KALITRON: PEMBANGKIT SINYAL FREKUENSI VARIABEL YANG SANGAT LUAR BIASA

Bram Palgunadi

Nyaris tak dikenal..! Ya memang demikianlah nyatanya. Para pegiat radio dan elektronika, biasanya jauh lebih mengenal rangkaian pembangkit sinyal versi Hartley, Colpit, atau Clapp. Rangkaiannya, mirip dengan rangkaian 'flip-flop'. Atau, mungkin memang merupakan rangkaian 'flip-flop', tetapi bekerja di wilayah frekuensi radio atau di wilayah frekuensi tinggi. Kelihatan rumit, padahal sebenarnya tidak rumit sama sekali. Bisa dibangun menggunakan dua buah komponen semi-konduktor, transistor generik, jenis NPN, tipe 2SC829, C829, atau tipe lain yang ekuivalen.

Rangkaian pembangkit sinyal versi Kalitron ini, bisa bekerja dari wilayah frekuensi yang amat sangat rendah, sampai wilayah frekuensi yang sangat tinggi. Faktor transistor yang digunakan sebagai komponen utama pendukung sistem kerjanya, jelaslah memegang peran yang sangat penting. Tetapi, kalau hanya bekerja pada di bawah frekuensi 100 MHz, transistor generik  jenis NPN, tipe 2SC829, C829, atau tipe lain yang sejenis; bisa bekerja tanpa kesulitan apapun.

Soal kestabilan frekuensi yang dibangkitkannya, jangan tanya. Ini merupakan salah satu rangkaian pembangkit sinyal frekuensi variabel, yang relatif stabil unjuk-kerjanya. Meskipun demikian, sudah tentu perlindungan rangkaian tetap diperlukan, guna memperbaiki unjuk-kerja stabilitas frekuensinya. Misalnya, sebaiknya rangkaian dilindungi rapat-rapat menggunakan perisai medan elektro-magnetis, sehingga gangguan dari luar, atau sebaliknya, gangguan medan elektro-magnetis yang dibangkitkan, tidak mengganggu berbagai rangkaian lain, yang berada di luarnya. 

Seperti layaknya rangkaian pembangkit sinyal yang manapun, saluran luaran rangkaian pembangkit sinyal ini, sebaiknya dilengkapi dengan rangkaian tapis lolos bawah (low pass filter, LPF), sehingga semua sinyal berfrekuensi tinggi yang tak dikehendaki, bisa diredam dan dibuang ke bumi (ground).

Pada experimen yang telah dilakukan petulis, rangkaian pembangkit sinyal frekuensi variabel versi Kalitron ini, pernah dibuat untuk bekerja pada frekuensi yang relatif sangat rendah, yaitu di sekitar frekuensi 455 kHz, sebagai rangkaian sinyal penimpa (beat frequency oscillator, BFO). Juga pernah dibuat untuk bekerja pada wilayah frekuensi yang relatif  tinggi, yaitu di sekitar frekuensi 60 - 100 MHz, tanpa kesulitan apapun.

Rangkaian ini, bisa dikatakan amat sangat mudah bekerja. Artinya, bisa dikatakan tak ada bagian dari rangkaian ini, yang bersifat kritis. Meskipun demikian, sebaiknya pembuatnya tetap memperlakukan rangkaian pembangkit sinyal ini secara hati-hati, dan selalu memasang (menerapkan) berbagai komponen tambahan, yang fungsi utamanya adalah untuk meredam kemungkinan terjadinya fenomena osilasi parasitik. Bagaimana juga, upaya ini dilakukan dalam rangka berjaga-jaga saja.

Pada suatu experimen yang dilaksanakan oleh petulis, rangkaian pembangkit sinyal frekuensi variabel versi Kalitron, dibangun untuk bekerja di sekitar frekuensi 4,2 MHz.

