Praktikum Rangkaian Listrik 2
Percobaan 4
Rangkaian High Pass Filter
A. Tujuan
- Mahasiswa dapat merangkai rangkaian High Pass Filter dengan komponen pasif.
- Mahasiswa dapat menentukan frekuensi cut off melalui pengukuran tegangan keluaran rangkaian High Pass Filter.
- Mahasiswa mampu menggambarkan grafik karakteristik High Pass Filter menggunakan kertas semilogaritma.
- Mahasiswa mampu mendesain dan menentukan frekuensi cut-off pada High Pass Filter.
- Mahasiswa dapat menentukan harga Induktor dan Kapasitor pada rangkaian High Pass Filter.
- Mahasiswa mampu memahami karakteristik dan kinerja High Pass Filter.
B. Landasan
Teori
High Pass Filter atau sering disebut dengan filter lolos atas adalah suatu
rangkaian yang akan melewatkan suatu isyarat yang berada diatas frekuensi
cut-off (ωC) sampai frekuensi cut off (ωC) rangkaian
tersebut dan akan menahan isyarat yang berfrekuensi dibawah frekuensi cut-off (ωC)
rangkaian tersebut. Seperti halnya Low Pass Filter, pada High Pass Filter
memiliki berbagai jenis berdasarkan urutan rangkaian atau penempatan komponen
pasifnya. Terdapat 2 jenis pemasangan, yakni High Pass Filter dengan komponen R
dan C, serta High Pass Filter dengan komponen L dan R.
Frekuensi cut-off merupakan batas kinerja filter atau titik kritis filter
dalam menyaring sinyal dengan frekuensi masukan tertentu. Frekuensi cut-off
dapat diamati ketika filter mengalami resonansi.
Amplitudo yang dihasilkan berkisar 70% atau sekitar – 3 dB terhadap amplitudo
masukkan. Pada High Pass Filter dengan komponen R dan C, dapat dirangkai sesuai
pada Gambar 1.
Gambar
1. Rangkaian High Pass Filter
dengan R-C.
Pemasangan kapasitor pada rangkaian High Pass Filter diatas, dapat
menyebabkan sinyal atau gelombang keluaran menjadi leading atau phase arus mendahului phase tegangan sejauh π/2. Hal
ini dapat berdampak cos phi yang
dihasilkan semakin buruk. Kinerja dari rangkaian High Pass Filter – RC dapat
dijelaskan ketika filter diinjeksikan f < fC ; f = fC
dan f > fC. Amplitudo keluaran yang nilainya bekisar 70 % pada
frekuensi cut-off merupakan harga penguatan dari rangkaian High Pass Filter (
sama dengan Low Pass Filter) sesuai persamaan (1) berikut:
(1)
Sehingga, penguatan bisa didapat saat resonansi (XC = R) sesuai
persamaan (2) dengan menerapkan voltage
devider.
(2)
Sehingga, didapat skenario dari kinerja High Pass Filter – RC sebagai
berikut :
- Kondisi pertama
Sehingga secara ideal, penguatan yang dihasilkan
mendekati 0 atau High Pass Filter bekerja memblokir semua sinyal dari suplai. Akibat
harga reaktansi kapasitor terlampau besar. Secara real atau prakteknya tidak
semua sinyal terblokir seketika, karena adanya daerah Transisi dimana lamanya pelemahan bergantung time constant dari komponen kapasitor.
- Kondisi kedua
- Kondisi ketiga
Sehingga secara ideal, penguatan yang dihasilkan
mendekati 1 atau High Pass Filter bekerja sebagai rangkaian peyangga atau buffer. Dengan amplitudo sinyal keluaran
besarnya mendekati amplitudo sinyal masukan. Akibat harga reaktansi kapasitor
terlampau kecil. Secara real atau prakteknya tegangan keluaran pada High Pass
Filter kadang kala lebih besar dari tegangan masukkannya. Hal ini diakibatkan
efek pemasangan kapsitor (HPF dengan RC) dan adakalanya mengalami penurunan
akibat pemasangan induktor (HPF dengan LR).
Gambar
2. Rangkaian High Pass Filter –
RL.
Tipe kedua dari High Pass Filter adalah dengan menggunakan komponen L dan
R. Pemasangan induktor pada filter tersebut dapat menyebabkan sinyal keluaran lagging atau phase arus tertinggal π/2
terhadap phase tegangan. Sehingga, cos
phi yang didapat cenderung turun. Sama halnya dengan High Pass Filter
dengan RC, frekuensi cut-off dapat dicari ketika filter terjadi resonansi pada
induktor dan resistor. Dimana harga frekuensi cut-offnya dapat dinyatakan
dengan persamaan (3).
(3)
Perbedaan dari rangkaian HPF dengan RC dan HPF dengan RL adalah kinerjanya
saat diberikan injeksi frekuensi dengan besar tertentu. Pada HPF dengan RL,
saat f < fC menyebabkan harga reaktansi induktor terlampau kecil.
