RANCANG BANGUN FILTER PASIF SEBAGAI MODUL PERAGA Irawati Razak, ST., MT, Ir. Farchia Uliah, MT, Ir. Abdullah Bazergan, MT, Airin Dewi Utami, ST., MT, Sulwan Dase, ST., MT Email : ira_razak@yahoo.com ABSTRAK Filter adalah rangkaian elektronika yang dirancang untuk meloloskan suatu pita rekuensi tertentu dan memperlemah sinyal rekuensi di luar pita tersebut. Rangkaian ilter dapat bersiat sebagai rangkaian akti maupun pasi. Rangkaian ilter pasi hanya terdiri dari tahanan, induktor dan kapasitor. Sedangkan rangkaian ilter akti terdiri dari transistor atau op-amp yang juga memuat komponen tahanan, induktor dan kapasitor. Tujuan penelitian ini adalah merancang bangun rangkaian ilter pasi untuk digunakan sebagai modul peraga pada mata kuliah Teknik Tinggi dan Microwave pokok bahasan Desain Filter di Program Studi Teknik Telekomunikasi Politeknik Negeri Ujung Pandang. Metode penelitian yang digunakan adalah merancang bangun rangkaian ilter pasi tipe Butterworth dan Chebyshev dengan 4 (empat) jenis respon rekuensi yakni Low Pass Filter (LPF), High Pass Filter (HPF), Band Pass Filter (BPF) dan Band Stop Filter (BSF). Penelitian ini menghasilkan modul peraga rangkaian ilter pasi dengan 4 (empat) jenis respon rekuensi. LPF meloloskan rekuensi di bawah ambang rekuensi 9,8 MHz pada tipe Butterworth dan Chebyshev. HPF meloloskan rekuensi di atas rekuensi ambang(cuto) 99 KHz pada ilter tipe Butterworth dan rekuensi ambang, MHz pada ilter tipe Chebyshev. BPF meloloskan pita rekuensi 6 MHz pada ilter tipe Butterworth dan pita rekuensi 7 9,5 MHz pada ilter tipe Chebyshev. BSF meredam pita rekuensi, 3,5 MHz pada ilter tipe Butterworth dan pita rekuensi 7,5 MHz pada ilter tipe Chebyshev. Kata Kunci : Filter,, Modul PENDAHULUAN Pada telekomunikasi radio, rangkaian ilter berungsi untuk menapis rekuensi dalam range rekuensi yang dapat ditentukan. Pada sistem pemancar radio, rangkaian ilter biasanya ditempatkan setelah sistem penguat akhir yaitu tepatnya sebelum antena. Hal ini menjaga sinyal yang dipancarkan sesuai dengan rentang rekuensi yang dipancarkan. Sedangkan pada sistem penerima, rangkaian ilter ditempatkan setelah antena dan sistem pencampur (mixer). Untuk mendukung kegiatan proses belajar mengajar dalam salah satu mata kuliah sesuai dengan standar kompetensi yang berlaku pada Program Studi Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Ujung Pandang perlunya modul peraga berupa rangkaian ilter jenis Low Pass Filter (LPF), High Pass Filter (HPF), Band Pass Filter (BPF) dan Band Stop Filter (BSF). Modul peraga dengan semua jenis ilter tersebut sulit diperoleh. Umumnya rangkaian ilter hanya menggunakan satu atau dua jenis ilter dan terintegrasi dengan rangkaian lain membentuk suatu sistem pemancar atau penerima sehingga sulit untuk dipisahkan. Filter berungsi untuk menapis/meredam rekuensi yang tidak diinginkan dan noise yang mungkin terjadi saat pentransmisian sinyal yang menyebabkan berkurangnya kualitas sinyal inormasi yang diterima. Rentang rekuensi atau pita rekuensi (recuency band) yang diloloskan kekeluaran disebut pita lolos (pass band). Sedangkan pita rekuensi yang di redam disebut stop band. Lebar sempitnya pita rekuensi kerja ilter tergantung pada rentang rekuensi operasi serta ungsi ilter tersebut. Skim Penelitian Hibah Bersaing Dibiayai Oleh DIPA Politeknik Negeri Ujung Pandang Sesuai Nomor Kontrak No. 49/PL./SP/. Tanggal 3 November 497
