Aplikasi Filter (LPF -40dB/dec)

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1.Tujuan

2. Alat dan Bahan

1.Tujuan [KEMBALI]

Dapat memahami pengertian dan prinsip kerja rangkaian LPF -40dB/dec

Dapat mengetahui apa saja komponen rangkaian LPF -40dB/dec

Dapat mensimulasikan rangkaian LPF -40dB/dec

2. Alat dan Bahan [KEMBALI]

Alat

Instrumen

1. Osiloskop

Osiloskop adalah komponen elektronika yang mempunyai kemampuan menyimpan electron-elektron selama waktu yang tidak tertentu. Osiloskop dilengkapi dengan tabung sinar katode. Peranti pemancar elektron memproyeksikan sorotan elektron ke layar tabung sinar katode.
Spesifikasi:

Pinout:

Keterangan:

2. Signal Generator

Generator fungsi adalah alat ukur yang digunakan untuk menampilkan gelombang listrik. Generator fungsi terdiri dari generator utama dan generator modulasi. Generator utama menyediakan gelombang output sinus, kotak, atau gelombang segitiga dengan rangkuman frekuensi 0,01 Hz sampai 13 MHz. Generator modulasi menghasilkan bentuk gelombang sinus, kotak, dan segitiga dengan rangkuman frekuensi 0,01 Hz sampai 10 kHz. Generator sinyal input dapat digunakan sebagai Amplitudo Modulation (AM) atau Frequency Modulation (FM). Selubung (envelope) AM dapat diatur dari 0% sampai 100%; FM dapat diatur frekuensi pembawanya hingga ±5%. Function Generator, umumnya menghasilkan frekuensi pada kisaran 0,5 Hz sampai 20 Mhz atau lebih tergantung rancangan pabrik pembuatnya. Frekuensi yang dihasilkan dapat dipilih dengan memutar-mutar tombol batas ukur frekuensi (frequency range).

Probes

1) Voltage

Merupakan alat yang menunjukkan besar tegangan tanpa menggunakan voltmeter ataupun multimeter.

Spesifikasi

Bahan

Resistor

Resistor adalah komponen elektronika yang berfungsi untuk membatasi dan mengatur jumlah aliran listrik yang akan digunakan pada komponen lain di dalam rangkaian elektronika. Resistor atau dalam bahasa Indonesia sering disebut dengan Hambatan atau Tahanan dan biasanya disingkat dengan huruf "R". Satuan dari hambatan atau resistansi resistor adalah Ohm (Ω). Sebagai penghargaan kepada penemunya maka sebutan "OHM" diambil dari nama George Simonn Ohm seorang fisikawan Jerman yang telah menemukan komponen elektronika resistor.Resistor berfungsi untuk menghambat arus dalam rangkaian listrik. Cara menghitung nilai resistansi resistor dengan gelang warna:

1. Masukan angka langsung dari kode warna gelang pertama.

2. Masukan angka langsung dari kode warna gelang kedua.

3. Masukan angka langsung dari kode warna gelang ketiga.

4. Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10^n), ini merupakan nilai toleransi dari resistor.

Kapasitor

Kapasitor adalah sebuah komponen yang dapat menyimpan muatan listrik. Kapasitor dikenal dan berasal dari bahasa Inggris yaitu "capasitor". Kapasitor memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan seperti elektron-elektron dalam selang waktu tertentu dan kemudian menyalurkannya ke komponen lain di dalam
rangkaian elektronika tersebut. Kapasitor juga disebut dengan "Kondensator".
SATUAN KAPASITOR

1 Farad = 1.000.000µF (mikro Farad)

1µF = 1.000nF (nano Farad)

1µF = 1.000.000pF (piko Farad)

