Astable Multivibrator: Bagaimana Prinsip Kerjanya ?

Bismillahirrahmanirrahiem

Kali ini, mari kita mengenal apa itu astable multivibrator, sebuah sirkuit elektronik yang penting dan serbaguna. Mungkin Sobat bertanya-tanya, apa sebenarnya peran pentingnya dalam dunia elektronik?

Astable multivibrator adalah jenis sirkuit osilator yang menghasilkan gelombang keluaran berupa sinyal osilasi tanpa arah tetap. Dalam istilah yang lebih sederhana, ini adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan gelombang berulang, seperti gelombang kotak atau gelombang segitiga, yang memiliki banyak aplikasi praktis dalam berbagai proyek elektronik.

Peran penting astable multivibrator adalah sebagai pembangkit sinyal atau timer yang digunakan dalam berbagai perangkat dan sistem. Sobat bisa menemukannya dalam proyek-proyek elektronik seperti lampu berkedip, alarm, pengukur waktu, dan banyak lagi.

Baca juga : Pengertian Teorema Thevenin dan Cara Perhitungannya

Apa Itu Astable Multivibrator?

Astable multivibrator adalah sirkuit elektronik yang memiliki kemampuan untuk menghasilkan gelombang osilasi berulang tanpa arah tetap. Dalam istilah yang lebih sederhana, sirkuit ini adalah generator gelombang yang memproduksi pulsa-pulsa berkala.

Prinsip dasar operasinya cukup menarik. Astable multivibrator mengandalkan siklus positif dan negatif yang terus menerus bergantian. Ketika sinyal keluaran mencapai satu titik tertentu, transistor yang terlibat dalam sirkuit akan membalikkan kondisinya, menyebabkan sinyal berubah. Proses ini terus berulang, menghasilkan osilasi yang konstan.

Komponen utama dalam astable multivibrator adalah resistor dan kapasitor. Resistor mengatur laju pengisian dan pengosongan kapasitor, yang pada gilirannya mengendalikan periode osilasi. Ketika resistor dan kapasitor digabungkan dengan benar, Kita dapat menghasilkan osilasi dengan frekuensi yang dapat Kita tentukan sendiri.

Rangkaian Dasar Multivibrator Astabil

Astable multivibrator adalah jenis sirkuit osilator yang menghasilkan gelombang osilasi berulang tanpa arah tetap. Dalam kata sederhana, ini adalah sirkuit yang menghasilkan sinyal berulang, seperti gelombang kotak atau segitiga, yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi elektronik.

Sirkuit ini terdiri dari dua transistor, yaitu TR1 dan TR2, serta komponen-komponen lainnya seperti resistor (R1, R2, dan R3) dan kapasitor (C1 dan C2). Pengoperasiannya dimulai dengan salah satu transistor "ON" (saturasi) dan yang lainnya "OFF" (cut-off).

Langkah demi Langkah Operasi Astable Multivibrator

1. Siklus Positif

Ketika daya diberikan, salah satu transistor (misalnya TR1) akan berada dalam kondisi "ON," sehingga tegangan di kapasitor C1 naik ke level positif. Transistor lainnya (misalnya TR2) berada dalam kondisi "OFF."

2. Siklus Negatif

Selama siklus ini, kapasitor C2 mulai mengisi daya melalui resistor R2. Ketika tegangan pada kapasitor C2 mencapai ambang tertentu, transistor TR1 beralih menjadi "OFF," dan transistor TR2 menjadi "ON." Ini menyebabkan kapasitor C1 turun secara cepat ke level negatif.

3. Oscilasi Terus Menerus

Proses ini terus berulang, menciptakan osilasi berkecepatan tinggi antara kedua transistor. Frekuensi osilasi bergantung pada nilai resistor dan kapasitor yang digunakan dalam sirkuit. Semakin besar nilai resistor atau kapasitor, semakin lama siklus positif dan negatifnya.

Pentingnya Konstanta Waktu (RC)

Konstanta waktu dalam astable multivibrator sangat penting. Ini memengaruhi rasio mark-to-space (t1/t2), yang mengacu pada perbandingan antara waktu transistor satu "ON" dan transistor lainnya "ON." Dengan mengubah nilai resistor atau kapasitor, Sobat dapat mengubah frekuensi osilasi dan karakteristik gelombang keluaran.

