Pendahuluan

Multivibrator adalah suatu rangkaian elektronika yang pada waktu tertentu hanya mempunyai satu dari dua tingkat tegangan keluaran, kecuali selama masa transisi. Peralihan (switching) di antara kedua tingkat tegangan keluaran tersebut terjadi secara cepat. Dua keadaan tingkat tegangan keluaran multivibrator tersebut, yaitu stabil (stable) dan Quasistable.

Disebut stabil apabila rangkaian multivibrator tidak akan mengubah tingkat tegangan keluarannya ke tingkat lain jika tidak ada pemicu (trigger) dari luar rangkaian.

Disebut quasistable apabila rangkaian multivibrator membentuk suatu pulsa tegangan keluaran sebelum terjadi peralihan tingkat tegangan keluaran ke tingkat lainnya tanpa satupun pemicu dari luar. Pulsa tegangan itu terjadi selama 1 periode (T₁), yang lamanya ditentukan oleh komponen-komponen penyusun rangkaian multivibrator tersebut.

Ketika rangkaian multivibrator mengalami peralihan di antara dua tingkat keadaan tegangan keluarannya maka keadaan tersebut disebut sebagai keadaan unstable atau kondisi transisi.

Selain definisi-definisi tentang tingkat keadaan atau kondisi tegangan keluaran rangkaian multivibrator, juga terdapat definisi-definisi tentang rangkaian multivibrator itu sendiri, yaitu:

a. Multivibrator bistable (flip-flop):

Disebut sebagai multivibrator bistable apabila kedua tingkat tegangan keluaran yang dihasilkan oleh rangkaian multivibrator tersebut adalah stabil dan rangkaian multivibrator hanya akan mengubah kondisi tingkat tegangan keluarannya pada saat dipicu. Tegangan keluarannya ditunjukkan dalam Gambar 1a.

b. Multivibrator monostable (one-shot)

Disebut sebagai multivibrator monostable apabila satu tingkat tegangan keluaran-nya (V₁ dalam Gambar 1b) adalah stabil sedangkan tingkat tegangan keluaran yang lain (V₂ dalam Gambar 1b) adalah quasistable. Rangkaian tersebut akan beristirahat pada saat tingkat tegangan keluarannya dalam keadaan stabil sampai dipicu menjadi keadaan quasistable. Keadaan quasistable dibentuk oleh rangkaian multivibrator untuk suatu periode T₁ yang telah ditentukan sebelum berubah kembali ke keadaan stabil. Sebagai catatan bahwa selama periode T₁ adalah tetap, waktu antara pulsa-pulsa tersebut tergantung pada pemicu. Tegangan keluaran multivibrator ini ditunjukkan dalam Gambar 1b.

c. Multivibrator astable

Disebut sebagai multivibrator astable apabila kedua tingkat tegangan keluaran yang dihasilkan oleh rangkaian multivibrator tersebut adalah quasistable. Rangkaian tersebut hanya mengubah keadaan tingkat tegangan keluarannya di antara 2 keadaan, masing-masing keadaan memiliki periode yang tetap. Rangkaian multivibrator tersebut akan bekerja secara bebas dan tidak lagi memerlukan pemicu. Tegangan keluaran multivibrator ini ditunjukkan dalam Gambar 1c. Periode waktu masing-masing level tegangan keluarannya ditentukan oleh komponen-komponen penyusun rangkaian tersebut. Banyak metode digunakan untuk membentuk rangkaian multivibrator astabil, di antaranya adalah dengan menggunakan Operational Amplifier, menggunakan IC 555, atau transistor NPN.

(a) Trigger
(b) Trigger

Sumber: Glasford, 1986: 274

Perancangan Rangkaian

Rangkaian multivibrator astabil tersebut disusun dengan menggunakan sepasang transistor NPN yang disusun secara menyilang sebagai common emitter amplifier. Apabila satu dari dua transistor tersebut memulai untuk menghantar, maka sinyal umpan balik kepada basis transistor akan meningkat dan transistor tersebut akan secepat mungkin berubah menjadi on. Dengan proses yang sama, transistor kedua akan secepat mungkin berubah menjadi off. Susunan rangkaian multivibrator astabil tersebut ditunjukkan dalam Gambar 2.

