PEMERIKSA KRISTAL KUARSA

Bram Palgunadi

5 September 2023

eristiwa yang terjadi, bisa menjadi amat sangat menyebalkan, dan bisa mengubah suasana hati yang semula gembira, seketika menjadi gusar dan sangat jengkel. Begitulah yang biasanya terjadi. Kegembiraan kerja, bisa tiba-tiba lenyap begitu saja, gara-gara peristiwa kecil ini. Termasuk juga pada diri petulis, saat mengalaminya di laboratorium kecil, pada waktu sedang melakukan experimen. Padahal, biasanya kita memulai kegiatan di laboratorium dengan hati dan suasana yang gembira.

• Kristal kuarsa yang digunakan, berfungsi baik, tetapi frekuensi yang dihasilkan berbeda dengan yang diterakan pada kemasan kristal kuarsa itu.

• Kristal kuarsa sama sekali tidak berfungsi, tidak menghasilkan sinyal sama sekali; atau, tidak berosilasi.

Bagi mereka yang suka ‘ngoprek’ menggunakan kristal kuarsa, bisa jadi sesekali (atau sering-kali?) pasti pernah mengalami peristiwa yang mungkin saja membingungkan; yaitu, komponen kristal kuarsa yang digunakannya tidak berfungsi seperti yang seharusnya; atau, kalaupun berfungsi, tidak menghasilkan frekuensi yang sebenarnya. Paling tidak, petulis sudah sejak lama, mengalami beberapa kasus seperti itu. Pada beberapa experimen yang dilakukan di laboratorium kecil milik petulis, kejadian yang menyebalkan itu, antara lain adalah sebagai berikut.

Pesawat pemeriksa kristal kuarsa ini, sangat berguna sebagai kelengkapan alat bantu kerja sehari-hari, bagi mereka yang senang melakukan experimen menggunakan kristal kuarsa. Kejadian yang dialami petulis, jelas menunjukkan bahwa kristal kuarsa yang banyak dijual di berbagai toko penyedia komponen elektronika, tidak selalu sesuai dengan apa yang kita inginkan. Petulis juga menemukan, adanya kristal kuarsa baru, yang kristalnya berfungsi baik (bekerja), tetapi frekuensi kerja yang dihasilkan benar-benar berbeda jauh. Misalnya, ada kristal kuarsa yang pada kemasannya diterakan frekuensi kerjanya 27,000 MHz; tetapi nyatanya saat diukur, meskipun kristal kuarsa tersebut berfungsi baik dan menghasilkan sinyal frekuensi tinggi, tetapi  frekuensi yang dihasilkan, ternyata 3579 kHz. 

Jadi kesan kuatnya, seperti pabriknya salah tulis (salah peneraan), saat menerakan frekuensi di kotak kemasannya. Tetapi, pada kebanyakan kasus, frekuensi yang dihasilkan oleh kristal kuarsa itu, tak sesuai dengan yang diterakan di kemasannya. Ini merupakan kasus yang paling banyak dijumpai. Karenanya, saat membuat rangkaian pembangkit sinyal frekuensi radio (frekuensi tinggi), sebaiknya kita memilih rangkaian pembangkit sinyal (osilator) yang dilengkapi dengan fasilitas penggeser frekuensi. Ini merupakan salah satu cara yang sangat disarankan untuk dilaksanakan, karena berdasar pengamatan, kasus frekuensi kristal kuarsa yang tak sesuai dengan yang diterakan pada kemasannya, bisa dikatakan merupakan yang paling banyak ditemukan. Sangat mungkin kristal kuarsa yang dijual bebas dan beredar di pasar lokal, adalah produk kristal kuarsa yang oleh pabrik pembuatnya sebenarnya  sudah dinyatakan ‘cacat’ dan tidak lolos uji-mutu (quality control, QC), karena beberapa sebab. Salah satunya, yaitu dia, frekuensi yang dihasilkan tak sesuai dengan yang diterakan pada kemasannya.