Mengenali Kelanjutan Proses

Dalam proses yang berulang ini, kita dapat menyaksikan bagaimana astable multivibrator terus beralih antara dua kondisi tidak stabil: satu di mana transistor TR1 berada dalam keadaan "OFF" dan transistor TR2 dalam keadaan "ON," dan kondisi sebaliknya di mana TR1 "ON" dan TR2 "OFF." Kedua kondisi ini ditentukan oleh nilai RC (produk resistor dan kapasitor) yang terhubung ke terminal basis transistor.

Jika kedua konstanta waktu yang dihasilkan oleh C2 x R2 dan C1 x R3 pada rangkaian dasar tersebut adalah sama, rasio mark-to-space (t1/t2) akan menjadi satu banding satu. Hal ini akan membuat bentuk gelombang keluaran menjadi simetris. Sobat dapat mengubah frekuensi osilasi dengan memvariasikan nilai kapasitor (C1, C2) atau resistor (R2, R3).

Baca juga : Apa Perbedaan Thermistor PTC dan NTC ? Ini Jawaban Lengkapnya

Tentang Konstanta Waktu (RC)

Penting untuk memahami bahwa konstanta waktu dalam astable multivibrator memainkan peran kunci dalam menentukan periode osilasi dan bentuk gelombang keluaran. Konstanta waktu adalah waktu yang dibutuhkan agar tegangan pada kapasitor mencapai setengah tegangan suplai (0,5Vcc) dan sama dengan 0,69 konstanta waktu dari kombinasi kapasitor dan resistor.

Dengan memahami konstanta waktu ini dan bagaimana mereka berinteraksi dalam sirkuit, Sobat dapat merancang astable multivibrator yang sesuai dengan kebutuhan spesifik proyek kita. Ini juga memungkinkan Kita untuk mencapai bentuk gelombang keluaran yang diinginkan dengan karakteristik yang presisi.

Penjelasan Detail Mengenai Tegangan dan Transistor dalam Rangkaian Multivibrator Astabil

1. Pengukuran Tegangan Antara Dua Titik:

Ketika kita berbicara tentang tegangan pada suatu titik dalam sebuah rangkaian, kita selalu mengukurnya antara dua titik. Misalnya, ketika kita mengatakan bahwa tegangan pada suatu titik adalah 3V, ini berarti tegangan yang diukur dari titik tersebut ke ground atau minus baterai adalah 3V. Sebagai contoh, jika kita mengukur tegangan antara titik A dan ground dan mendapatkan hasil 3V, artinya tegangan di titik A adalah 3V lebih tinggi dari ground atau minus baterai.

2. Transistor sebagai Saklar:

Untuk memahami bagaimana transistor bekerja dalam rangkaian Multivibrator Astabil, kita dapat menganggapnya sebagai saklar. Transistor memiliki tiga pin utama: dasar (base), kolektor (collector), dan emitor (emitter). Untuk menghidupkan transistor, kita perlu menyediakan tegangan sekitar 0,7V ke pin dasarnya. Ketika transistor dalam keadaan ON, pin kolektor terhubung dengan pin emitor sehingga arus dapat mengalir melalui transistor tersebut. Pada saat yang sama, tegangan pada pin kolektor akan hampir sama dengan tegangan pada pin emitor. Ketika transistor OFF, tidak ada koneksi antara pin kolektor dan pin emitor, sehingga arus tidak mengalir.

3. Menggunakan Simulator:

 Untuk memahami konsep-konsep ini dengan lebih baik, Sobat dapat menggunakan simulator rangkaian elektronik. Simulasi dapat membantu Sobat melihat secara visual bagaimana tegangan dan arus berperilaku dalam rangkaian tertentu. Sobat dapat menguji dan mengamati berbagai kondisi kerja transistor dalam rangkaian Multivibrator Astabil menggunakan simulator ini. Simulasi membantu Sobat memahami prinsip-prinsip dasar kerja rangkaian elektronik sebelum mengimplementasikannya dalam dunia nyata.

Saat LED 1 Menyala dalam Rangkaian Multivibrator Astabil

1. Transistor Q1 Menyala (ON):

Dalam kondisi ini, transistor Q1 berada dalam keadaan ON. Untuk mengaktifkan transistor Q1, basisnya (pin tengah) harus menerima tegangan sekitar 0,7V. Tegangan ini berasal dari sisi kiri kapasitor C2.