1nF = 1.000pF (piko Farad)

kondesator memiliki satuan yang disebut Farad yang berasal dari nama penemunya yaitu Michael Faraday (1791 - 1867). Benda ini terdiri dari dua pelat konduktor yang disusun secara berdekatan satu sama lain tetapi tidak sampai bersentuhan. Kapasitor atau kondensator dapat menyimpan energi dalam bentuk muatan di dalam medan listrik dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Secara umum fungsi kondensator sering dimanfaatkan sebagai insulator atau penahan arus listrik pada tegangan dengan arus searah (DC), sedangkan pada tegangan dengan arus bolak-balik (AC) kondensator berfungsi
sebagai konduktor (melewatkan arus listrik)
Kapasitor diidentikkan memiliki dua buah kutub yaitu kutub positif dan kutub negatif serta memiliki cairan elektrolit dan memiliki bentuk seperti tabung. Sedangkan yang lainnya kebanyakan memiliki nilai kapasitas yang lebih rendah dan tidak memiliki kutub positif maupun kutub negatif pada kakinya, kebanyakan memiliki bentuk bulat pipih menyerupai kancing baju dan berwarna coklat, merah, silver dan hijau.

RUMUS KAPASITOR

Nilai kapasitansi dari sebuah kapasitor dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut :

C : Kapasitansi kapasitor
$\epsilon _{0}$ : Permitivitas hampa
$\epsilon _{r}$ : Permitivitas relatif
A : Luas pelat/keping
d : Jarak antar pelat/tebal dielektrik

Selain itu, berikut adalah rumus kapasitor yang sering digunakan :

C : Kapasitansi kapasitor (F/Farad, 1 F=1 C/V)

Q : Muatan listrik (C/Coulomb)

V : Beda potensial (V/Volt)

Spesifikasi

Op Amplifier

Op-Amp adalah salah satu dari bentuk IC Linear yang berfungsi sebagai Penguat Sinyal listrik. Sebuah Op-Amp terdiri dari beberapa Transistor, Dioda, Resistor dan Kapasitor yang terinterkoneksi dan terintegrasi sehingga memungkinkannya untuk menghasilkan Gain (penguatan) yang tinggi pada rentang frekuensi yang luas. Dalam bahasa Indonesia, Op-Amp atau Operational Amplifier sering disebut juga dengan Penguat Operasional.

Karakteristik penguat ideal adalah:
Impedansi input sangat besar (Zi >>). Impedansi input adalah sangat besar sehingga arus input ke rangkaian dalam op-amp sangat kecil sehingga tegangan input sepenuhnya dapat dikuatkan.

Konfigurasi PIN LM741:

Spesifikasi:

Respons karakteristik kurva I-O:

Op-Amp (Operational Amplifier) adalah salah satu bentuk IC Linear yang berfungsi sebagai Penguat Sinyal Listrik.

Sebuah Op-Amp terdiri dari beberapa Transistor, Dioda, Resistor dan kapasitor yang terinterkoneksi dan terintegrasi.Sehingga memungkinkannya untuk menghasilkan Gain (penguatan) yang tinggi pada rentang frekuensi yang luas.

Op-Amp umumnya dikemas dalam bentuk IC, sebuah IC Op-Amp dapat terdiri dari hanya 1 rangkaian Op-Amp. Atau bisa juga terdiri dari beberapa rangkaian Op-Amp.Contoh penggunaan dari penguat ini adalah sebagai rangkaian integrator, difrensiator, komparator, dan osilator.Operasional amplifier bekerja dengan menggunakan dua buah tegangan catu yang simetris yaitu tegangan catu positif (+V) dan tegangan catu negatif (-V)

Terminal yang terdapat pada Simbol Op-Amp (Operational Amplifier atau penguat operasional) diantaranya adalah :

Masukan non-pembalik (Non-Inverting) +
Masukan pembalik (Inverting) –
Keluaran Vout
Catu daya positif +V
Catu daya negatif -V

3. Dasar teori [KEMBALI]

Pada dasarnya, sebuah filter listrik adalah sirkuit yang dapat dirancang untuk memodifikasi, membentuk kembali atau menolak semua frekuensi yang tidak diinginkan dari sinyal listrik dan menerima atau lulus hanya mereka sinyal dicari oleh desainer sirkuit. Dengan kata lain mereka "filter-out" sinyal yang tidak diinginkan dan filter yang ideal akan memisahkan dan melewatkan sinyal masukan sinusoidal berdasarkan frekuensi mereka.

