biasa digunakan pada penerima TV untuk mengontrol berkas elektron pada tabung gambar. Pada komputer rangkaian ini digunakan untuk mengembangkan pulsa waktu.

Multivibrator difungsikan sebagai piranti pemicu (trigerred device) atau freerunning. Multivibrator pemicu memerlukan isyarat masukan atau pulsa. Keluaran multivibrator dikontrol atau disinkronkan (sincronized) oleh isyarat masukan. Astable multivibrator termasuk jenis free-running.

Sebuah multivibrator terdiri atas dua penguat yang digandeng secara silang. Keluaran penguat yang satu dihubungkan dengan masukan penguat yang lain. Karena masing-masing penguat membalik isyarat masukan, efek dari gabungan ini adalah berupa balikan positif. Dengan adanya (positif) balikan, osilator akan “regenerative” (selalu mendapatkan tambahan energi) dan menghasilkan keluaran yang kontinyu.

Gambar 1 memperlihatkan rangkaian multivibrator menggunakan dua buah transitor bipolar dengan konfigurasi emitor bersama.
1 R dan 2 R memberikan tegangan panjar maju pada basis masing-masing transistor. Kapasitor 1 C menggandeng kolektor 1 Q ke basis 2 Q .
Kapasitor 2 C menggandeng kolektor 2 Q ke basis 1 Q .

Akibat adanya gandengan silang, satu transistor akan konduktif dan yang lainnya cutoff. Kedua transistor secara bergantian akan hidup dan mati sehingga keluaran diberi label Q atau Q. Ini menunjukkan bahwa keluaran mempunyai polaritas berkebalikan.

Saat daya diberikan pada multivibrator pada gambar , satu transistor misalnya 1 Q berkonduksi terlebih dahulu. Dengan 1 Q berkonduksi terjadi penurunan tegangan pada 1 R dan C V menjadi berharga lebih rendah dari CC V .
Ini mengakibatkan terjadinya tegangan ke arah negatif pada 1 C dan tegangan basis positif 1 Q akan berkurang. Konduksi 2 Q akan berkurang dan tegangan kolektornya akan naik ke harga CC V . Tegangan ke arah positif dikenakan pada 2 C .

Tegangan ini akan ditambahkan pada basis 1 Q dan membuatnya lebih berkonduksi. Proses ini berlanjut sampai 1 Q mencapai titik jenuh dan 2 Q mencapai cutoff.

Saat tegangan keluaran masing-masing transistor mencapai kestabilan, maka tidak terdapat tegangan balikan. 2 Q akan kembali berpanjar maju melalui 2 R .

Konduksi pada 2 Q akan mengakibatkan penurunan pada C V . Tegangan ke arah negatif ini akan akan diberikan pada basis 1 Q melalui 2 C . Konduksi 1 Q menjadi berkurang. C V pada 1 Q naik ke harga CC V . Ini akan tergandeng ke basis 2 Q melalui 1 C . Proses ini berlangsung terus sampai 2 Q mencapai titik jenuh dan 1 Q mencapai cutoff. Tegangan keluaran kemudian menjadi stabil dan proses akan berulang. Frekuensi osilasi dari multivibrator ditentukan oleh konstanta waktu 2 R dan 1 C dan 3 R dan 2 C .

Nilai 2 R dan 3 R dipilih sedemikian sehingga masing-masing transistor dapat mencapai titik jenuh. 1 C dan 2 C dipilih untuk mendapatkan frekuensi pengoperasian yang dikehendaki.
Jika 1 C sama dengan 2 C dan 2 R sama dengan 3 R maka keluaran akan simeteris.

Sebuah multivibrator astable sederhana (atau free-running oscillator) dapat dibuat dari inverter Schmitt trigger 74HC14 dan rangkaian RC seperti gambar 3.

Sedangkan bentuk gelombang yang dihasilkan dari rangkaian pada gambar 3 ditunjukkan pada gambar 4

Nilai dari tHI dan tLO dapat dicari dari persamaan :

t HI = RC ln 1
1 - ∆v / E

dimana :

∆v = Vr- - Vr- dan E = VOH - Vr-

dan

t LO = RC ln 1
1 - ∆v / E

dimana :

∆v = Vr- - Vr- dan E = Vr+ - VOL

Duty Cycle adalah rasio perbandingan antara panjang gelombang kotak pada nilai HIGH terhadap periode totalnya, dimana :

D = t HI x 100%
t HI + t LO


Sedangkan frekuensi yang dihasilkan oleh multivibrator astable tersebut adalah :

f = 1
t HI + t LO


2.2 IC 555 Sebagai Astable Multivibrator
Multivibrator Astable dapat dibuat dari IC timer multiguna 555. Dinamakan 555 karena di dalam chip IC-nya terdapat tiga buah resistor yang masing-masing bernilai 5 kΩ terpasang dari VCC hingga Ground. Fungsi dari ketiga resistor ini adalah sebagai pembagi tegangan.