Jika kita mencermati rangkaian pembangkit sinyal frekuensi variabel versi Kalitron ini, maka akan segara tampak, adanya dua kapasitor kopling, yaitu C106 dan C107, yang masing-masing dihubungkan secara silang, antara kolektor transistor dan basis transistor yang saling berlawanan. Dalam hal ini, dari kolektor transistor Q101, dihubungkan ke basis transistor Q102. Serta sebaliknya, yaitu dari kolektor transistor Q102, ke basis transistor Q101.

Resistor R104 dan R105, yang keduanya mempunyai nilai resistansi sama, dan resistansinya juga kecil (antara 10 Ohm sampai sekitar 68 Ohm saja), berfungsi sebagai peredam fenomena osilasi parasitik. Kedua resistor ini, sebaiknya dipasang (digunakan).

Pada rangkaian pembangkit sinyal frekuensi variabel versi Kalitron ini, digunakan banyak kapasitor pembuang (bypass capasitor), yang dipasang pada sejumlah titik dalam rangkaian. Penggunaan kapasitor yang disusun secara paralel, dan merupakan sejumlah kapasitor yang berbeda nilai kapasitansinya itu, bertujuan supaya berbagai sinyal yang frekuensinya berbeda, serta tidak dikehendaki; bisa dibuang ke bumi (ground), sehingga rangkaian bisa bekerja relatif tanpa gangguan derau (noise), gangguan riak (hum), atau gangguan sinyal lain. Selain itu, kapasitor-kapasitor pembuang ini, juga akan menghasilkan unjuk-kerja rangkaian  pembangkit sinyal yang relatif bebas dari fenomena osilasi parasitik. Pendekatan ini, disarankan sebaiknya juga diterapkan pada saluran tegangan catu daya.

Salah satu bagian terpenting dari rangkaian pembangkit sinyal frekuensi variabel versi Kalitron ini, adalah transformator frekuensi tingginya, yang berfungsi secara langsung sebagai komponen pembangkit sinyal pada frekuensi tertentu. Unsur penting dalam rangkaian resonator ini, adalah:

• Kapasitor variabel VC101A/B, yang digunakan untuk melakukan proses penggeseran atau pemindahan frekuensi yang dibangkitkan.

• Kumparan transformator T101, yang berfungsi sebagai resonator frekuensi radio, dan sekaligus juga dilengkapi kumparan kopling link, yang digunakan untuk menyalurkan keluar, sinyal frekuensi tinggi yang dibangkitkan.

• Jika jaraknya semakin besar, maka kerugian daya (power loss) yang terjadi dalam proses penyaluran sinyal, akan menjadi semakin besar. 

• Jika jarak antar kumparan itu menjadi semakin kecil, maka kerugian daya (power loss) yang terjadi dalam proses penyaluran sinyal, akan menjadi semakin kecil.

Pada rangkaian resonator frekuensi tinggi ini, digunakan sejumlah kapasitor, yang secara umum nyaris semuanya merupakan sambungan paralel. Hal ini, dimaksudkan tidak saja untuk mengatur wilayah frekuensi kerja rangkaian pembangkit sinyal ini semata, tetapi juga berfungsi sebagai 'pembagi panas', sehingga diharapkan kenaikan suhu yang terjadi pada rangkaian ini, bisa lebih banyak dibagi. Dengan pembagian suhu ini, maka perubahan suhu dalam rangkaian pembangkit sinyal, bisa sangat dikurangi. Harap dicatat juga, terjadinya 'panas' atau kenaikan suhu pada rangkaian resonator, bisa menjadi penyebab terjadinya pergeseran frekuensi (frequency drift); yang merupakan salah satu fenomena ketidak-stabilan frekuensi.

