Komponen Kristal

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan berkat dan karunianya sehingga kami dari kelompok 6 telah berhasil menyelesaikan tugas makalah yang diberikan oleh Bu Nila selaku Dosen Komponen Elektronika. Dengan berusaha mencari sumber informasi dari internet dan buku-buku komponen elka, kami bisa sedikit mempelajari tentang X-tal yang akan kami presentasikan dengan teman-teman kami.
Pada awalnya kami agak kesulitan dalam mencari sumber informasi tentang X-tal, dengan bantuan dari Bu Nila dan teman-teman kami dapat mengerti. Dalam makalah ini adalah suatu bentuk laporan tentang penjelasan secara sederhana sekaligus acuan dasar bagi kami untuk membuat sebuah presentasi agar kebingungan tentang X-tal yang kami alami sebelumnya tidak menimpa kepada teman-teman EC 1D. Kami membuat makalah ini hanya point-point yang penting dan secara umum dikenal di masyarakat.
Dalam makalah ini dibahas tentang X-tal adalah;
1. prinsip kerja
2. Fungsi atau kegunaan dalam rangkaian
3. Karakteristik
4. jenis-jenis
5. Aplikasi dalam rangkaian
Selain itu kami menambahkan sedikit rumus-rumus kecil untuk mencari dan menilai frekuensi dari suatu X-tal. Berdasarkan isi dari makalah yang disebutkan diatas ada bagian yang memiliki informasi yang sangat minimal sekali, kemampuan kami yang terbatas.
Dengan demikian, makalah ini diharapkan menjadi penolong bagi teman-teman yang tidak faham dengan X-tal. Agar kita semua dapat mempelajari lebih jauh tentang X-tal. Kami sebagai penyusun mohon maaf seandainya dalam makalah ini tidak dapat menjelaskan secara terperinci ataupun ada kesalahan penulisan. Kami akan siap untuk mendengarkan kritik dan saran yang membangun dari Bu Nila dan teman-teman EC 1D.





Depok, November 2009


Penyusun




Bab I
PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Apa itu kristal (X-tal) ? Jika orang awam mendengar kata tersebut langsung menuju kepada kristak berlian. Tapi kristal yang dimaksud adalad salah satu komponen yang dingunakan untuk mengatur frekuensi pada suatu rangkaian. Kristal umumnya digunakan untuk rangkaian osilator yang menuntut stabilitas frekuensi yang tinggi dalam jangka waktu yang panjang. Alasan utamanya adalah karena perubahan nilai frekuensi kristal seiring dengan waktu, atau disebut juga dengan istilah faktor penuaan frekuensi (frequency aging), jauh lebih kecil dari pada osilator-osilator lain. Faktor penuaan frekuensi untuk kristal berkisar pada angka ±5ppm/tahun, jauh lebih baik dari pada faktor penuaan frekuensi osilator RC ataupun osilator LC yang biasanya berada diatas ±1%/tahun.


Simbol Kristal


Kristal juga mempunyai stabilitas suhu yang sangat bagus. Pada umumnya, nilai koefisien suhu kristal berada dikisaran ±50ppm direntangan suhu operasi normal dari -20°C sampai dengan +70°C. Bandingkan dengan koefisien suhu kapasitor yang bisa mencapai beberapa persen. Untuk aplikasi yang menuntut stabilitas suhu yang lebih tinggi, kristal dapat dioperasikan didalam sebuah oven kecil yang dijaga agar suhunya selalu konstan.