Apabila IC 555 tersebut digunakan sebagai multivibrator astable, maka rangkaian yang dibuat adalah seperti gambar 5.

Sedangkan bentuk gelombang yang dihasilkan oleh IC 555 sebagai Multivibrator Astable adalah sebagai berikut :

Dimana :
t W = RC ln 1
1 - ∆v / E

t LO = RB ln 1
1/3VCC
1- 2/3VCC

Atau
t LO = 0,693 RB C

Sedangkan :
t HI = ( RA + RB )C ln 1
1/3VCC
1- 2/3VCC

Atau

tHI = 0,693 ( RA + RB )C

Setelah tHI dan tLO didapatkan, maka nilai dari Duty Cycle dan frekuensinya dapat dicari dari persamaan.

Jika digunakan sebagai astable multivibrator, IC 555 berlaku sebagai Osolator RC. Bentuk gelombang dan frekuensi keluaran utamannya ditentukan oleh jaringan RC. Gambar 7 memperlihatkan rangkaian astable multivibrator menggunakan IC LM555. Biasanya rangkaian ini digunakan sebagai pembangkit waktu (time base generator) untuk rangkaian lonceng (clock) dan pada komputer.

Pada rangkaian ini diperlukan dua resistor, sebuah kapasitor dan sebuah sumber daya. Keluaran diambil dari pin 3. Pin 8 sebagai +VCC dan pin 1 adalah “tanah”. Tegangan catu DC dapat berharga sebesar 5 – 15 V. Resistor A R dihubungkan antara CC +V dan terminal pengosongan (pin 7). Resistor B R dihubungkan antara pin 7 dengan terminal ambang (pin 6). Kapasitor dihubungkan antara ambang pintu dan “tanah”. Pemicu (pin 2) dan ambang pintu (pin 6) dihubungkan bersama.

Saat daya mula-mula diberikan, kapasitor akan terisi melalui A R dan B R . Ketika tegangan pada pin 6 ada sedikit kenaikan di atas dua pertiga CC V , maka terjadi perubahan kondisi pada komparator 1. Ini akan me-reset flip-flop dan keluarannya akan bergerak ke positif. Keluaran (pin 3) bergerak ke “tanah” dan basis 1 Q berprategangan maju. 1 Q mengosongkan C lewat B R ke “tanah”.

Ketika tegangan pada kapasitor C turun sedikit di bawah sepertiga CC V , ini akan memberikan energi ke komparator 2. Antara pemicu (pin 2) dan pin 6 masih terhubung bersama. Komparator 2 menyebabkan tegangan positif ke masukan set dari flip-flop dan memberikan keluaran negatif. Keluaran (pin 3) akan bergerak ke harga +VCC .

Tegangan basis 1 Q berpanjar mundur. Ini akan membuka proses pengosongan (pin7). C mulai terisi lagi ke harga CC V lewat A R dan B R . Proses akan berulang mulai titik ini. Kapasitor C akan terisi dengan harga berkisar antara sepertiga dan dua pertiga CC V .
Perhatikan gelombang yang dihasilkan pada gambar 8.

Frekuensi keluaran astable multivibrator dinyatakan sebagai f = 1/T.
Ini menunjukkan sebagai total waktu yang diperlukan untuk pengisian dan pengosongan kapasitor C.

Waktu pengisian ditunjukkan oleh jarak 1 t dan 3 t . Jika dinyatakan dalam detik t (R R )C A B = 0,693 + 1 . Waktu pengosongan diberikan oleh 2 t dan 4 t . Dalam detik, t R C B 0,693 2 .
Dalam satu putaran atau satu periode pengoperasian waktu yang diperlukan adalah sebesar :

T = t1 + t2

Atau
T = t3 + t4


Dengan menggunakan harga 1 t dan 2 t atau 3 t dan 4 t , maka persamaan frekuensi dapat dinyataakan sebagai :

f = 1 = 1,44
T ( RA + 2RB )C

Nisbah resistansi A R dan B R sangat penting untuk pengoperasian astable multivibrator. Jika B R lebih dari setengah harga A R , rangkaian tidak akan berosilasi. Harga ini menghalangi pemicu untuk jatuh dari harga dua pertiga CC V ke sepertiga CC V .