Sehingga, tegangan keluaran yang jatuh pada induktor terlampau kecil dengan
sebagian besar tegangan dari suplai jatuh ke komponen resistor.
Saat f = fC menyebabkan harga reaktansi induktor mendekati atau
sama dengan tahanan resistor. Sehingga, besar tegangan keluaran mengalami
penguatan sebesar persamaan (2). Kemudian saat f > fC,
menyebabkan harga reaktansi induktor terlampau besar. Sehingga, besar tegangan
keluaran sebagian besar jatuh ke induktor. Pada dasarnya kinerja baik High Pass
Filter atau Low Pass Filter, dapat dijabarkan dengan prinsip voltage devider.
Seperti halnya rangkaian Low Pass Filter, untuk mencegah adanya efek
kapasitif atau induktif pada filter. High Pass Filter dasarnya disusun dengan
rangkaian R dan C dan menambahan L atau sebaliknya. Pada percobaan kali ini,
digunakan rangkaian High Pass Filter dengan RC dan ditambahkan induktor atau L
sebagai peredam efek kapasitif pada filter sesuai Gambar 3. berikut ini.
Gambar 3. Rangkaian
High Pass Filter dengan R,C dan L.
Prinsip kerja dari High Pass Filter adalah dengan memanfaatkan
karakteristik dasar komponen C dan R, dimana C akan mudah melewatkan sinyal AC
sesuai dengan nilai reaktansi kapasitansinya dan komponen R yang lebih mudah melewatkan
sinyal dengan frekuensi rendah. Prinsip kerja rangkaian High Pass Filter dengan
R dan C dapat diuraikan sebagai berikut.
Apabila rangkaian High Pass Filter ini diberikan sinyal masukan dengan
frekuensi diatas frekuensi cut off (ωC),
maka sinyal tersebut akan dilewatkan ke keluaran rangkaian melalui komponen
kapasitor (C). Kemudian pada saat sinyal yang diberikan ke rangkaian High Pass
Filter, memiliki frekuensi dibawah frekuensi cut off (ωC), maka
sinyal masukan tersebut akan dilemahkan dengan cara dibuang ke ground melalui
komponen R. Frekuensi resonansi dari High Pass Filter mengikuti nilai time
constant (τ) dari rangkaian R dan C tersebut. Oleh sebab itu pada kurva
karakteristik High Pass Filter terdapat daerah Transisi.
(4)
Sinyal keluaran
rangkaian High Pass Filter mendahului masukan sebesar :
(5)
Kurva
karakteristik dari High Pass Filter dengan komponen R dan C dapat digambarkan
dengan perbandingan antara tegangan keluaran filter terhadap frekuensi yang diberikan
kepada rangkaian High Pass Filter tersebut.
Gambar 4.
Kurva Karakteristik High Pass Filter.
Harga induktor sebagai peredam efek kapasitif, dapat
ditentukan ketika terjadi resonansi antara komponen induktor dan kapasitor
sesuai persamaan (6) berikut.
(6)
High Pass Filter ini dapat diaplikasikan sebagai crossover audio. Dengan karakteristiknya
yang dapat meloloskan sinyal dengan frekuensi diatas frekuensi cut off nya.
Maka, crossover audio bekerja
selayaknya pengeras suara pada peralatan elektronik.
C. Rangkaian
Percobaan
Gambar 5. Rangkaian
Percobaan High Pass Filter.
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
- Rangkaialah sesuai pada Gambar 5. dengan peralatan yang sudah Anda 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 High Pass Filter. Kemudian catat hasilnya pada Tabel 1. Data Percobaan.
- Gambarkan bentuk gelombang tegangan pada Induktor dan Kapasitor untuk nilai V1 > V2, V1 = V2 dan V1 < V2. (Cukup diwakili 3 gambar saja)
- Frekuensi Cut-Off terjadi saat V1 = V2.
- Dari data hasil pengukuran, gambarkan kurva karakteristik High Pass Filter.
Tabel 1. Data Percobaan.
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 High Pass Filter
Perhitungan
Data Kalibrasi Oscilloscope
Volt/div =
20 mV/dive
Time/dive =
0,2 ms/dive
Vpp =
0,5 V
G. Analisa
Rangkaian High Pass Filter merupakan fiter yang meloloskan sinyal diatas
frekuensi cut offnya dan menghadang sinyal dengan frekuensi dibawah frekuensi
cut off nya. Dimana, prinsip kinerjanya memanfaatkan karakteristik dasar
komponen C dan R. Komponen C akan mudah melewatkan sinyal AC sesuai dengan
nilai reaktansi kapasitansinya dan komponen R akan lebih rendah melewatkan
sinyal dengan frekuensi rendah. Sesuai hukum Ohm bawah besarnya tegangan bergantung
pada besarnya arus dan hambatan.