Apabila digunakan suatu pendekatan nilai tegangan, maka untuk transistor yang berada dalam keadaan on:

v_A = V_CE (on) = 0 V (1)
v_B = V_BE (on) = 0 V (2)

 Sedangkan untuk transistor yang berada dalam keadaan off:

v_C < 0 V (3)
v_D = V_CC (4)

Nilai tegangan-tegangan tersebut seperti yang ditunjukkan dalam diagram bentuk gelombang dalam Gambar 3, pada t = 0. Sebagai catatan bahwa dengan ujung atas R₂ dihubungkan dengan V_CC dan ujung bawah dihubungkan dengan v_C (negatif), maka arus akan mengalir melewatinya. Karena Q₂ off, maka arus tersebut harus mengalir melalui C₁ dan Q₁ ke bumi, sehingga transistor Q₁ akan on.

Bagian yang penting rangkaian multivibrator pada waktu tersebut ditunjukkan dalam Gambar 4. Nilai v_A adalah telah tetap pada sekitar 0 V karena Q₁ telah berada dalam keadaan saturasi, sehingga v_C akan meningkat secara eksponensial dari nilai negatif ke nilai V_CC dengan t = C₁R₂ (dengan menganggap bahwa resistansi kolektor-emitor transistor Q₁ tidak diperhatikan pada saat mengalami keadaan saturasi).

Ketika v_C mencapai nilai 0 V, transistor Q₂ menjadi on, sehingga v_D akan turun dan transisi kebalikannya akan terjadi yang menyebabkan Q₁ menjadi off dan Q₂ menjadi on. Apabila 4 bentuk gelombang dalam Gambar 3 dilihat secara rinci lagi, maka akan menunjukkan bahwa setelah Q₂ berubah menjadi on, tegangan kolektornya (v_D) akan turun dari V_CC ke 0 V. Penurunan ini dikonduksikan ke v_B melalui C_2, sehingga v_B juga akan turun melalui V_CC, tetapi penurunan tersebut dimulai dari 0V menuju -V_CC.

Walaupun v_A meningkat dari 0 V ke +V_CC, v_C tidak dapat mengikutinya karena v_C telah mencapai nilai 0 V dan membawa Q₂ menjadi on. v_C terpotong setelah basis-emitter junction dari Q₂ terhubung (on). Ketika nilai tegangan bagian kanan C₂ (Gambar 2) turun, bagian kiri C₂ tersebut dapat mengikutinya karena Q₁ adalah off (rangkaian terbuka). Akan tetapi ketika nilai tegangan bagian kiri C₁ meningkat dengan v_A, bagian kanan C₁ tersebut tidak dapat mengikutinya karena v_C telah terpotong oleh arus basis pada Q₂. Hal tersebut akan menyebabkan C₁ harus mengisi muatan melalui R₁ oleh V_CC agar v_A meningkat dengan (= C₁R₁ pada bentuk gelombang v_A. Pada saat Q₁ off, maka Q₂ on, dan v_B berada pada nilai -V_CC. Arusnya sekarang mengalir melalui R₃ dan C₂ dan melalui Q₂, sehingga v_B akan meningkat secara eksponensial dari -V_CC menuju +V_CC dengan (= C₂R₃. Ketika v_B mencapai nilai 0 V, Q₁ akan kembali menhantar sehingga Q₁ akan on dan Q₂ off.

Sumber: Glasford, 1986: 287

Jika dilihat bentuk gelombang v_B dalam Gambar 3, periode T₁ adalah waktu v_B untuk mencapai setengah peningkatan dari -V_CC ke +V_CC, yaitu waktu yang digunakan untuk mencapai nilai 0 V.

Untuk melihat ketidaksimetrian keluaran rangkaian multivibrator astabil, ditentukan suatu siklus kerja (duty cycle) berdasarkan Persamaan (5).

 
D = W / T x 100% … (5)

Besarnya W dan T ditunjukkan dalam Gambar 5 yang merupakan bentuk gelombang keluaran multivibrator astabil. W merupakan waktu osilasi keluaran pada saat mencapai tegangan V_CC, sedangkan T merupakan periode osilasi keluaran.

Sumber: Malvino, 1986: 251

Siklus kerja (duty cycle) selalu berada di antara 50 dan 100 persen, tergantung pada nilai-nilai komponen kapasitor dan resistor yang menyusunnya.

Komponen Surface Mount Device (SMD)

Teknologi film tebal tidak dapat digunakan untuk pembuatan komponen-komponen aktif, seperti: dioda, transistor, dan komponen semikonduktor lainnya. Oleh karena itu komponen-komponen aktif yang diperlukan dalam suatu rangkaian elektronika yang dibuat harus ditambahkan sendiri ke dalam rangkaian tersebut. Komponen-komponen aktif yang cocok untuk digabungkan dalam proses teknologi film tebal ini adalah yang berupa Surface Mount Device (SMD), karena SMD tidak memerlukan lubang pada substrat untuk menempelkan kaki-kakinya. Apabila tidak digunakan SMD atau hanya digunakan komponen standar, komponen-komponen tersebut tentunya akan memerlukan lubang pada substrat. Proses pelubangan dilakukan dengan menggunakan pengeboran ultrasonik atau oleh laser. Proses tersebut memerlukan biaya yang sangat besar, oleh karena itu agar biaya pembuatan dapat ditekan digunakanlah komponen SMD yang tentunya tidak memerlukan proses pengeboran pada substrat.

