Praktikum Rangkaian Listrik 2
Percobaan 3
Percobaan 3
Rangkaian
Low Pass Filter
A.
Tujuan
- Mahasiswa dapat merangkai rangkaian Low Pass Filter dengan komponen pasif
- Mahasiswa dapat menentukan frekuensi cut off melalui pengukuran tegangan keluaran rangkaian Low Pass Filter.
- Mahasiswa mampu menggambarkan grafik karakteristik LPF menggunakan kertas semilogaritma.
- Mahasiswa mampu mendesain dan menentukan frekuensi cut-off pada Low Pass Filter.
- Mahasiswa dapat menentukan harga Induktor dan Kapasitor pada rangkaian Low Pass Filter.
B.
Landasan Teori
Rangkaian Low Pass Filter merupakan rangkaian filter yang
berfungsi untuk meneruskan frekuensi rendah dan menghambat frekuensi tinggi.
Rangkaian Low Pass Filter yang terdapat pada frekuensi bagian bawah akan
mendapat redaman yang paling besar. Fungsi utama dari Low Pass Filter adalah
meneruskan sinyal masukan frekuensi atau frekuensi cut-off pada bagian bawah.
Frekuensi cut off adalah frekuensi yang keluaran
amplitudonya turun mencapai 70 % atau sekitar -3 dB terhadap amplitudo
masukkan. Frekuensi cut-off merupakan batas kinerja filter atau titik kritis
filter dalam menyaring sinyal dengan frekuensi masukan tertentu. Pada Low Pass
Filter sinyal masukan akan dilewatkan, jika memiliki rentang frekuensi 0 < f
≤ fC dan sinyal masukan akan di hadang, jika memiliki frekuensi f
> fC. Dimana, kurva karakteristiknya dari Law Pass Filter bisa
dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Kurva Karakteristik Low Pass Filter.
Bagian yang berlabel Transisi
merupakan daerah saat Low Pass Filter melemahkan sinyal masukan. Pelemahan
sinyal masukan ini terjadi, karena efek pemasangan komponen kapasitor dan
induktor. Daerah Transisi ini dapat
dikatakan noise pada Low Pass Filter,
karena sejatinya desain Low Pass Filter yang baik adalah saat injeksi frekuensi
yang diberikan harganya mendekati frekuensi cut-off. Maka LPF harus mampu
melemahkan sinyal masukan secepat mungkin, agar sinyal dengan frekuensi rendah
dan tinggi dapat dipisahkan.
Low Pass Filter dapat kita buat dengan
menggunakan dua jenis rangkaian dasar, yaitu rangkaian filter induktif dan
rangkaian filter kapasitif. Untuk rangkaian induktif sendiri hanya dibuat
menggunakan sebuah induktor dan beban sesuai pada Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian induktif Low Pass Filter.
Rangkaian Induktif
Low Pass Filter (LPF – RL) ini memiliki kekurangan, yakni phase arus keluaran
yang dihasilkan bergeser mendekati –π/2 atau -90˚. Hal ini dapat menyebabkan cos phi yang dihasilkan cenderung rendah.
Semakin frekuensi yang diinjeksikan mendekati frekuensi cut-offnya akan
menyebabkan harga reaktansi induktor semakin besar untuk dapat sedikit
menyisahkan tegangan keluaran yang jatuh pada beban resistor. Pada Gambar 1.,
frekuensi cut-offnya dapat diketahui ketika rangkaian mengalami resonansi
sesuai persaman (1).
(1)
Dengan besar
penguatan saat terjadi resonansi (XL = R) sesuai persamaan (2).
(2)
Sedangkan untuk
rangkaian kapasitif hanya menggunakan 2 buah komponen, yakni resistor dan
kapasitor. Kekurangan dari rangkaian Low Pass Filter – RC ini adalah tegangan
keluarannya cenderung kapasitif. Sehingga, dapat menyebabkan cos phi turun akibat pergeseran phase
arus keluaran sebesar π/2 atau 90˚, berikut gambar rangkaiannya.
Gambar 3. Rangkaian Low Pass Filter – RC.
Sehingga, didapat
desain frekuensi cut-off pada rangkaian diatas saat terjadi resonansi dengan
harga XC = R pada persamaan (3).
(3)
Dengan penguatan
tertinggi sekitar 70,7 % atau sekitar 3 dB sama dengan rangkaian Low Pass
Filter – RL. Pada rangkaian filter pasif besar penguatan tidak bisa diatur.