Karena persoalan perubahan suhu ini, bisa berdampak terjadinya pergeseran frekuensi yang dibangkitkan, maka diperlukan 'pembagi suhu', dalam bentuk digunakannya sejumlah kapasitor, yang dipasang dalam konfigurasi paralel. Hal inilah yang diterapkan pada rangkaian pembangkit sinyal frekuensi variabel versi Kalitron, yang dibahas ini. Meskipun demikian, pada berbagai perangkat elektronika yang peka, dan menghendaki kestabilan frekuensi luar biasa, biasanya dilakukan pendekatan extra. Misalnya, melindungi seluruh rangkaian elektronikanya, menggunakan Sangkar Faraday, tertutup sangat rapat, dan dibangun menggunakan bahan logam yang pejal dan tebal. Di luar hal itu, bisa juga seluruh rangkaiannya, dilindungi menggunakan pengaturan suhu (panas) yang distabilkan. Misalnya, menggunakan rangkaian pemanas yang menerapkan sistem 'oven' yang dikendalikan suhunya (temperature controlled oven). Teknik-teknik ini, biasanya diterapkan pada berbagai peralatan khusus, yang memang memerlukan kestabilan frekuensi yang luar biasa.

Harap dicatat, kapasitor variabel VC101A/B yang digunakan pada rangkaian resonator, karena digunakan untuk menala rangkaian resonator yang diseimbangkan (balanced circuit), maka kedua gengnya, harus mempunyai nilai kapasitansi yang sama. Pada experimen yang dilakukan petulis, digunakan kapasitor variabel miniatur plastik, yang lazim digunakan pada berbagai pesawat penerima radio kelas komersial, tetapi dipilih yang kedua gengnya mempunyai nilai kapasitansi yang sama. Nilai kapasitansi maximumnya, biasanya sekitar 135 pF. Tetapi ada juga yang mempunyai nilai kapasitansi maximum sampai sekitar 340 pF. Untuk mengatasi, nilai kapasitansi pada kapasitor variabel yang terlampau besar, digunakan kapasitor seri C111 dan C112; yang keduanya mempunyai nilai kapasitansi sebesar kira-kira 220 pF.

Kapasitor seri C111 dan C112, digunakan untuk menurunkan nilai kapasitansi maximum kapasitor variabel VC101A/B. Nilai kapasitansi kapasitor C111 dan C112, ditetapkan sebesar 220 pF. Sehingga, jika misalnya nilai kapasitansi maximum kapasitor variabel VC101A/B adalah 220 pF, maka nilai kapasitansi resultante maximumnya, adalah sekitar 220/2 = 110 pF. Dan, nilai kapasitansi resultante minimumnya, bisa sangat kecil. Dalam hal ini, jika penurunan nilai kapasitansi kapasitor variabel VC101A/B tidak dikehendaki, maka kapasitor C111 dan C112; tak perlu dipasang. Tetapi sebagai gantinya, pada kaki-kaki kedua kapasitor ini, harus dipasang kawat penyambung (jumper wire). Dengan demikian, rangkaian ditala hanya menggunakan kapasitor variabel VC101A/B; tanpa menggunakan kapasitor C111 dan C112.

Pada rangkaian resonator ini, juga disediakan kapasitor paralel C109 dan C110; yang nilai kapasitansinya bisa dipilih sendiri oleh pengguna, sehingga bisa dihasilkan nilai kapasitansi maximum total yang dikehendaki. Sudah barang tentu, penggunakan kedua kapasitor ini, bersifat 'option' saja; atau, dipasang hanya jika diperlukan. Dan, jika tidak diperlukan, bisa tidak dipasang.

Pada rangkaian resonator, untuk menetapkan frekuensi kerjanya, juga dilengkapi lagi dengan sebuah kapasitor trimmer TC101, yang pemasangannya jika diperlukan, bisa diparalel dengan kapasitor C108. Pemasangan kedua kapasitor ini (TC101 dan C108), adalah untuk menurunkan frekuensi kerja rangkaian resonator. Besar nilai kapasitansi kapasitor C108, bergantung kepada seberapa jauh penurunan frekuensi yang dikehendaki. Secara normal, kapasitor C108, lazimnya tidak dipasang. Dan pengaturan pergeseran frekuensi kerja rangkaian resonator, biasanya cukup dilakukan menggunakan kapasitor trimmer TC101.