Penempatan komponen SMD yang digunakan pada substrat adalah dengan cara penyolderan SMD tersebut yang sebelumnya telah ditempatkan pada pad konduktor yang telah tercetak. Penyolderan dilakukan dengan menggunakan pasta solder.

Di samping berupa komponen-komponen aktif, SMD juga menyediakan komponen-komponen pasif, seperti: resistor, kapasitor, dan induktor. Komponen-komponen pasif tersebut disediakan untuk mengantisipasi terbatasnya bahan pasta yang tersedia dalam proses pembuatan rangkaian hibrida film tebal.

Pembuatan Multivibrator Astabil

Penentuan spesifikasi multivibrator astabil ini harus memperhatikan batasan-batasan yang ada, yaitu:

1. Jenis pasta yang digunakan adalah pasta konduktor Palladium Perak dengan nilaii resistansi lembar pasta 20 mW . ^-1, pasta resistor dengan nilai resistansi lembar pasta 10 W . † ^-1 dan 1000 W . ‚ ^-1.
2. Komponen-komponen SMD (kapasitor dan transistor) yang tersedia adalah kapasitor dengan nilai 10 m F/10V dan transistor BCW60B yang mempunyai h_FE antara 180-310.
3. Substrat yang digunakan adalah Alumina
4. Keterbatasan proses, yaitu proses pencetakan (screen printing) dilakukan secara manual dan tidak dilakukannya proses trimming pada resistor.

Dalam Gambar 3 ditunjukkan bahwa rangkaian multivibrator astabil memiliki 4 resistor yaitu: R₁, R₂. R₃, dan R₄. Untuk membentuk suatu rangkaian yang simetris, R₁ dan R₄ haruslah memiliki nilai resistansi yang sama, begitu pula dengan R₂ dan R₃. Keempat resistor tersebut harus memiliki nilai resistansi yang tepat untuk memastikan transistor akan on pada saat transistor berada dalam keadaan saturasi dan akan off pada saat berada dalam keadaan cutoff (tersumbat).

Tegangan catu (V_CC) yang digunakan ditetapkan sebesar 5 volt, kemudian R₁ dan R₄ (resistansi kolektor) ditetapkan bernilai 30 W . Penentuan nilai-nilai tersebut berdasarkan pertimbangan karakteristik komponen-komponen SMD yang menyusunnya dan jenis pasta yang tersedia. Nilai R₂ dan R₃ (resistansi basis) harus cukup kecil untuk memastikan transistor akan berada dalam keadaan saturasi pada saat on.

Untuk menentukan nilai R₂ dan R₃ (resistansi basis), dilakukan perhitungan sebagai berikut:

R₁ dan R₄ = R_C
R₂ dan R₃ = R_B

Pada kondisi saturasi (transistor on),
I_{C (sat)} = V_CC /R_C = 5V/30W = 167 mA
I_{B (sat)} = I _{C (sat)} /h_{FE (min)} = 167 mA/180 = 0,928 mA
I_B = I_B(sat)
I_B = 0,928 mA

Supaya transistor berada dalam keadaan saturasi pada saat on, arus basis I_B transistor haruslah lebih besar atau sama dengan I_B(sat). Pada saat arus basis I_B transistor nol, transistor akan off dalam keadaan cutoff (tersumbat). Nilai resistansi basis adalah :

R_B1 = (V_CC - V_BE) / I_B(sat) = (5V – 0,7V) / 0,928 mA = 4650 W

R_B harus (R_B1 karena I_B harus lebih besar atau sama dengan I_B(sat). Berdasarkan hasil tersebut dapat diketahui bahwa nilai R₂ dan R₃ (resistansi basis) yang diijinkan adalah (4650 W . Untuk mendapatkan nilai R₂ dan R₃ yang tepat, yaitu supaya rangkaian multivibrator astabil yang dirancang dapat menghasilkan bentuk pulsa keluaran terbaik, maka digunakan bantuan komputer dengan memanfaatkan software Spice untuk mensimulasikan rangkaian multivibrator astabil tersebut.