Redaman 3 db db Ripple Insertion loss -6 db Ultimate Attenuation passband Gambar. Respon ilter praktis Parameter dari gambar diuraikan sebagai berikut:. Bandwidth. Bandwidth rangkaian resonansi dideininsikan sebagai perbedaan antara rekuensi upper dan lower ( ) dari rangkaian pada respon amplitudo 3 db di bawah respon passband. Ini sering disebut bandwidth setengah daya.. Q. Perbandingan rekuensi center rangkaian resonansi terhadap bandwidth-nya dideinisikan sebagai Q rangkaian. Q c () Q rangkaian adalah ukuran selektivitas rangkaian resonansi. Jika nilai Q tinggi, bandwidth-nya sempit dan selektivitas rangkaian resonansi tinggi. 3. Shape actor (SF). Shape actor pada rangkaian resonansi dideinisikan sebagai perbandingan bandwidth 6 db terhadap bandwidth 3 db dari rangkaian resonansi. 4. Ultimate Attenuation. Ultimate Attenuation adalah redaman minimum akhir dimana rangkaian resonansi memberikan passband di luar yang ditetapkan. Rangkaian resonansi ideal akan memberikan redaman tak terhingga di luar passband-nya. 5. Insertion Loss. Kapan saja komponen dimasukkan antara generator dan bebannya, beberapa sinyal dari generator diserap oleh komponen yang disebabkan kehilangan resisti inherent-nya. Jadi, tidak semua sinyal yang ditransmisikan ditranser ke beban saat beban dihubungkan secara langsung dengan generator. Redaman yang dihasilkan disebut insertion loss yang diukur dalam db dan merupakan karakteristik yang sangat penting dari rangkaian resonansi. 6. Ripple. Ripple adalah ukuran kerataan passband rangkaian resonansi yang diekspresikan dalam db. Secara isik, diukur pada karakteristik respon sebagai perbedaan antara redaman maksimum dan redaman minimum dalam passband. Terdapat dua respon rekuensi di daerah rekuensi passband. Ada yang datar (lat) dan ada pula yang memiliki riak (ripple). Respon rekuensi ilter yang lat di daerah rekuensi pass-band nya dihasilkan oleh jenis ilter butterworth, sedangkan yang memiliki ripple dihasilkan oleh jenis ilter chebyshev dan Bessel. Peneitian ini hanya merancang dua jenis ilter yaitu ilter butterworth dan chebyshev. 498
Redaman (db) Redaman (db) Redaman (db) Redaman (db) Cuto rekuency,,8 Pass band Transition band Stop band,6,4, 6 Frequency (Hz) Low pass ilter with a cuto requency o 6 Hz Gambar. Respon ilter low-pass ilter butterworth tanpa ripple diatasnya Keunggulan ilter chebyshev adalah karena daerah rekuensi transisi dari pass-band ke daerah rekuensi stopband lebih curam di bandingkan ilter jenis butterworth. Ripple pada jenis ilter chebyshev bervariasi dari. db,. db,.5db, dan. db. Contoh