rangkaian filter pasif - Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi

PR O GR AM S TUDI F ISI KA – F MI PA ITB
LABORATORIUM ELEKTRONIKA DAN INSTRUMENTASI
MODUL 06
RANGKAIAN FILTER PASIF
1 TUJUAN




Memahami prinsip yang digunakan dalam rangkaian filter sederhana.
Memahami cara kerja dari rangakaian High Pass Filter Sederhana.
Memahami cara kerja dari rangkaian Low Pass Filter Sederhana.
Memahami cara kerja dari rangkaian Band Pass Filter Sederhana.
2 PERSIAPAN


Mempelajari Modul 1 Praktikum Elektronika Dasar.
Mempelajari cara membaca nilai kapasitansi pada kapasitor keramik non-polar.
3 PERALATAN PRAKTIKUM







1 Set Signal Generator digital
1 Set Osiloskop (Osiloskop dan Probe 2 buah)
1 buah Multimeter digital
Resistor dengan besar bervariasi
Kapasitor dengan besar bervariasi
1 buah Breadboard
Set Jumper
4 DASAR TEORI
Secara umum komponen elektronika dapat dikelompokan menjadi 2 yaitu kelompok
komponen elektronika aktif dan kelompok komponen elektronika pasif. Adapun perbedaan
mendasar dari komponen elektronika aktif dan pasif adalah pada ada tidaknya sumber tegangan
eksternal yang dibutuhkan untuk operasi komponen. Jika komponen membutuhkan sumber
tegangan eksternal (umumnya tegangan DC), maka komponen elektronika tersebut tergolong ke
dalam komponen aktif. Sedangkan komponen yang tidak membutuhkan sumber tegangan
eksternal untuk operasinya disebut komponen elektronika pasif. Contoh dari komponen elektronika
aktif adalah dioda dan transistor. Contoh dari komponen elektronika pasif adalah resistor,
kapasitor, induktor dan trafo. Oleh karena adanya komponen aktif maupun pasif, maka dapat
disusun pula filter aktif dan filter pasif. Pada umumnya, filter aktif adalah filter yang mengandung
operational amplifier dalam rangkaiannya, sedang filter pasif tidak mengandung operational
amplifier. Pada praktikum kali ini akan dibahas rangkaian filter pasif sederhana.
Dalam rangkaian elektronik seringkali didapatkan sinyal yang tidak diinginkan (noise).
Beruntunglah pada banyak kasus sinyal yang mengandung informasi memiliki frekuensi yang
berbeda cukup jauh dari sinyal noise. Oleh karena itu, dibutuhkan suatu alat yang dapat
“menyeleksi” frekuensi. Rangkaian filter adalah rangkaian yang dapat menyeleksi frekuensi inputan
yang memiliki berbagai jenis frekuensi ke sinyal keluaran yang hanya memiliki rentang frekuensi
tertentu. Pada keadaan ideal, rangkaian filter elektronik TIDAK menurunkan besar tegangan
masukan.
M O D U L P R A KT I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R –
1
Gambar 1. Diagam alir rangkaian filter elektronika
Rangkaian filter dapat juga disebut dengan rangkaian tapis. Pada praktikum kali ini hanya
akan dibahas rangkaian filter pasif sederhana. Rangakaian filter pasif sederhana hanya
mengandung resistor dan kapasitor. Secara umum, rangakaian filter terbagi ke dalam dua
kelompok. Pertama adalah rangkaian filter yang hanya meloloskan sinyal dengan frekuensi tinggi
dan tidak meloloskan sinyal dengan frekuensi rendah. Rangkaian ini disebut dengan High Pass
Filter (HPF) atau Tapis Lolos Tinggi. Rangkaian filter yang kedua adalah Low Pass Filter atau Tapis
Lolos Rendah. Berkebalikan dengan rangkaian High Pass Filter, Low Pass Filter hanya meloloskan
sinyal dengan frekuensi rendah dan tidak meloloskan frekuensi tinggi.
Namun, terdapat suatu pertanyaan. Pada rentang manakah frekuensi input akan
diteruskan atau “dipotong”? Pada rangkaian filter elektronika, terdapat frekuensi cut-off atau
frekuensi potong. Frekuensi cut-off dapat dicari secara teoritik dengan perhitungan matematis.
Namun demikian, frekuensi cut-off teoritik tidaklah sama dengan frekuensi cut-off pada percobaan
(buktikan!). Untuk menganalisa respon amplitudo terhadap frekuensi, dapatlah dibuat suatu kurva
respon amplitudo (disebut juga bode plot). Kurva respon amplitudo biasanya dilukiskan dengan
20.logG(ω) terhadap frekuensi (f), dimana :
(1)
(2)
pemilihan ratio 20 log G(ω) adalah untuk membuat satuannya menjadi desibel (dB).