Bagaimanapun juga, penggunaan kapasitor-kapasitor itu, juga menyumbangkan fungsi yang sangat positif, yaitu dalam proses membagi panas (suhu), sehingga bisa dikatakan juga berfungsi memperbaiki tingkat kestabilan frekuensi yang dibangkitkan. Soal kestabilan frekuensi ini, juga akan sangat diperbaiki, jika kapasitor yang digunakan untuk membangun rangkaian resonator itu, adalah dari jenis NP0 (negative - positive 0; biasanya disebut dan dilafalkan sebagai kapasitor 'NP nol'), yang merupakan jenis kapasitor yang relatif stabil nilai kapasitansinya. Sehingga saat digunakan, tidak ikut menyumbangkan terjadinya perubahan nilai kapasitansi, yang diakibatkan oleh terjadinya perubahan suhu sekitar.

Sedangkan pada rangkaian pembangkit sinyal frekuensi variabel versi Kalitron, atau versi lain, yang digunakan untuk keperluan yang bersifat 'biasa', dan bukan yang bersifat sangat khusus, perlindungan menggunakan Perisai Faraday (Faraday shield), sudah lebih dari cukup. Lempeng-lempeng logam yang bisa digunakan sebagai Perisai Faraday, haruslah bersifat sebagai konduktor listrik yang baik, tetapi bukan merupakan konduktor medan elektro-magnetis. Dalam hal ini, lempeng logam yang disarankan, adalah tembaga (copper), kuningan (brass), dan alumunium. Meskipun demikian, lembar atau lempeng papan cetak kosong (blank printed circuit board, blank PCB), juga bisa digunakan. Pada berbagai rangkaian elektronika kelas komersial, bahkan sering ditemukan lempeng logam seng yang sebenarnya berbahan besi, digunakan juga sebagai Perisai Faraday. Lempeng logam seng yang bahan utamanya adalah besi, sebenarnya buruk, jika digunakan sebagai Perisai Faraday. Tetapi, karena permukaan lempeng besi itu dilapis logam seng (zink), maka lantas bisa berfungsi sebagai non-konduktor medan elektro-magnetis. Meskipun demikian, sudah barang tentu unjuk-kerjanya tak akan sebagus jika menggunakan lempang logam tembaga, kuningan, atau alumunium.

Rangkaian transformator resonator frekuensi tinggi T101, pada experimen yang dilakukan petulis, dibangun menggunakan koker yang merupakan potongan pipa PVC, yang berukuran garis-tengah luar (outer diameter, OD) sebesar 29 mm. Catatan, pada gambar rangkaian, terdapat kesalahan pencantuman ukuran garis-tengah luar, yang pada gambar dinyatakan berukuran 1,25 inci; padahal, seharusnya 1,14 inci. Sebagai acuan, ukur dan gunakan saja ukuran garis-tengah luar sebesar 29 mm. Meskipun demikian, kesalahan tulis ini, tak terlalu serius dampaknya.

Kawat tembaga berlapis email, yang digunakan untuk membuat kumparan transformator T101, berukuran  garis-tengah sebesar 0,45m. Kumparan transformator T101, seluruhnya menerapkan arah gulungan searah jarum jam, persis seperti arah alur ulir baut normal. Kumparan kawat, juga menerapkan gulung rapat (closed wound). Dua kumparan resonator, mempunyai jumlah gulungan kawat, yang besarnya masing-masing adalah separoh jumlah gulungan kawat kumparan yang diterakan dalam perhitungan. Karena jumlah gulungan seluruhnya adalah 34 gulung, maka kedua kumparan itu masing-masing mempunyai jumlah gulungan sebanyak 17 gulung.