Gambar 1.  Rangkaian pemeriksa kristal kuarsa ini, dilengkapi indikator yang akan menyala, jika kristal kuarsa yang diukur, dalam kondisi baik. Selain itu, juga disediakan saluran luaran (J5), yang bisa disambungkan secara langsung dengan pesawat pengukur frekuensi (frequency counter); sehingga frekuensi kristal kuarsa bisa diketahui secara pasti. (Sumber: Gambar oleh petulis).

Sistem kerja rangkaian

Untuk bisa berfungsi seperti yang dikehendaki, pesawat pemeriksa kristal kuarsa ini, disusun atas tiga sub-sistem rangkaian elektronika, yaitu:

1. Rangkaian pembangkit sinyal. Rangkaian ini fungsi utamanya adalah menghasilkan sinyal, menggunakan kristal kuarsa yang disambungkan ke rangkaian ini.
2. Rangkaian pengaktif indikator. Rangkaian ini, berfungsi menampilkan indikasi, berupa nyala lampu indikator LED, yang menyatakan bahwa kristal kuarsa berfungsi baik.
3. Rangkaian penyangga. Rangkaian ini berfungsi sebagai penyangga (buffer), untuk menghasilkan sinyal yang akan dipantau frekuensinya.

Tiga transistor yang digunakan untuk membangun rangkaian pesawat pemeriksa kristal kuarsa ini, dipilih memakai transistor Silikon Q1-Q3, jenis NPN, tipe 2SC829, C829, atau tipe lain yang ekuivalen. Ketiga transistor ini, tidak kritis, dan jika tidak bisa disediakan, bisa diganti menggunakan transistor tipe lain, yang ekuivalen (setara); sejauh bisa bekerja pada wilayah frekuensi tinggi.

Gambar 2.  Pada gambar ini, tampak seluruh rangkaian lengkap pesawat pemeriksa kristal kuarsa, saat dilakukan experimen, untuk mengetahui unjuk-kerjanya. (Sumber: Foto koleksi petulis).

Kristal kuarsa yang hendak diperiksa unjuk-kerjanya, disambungkan antara basis transistor Q1, dengan bumi (ground);  yaitu pada terminal J3 dan J4.

Rangkaian pembangkit sinyal ini, menerapkan versi Colpitts; dengan dua kapasitor pengatur umpan-balik (feedback), yaitu C3 dan C4. Tidak seperti biasanya, nilai kapasitansi kapasitor C3 dibuat relatif sangat besar, yaitu 0,001 µF atau 1 nF, jika dibandingkan dengan nilai kapasitansi kapasitor C4, yang hanya sekitar 100 pF. Ini, dimaksudkan supaya rangkaian mudah bekerja.

Resistor pencatu tegangan basis, R1, yang nilai kapasitansinya sekitar 47 kΩ, sebenarnya mempunyai pasangan, yaitu resistor R2. Tetapi resistor ini, sengaja tidak dipasang (tidak digunakan), kecuali memang diperlukan. Jadi, resistor R2, berstatus ‘option’ saja; hanya digunakan jika diperlukan. Kenyataannya, tanpa resistor R2, rangkaian pembangkit sinyal bisa  bekerja baik.

Rangkaian pembangkit sinyal ini, hanya bekerja pada saat tombol saklar tekan S1 ditekan. Kapasitor pembuang (bypass capasitor) C1 dan C2; berfungsi membuang berbagai gangguan derau, riak, dan sinyal lain; jika gangguan ini masuk melalui saluran tegangan catu.