2. Tegangan pada Kapasitor C2:

   Kapasitor C2 terhubung dengan sumber tegangan 9V melalui resistor R4 dan juga terhubung ke ground melalui LED 2 (L2). Ketika Q1 ON, kapasitor C2 mulai terisi. Proses pengisian kapasitor adalah eksponensial, yang berarti pada awalnya tegangan naik dengan cepat. Jadi, tegangan pada C2 naik dari 0V hingga sekitar 7-8V dengan cepat.

3. Peningkatan Tegangan yang Melambat:

Setelah mencapai tegangan sekitar 7-8V, peningkatan tegangan pada C2 menjadi lebih lambat. Ini adalah karakteristik pengisian kapasitor yang eksponensial. Dengan kata lain, kapasitor mencapai sebagian besar tegangannya dengan cepat, tetapi untuk mencapai tegangan penuhnya, waktu yang diperlukan lebih lama.

Tegangan di Sekitar Transistor Q2 dalam Rangkaian Multivibrator Astabil

Mari kita bahas lebih lanjut bagaimana tegangan berperan di sekitar transistor Q2 saat beroperasi dalam rangkaian Multivibrator Astabil:

1. Transistor Q2 Mati (OFF):

Ketika Q2 mati, basisnya harus memiliki tegangan kurang dari 0,7V. Hal ini diperlukan agar transistor Q2 tetap dalam kondisi mati. 

2. Tegangan di Sisi Kanan Kapasitor C1:

Sisi kanan dari kapasitor C1 terhubung ke basis Q2. Oleh karena itu, tegangan di sisi kanan C1 juga harus kurang dari 0,7V untuk menjaga Q2 mati. Namun, perlu diingat bahwa sisi kanan C1 juga terhubung ke sumber tegangan 9V melalui resistor R2, yang berarti sedang diisi dengan arus.

3. Perubahan Tegangan pada Kapasitor C1:

Tegangan di sisi kanan C1 naik karena kapasitor diisi. Pada awalnya, tegangan ini kurang dari 0,7V, tetapi terus naik.

4. Titik Balik:

Ketika tegangan di sisi kanan C1 mencapai 0,7V, transistor Q2 mulai beraksi! Ini karena basis Q2 sekarang menerima 0,7V dan menjadi aktif.

5. LED di Sisi Kanan Menyala:

Saat Q2 menyala, LED di sisi kanan rangkaian juga menyala, menciptakan output yang berbeda.

6. Perubahan Tegangan di Kapasitor C2:

Ketika Q2 menyala, terjadi perubahan menarik pada tegangan di sekitar kapasitor C2. Sisi kiri C2 memiliki 0,7V, sementara sisi kanan memiliki 8V. Namun, ketika Q2 menyala, tegangan di sisi kanan C2 tiba-tiba turun ke 0V melalui transistor Q2.

7. Mendapatkan Tegangan Negatif:

Hal ini menyebabkan sisi kanan C2 memiliki tegangan negatif. Sisi kiri C2 tetap pada 7,3V di bawah 0V, yang berarti tegangan sisi kiri adalah -7,3V.

8. Pengaruh pada Transistor Q1:

Dengan tegangan negatif -7,3V di sisi kiri C2, basis transistor Q1 juga menerima tegangan negatif sebesar -7,3V. Ini mengakibatkan matinya transistor Q1.

Dengan demikian, terjadi siklus di mana kedua transistor, Q1 dan Q2, beralih secara bergantian, yang menghasilkan gelombang keluaran dari rangkaian Multivibrator Astabil. Proses ini berulang secara terus-menerus selama sumber tegangan masih tersedia.

Baca juga : Apa yang di Maksud Komponen Aktif dan Pasif Pada Elektronika ?

Mengatur Frekuensi Multivibrator Astabil dengan Konstanta Waktu

Mengatur frekuensi keluaran sebuah multivibrator astabil bisa menjadi hal yang sangat penting. Hal ini dapat dicapai dengan memanipulasi nilai-nilai konstanta waktu yang ada dalam sirkuit. Mari kita bahas lebih lanjut.

Konstanta Waktu dalam Astabil Multivibrator

Dalam sirkuit astabil multivibrator, kita bekerja dengan konstanta waktu yang dihasilkan oleh kombinasi resistor (R) dalam satuan ohm dan kapasitor (C) dalam satuan farad. Konstanta waktu ini mengukur seberapa cepat atau lambat sebuah sirkuit mengubah keadaannya.