Sehingga, tegangan keluaran pada saat terjadi resonansi hampir mendekati
tegangan masukan rangkaian filter pasif. Sehingga, filter pasif bekerja
selayaknya rangkaian buffer atau
peyangga. Untuk mengatasi terjadinya efek induktif dan kapasitif pada filter
pasif , yakni Low Pass Filter. Maka, dapat digunakan desain filter Low Pass
Filter – LC dengan memasang kedua komponen pasif tersebut (memasang induktor
dan kapasitor). Pada dasarnya kinerja dari induktor dan kapasitor saling
meniadakan. Kondisi tersebut dapat ditemui saat terjadi resonansi pada
frekuensi cut-off rangkaian Low Pass Filter pasif.
Selain itu,
terdapat pula rangkaian LPF yang menggunakan komponen resistor, induktor dan
kapasitor, seperti Gambar 4.
Gambar 4. Rangkaian Low Pass Filter – LC.
Pada Gambar 4,
merupakan desain LPF-RC pada umumnya, akan tetapi yang membedakan adalah
pemasangan induktor setalah suplai tegangan. Tujuan dari pemasangan induktor
ini adalah untuk menekan efek kapasitif dari kapasitor saat LPF-RC mengalami
resonansi. Dari rangkaian pada Gambar 4.
akan didapat tegangan keluar sesuai persamaan (4) dan persamaan (5).
(4)
(5)
Jika disederhanakan pada persamaan α. Maka dari persamaan
(5) dapat disederhanakan menjadi persamaan (6) :
(6)
Rangkaian filter
atau penyaringan, yakni Low Pass Filter memiiki peran yang sangat penting
karena dapat meredam frekuensi yang kecil dan menahan rentang frekuensi yang
memiliki redaman paling besar. Rangkaian filter juga terdiri dari
komponen-komponen pasif atau biasa disebut juga filter pasif. Keuntungan dari
pemasangan komponen pasif diantaranya :
- Sinyal atau gelombang keluaran yang dihasilkan tidak terdapat noise.
- Efek rugi-rugi daya dapat dihindari, karena komponen pasif tidak menghasilkan panas saat bekerja.
- Penerapannya tidak membutuhkan sumber tegangan tambahan untuk mengaktifkan kinerja komponen tersebut.
Sekarang juga sudah terdapat rangkaian filter
yang menggunakan komponen aktif, sehingga disebut rangkaian filter aktif.
Filter aktif biasa menggunakan kelompok komponen Operational Amplifier atau dapat disingkat Op-Amp. Pemasangan filter aktif ini sangat cocok untuk rangkaian
filter yang membutuhkan desain penguatan tertentu, karena pada komponen aktif
penguatan bisa diatur dengan menyesuaikan suplai tegangan tambahan. Low Pass Filter
memiliki beberapa karakteristik diantaranya sebagai berikut :
- Pada saat frekuensi yang diinjeksikan kurang dari frekuensi cut-off (f << fC) maka penguatan tegangan sebesar 1 atau α = 0 dB.
- Pada saat frekuensi yang diinjeksikan sama dengan frekuensi cut-off (f = fC) maka penguatan tegangan sebesar -3 dB (α = -3 dB) atau pelemahan tegangan sebesar 3 dB (α = 3 dB).
- Pada saat frekuensi yang diinjeksikan lebih besar dari frekuensi cut-off (f >> fC) maka penguatan tegangan sesuai pada persamaan (6).
Seperti halnya
rangkaian resonansi seri atau paralel, frekuennsi cut-off dari rangkaian Low
Pass Filter dapat ditentukan saat harga reaktansi induktor sama dengan harga
reaktansi kapasitor (saat terjadi resonansi). Maka, induktor dari desain
rangkaian Gambar 4. dapat sesuai
persamaan (7).
(7)
Low Pass Filter ini
dapat diaplikasikan sebagai filter dimesin sound mobil. Hal ini dimaksudkan
agar antara suara mesin mobil dan sound tidak bercampur. Perlu diketahui bahwa
frekuensi bunyi mesin mobil memiliki besar frekuensi yang lebih besar
dibandingkan sound mobil. Sehingga, dengan penerapan Low Pass Filter ini
diharapkan dari sistem sound hanya melewatkan bunyi yang memiliki frekuensi
rendah atau frekuensi kurang dari frekuensi cut off dari desain Low Pass Filter
yang dbuat.
C.
Rangkaian Percobaan
Gambar 5. Rangkaian Percobaan LPF.
Catatan :
CH 1 = Terminal
Channel 1 Oscilloscope
CH 2 = Terminal
Channel 2 Oscilloscope
D.