dari kedua respon ini bisa dilihat pada gambar dachebyshev dengan ripple di passbandnya Sejauh ini dikenal beberapa tipe ilter yaitu Low-pass ilter (LPF), high-pass ilter (HPF), band-pass ilter (BPF), dan band-stop ilter (BSF). Fungsi masing-masing ilter tersebut dijelaskan sebagai berikut:. Filter LPF hanya dapat meloloskan rekuensi-rekuensi yang berada dibawah rekuensi cuto (rekuensi kerja).. Filter HPF dalah ilter yang hanya dapat meloloskan semua rekuensi diatas rekuensi cuto. 3. Filter BPF adalah ilter yang hanya dapat meloloskan rekuensi-rekuensi yang berada dalam rentang tertentu yang dibatasi oleh rekuensi cuto bawah dan atasnya. 4. Filter BSF adalah ilter yang meredam semua rekuensi yang berada dalam rentang rekuensi tertentu yang dibatasi oleh rekuensi cuto bawah dan atas (berlawanan dengan BPF). ( a ) Cuto rekuensi ( b ) Cuto rekuensi ( c ) ( d ) Cuto rekuensi Cuto rekuensi Gambar 4. Respon rekuensi terhadap tipe ilter ( a ) respon low-pass ilter. ( b ) respon band-stop ilter. ( c ) respon high-pass ilter. ( d ) respon band-pass ilter. Respon rekuensi masing masing tipe ilter diatas didasarkan pada respon ilter menurut butterworth, dan chebyshev dan bessel, namun penelitian ini hanya merancang dua jenis ilter, yaitu butterworth dan chebyshev. Perbedaan dari kedua ilter tersebut adalah ada atau riak (ripple) didaerah pass-band ilter. Gambar 4 memperlihatkan respon rekuensi untuk masing masig tipe ilter yang telah dibahas sebelumnya. cuto adalah rekuensi dimana level daya turun 3dB (decibel) terhadap level daya di rekuensi pass-band nya. 499
METODOLOGI PENELITIAN Filter yang dirancang menggunakan komponen-komponen elektronika pasi (kapasitor dan induktor). Filter yang dirancang adalah tipe butterworth dan chebyshev dengan respon rekuensi low-pass, high-pas, band-pass dan band-stop menggunakan metode pendekatan prototype low-pass dinormalisasi (Bowick, 8). Berikut adalah prosedur perancangan :. Menentukan rekuensi cuto dan rekuensi transisi serta redaman pada rekuensi transisi yang dimaksud.. Menentukan jumlah elemen sesuai dengan graik karakteristik redaman ilter butterworth. 3. Menormalisasi resistansi sumber terhadap resistansi beban Rs/R L atau resistansi beban terhadap resistansi sumber R L /Rs sesuai dengan jenis respon ilter yang dirancang. 4. Untuk menentukan nilai sebenarnya dari masing-masing elamen, maka harga tiap elemen prototype harus di transormasi ke harga sebenarnya menggunakan persamaan berikut (F) () (H) (3) Dimana, C = nilai kapasitor sebenarnya (Farad). L = nilai induktor sebenarnya (Hendry). C n = nilai prototype low pass untuk kapasitor ke n L n = nilai prototype low pass untuk induktor ke n R L = nilai resistansi sebenarnya dari beban = erekuensi cuto ilter (Hertz) HASIL DAN PEMBAHASAN Data yang dihasilkan dalam penelitian ini adalah perbandingan respon rekuensi LPF, HPF, BPF dan BSF pada tipe butterworth dan chebychev. Analisis data diuraikan sebagai berikut : a. LPF LPF meloloskan rekuensi