Kemasan Kristal



Kristal tersedia dalam berbagai bentuk kemasan. Kemasan yang populer adalah HC49 dan HC49S. HC49S mempunyai bentuk tapak yang sama dengan HC49, tetapi kemasannya lebih pendek. HC49S juga tersedia untuk aplikasi SMD (HC49SM), dengan kaki yang ditekuk rata dibawah dasar yang terbuat dari plastik. Kemasan SMD bentuk lain juga banyak tersedia dipasaran. Perlu diingat bahwa kristal dengan kemasan yang berbeda akan mempunyai karakteristik yang berbeda pula. Hal ini disebabkan karena dimensi dan bentuk keping kristal tergantung kepada besarnya kemasan. Sebagai contoh, kemasan HC49 biasanya berisikan keping kristal yang berbentuk piringan, sedangkan kemasan HC49S, karena lebih pendek, berisikan keping kristal berbentuk persegi panjang. Dalam pesawat radio, kristal banyak digunakan pada pembangkit frekuensi tinggi (osilator) agar frekuensi osilator dapat dipertahankan stabil, disamping frekuensi yang stabil, suatu osilator kristal mempunyai bandwidth yang sangat sempit. Kristal yang dipakai dalam pesawat radio kebanyakan adalah sekeping potongan kristal quartz. Frekuensi resonansinya tergantung pada ketebalan kepingannya, misalnya untuk 7 MHz ketebalannya sekitar 0.9 MM.
Seperti kita ketahui bersama bahwa suatu kristal quartz dapat memberikan efek piezoelectric. Material piezoelectric yang lain adalah Garam Rochelle atau nama kimianya Kalium Natrium Tartrat, kristal semacam ini kebanyakan digunakan untuk microphone atau untuk speaker headphone.
1.2 TUJUAN
Setelah mempelajari bahasan ini diharapkan mahasiswa dapat memahami penggunaan kristal (X-tal), dan pemilihan jenis frekensi yang akan di dapat dalam kristal atau rancangan sistem elektronika yang salah satu komponenya adalah kristal.

1.3 PERUMUSAN MASALAH
Penjelasan dari kristal yaitu ;
1. prinsip kerja
2. fungsi
3. karakteristik
4. jenis-jenis
5. aplikasi dalam rangkaian
6. rumus yang melibatkan nilai dari frekuensi dalam kristal


1.4 RUANG LINGKUP
Dalam makalah ini hanya di bahas tentang kristal secara umum dan juga osilator kristal sebagai rangkaian yang tidak dapat dipisahkan. Sehingga kami tidak lagi menyinggung tentang kristal-kristal di luaran sana yang memiliki fungsi dan kegunaanya masing-masing. Hal ini kami ingatkan kepada pembaca agar tidak keliru tentang makalah yang telah kami buat. Walaupun kristal secara umum tetapi krisal yang di bahas hanya kristal yang memiliki pin/kaki dua dan tiga.

































Bab II
LANDASAN TEORI

2.1. Landasan Teori

1. Kristal (X-tal) adalah komponen elektronik yang menggunakan resonansi mekanis yang bergetar dengan bahan piezoelektrik untuk menciptakan sebuah sinyal listrik dengan frekuensi yang sangat tepat.
2. Osilator adalah suatu rangkaian yang menghasilkan keluaran (output) yang amplitudonya berubah-ubah secara periodic dengan waktu. Output berupa gelombang sinusoida, gelombang persegi, gelombang pulsa, gelombang segitiga/ gergaji
3. Osilator kristal adalah osilator yang menggunakan kristal sebagai kalang penentu frekuensi osilator frekuensi tetap jika dibutuhkan stabilitas yang tinggi. Bahan dari kristal tertentu memperlihatkan efek piezoelektrik apabila dikenai tegangan listrik
4. Efek piezoelektrik adalah suatu kemampuan yang dimiliki sebagian kristal maupun bahan-bahan tertentu lainnya yang dapat menghasilkan suatu arus listrik jika mendapatkan perlakuan tekanan.