Listing program Spice adalah sebagai berikut:

*MULTIVIBRATOR ASTABIL
VCC 1 0 DC 5V
R1 1 2 30
R2 1 3 500
R3 1 4 500
R4 1 5 30
C1 2 3 10uF IC=5V
C2 5 4 10uF IC=0V
Q1 2 4 0 Q2N4124
Q2 5 3 0 Q2N4124
*QBCW60B = Q2N4124
.MODEL Q2N4124 NPN (Is=6.734f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03
+Bf=180 Ne=1.28 Ise=6.734 Ikf=69.35m Xtb=1.5 Br=.7214 Nc=2
+Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=3.638p Mjc=.3085 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=4.493p
+Mje=.2593 Vje=.75 Tr=238.3n Tf=301.3p Itf=.4 Vtf=4 Xtf=2 Rb=10)
.TRAN/OP 10MS 20MS UIC
.PLOT TRAN V(2) V(5)
.PROBE
.END

Dalam listing Spice tersebut, transistor yang digunakan adalah tipe 2N4124 yang memiliki banyak persamaan dengan tipe BCW60B yang digunakan dalam pembuatan rangkaian multivibrator astabil ini. Digunakannya transistor 2N4124 dalam listing tersebut dikarenakan dalam library Spice tidak terdapat transistor BCW60B.

Berdasarkan hasil simulasi maka dapat ditentukan spesifikasi multivibrator astabil yang akan dibuat, yaitu:

• Catu daya = DC 5 volt
• Duty cycle (siklus kerja) osilasi keluaran = 50 %
• Periode osilasi keluaran = 7 ms
• Frekuensi osilasi keluaran = 142,86 Hz

Perancangan Resistor

R = R_s x (L/W)
(L/W) = R/R_s = 30/10 = 3

Sedangkan untuk R₂ dan R₃ yang mempunyai nilai resistansi 500 (dan menggunakan pasta resistor dengan nilai resistansi lembar pasta 1000 W .Œ ^-1, aspek rasio dimensi resistor tersebut adalah:

R = R_s x (L/W)
(L/W) = R/R_s = 500/1000 = 1/2
 
Hasil perhitungan tersebut menunjukkan bahwa aspek rasio dimensi resistor-resistor yang dirancang masih berada dalam batas yang diijinkan, yaitu berada di antara 1/3 dan 3.

Setelah diketahui aspek rasio masing-masing resistor, langkah selanjutnya adalah menghitung panjang (L) dan lebar (W) dimensi resistor-resistor tersebut. Perhitungan didasarkan pada peraturan penggunaan dimensi minimum. Untuk resistor, dimensi minimum berdasarkan aturan perancangan yang ada adalah LxW = 1mm x 1mm. Berdasarkan aturan perancangan tersebut, perhitungan dimensi resistor-resistor adalah sebagai berikut:

Untuk R₁ dan R₄,

Perancangan Konduktor

1. Konduktor berbentuk segiempat dengan membentuk sudut 90(dan 0(dari arah penyaputan (paralel dengan tepi substrat) supaya hasil konduktor yang tercetak tidak melebar atau mblobor.
2. Jalur konduktor diusahakan sependek mungkin, lebar jalur konduktor 0,5 mm (mi-nimum 0,4 mm) dan jarak antar jalur konduktor diusahakan lebih besar dari 0,4 mm.
3. Untuk terminal resistor, konduktor dirancang lebih besar 0,5 mm ke segala arah dari ujung-ujung resistor (minimum 0,4 mm).
4. Untuk pad komponen, konduktor dirancang lebih besar dari 0,5 mm ke segala arah dari kaki-kaki komponen (minimum 0,25 mm). Komponen SMD yang digunakan sebanyak 4 buah, yaitu 2 buah kapasitor (masing-masing 2 kaki) dan 2 buah transistor (masing-masing 3 kaki).
5. Untuk pad eksternal, konduktor dirancang sebesar 1,5 mm x 2 mm. Pada rangkaian ini dibuat 4 buah pad eksternal, yaitu untuk tegangan catu, ground, keluaran 1,dan keluaran 2.

Pada rangkaian ini diperlukan suatu jalur crossover yang menghubungkan antara kapasitor 2 (negatif) dan transistor 1 (basis). Sebagai jalur crossover tersebut digunakan kawat, sehingga diperlukan 2 buah pad untuk menyolder ujung-ujung kawat tersebut. Masing-masing pad berukuran 0,5mm x 0,5mm dan berhubungan langsung dengan pad komponen yang dihubungkan.