Di antara kedua gulungan kumparan resonator, dipasang kumparan kopling link, untuk menyalurkan keluar sinyal frekuensi tinggi yang dibangkitkan. Kumparan kopling link ini, diperhitungkan berimpedansi baku 50 Ohm. Gulungan kawatnya, untuk impedansi sebesar 50 Ohm, adalah sebanyak 2 gulung rapat.

Antara dua kumparan resonator, dengan kumparan kopling link, dipisahkan oleh jarak atau spasi, sebesar kira-kira 0,25 inci. Jarak antar kumparan ini bersifat cukup kritis. 

Sebelum sinyal frekuensi tinggi yang dibangkitkan  digunakan, sinyal ini disalurkan lebih dahulu ke suatu rangkaian tapis lolos bawah (low pass filter, LPF). Tujuannya, adalah untuk menghindarkan, meredam, dan membuang ke bumi (ground); semua sinyal berfrekuensi harmonisa, yang frekuensinya berada di atas frekuensi kerja 4,2 MHz.

Rangkaian tapis lolos bawah yang digunakan, menerapkan  rangkaian tapis lolos bawah versi Elliptic, yang terkenal sangat tajam kurva respon frekuensinya, dan dibangun menggunakan 7 unsur (order) tapis, bekerja pada saluran berimpedansi masukan dan luaran sebesar 50 Ohm. Frekuensi jatuh rangkaian tapis lolos bawah ini, bekerja pada frekuensi 5,0 MHz. Dengan demikian, di sekitar frekuensi 4,2 MHz, kurva respon frekuensi yang dihasilkan sudah rata, dan tidak terjadi penurunan level sinyal. Tingkat kerataan level sinyal pada frekuensi yang diloloskan (passband ripple), adalah sekitar 0,1 dB. Sedangkan peredaman level sinyal yang terjadi (stopband), adalah sekitar 50 dB.

Rangkaian tapis lolos bawah versi Elliptic ini, secara sengaja, dibangun menggunakan komponen kapasitor dan induktor, yang nilai kapasitansi dan nilai induktansinya, mempunyai tingkat toleransi kesalahan nilainya cukup besar, yaitu sekitar 20% (sesuai pembakuan E6). Tujuannya, supaya pembuat rangkaian ini tidak kesulitan, saat harus mencari atau membeli, komponen yang dimaksud, di toko-toko penjual komponen elektronika; atau, jika hendak membuat sendiri. 

Khusus untuk komponen induktornya, dimungkinkan untuk membuat sendiri. Untuk keperluan ini, digunakan koker potongan pipa PVC, yang berukuran garis-tengah 5/8 inci atau sekitar 16 mm. Sedangkan kawat tembaga berlapis email yang digunakan untuk membuat kumparan, berukuran garis-tengah luar sebesar 0,45 mm. Semua kumparan menerapkan gulung rapat (closed wound), serta arah gulungan ke kanan, searah jarum jam (clock wise, CW), seperti arah alur ulir baut normal.

Seluruh rangkaian pembangkit sinyal variabel versi Kalitron ini, bisa dibangun secara langsung di atas lembar papan cetak kosong (blank printed circuit board, blank PCB); atau, dibuatkan disain papan cetaknya lebih dahulu. Untuk para 'homebrewer', yang biasanya tak sabaran, membuat secara langsung rangkaian pembangkit sinyal versi Kalitron di atas permukaan papan cetak kosong (blank PCB), juga merupakan sesuatu yang menyenangkan. Jangan lupa, terapkan prinsip sambungan sependek mungkin, dan gunakan kawat yang kaku, supaya tidak mudah bergerak. Petulis, biasanya memakai kawat kuningan (brass wire) yang terbuka, tanpa pelindung, yang berukuran garis-tengah luar sekitar 0,8 - 1,0 mm. Kawat seperti ini cukup kaku dan cukup mudah dibengkokkan, jika diperlukan. Kawat kuningan mudah disolder, dan merupakan konduktor listrik yang cukup baik.

Selamat membuat. Semoga menyenangkan.