Dikatakan bahwa rangkaian High Pass Filter tidak dapat melewatkan sinyal
saat f < fC. Karena, pengaruh jatuh tegangan yang tinggi akibat
nilai reaktansi kapasitor terlampau besar. Hal ini diakibatkan besarnya reaktansi
kapasitor berbanding terbalik dengan besarnya frekuensi sumber. Sehingga,
mengakibatkan tegangan pada resistor nilainya terlampau kecil (dimana berlaku
hukum pembagi tegangan). Sesuai dengan persamaan berikut.
Jika,
f < fC atau mendekati 0 Hz. Maka dapat dipastikan XC
mendekati tak hingga.
Sehingga, berlaku pembagi tegangan dengan besar tegangan keluaran rangkaian
High Pass Filter sebagai berikut:
Dimana, seolah-olah komponen kapasitor memblokir jalan arus pada rangkaian
High Pass Filter. Dibuktikan dengan data percobaan antara injeksi frekuensi 0,1
kHz sampai dengan 0,9 kHz tegangan keluaran (V2) mengalami pelemahan
dan nilainya mendekati 0 V. Begitu pula sebaliknya ketika f ≥ fC,
maka sinyal tegangan dapat dilewatkan karena jatuh tegangan pada kapasitor
rendah akibat nilai reaktansi kapasitor rendah (mendekati 0 atau seolah-olah
komponen kapasitor dalam kondisi short circuit). Sehingga, banyak sinyal
tegangan yang dibuang ke ground melalui komponen resistor. Dibuktikan dengan
data-data percobaan pada frekuensi 1 kHz ke atas didapati bahwa tegangan
keluaran (V2) tetap konstant dengan rentang 1 V sampai dengan 1,1 V.
Hal ini membuktikan bahwa High Pass Filter bekerja sebagai rangkaian buffer atau penyangga. Inilah kelemahan
dari rangkaian filter pasif, dimana penguatan yang diberikan tidak bisa diatur
seperti pada rangkaian filter aktif (sudah dijelaskan pada percobaan Low Pass Filter).
Zona pada frekuensi cut off merupakan zona dimana rangkaian filter yang
digunakan menghasilkan gain atau penguatan (α) sebesar 0. Selain itu, zona
frekuensi cut off merupakan zona dimana terjadi resonansi terhadap komponen
Induktor dan Kapasitor pada rangkaian High Pass Filter yang menyebabkan
reaktansi keduanya saling meniadakan. Sehingga, sinyal tegangan akan jatuh
seluruhnya ke beban resistor (V1 = V2). Saat injeksi frekuensi masukkan melebih
frekuensi cut-off High Pass Filter, pada uji coba ini didapati bahwa terdapat
tegangan keluaran yang nilainya lebih besar dari tegangan masukkan. Secara
ideal, filter pasif tidak akan bisa menguatkan sinyal akan tetapi hanya bekerja
sebagai rangkaian buffer atau
peyangga. Hal ini disebabkan karena efek pemasangan komponen pasif kapasitor
yang dapat menyimpan sejumlah energi. Skenario yang mungkin adalah desain dari
induktor dan kapasitor mengalami pembulatan.
- Dimana harga dari reaktansi induktor lebih kecil dibandingkan reaktansi kapasitor. Sehingga, rangkaian filter menghasilkan tegangan keluaran yang cenderung kapasitif.
- Selain itu, dengan penggunaan peralatan ukur analog dapat dimungkinkan terjadi paralaks pembacaan, karena besar range pengukuran yang diamati terlampau kecil.
H. Kesimpulan
Berdasarkan data-data yang didapat dan pengamatan yang dilakuka oleh
praktikan dapat disimpulkan bahwa :
- High Pass Filter adalah filter yang hanya melewatkan sinyal dengan frekuensi melebihi frekuensi cut-offnya dan memblokir sinyal dengan frekuensi dibawah frekuensi cut-offnya.
- Berdasarkan data percobaan sinyal tegangan yang dilewatkan adalah sinyal dengan besar frekuensi antara 1 kHz sampai dengan 5 kHz.
- Ketika f ≥ fC, maka High Pass Filter akan bertindak sebagai rangkaian buffer atau peyangga.
- Lamanya pelemahan tegangan keluaran ketika f < fC , bergantung pada time constant kapasitor dimana istilah ini terjadi pada daerah transisi kurva karakteristik High Pass Filter.
- Semakin kecil frekuensi sumber, maka semakin kecil tegangan keluaran. Karena besarnya reaktansi kapasitor berbanding terbalik dengan frekuensi sumber tegangan dengan besarnya tegangan keluaran berlaku hukum pembagi tegangan pada rangkaian High Pass Filter.
- High Pass Filter dapat diaplikasikan untuk crossover audio yang difungsikan sebagai pengeras suara pada peralatan elektronik.
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.
✌ 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!~.
0 komentar:
Posting Komentar