Bab III
PEMBAHASAN

3.1 Prinsip kerja
Hampir semua benda yang terbuat dari bahan elastis dapat digunakan seperti kristal, dengan transduser yang tepat, karena semua benda memiliki frekuensi resonansi alami getaran. Misalnya, baja sangat elastis dan memiliki kecepatan tinggi suara. Itu sering digunakan dalam filter mekanik sebelum kuarsa. Frekuensi resonansi tergantung pada ukuran, bentuk, elastisitas, dan kecepatan suara dalam materi. Kristal frekuensi tinggi biasanya dipotong dalam bentuk yang sederhana, piring persegi panjang. Kristal frekuensi rendah, seperti yang digunakan dalam jam digital, biasanya dipotong dalam bentuk garpu tala. Untuk aplikasi tidak memerlukan waktu yang sangat tepat, biaya rendah resonator keramik sering digunakan sebagai pengganti dari kristal kuarsa.

Ketika sebuah kristal kuarsa dengan benar dipotong dan di-mount, dapat dibuat untuk mendistorsi dalam medan listrik dengan menerapkan suatu tegangan elektroda di dekat atau pada kristal. Properti ini dikenal sebagai piezoelectricity. Ketika suatu rangkaian dihapus, kuarsa akan menghasilkan medan listrik seperti kembali ke bentuk sebelumnya, dan ini dapat menghasilkan tegangan. Hasilnya adalah bahwa kristal kuarsa berperilaku seperti rangkaian terdiri dari sebuah induktor, kapasitor dan resistor, dengan frekuensi resonan yang tepat.

Kuarsa memiliki keuntungan lebih lanjut bahwa konstanta elastis dan perubahan ukuran sedemikian rupa sehingga ketergantungan pada suhu frekuensi dapat menjadi sangat rendah. Karakteristik khusus akan tergantung pada mode getaran dan sudut di mana kuarsa dipotong (relatif terhadap sumbu kristalografi). Oleh karena itu, frekuensi resonan piring, yang tergantung pada ukuran, tidak akan banyak berubah, salah satu. Untuk aplikasi kritis osilator kuarsa dipasang pada suhu yang dikendalikan wadah, yang disebut kristal oven, dan juga dapat dipasang pada peredam kejut untuk mencegah gangguan oleh getaran mekanik eksternal.

3.2 Fungsi
Pada pesawat radio, kristal banyak digunakan pada pembangkit frekuensi tinggi (osilator) agar frekuensi yang di dapat stabil. Selain sebagai osilator kristal dapat berfungsi sebagai filter pada rangkaian Lattice filter. Dalam hal ini kristal yang digunakan kristal yang berkaki tiga, dimana salah satu kaki bertindak sebagai ground.




3.3 Karakteristik
Material yang mempunyai bentuk struktur kristalin, seperti quartz, mempunyai satu sifat unik yaitu mampu menghasilkan tegangan listrik ketika diberi tekanan mekanikal dan juga sebaliknya, berubah bentuk mekanikalnya ketika diberi tegangan listrik. Sifat ini dikenal dengan nama efek piezo-electric. Sifat inilah yang dimanfaatkan untuk menghasilkan resonansi listrik-mekanik, sehingga kristal akan bergetar pada frekuensi alami tertentu jika diberi tegangan listrik bolak-balik. Frekuensi alami ini ditentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal, yang ditetapkan pada saat pembuatan. Karena potongan dan dimensi keping kristal dapat dikontrol secara presisi pada saat proses produksi, maka kristal mempunyai frekuensi getar alami yang sangat akurat. Akurasi kristal umumnya berada pada kisaran ±30ppm, dengan akurasi yang lebih tinggi juga tersedia walaupun harganya tentu lebih mahal.
Potongan keping kristal mengacu kepada orientasi sudut pemotongan keping kristal terhadap garis struktur kristalin, dan juga bentuk keping kristal tersebut. Ada banyak standar potongan keping kristal, yang masing-masing mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Sebagai contoh, potongan AT yang populer mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang tidak terlalu tinggi dan koefisien suhu yang cukup baik (berbentuk kurva fungsi kubik). Contoh lain adalah potongan BT, yang mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang lebih tinggi tetapi koefisien suhunya lebih buruk (berbentuk kurva parabolik).
Kristal dapat dioperasikan pada frekuensi fundamental atau salah satu dari frekuensi-frekuensi harmonik ganjil (odd harmonics) yang biasa disebut dengan istilah overtones. Frekuensi fundamental maksimum sebuah kristal ditentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal. Semakin tinggi frekuensi fundamental sebuah kristal, semakin tipis keping kristal tersebut, sehingga keping kristal menjadi rapuh dan mudah patah. Jadi untuk mencapai spesifikasi frekuensi getar yang lebih tinggi, kristal harus beroperasi menggunakan salah satu overtone yang ada.
Walaupun quartz adalah material yang paling sering digunakan untuk membuat kristal, material lain seperti lithium-niobate, lithium-tantalate, bismuth-germanium oxide dan alumimium-phosphate juga dapat dipakai untuk membuat kristal. Material lain yang juga dapat digunakan adalah sejenis keramik yang terbuat dari padatan timbal, zirconium dan titanium dan material polimer seperti polyvinyl chloride dan difluorpolyethylene.