Sinyal frekuensi tinggi yang dihasilkan rangkaian pembangkit sinyal, selanjutnya disalurkan ke rangkaian pengaktif indikator, melalui kapasitor kopling C5. Sinyal ini, kemudian disearahkan (rectified), menggunakan dua dioda, D1 dan D2, tipe 1N914, 1N4148, atau tipe lain yang ekuivalen. Susunan konfigurasi sambungan kedua dioda ini, adalah penyearah pelipat dua tegangan berpola setengah gelombang (half wave voltage doubler rectifier), yang akan menghasilkan tegangan arus searah yang levelnya dilipat-gandakan menjadi dua kali. Tegangan arus searah yang dihasilkan dari proses penyearahan ini, selanjutnya diratakan menggunakan kapasitor perata C7. Sementara, resistor R5, berfungsi sebagai pasangan pembeban bagi kapasitor C7. Dalam hal ini, nilai kapasitansi kapasitor C7 (sekitar 0,1 µF) dan nilai resistansi resistor R5 (sekitar 10 kΩ), juga membentuk konstanta waktu yang relatif cepat. Sehingga penunjukan indikasi, diharapkan juga relatif cepat berubah. Tegangan arus searah yang dihasilkan, selanjutnya disalurkan ke basis transistor Q2.

Jika basis transistor Q2 menerima tegangan arus searah, yang dihasilkan dari proses penyearahan sinyal frekuensi tinggi, maka tegangan arus searah ini, akan mengaktifkan transistor Q2. Dalam hal ini, transistor Q2 akan berubah statusnya menjadi ‘konduk’. Yaitu, antara kolektor dan emitornya akan berada dalam kondisi menyambung. Karena emitor transistor Q2 dihubungkan ke bumi (ground), maka pada kondisi konduk, lampu indikator LED I1, akan menyala. Kondisi ini, terjadi jika kristal kuarsa berfungsi baik dan bisa berosilasi, sehingga menghasilkan sinyal frekuensi tinggi.

Sebaliknya, jika kristal kuarsa tidak berfungsi, maka osilasi tidak terjadi. Rangkaian pembangkit sinyal frekuensi tinggi tidak bekerja dan tidak menghasilkan sinyal frekuensi tinggi. Akibatnya, proses penyearahan tidak bisa berlangsung. Dampaknya, tegangan listrik arus searah tidak bisa dihasilkan. Pada kondisi seperti ini, transistor Q2 akan berada pada kondisi tidak konduk. Akibatnya, lampu indikator LED I1 tidak akan menyala.

Operasi pemeriksaan kristal kuarsa ini, bisa berlangsung, hanya pada saat skalar S1 ditekan. Pada kondisi ditekan, tegangan catu akan mengalir ke seluruh rangkaian pembangkit sinyal frekuensi tinggi dan kelengkapannya.

Sinyal frekuensi tinggi yang dihasilkan rangkaian pembangkit sinyal , selain digunakan untuk mengaktifkan lampu indikator I1, juga disalurkan ke luar, untuk dipantau frekuensinya. Untuk keperluan ini, sinyal frekuensi tinggi itu disalurkan menggunakan sebuah kapasitor kopling C6, yang nilai kapasitansinya relatif kecil saja, yaitu sekitar 33 pF. Sinyal frekuensi tinggi ini, selanjutnya disalurkan ke basis transistor Q3. Basis transistor Q3 ini, mendapat tegangan basis, dari resistor R6, yang mempunyai nilai resistansi sekitar 47 kΩ. Rangkaian penyangga ini, akan menghindarkan rangkaian pembangkit sinyal frekuensi tinggi, dari pembebanan, yang bisa saja mengganggu proses pembangkitan sinyal.

Rangkaian penyangga ini, menerapkan konfigurasi rangkaian penyangga versi ‘emiter follower’, yang karakter khasnya, adalah mempunyai saluran masukan yang berimpedansi relatif tinggi, dan mempunyai saluran luaran, yang berimpedansi relatif lebih rendah.

Sinyal luaran yang dihasilkan, selanjutnya disalurkan ke luar menggunakan sebuah kapasitor kopling C9, yang mempunyai nilai kapasitansi sekitar 0,01 µF atau sekitar 10 nF. Sinyal luaran frekuensi tinggi ini, selanjutnya melalui terminal J5, bisa disambungkan ke pesawat pengukur frekuensi (frequency counter), untuk dipantau frekuensinya.