4.1
High Pass Filter
High Pass Filter pasif sederhana diperlihatkan
pada Gambar 2. Pada Gambar 2, High Pass Filter
memiliki orde 1. Secara teoritik output dari High Pass
Filter pada gambar 02 dapat diwakilkan dengan :
(
)
(3)
Gambar 2. High Pass Filter
dimana ωp =1/ R1 C1 dan ωp adalah frekuensi potong sehingga fungsi transfer dari HPF orde 1
adalah
M O D U L P R A KT I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R –
2
(4)
4.2 Low Pass Filter
Low
Pass Filter pasif sederhana
diperlihatkan pada Gambar 3. Pada Gambar 3,
Low Pass Filter memiliki orde 1. Secara teoritik
output dari Low Pass Filter pada gambar 03 dapat
diwakilkan dengan :
(
)
(
)
Gambar 3. Low Pass Filter
(5)
dimana ωp =1/ R2 C2 dan ωp adalah frekuensi potong, sehingga fungsi transfer dari LPF orde 1
adalah
(6)
4.3 Band Pass Filter
Band Pass Filter (BPF) adalah filter yang hanya meloloskan frekuensi dengan rentang
tertentu. Band Pass Filter sederhana dapat dibuat dengan menggunakan High Pass Filter (HPF) dan
Low Pass Filter (LPF). High Pass Filter (HPF) dapat dirangkai seri dengan Low Pass Filter (LPF). Syarat
untuk rangkaian BPF adalah frekuensi potong dari LPF harus lebih besar daripada frekuensi potong
dari HPF. Dengan demikian, frekuensi Band Pass Filter yang diteruskan adalah hasil irisan dari High
Pass Filter dan Low Pass Filter.
4.4 Tanggapan Amplitudo
G(ω)
G(ω)
fa
f(Hz)
(a)
G(ω)
fb
(b)
f(Hz)
fb
fa
f(Hz)
(c)
Gambar 4. Tanggapan amplitudo ideal pada: (a) Low Pass Filter,
(b) High Pass Filter, dan (c) Band Pass Filter.
Pada rangkaian filter, terdapat respon amplituda terhadap frekuensi. Terdapat respon amplituda
ideal dan eksperimen. Secara ideal, kurva akan “patah” seketika melewati frekuensi potongnya.
Namun, pada eksperimen, yang didapat tidaklah demikian. Terdapat gradient pada kurva (Lihat
Gambar 4 dan Gambar 5).
M O D U L P R A KT I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R –
3
(a)
(b)
(c)
Gambar 5. Tanggapan amplitudo sebenarnya (riil) pada: (a) Low Pass Filter,
(b) High Pass Filter, dan (c) Band Pass Filter.
Kualitas dari sebuah filter ditentukan dari kecuraman (gradien) dari kurva. Untuk memperoleh
gradien yang semakin baik, dapatlah filter elektronika dibuat menjadi orde yang lebih tinggi.
5 TUGAS PENDAHULUAN
1. Turunkan asal usul persamaan (4) pada HPF! [poin 25]
2. Turunkan asal usul persamaan (6) pada LPF! [poin 25]
3. Mengapa Band Pass Filter dapat dibuat dengan merangkai High Pass Filter dan Low Pass
Filter secara seri? Jelaskan! [poin 20]
4. Gambarkan rangkaian HPF dan LPF orde 2! [poin 15]
5. Sebutkan aplikasi dari rangkaian filter elektronika! [poin 15]
6 LANGKAH PERCOBAAN
Pada praktikum kali ini akan membuat serta menganalisis 3 jenis rangkaian. Rangkaian
tersebut adalah High Pass Filter, Low Pass Filter dan Band Pass Filter. Ketiga rangkaian yang
dicoba memiliki orde satu.
6.1
High Pass Filter
1. Siapkan resistor dan kapasitor yang akan digunakan. Pastikan besar resistansi
resistor dan besar kapasitansi kapasitor telah diketahui dan dicatat. Gunakan
multimeter untuk mengukur besar resistansi resistor. Jangan tempelkan
anggota tubuh pada probe multimeter atau resistor karena dapat
menimbulkan bias pembacaan.
2. Hitung frekuensi cut-off teoritik! (Tanyakan pada asisten apakah frekuensi cutoff teoritik masuk akal)
3. Susun rangkaian seperti pada gambar 2 pada breadboard.
4. Pastikan jumper serta kabel telah dalam posisi yang benar. Pastikan tidak
terjadi shorting!