dibawah rekuensi cut-o. Daerah passband respon rekuensi LPF pada tipe butterworth adalah lat (datar) sedangkan pada tipe chebyshev memiliki ripple sebesar, db. cutto adalah level daya pada 3 db. Tipe butterworth: Pada gambar 5 (a) menunjukkan rekuensi cuto respon rekuensi LPF tipe butterworth adalah 9,8 MHz. Sedangkan pada tipe chebyshev : Pada gambar 5 (b), rekuensi cuto respon rekuensi LPF tipe chebychev adalah 9,8 MHz. Kedua tipe dari respon rekuensi LPF menghasilkan nilai rekuensi cut o yang sama. Perancangan awal yang direncanakan adalah respon rekuensi LPF dengan nilai rekuensi cuto sebesar MHz. Ketepatan perhitungan 5
85 khz 93 khz 96 khz MHz MHz 7 khz 85 khz MHz.5 MHz 5.5 MHz 8.5 MHz MHz MHz MHz 3 MHz 5 MHz 6 MHz 8 MHz 9 MHz MHz MHz MHz 3 MHz nilai C (capasitor) dan L (inductor) yang sesuai dengan nilai normalisasi dapat menghasilkan nilai rekuensi cuto respon rekuensi LPF pada kedua tipe menjadi sama. (a) (b) 5 5 5 4 4 4 9 7.5 7.5 7 9 3 Vpp.8.7.8.8.6.6.7.5.5.4.3.4.5.5.4.4.4.3.7.3... Vpp. Gambar 5. Respon Fekuensi LPF Tipe (a) Butterwoth dan (b) Chebychev. b. High pass ilter HPF meloloskan rekuensi di atas rekuensi cut-onya. Daerah passband respon rekuensi LPF pada tipe butterworth adalah lat (datar) sedangkan pada tipe chebyshev memiliki ripple sebesar, db. Gambar 6 menunjukkan respon rekuensi HPF dimana rekuensi cuto ditentukan sebagai berikut : Untuk tipe Butterworth: Gambar 6 (a) menunjukkan rekuensi cut o pada range 99 KHz. Pada tipe chebyshev rekuensi cuto adalah: Gambar 6 (b) menunjukkan rekuensi pada range, MHz. cut o yang direncanakan adalah MHz. Perancangan inductor yang tidak tepat menghasilkan perbedaan nilai rekuensi cuto respon rekuensi HPF pada tipe butterworth dan chebychev. (a) (b) 5 3.5.8.5.9.8.7.3.35.35.39.4.6 -.7.8.9..5.5.6.5.4.3...3.3.9.8 Series...5.3 Gambar 6. Respon HPF Tipe (a) Butterworth dan (b) Chebychev. 5
7 khz 85 khz MHz.5 MHz 5.5 MHz 8.5 MHz MHz c. BPF BPF memiliki dua rekuensi cut o (Fc dan Fc ). Respon rekuensi BPS meloloskan rekuensi yang berada di atas nilai rekuensi Fc dan di bawah nilai rekuensi Fc. Respon rekuensi BPF tipe Butterworth memiliki daerah pass-band lat (datar) sedangkan pada tipe chebyshev memiliki ripple, db. Gambar 7 (a) menunjukkan respon rekuensi BPF tipe butterworth yang meloloskan rekuensi dalam range Fc senilai 6 MHz dan Fc senilai MHz dengan nilai rekuensi cut o berikut: Maka bandwidth (BW) respon rekuensi BPF tipe butterworth adalah. Gambar 7 (b) menunjukkan respon rekuensi BPF tipe chebychev yang meloloskan rekuensi dalam range Fc senilai dan Fc senilai 9,5 MHz dengan besaran rekuensi cut o : Bandwidth respon rekuensi BPF tipe chebychev adalah,5 MHz. 4 3 3 5 7 9 3 MHz MHz MHz MHz MHz MHz MHz 3.5 3 3.5.7.8.9..5.5.6.5.4.3...9.8.5.7 Vpp...5.3 Gambar 7. Respon rekuensi BPF Tipe (a) Butterworth dan (b) Chebychev cut o BPF yang direncanakan adalah 8,5 MHz untuk nilai Fc dan,5 MHz untuk nilai Fc. Kedua tipe ilter hasil perancangan berbeda nilainya dengan yang direncanakan, hal