P R O G R A M S T U D I F I S I K A F M I P A I T B 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) 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 : (2) ( ) (3) Gambar 2. High Pass Filter dimana ω p =1/ R 1 C 1 dan ω p 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 : ( ) ( ) (5) Gambar 3. Low Pass Filter dimana ω p =1/ R 2 C 2 dan ω p 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) G(ω) fa f(hz) fb f(hz) fb fa f(hz) (a) (b) (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 ( ) C ( ) Vin Vpp ( ) Frekuensi ( ) Vout ( ) Gambar G( ) 20logG( ) 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
Data Low Pass Filter R ( ) C ( ) Vin Vpp ( ) Frekuensi ( ) Vout ( ) Gambar G( ) 20logG( ) 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
Data Band Pass Filter R ( ) C ( ) Vin Vpp ( ) Frekuensi ( ) Vout ( ) Gambar G( ) 20logG( ) 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