Perancangan Layout Multivibrator Astabil

Kesimpulan

1. Dimensi resistor yang dihasilkan mengalami penyimpangan terhadap hasil peran-cangan layout, yaitu untuk ukuran panjang (L) sekitar -8,88%, sedangkan untuk lebar sekitar 6,45 %. Penyebab penyimpangan tersebut adalah pola gambar pada screen tidak presisi, tekanan rakel pada saat menyaput screen kurang optimal, keregangan screen kurang sesuai, dan ukuran mesh screen kurang besar.
2. Hasil pengujian menunjukkan bahwa keluaran multivibrator astabil masih mengalami penyimpangan dari spesifikasi yang telah ditentukan dalam perancangan. Penyim-pangan tersebut disebabkan karena nilai resistansi resistor film tebal yang dihasilkan tidak tepat dengan perancangan.

1. Perancangan konduktor sebagai jalur interkoneksi antar komponen hendaknya meng-gunakan aspek rasio yang lebih kecil atau sama dengan 3 supaya nilai resistansi jalur konduktor yang dihasilkan tersebut tidak terlalu besar yang dapat mempengaruhi kerja rangkaian.
2. Untuk proses screen printing lebih baik digunakan screen dengan mesh yang besar (lebih besar dari 200) agar hasil cetakan lebih baik dengan penyimpangan yang kecil, dan juga proses pembentukan pola gambar pada screen (fotolitografi) harus dilakukan lebih teliti dan hati-hati supaya didapatkan pola gambar yang presisi. Di samping itu, penggunaan mesin saat penyaputan sangat dibutuhkan agar didapatkan tekanan rakel yang optimal.
3. Untuk proses firing, perlu ditingkatkan kecepatan kenaikan dan penurunan suhu, sehingga perlu digunakan furnace dengan kemampuan yang lebih tinggi daripada furnace yang digunakan dalam proses ini.
4. Untuk proses penyolderan komponen SMD, diperlukan suatu peralatan solder khusus, agar waktu pemanasan solder cream sampai mencair tidaklah terlalu lama yang dapat mengurangi kemampuan kerja komponen yang disolder.

 Daftar Acuan

1. Classon, Frank. 1993. Surface Mount Technology for Concurrent Engineering and Manufacturing, McGraw-Hill, Inc.
2. Dupont. 1997. Conductor, Dielectric, Resistor Materials Comparison Data Book. Dupont. USA.
3. Glaford, Glenn M. 1986. Analog Electronic Circuits. Prentice Hall,Inc.
4. Harper, Charles A. 1974. Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics. McGraw-Hill, Inc.
5. Haskard, Malcolm R. 1987. Thick Film Hybrid Manufacture and Design. Prentice hall, Inc. New Jersey.
6. Hayt, William H. 1988. Engineering Circuit Analysis, Fourth Edition. McGraw-Hill, Inc.
7. Julius St, M. 1993. Sablon Screen Printing. UPT Penerbitan FT-Unibraw. Malang.
8. Julius St. M. dkk. 1997. Pembuatan Laboratorium Teknologi Film Tebal sebagai sarana miniaturisasi Rangkaian Elektronika. Laporan Program Peningkatan Pendidikan Sains DIKTI
9. Julius St. M. Hibrida Film Tebal Untuk Pengecilan Rangkaian Elektronika. ELEKTRO-INDONESIA-PII No.12 Th.III, September 1996
10. Julius St. M. Pengembangan Teknologi Film Tebal di Indonesia. QUAD Edisi 4 Tahun III, 1997
11. Julius St. M., Atma. Sholeh.HP., Pembuatan Resistor Film Tebal. ELEKTRO-INDONESIA-PII No.18 Th.IV, Desember 1997
12. Julius St. M, Popong Effendrik, Sugiri. Pembuatan Konduktor Film Tebal. ELEKTRO-INDONESIA-PII No. 20 Th. IV, Pebruari 1998
13. NEY. Vulcan Box Furnace with Automatic Control, Owner's and Operator's Manual. NEY Dental International. USA.
14. Owen, George E., 1967. Fundamentals of Electronics, Volume III. Harper's & Row,Publisher. New York.
15. RS Electronic Catalogue March 1997– February 1998. RS Components International. Singapore.
16. Sawney, A.K., 1990. A Course in Electrical and Electronics Measurements and Instrumentation. Dhanpat Rai & sons. Sarak. Delhi.
17. Watson, J., 1989. Analog and Switching Circuit Design, Using Integrated and Discrete Devices. John Wiley and Sons, Inc. Canada.
18. Woollard, Barry., 1988. Practical Electronics. McGraw-Hill Book Company (UK) Limited.

Artikel lain:

• LED-Organik (OLED) Multi Warna