3.4 Jenis-jenis

Keterangan :
• Gambar Kristal (2 pin)
1. Kristal jenis HC-49/SD
2. Kristal jenis HC-49/US
3. Kristal jenis HC-49/U
• Gambar Oscilator (4 pin)
4. Oscilator jenis DIL-14 berukuran penuh dan bungkus (bagian luarnya) terbuat dari logam. Biasa disebut “canned oscillator”
5. Oscilator jenis DIL-8 berukuran setengah dan bungkus (bagian luarnya) terbuat dari logam.
6. Oscilator jenis DIL-8 berukuran setengah dan bungkus (bagian luarnya) terbuat dari plastik
7. Oscilator berukuran 5×7mm dan bungkus (bagian luarnya) terbuat dari logam.




3.5 Aplikasi dalam suatu rangkaian
Osilator Colpitts
Kristal dapat digunakan sebagai pengganti jajaran resonansi LC untuk hampir semua jenis rangkaian osilator, baik secara resonansi-seri maupun resonansi-paralel. Sebagai contoh adalah rangkaian osilator Colpitts yang menggunakan jajaran kristal dan kapasitor secara resonansi-seri.
Osilator Pierce
Satu contoh lain adalah rangkaian osilator Pierce yang menggunakan jajaran kristal dan kapasitor secara resonansi-paralel pada jalur umpan-balik. Osilator Pierce ini sangat populer dan kerap digunakan karena mempunyai karakteristik stabilitas yang lebih superior dibandingkan dengan rangkaian osilator lainnya.
Osilator CMOS
Rangkaian osilator populer lain menggunakan sebuah CMOS inverter yang menerapkan kristal pada jalur umpan-balik dari kaki output ke kaki input. Osilator ini mempunyai prinsip kerja yang serupa dengan osilator Pierce. Rangkaian osilator klasik ini diterapkan secara luas sebagai sumber frekuensi denyut (clock frequency) pada rangkaian digital dan juga menjadi dasar cara kerja rangkaian osilator terpadu yang biasa digunakan oleh mikrokontroler.
Kedua kapasitor yang terhubung dari kaki-kaki kristal ke ground adalah kapasitor beban (load capacitance) yang perlu untuk berfungsinya rangkaian osilator ini. Nilai total kapasitor beban akan mempengaruhi frekuensi getar sebuah kristal. Efek ini juga disebut pulling, dimana perubahan nilai kapasitor beban (atau mode resonansi, seperti disebutkan diatas) dalam rangkaian osilator kristal akan merubah frekuensi getar kristal tersebut.
Pulling dapat digunakan untuk mengatur frekuensi getar kristal, walaupun hanya dalam rentangan yang terbatas. Biasanya, lembaran data kristal mencantumkan nilai nominal kapasitor beban yang tepat untuk mendapatkan spesifikasi frekuensi getar yang tertera.
Resistor R2 berfungsi untuk membatasi tingkat pasokan daya (drive level) kepada kristal. Tingkat pasokan daya yang terlalu rendah akan menyebabkan kristal gagal berosilasi dan sebaliknya, jika terlalu tinggi akan mempengaruhi stabilitas frekuensi kristal atau malah dapat menyebabkan keping kristal menjadi retak.
Kristal jenis HC49 memerlukan tingkat pasokan daya dikisaran 1mW, sedangkan kristal HC49S atau HC49SM memerlukan sekitar 100µW. Semakin besar dimensi kepingan kristal, akan semakin tinggi pasokan daya yang dibutuhkan. Tingkat pasokan daya juga dipengaruhi oleh frekuensi getar, dimana frekuensi getar yang lebih tinggi akan memerlukan pasokan daya yang lebih besar.