Mengganti Konstanta Waktu

Untuk mengatur frekuensi keluaran, kita dapat mengubah konstanta waktu pada salah satu jaringan RC dalam sirkuit. Misalnya, jika kita mengganti nilai resistor atau kapasitor pada jaringan yang satu tetapi mempertahankan nilai yang lain, kita dapat mempengaruhi rasio mark-to-space (t1/t2) dan mengubah frekuensi gelombang keluaran. Namun, biasanya, frekuensi keluaran diubah dengan mengganti kedua konstanta waktu RC secara bersamaan.

Menjaga Rasio Mark-to-Space

Hal penting yang perlu diperhatikan adalah menjaga rasio mark-to-space agar tetap sama pada satu banding satu. Ini berarti bahwa jika nilai kapasitor C1 sama dengan C2 dan nilai resistor basis R2 sama dengan R3, maka total lama waktu siklus multivibrator akan menjadi simetris.

Perhitungan Frekuensi Osilasi

Untuk menghitung frekuensi osilasi, kita dapat menggunakan rumus berikut:

ƒ = 1 / (2 * R * C)

Di mana:

• ƒ adalah frekuensi dalam satuan hertz (Hz).
• R adalah nilai resistor dalam satuan ohm (Ω).
• C adalah nilai kapasitor dalam satuan farad (F).

Dengan memahami bagaimana mengganti nilai-nilai resistor dan kapasitor dalam sirkuit astabil multivibrator, Sobat dapat dengan presisi mengatur frekuensi keluaran sesuai dengan kebutuhan proyek Kita. Ini memungkinkan Sobat untuk mendapatkan hasil yang diinginkan dalam berbagai aplikasi elektronik yang berbeda.

Baca juga : Pengertian, Jenis Dan Cara Kerja PCB (Printed Circuit Board)

Contoh Multivibrator Astabil No.2: Menghitung Frekuensi Osilasi

Dalam contoh ini, kita akan menjelaskan penggunaan multivibrator astabil dengan dua kapasitor timing (3,3uF) dan dua resistor basis (10kΩ). Kita akan menghitung rentang frekuensi osilasi yang dapat dicapai dengan menggunakan potensiometer geng ganda 100kΩ yang dihubungkan secara seri dengan dua resistor.

Dengan potensiometer pada posisi 0%, resistansi dasar adalah 10kΩ.

Dengan potensiometer pada posisi 100%, resistansi dasar adalah 10kΩ + 100kΩ = 110kΩ.

Dengan demikian, rentang frekuensi keluaran osilasi dapat divariasikan antara 2,0 dan 22 Hertz.

Pemilihan Nilai Resistor dan Kapasitor

Saat memilih nilai resistor dan kapasitor untuk pengoperasian yang andal, perlu diperhatikan bahwa resistor basis harus memiliki nilai yang memungkinkan transistor "ON" sepenuhnya ketika transistor lainnya "OFF." 

Misalnya, dalam rangkaian di atas, ketika transistor TR2 berada dalam kondisi "ON" penuh (saturasi), tegangan yang hampir sama akan jatuh pada resistor R3 dan resistor R4. Jika transistor yang digunakan memiliki penguatan arus (β) sebesar 100 dan resistor beban kolektor (R4) adalah 1kΩ, maka nilai resistor basis maksimum adalah 100kΩ. Nilai resistor basis yang lebih tinggi mungkin akan mengakibatkan transistor tidak "ON" sepenuhnya, yang dapat mengganggu osilasi atau bahkan membuatnya tidak berfungsi.

Sebaliknya, jika nilai resistor basis terlalu rendah, transistor tidak akan "OFF," dan multivibrator tidak akan menghasilkan osilasi.

Rangkaian Penggerak Multivibrator Astabil: Ekspansi Sirkuit

Dalam pengembangan lebih lanjut, kita akan mengeksplorasi sirkuit multivibrator astabil dengan output ujung depan persegi yang dihasilkan dari transistor ketiga, TR3, yang terhubung ke emitor transistor kedua, TR2. Transistor ketiga ini akan beroperasi dalam kondisi "ON" dan "OFF" bersamaan dengan transistor TR2. Keberadaan transistor tambahan ini memberikan fleksibilitas untuk mengganti berbagai komponen atau bahkan menghasilkan suara dalam rangkaian.