5. Atur input signal generator sebesar 500mVpp dengan sinyal masukan
sinusoidal dengan frekuensi rendah.
6. Matikan kembali signal generator kemudian hubungkan signal generator ke
rangkaian di posisi input.
7. Hubungkan rangkaian ke osiloskop. Gunakan dual channel. Channel 1
osiloskop dihubungkan ke input rangkaian dan Channel 2 osiloskop
dihubungkan ke output rangkaian.
8. Nyalakan Osiloskop terlebih dahulu. Tunggu kurang lebih 2 menit. Kemudian
signal generator dapat dihidupkan.
9. Ukur tegangan output menggunakan multimeter
10. Ubah frekuensi pada signal generator. Naikan frekuensi signal generator.
11. Pada setiap perubahan frekuensi signal, tampilan pada osiloskop difoto serta
tegangan output dicatat!
M O D U L P R A KT I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R –
4
12. Ketika frekuensi telah mendekati frekuensi cut-off teoritik, frekuensi dinaikan
dengan rentang yang lebih kecil.
13. Cari frekuensi cut-off eksperimen!
14. Variasikan frekuensi input sebanyak 15 buah!
6.2
Low Pass Filter
Ulangi percobaan pada percobaan 6.1 namun dengan bentuk rangkaian seperti
pada gambar 3. Pastikan besar resistivitas resistor dan besar kapasitansi kapasitor dicatat!
(Nilai berbeda dengan pada percobaan 6.2!)
6.3
Band Pass Filter
Ulangi percobaan pada percobaan 6.1 namun dengan merangkaikan high-pass
filter dan low-pass filter secara seri yang dirangkaiakan secara seri. Pastikan besar
resistivitas resistor dan besar kapasitansi kapasitor dicatat! Perhatikan bahwa frekuensi cutoff dari LPF harus lebih besar daripada frekuensi cut-off HPF!
7 TUGAS LAPORAN
Berikut adalah tugas untuk laporan. Terdapat opsi wajib dan opsional. Opsi wajib harus
dikerjakan seluruh peserta. Untuk nilai tambahan, opsi opsional boleh dikerjakan. Opsi wajib
berjumlah 4 butir dan opsi Optional berjumlah 3 butir.
1. Sertakan gambar yang anda peroleh pada layar osiloskop untuk seluruh percobaan dan
sertakan keterangan dari setiap gambar! Buatlah tabelnya! [Wajib]
2. Gambarkan kurva respon amplituda/tanggapan amplituda dari setiap percobaan!
Tunjukan frekuensi potong dari kurva tersebut! [Wajib]
3. Representasikan secara baik masing masing kurva respon amplituda! [Wajib]
4. Bandingkan kurva respon amplituda yang didapat dengan kurva respon aplituda
referensi! Jelaskan perbedaan dan persamaannya! [Wajib]
5. Jelaskan sistim kerja filter elektronika sehingga dapat meloloskan frekuensi-frekuensi
dalam nilai tertentu! Faktor apa saja yang mempengaruhi kerja tapis? [Opsional]
6. Dalam filter elektronika yang berjalan secara baik, dapatkah ditemukan tegangan
keluaran yang bernilai nol? Jelaskan! [Opsional]
7. Dalam filter elektronika yang berjalan dengan baik, mengapa dengan menambah orde
dari filter dapat meningkatkan kualitas filter? Jelaskan [Opsional]
8 REFERENSI
[1] Sutrisno.1986.ELEKTRONIKA : Teori dan Penerapannya, Jilid 1. Bandung : Penerbit ITB.
[2] www.engineering.purdue.edu
[3] www.aries.uscd.edu/najmabadi
M O D U L P R A KT I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R –
5
LOG AKTIVITAS
Nama
NIM
Shift
:
:
:
Berikut adalah log aktifitas yang harus praktuikan isi. terbagi ke dalam 3 bagian besar yaitu
data HPF, data LPF, dan data BPF. Untuk kolom gambar silahkan dikosongkan pada saat
praktikum. Namun harus disertakan pada laporan.
Data High Pass Filter
R(
)
Frekuensi (
C(
)
)
Vout (
Vin Vpp (
)
)
Gambar
G( )
G(ω)
frekuensi
M O D U L P R A KT I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R –
6
20logG( )
Data Low Pass Filter
R(
)
Frekuensi (
C(
)
)
Vout (
Vin Vpp (
)
)
Gambar
G( )
G(ω)
frekuensi
M O D U L P R A KT I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R –
7
20logG( )
Data Band Pass Filter
R(
)
Frekuensi (
C(
)
)
Vout (
Vin Vpp (
)
)
Gambar
G( )
G(ω)
frekuensi
M O D U L P R A KT I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R –
8
20logG( )