3.6 Rangkaian Ekuivalensi
Rangkaian Ekuivalen Kristal
Dari sudut pandang bidang elektronika, tata kerja kristal dapat diilustrasikan melalui rangkaian ekuivalen yang terdiri dari dua buah kapasitor, satu buah induktor dan satu buah resistor.
Induktor L1 (motional inductance) adalah padanan dari massa keping kristal yang bergetar, kapasitor C1 (motional capacitance) adalah padanan dari kekakuan keping kristal melawan getaran dan resistor R1 adalah padanan dari energi yang hilang diserap oleh kristal karena bentuknya mengalami perubahan ketika bergetar. Kapasitor C0 (shunt capacitor) adalah kapasitansi yang terbentuk diantara dua elektroda yang mengapit potongan kristal.
Frekuensi getar alami kristal diberikan oleh persamaan berikut:
....................................................................................................1
Umumnya, nilai induktansi L1 adalah sangat tinggi sementara nilai kapasitansi C1 sangat rendah. Sebagai contoh, sebuah kristal yang mempunyai frekuensi getar 10MHz mempunyai nilai L1 = 0.05H, C1 = 0.0051pF, R1 = 5Ω dan C0 = 6pF.
Rasio antara nilai induktansi L1 dan kapasitansi C1 yang sangat besar, jauh melampaui nilai rasio yang lazim didapat jika menggunakan komponen biasa, sehingga nilai faktor kualitas (Q) dari kristal menjadi jauh lebih tinggi daripada rangkaian LC biasa.
Faktor kualitas sebuah kristal diberikan oleh persamaan berikut:
....................................................................................2
Nilai faktor kualitas kristal umumnya bekisar diantara 104 sampai dengan 106, bandingkan dengan nilai faktor-kualitas rangkaian LC biasa yang hanya berkisar diangka ratusan.

Kristal dapat diterapkan pada rangkaian resonansi-seri ataupun resonansi-paralel. Pada rangkaian resonansi-seri, kristal bersifat seolah-olah terdiri dari sebuah kapasitor dan sebuah induktor yang dirangkai secara seri. Impedansi kristal akan mencapai nilai terendah, yaitu sama dengan nilai tahanan R1, pada frekuensi getar alami. Pada rangkaian resonansi-paralel, kristal bersifat seperti terdiri dari sebuah kapasitor dan sebuah induktor yang dirangkai secara paralel. Impedansi kristal akan mencapai nilai tertinggi pada frekuensi getar alami. Perlu dicatat bahwa frekuensi getar alami sebuah kristal yang sama jika beroperasi secara resonansi-paralel adalah sedikit lebih tinggi daripada ketika dioperasikan secara resonansi-seri. Fenomena ini dikenal dengan istilah pulling, yang besarannya tergantung kepada rasio dari C1 dengan C0 dan CL.
Besarnya perubahan frekuensi yang disebabkan oleh faktor pulling ini diberikan oleh persamaanberikut:
.................................................................................................3
Kristal biasanya dibentuk sedemikian rupa sehingga lebih optimal jika dioperasikan pada salah satu mode tertentu, baik itu secara resonansi-seri ataupun resonansi-paralel.



















Bab IV
KESIMPULAN


Kristal itu adalah sebuah komponen yang berfungsi sebagai penstabil frekuensi pada sinyal radio dan kristal berfungsi sebagai filter pada rangkaian Lattice filter.