Pemilihan Resistor Beban

Resistor beban, yang disimbolkan sebagai Rx, harus dipilih dengan cermat. Hal ini perlu mempertimbangkan penurunan tegangan maju serta pembatasan arus maksimum, biasanya sekitar 20mA untuk rangkaian LED atau untuk memberikan impedansi beban total sekitar 100Ω untuk rangkaian speaker. Perlu diingat bahwa speaker dapat memiliki impedansi yang kurang dari 100Ω.

Menggabungkan Transistor Tambahan

Dengan menghubungkan transistor tambahan, yaitu TR4, ke rangkaian emitor transistor pertama, TR1, dengan cara yang sama seperti sebelumnya, kita dapat menciptakan rangkaian multivibrator astabil yang lebih kompleks. Rangkaian ini dapat digunakan untuk mengendalikan dua set lampu atau LED secara bergantian atau untuk menghasilkan efek suara. Perubahan tingkat osilasi dalam rangkaian ini akan ditentukan oleh konstanta waktu dari jaringan RC yang sesuai.

Penggunaan transistor tambahan memberikan fleksibilitas tambahan dalam merancang sirkuit ini sesuai dengan kebutuhan proyek tertentu. Sobat dapat mengganti komponen seperti LED, relay, atau speaker sesuai dengan tujuan aplikasi Kita.

Aplikasi 

Dengan memahami dasar-dasar sirkuit multivibrator astabil dan kemampuan untuk mengembangkannya dengan transistor tambahan, Sobat memiliki alat yang kuat untuk mengendalikan waktu dan efek visual atau suara dalam proyek-proyek elektronik Sobat.

Multivibrator Astabil tetap menjadi komponen yang berguna dalam banyak aplikasi elektronik seperti peralatan radio amatir, generator kode morse, pengatur waktu, siaran televisi, dan sirkuit analog lainnya. 

Baca juga : Apa itu Analog Digital Converter? simak ulasan ini

Kelebihan dan Kelemahan Multivibrator Astabil

Mari kita bahas kelebihan dan kelemahan dari Multivibrator Astabil.

Kelebihan Multivibrator Astabil:

1. Konsistensi Operasi, Multivibrator Astabil mampu menjalankan tugasnya dengan tingkat konsistensi yang tinggi tanpa banyak dipengaruhi oleh faktor eksternal. Hal ini membuatnya cocok untuk aplikasi yang memerlukan sinyal dengan periode waktu yang tetap dan teratur.
2. Biaya Produksi Rendah, Desain sederhana dari Multivibrator Astabil membuatnya relatif murah untuk diproduksi. Hal ini menjadi salah satu keuntungannya karena dapat digunakan dalam peralatan konsumer dengan biaya yang terjangkau.
3. Durabilitas, Multivibrator Astabil cenderung memiliki umur pakai yang lama. Hal ini membuatnya menjadi pilihan yang handal untuk aplikasi yang memerlukan sirkuit yang dapat bekerja secara terus menerus tanpa perlu sering diganti atau dirawat.

Kekurangan Multivibrator Astabil

1. Kehilangan Energi, Sirkuit ini tidak mentransfer seluruh energi sinyal keluarannya ke masukan. Ini disebabkan oleh resistansi dalam sirkuit, kurangnya loop yang sepenuhnya tertutup pada terminal keluaran, dan perbedaan kecil dalam penyerapan energi oleh kapasitor atau transistor. Meskipun penguat dapat mengkompensasi sebagian energi yang hilang saat memperkuat sinyal, akhirnya sinyal keluaran dapat menjadi terlalu lemah untuk digunakan dengan efektif.
2. Ketidaksempurnaan Bentuk Gelombang, Gelombang keluaran Multivibrator Astabil mungkin tidak sempurna persegi dan memiliki karakteristik tertentu yang tidak ideal. Hal ini perlu diperhatikan terutama dalam aplikasi yang memerlukan sinyal dengan bentuk gelombang yang sangat tepat.

Terimakasih telah menyimak artikel ala kadarnya ini. Semoga pembahasan kali ini dapat bermanfaat bagi sobat kelistrikan semua. Mohon maaf bila ada kesalahan.