Ini berarti IC tidak mampu untuk memicu kembali secara mandiri atau tidak siap untuk operasi berikutnya. Hampir semua pabrik pembuat IC jenis ini menyediakan data pada pengguna untuk memilih harga A R dan B R yang sesuai terhadap harga C.

2.3 IC Pembangkit Gelombang
IC NE/SE 555 adalah piranti multiguna yang telah secara luas digunakan. Piranti ini dapat difungsikan sebagai astable multivibrator. Rangkaian khusus ini dapat dibuat dengan komponen dan daya yang minimal.

Rangkaian dapat dengan mudah dibuat dan sangat reliabel. Chip khusus ini telah banyak diproduksi oleh beberapa pabrik. Sebagai tanda, semua produksi terdapat angka 555 misalnya SN72555, MC14555, SE555, LM555 dan CA555.

Rangkaian internal IC 555 biasanya dilihat dalam sebagai blok-blok. Dalam hal ini, chip memiliki dua komparator, sebuah bistable flip-flop, sebuah pembagi resistif, sebuah transistor pengosong dan sebuah keluaran.

Pembagi tegangan pada IC terdiri dari tiga resistor 5 kW. Jaringan dihubungkan secara internal ke +VCC dan “tanah” dari sumber. Tegangan yang ada di resistor bagian bawah adalah sepertiga CC V .

Tegangan pada titik tengah pembagi tegangan sebesar dua pertiga harga CC V . Sambungan ini berada pada pin 5 dan titik ini didesain sebagai pengontrol tegangan.Dua buah komparator pada IC 555 merespon sebagai rangkaian saklar.Tegangan referensi dikenakan pada salah satu masukan pada masing-masing komparator.

Tegangan yang dikenakan pada masukan lainnya memberikan awalan terjadinya perubahan pada keluaran jika tegangan tersebut berbeda dengan harga referensi. Komparator bereda pada dua pertiga CC V dimana pin 5 dihubungkan ke tengah resistor pembagi. Masukan lain ditandai dengan pin 6 disebut sebagai ambang pintu (threshold). Saat tegangan pada pin 6 naik melebihi dua pertiga CC V , keluaran komparator akan menjadi positif. Ini kemudian dikenakan pada bagian reset dari masukan flip-flop.

Komparator 2 adalah sebagai referensi sepertiga dari CC V . Masukan positif dari komparator 2 dihubungkan dengan bagian bawah jaringan pembagi resistor. Pin 2 eksternal dihubungkan dengan masukan negatif komparator 2. Ini disebut sebagai masukan pemicu (trigger). Jika tegangan pemicu jatuh di bawah sepertiga CC V , keluaran komparator akan berharga positif. Ini akan dikenakan pada masukan set dari flip-flop.

Flip-flop IC 555 termasuk jenis bistable multivibrator, memiliki masukan set dan reset dan satu keluaran. Saat masukan reset positif maka keluaran akan positif.
Tegangan positif pada set akan memberikan keluaran menjadi negatif. Keluaran flipflop tergantung pada status dua masukan komparator.
Keluaran flip-flop diumpankan ke keluaran dan transistor pengosong. Keluaran dihubungkan dengan pin 3 dan transistor pengosongan dihubungkan dengan pin 7.
Keluaran adalah berupa penguat daya dan pembalik isyarat. Beban yang dipasang pada terminal 3 akan melihat apakah keluaran berada pada +VCC atau “tanah”, tergantung kondisi isyarat masukan.
Arus beban sebesar sampai pada harga 200 mA dapat dikontrol oleh terminal keluaraan.
Beban yang tersambung pada CC +V akan mendapat energi saat pin 3 berubah ke “tanah”.
Beban yang terhubung ke “tanah” akan “hidup” saat keluaran berubah ke CC +V . Kemudian akan mati saat keluaran berubah ke “tanah”.
Transistor 1 Q disebut transistor pengosongan (discharge transistor). Keluaran flip-flop dikenakan pada basis 1 Q Saat flip-flop reset (positif), akan membuat 1 Q berpanjar maju. Pin 7 terhubung ke “tanah” melalui 1 Q . Saat flip-flop set (negatif), akan membuat 1 Q berpanjar mundur. Ini akan membuat pin 7 menjadi tak terhingga atau terbuka terhadap “tanah”. Karenanya pin 7 mempunyai dua kondisi, terhubung singkat atau terbuka. Kita selanjutnya akan melihat bagaimana respon rangkaian internal IC 555 sebagai sebuah multivibrator.