Peralatan dan Bahan
- Function Generator (1 buah)
- Probe Function Generator (1 buah)
- Decade Induktor Box (1 buah)
- Decade Kapasitor Box (1 buah)
- Decade Resistor Box (1 buah)
- Oscilloscope (1 buah)
- Probe Oscilloscope (2 buah)
- Voltmeter Analog (2 buah)
- Kabel Penghubung (Secukupnya)
E.
Langkah-Langkah Percobaan
- Rangkaian sesuai pada Gambar 5. Dengan perlatan yang sudah kalian siapkan.
- Ukur V2 dengan mengubah – ubah f = 0,1 kHz sampai dengan 5 kHz, 5 Hp 0,1 kHz. Serta pastikan V1 tetap konstan sebesar 1 V.
- Hitung α atau gain penguatan yang dihasilkan pada rangkaian Low Pass Filter sesuai dengan persamaan (8). Kemudian catat hasilnya pada Tabel 1. Data Percobaan.
Catatan :
- 4. Gambarkan bentuk gelombang tegangan pada Induktor dan Kapasitor untuk nilai V1 > V2, V1 = V2 dan V1 < V2. (Cukup diwakili 3 gambar saja)
- 5. Frekuensi Cut Off terjadi saat V1 = V2 (filter bertindak sebagai rangkaian buffer).
- 6. Dari data hasil pengukuran, gambarkan kurva karakteristik Low Pass Filter.
F.
Data-Data Hasil Percobaan
1.)
Percobaan Pengukuran Arus
Catatan : data ke-11 sampai dengan ke-31 dilakukan uji
coba dengan tahapan 200 Hz untuk mempersingkat waktu pengujian.
2.)
Percobaan Desain Low Pass Filter
Gunakan Persamaan dibawah ini saat mendesain induktor :
Atau
Karena, XC
sama dengan R saat resonansi.
E.
Analisa
Rangkaian Low Pass Filter merupakan rangkaian filter yang
berfungsi untuk meneruskan frekuensi rendah dan menghambat frekuensi tinggi.
Dimana yang dilewatkan berupa sinyal frekuensi rendah (F Cut Off) dengan
amplitudo turun mencapai 70 % atau sekitar -3 dB terhadap frekuensi masukan.
Berdasarkan perhitungan secara teoritis dengan mengacuh pada besar nilai
komponen R,L,C pada rangkaian filter yang diuji coba. Didapat besar frekuensi
cut off mendekati 1 kHz. Sehingga, shinyal yang dilewatkan adalah sinyal yang
memiliki besar frekuensi kurang dari frekuensi cut off nya (f < fC).
Sinyal yang dilewatkan berupa sinyal tegangan sesuai dengan data percobaan
antara rentang frekuensi 0,1 kHz sampai 1 kHz, didapat besar V2
sebesar 0,95 sampai 1,08 V. Dapat dilihat bahwa saat injeksi frekuensi sebesar
1 kHz (sesuai desain fC), tegangan keluaran (V2) harganya
mendekati tegangan sumber (V1). Hal ini mengartikan bahwa Low Pass
Filter bekerja sebagai rangkaian peyangga atau buffer saat terjadi resonansi.
Sedangkan, untuk sinyal tegangan dengan besar frekuensi melebihi frekuensi
cut-off tidak dilewatkan (f > fCut off) terbukti sesuai data
percobaan. Saat injeksi frekuensi masukan sebesar 1,2 kHz sampai dengan 5 kHz,
tegangan keluaran (V2) turun mendekati 0 V. Dengan pemberian set
point V1 sebagai sumber sebesar 1V, maka seharusnya data V2
sebagai tegangan keluaran tidak melebihi besar set pointnya. Skenario yang
mungkin terjadi adalah sebagai berikut :
- Desain kapasitansi dari kapasitor lebih besar dari desain induktansi pada induktor dengan adanya pembulatan bilangan tertentu. Sehingga, saat terjadi resonansi pada rangakaian Low Pass Filter, pengaruh kapasitif lebih dominan dibandingkan pengaruh induktif. Sehingga, menyebabkan tegangan keluaran naik akibat efek charge – discharge kapasitor. Pembulatan dilakukan atas dasar keterbatasan peralatan yang sesuai dengan nilai beredar di pasaran.
- Hal ini terjadi karena terjadi kesalahan paralaks pembacaan dengan menggunakan alat ukur analog. Dimana, range pembacaan tegangan terlampau kecil.