ini disebabkan oleh perancangan yang dilakukan kurang baik sehingga rekuensi bergeser dari nilai yang direncanakan. d. BSF BSF berlawanan prinsip kerjanya dengan BPF. BSF juga memiliki dua rekuensi cut o Fc dan Fc. BSF meloloskan rekuensi di luar rekuensi cuto Fc dan Fc. Respon rekuensi BSF tipe Butterworth memiliki daerah pass-band lat (datar) sedangkan pada tipe chebyshev memiliki ripple, db. Gambar 8 (a) menunjukkan respon rekuensi BSF tipe butterworth yang meloloskan rekuensi dalam range Fc senilai, MHz dan Fc senilai 3,5 MHz dengan nilai rekuensi cut o berikut: Maka bandwidth (BW) respon rekuensi BSF tipe butterworth adalah,. Gambar 7 (b) menunjukkan respon rekuensi BSF tipe chebychev yang meloloskan rekuensi dalam range Fc senilai dan Fc senilai,5 MHz dengan besaran rekuensi cut o : 5
3 MHz 5 MHz 6 MHz 8 MHz MHz MHz MHz 3 MHz 5 MHz 9 MHz.5 3.5 Bandwidth respon rekuensi BSF tipe chebychev adalah 5,5 MHz. center BSF yang direncanakan adalah MHz untuk tipe butterworth dan chebychev. Pada tipe butterworth, rekuensi center yang dihasilkan adalah 9,5 MHz dan tipe chebychev menghasilkan rekuensi center senilai,5 MHz. Nilai rekuensi center yang direncanakan tidak jauh berbeda dengan hasil perancangan. 4 3 3 3.5.4.5.5..6.4.4.3....6 Vpp.5.5.8.9.7.9..6.45...5.3.5.65 Vpp KESIMPULAN Gambar 8. Respon BSF Tipe (a) Butterworth dan (b) Chebychev Dari penelitian dihasilkan beberapa kesimpulan sebagai berikut :. Respon rekuensi ilter tipe butterworth memiliki daerah passband datar (lat) dan tipe chebychev memiliki ripple pada daerah passband yang bervariasi dari. db,. db,.5db, dan. db.. LPF meloloskan rekuensi di bawah ambang rekuensi 9,8 MHz pada tipe Butterworth dan Chebyshev. HPF meloloskan rekuensi di atas rekuensi ambang(cuto) 99 KHz pada ilter tipe Butterworth dan rekuensi ambang, MHz pada ilter tipe Chebyshev. BPF meloloskan pita rekuensi 6 MHz pada ilter tipe Butterworth dan pita rekuensi 7 9,5 MHz pada ilter tipe Chebyshev. BSF meredam pita rekuensi, 3,5 MHz pada ilter tipe Butterworth dan pita rekuensi 7,5 MHz pada ilter tipe Chebyshev. DAFTAR PUSTAKA Aldi, Akbar. (9). Pengertian, Siat, PrinsipKerja, KapasitansiKapasitor / Kondensator, (Online), (http://www.allproducts.com/ee/powerwin/dc-dc-converter-3-dc_dc(diakses 4 November ). Bowick, Chrisdkk. (8). RF Circuit design. nd Ed. Elsevier,Inc. Burlington, USA. Kuncoro, BayuMukti.. IlmuElektronika. RangkaianFilter pasi, (Online), (http://www.circooits.blogspot.com//6/passive-ilter.html(diakses 4 November ). McLyman.Wm.T. (4). Transormer and Inductor design Handbook. 3 rd. KG Magnetics, Inc, Caliornia, USA. Pressman, Abraham I. (). Switching Power Supply Design. McGraw Hill Companies Inc, new York, USA. Razak,Irawati. (9). Jobsheet Praktikum Laboratorium Tinggi. Politeknik Negri Ujung Pandang. Suwarnata, Putu dan Mahardhika, Angga. (). Modul Demonstrator Rangkaian Filter Pasi Pada Laboratorium Dan Transmisi Program Studi Telekomunikasi Politeknik Negeri Ujung Pandang. Proyek Akhir. 53