Jika dianalisa melalui rangkaian Low Pass Filter, maka
seharusnya akan didapat harga induktansi pada induktor sesuai persamaan (7)
sebagai berikut :
Terbukti bahwa desain induktor pada rangkaian percobaan
Low Pass Filter diatas mengalami pembulatan induktansi dari 93,911 mH sekian
menjadi 94 mH. Sehingga, dapat dipastikan pada percobaan 2, dimana praktika
melakukan uji coba pengukuran dengan desain induktor dan kapasitor Low Pass
Filter dengan frekuensi cut-off yang beragam. Akan ditemui bahwa tegangan
keluaran cenderung melebih sedikit dari tegangan masukan.
Analisa 1 :
Saat frekuensi sumber kurang dari frekuensi cut off, akan
menyebabkan reaktansi induktor bernilai kecil. Karena besarnya reaktansi
induktor sebanding dengan frekuensi sesuai persamaan berikut :
Sehingga, berlaku
hukum pembagi tegangan dimana tegangan jatuh pada induktor akan lebih kecil
dibanding tegangan keluaran pada beban resistor (dimana tegangan keluaran sama
dengan tegangan pada kapasitor). Jika frekuensi sumber terlampau kecil
(mendekati 0 Hz), maka dapat di ibaratkan induktor sebagai kawat penghubung
yang tak memiliki besar tahanan.
Analisa 2 :
Saat frekuensi sumber lebih besar dari frekuensi cut off,
akan menyebabkan reaktansi induktor bernilai besar. Sehingga, berlaku hukum
pembagi tegangan dengan tegangan jatuh pada induktor akan lebih besar
dibandingkan tegangan keluaran pada beban resistor. Jika rekuensi sumber
terlampau besar (mendekati tak hingga), maka dapat diibaratkan induktor sebagai
tahanan yang memiliki nilai reaktansi diri yang besar.
Hal ini yang menyebabkan mengapa tegangan V2
pada data uji coba semakin turun mendekati 0 Volt , ketika frekuensi semakin
dibesarkan menjauhi frekuensi cut off dari rangkaian Low Pass Filter yang diuji
coba.
F.
Kesimpulan
Berdasarkan
data-data yang didapat dan pengamatan yang dilakukan oleh praktikan dapat
disimpulkan bahwa :
- Rangkaian Low Pass Filter yang diuji adalah filter pasif yang menggunakan komponen Induktor, Kapasitor dan Resistor.
- Low Pass Filter adalah filter yang hanya melewatkan sinyal dengan frekuensi lebih rendah dari frekuensi cut-offnya, yakni 0 < f ≤ fC.
- Berdasarkan data percobaan sinyal tegangan yang dilewatkan adalah sinyal dengan besar frekuensi antara 0,1 kHz sampai dengan 1 kHz .
- Saat rangkaian LPF yang diuji mengalami resonansi, dengan injeksi frekuensi dari suplai tegangan mendekati desain frekuensi cut-off. Maka, LPF pasif bekerja sebagai rangkaian buffer atau peyangga.
- Pemasangan Induktor ditujuhkan untuk meniadakan efek kapasitif dari komponen kapasitor pada LPF yang diuji.
- Semakin besar frekuensi sumber, maka semakin kecil tegangan keluaran. Karena besarnya reaktansi induktor berbanding lurus dengan frekuensi sumber tegangan dengan besarnya tegangan keluaran berlaku hukum pembagi tegangan.
- Low Pass Filter dapat diaplikasikan untuk filter sound mobil, agar memblokir sinyal bunyi mesin mobil yang cenderung memiliki frekuensi tinggi.
DAFTAR
PUSTAKA
- Kazuo, Tsutsumi. Son, Kuswadi d.k.k. Rangkaian Listrik. JICA, Politeknik Elektronika Surabaya, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Maret 1993.
- Bina Nusantara (Binus), Filter Frekuensi. https://comp-eng.binus.ac.id/files/2014/05/Filter-Frekuensi.pdf. 30 Oktober 2019.
- Abdul. Rangkian Low Pass Filter https://abdulelektro.blogspot.com/2019/06/low-pass-filter-lpf-filter-pasif.html. 30 Oktober 2019.
✌ Selamat membaca & semoga bermanfaat ilmunya ✌
Bagi kalian yang ingin tanya-tanya seputar materi atau modul-modul pembelajaran di Jurusan D4 Teknik Elektro Industri atau 'Ingin Memesan Jasa Joki Tugas ke Admin ...... Boleh Banget 😊'. Silahkan, hubungi saya lewat Email atau WhatsApp di menu "Contact Me". Sebelum memesan, bisa pastikan dulu lihat profile Curriculum Vitae (CV) saya, ~klik link ini!~.
📚Lihat Laporan Lainnya
0 komentar:
Posting Komentar