Rangkaian Low Pass Filter (LPF) adalah rangkaian yang dapat melewatkan frekuensi dibawah frekuensi cut-off (wc). Rangkaian Low Pass Filter ada 3 macam yang masing-masing rangkaian berbeda dalam hal kemiringan responnya seperti gambar 218.

Gambar 218 Grafik Respon LPF A_CL vs w

7.2.2 LPF -40 dB/dec
Adapun rangkaian LPF -40dB/dec adalah seperti pada gambar 221.

Gambar 221 Rangkaian LPF -40dB/dec

Dari rangkaian terlihat bahwa sinyal input diparalelkan dengan kapasitor C sehingga sinyal input yang berfrekuensi dibawah frekuensi cut-off akan dilewatkan dan sebaliknya diatas frekuensi cut-off akan digroundkan.

Dibawah ini akan ditunjukan respon ideal filter filter A_CL vs w pada rangkaian Rangkaian LPF -40dB/dec.

Hal-hal yang harus diketahui untuk mendapatkan nilai A_CL adalah :

Langkah pertama, misalkan kita memakai op-amp ideal maka Ed = 0 sehingga

Vo = Vb

Lalu gunakan hukum khirchoff arus untuk mencari tegangan di titik A, dimana I₃ = I₄

Untuk :

Lalu masukkan nilai V_A ke persamaan arus

Maka :

Pada saat w = w_c maka

Sehingga, bagian real dari A_CL bernilai 0. Jadi

misalkan R₁=R₂=R dan C₂ = 2C₁

Maka :

Jadi, untuk membuat grafik A_CL vs w, lakukan substitusi rumus w_c pada rumus A_CL menjadi seperti berikut :

Adapun langkah-langkah perancangan LPF -40dB/dec adalah seperti berikut :

1. Pilih ᾡ atau f_c
2. Pilih R1=R2=R (10kΩ s/d 100kΩ)

3. Hitung C₁= 0.707/ᾡR

4. Hitung C₂ = 2C₁
5. Pilih R_f= 2R , untuk memperkecil efek bias current.

Tabel 4 Besarnya A_CL terhadap nilai w pada LPF -40 dB/dec

Gambar 222 Respon rangkaian LPF -40dB/dec A_CL vs w

a. Resistor

Setiap komponen elektronika memiliki simbol-simbol unik untuk keperluan memudahkan membedakannya dalam rangkaian elektronika, begitu juga resistor. Berikut adalah simbol-simbol resistor dalam rangkaian elektronika.

resistor tetap, Variable Resistor, Thermistor, LDR

Resistor adalah komponen Elektronika Pasif yang memiliki nilai resistansi atau hambatan tertentu yang berfungsi untuk membatasi dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian Elektronika (V=I R).

Jenis Resistor yang digunakan disini adalah Fixed Resistor, dimana merupakan resistor dengan nilai tetap terdiri dari film tipis karbon yang diendapkan subtrat isolator kemudian dipotong berbentuk spiral. Keuntungan jenis fixed resistor ini dapat menghasilkan resistor dengan toleransi yang lebih rendah.

Cara menghitung nilai resistor:

Tabel warna

Contoh :

Gelang ke 1 : Coklat = 1

Gelang ke 2 : Hitam = 0

Gelang ke 3 : Hijau = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105

Gelang ke 4 : Perak = Toleransi 10%

Maka nilai resistor tersebut adalah 10 * 105 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.

b. Kapasitor

Simbol kapasitor pada proteus 8

Nilai kapasitor (104J) : 10 * 10^4 pF = 10^5 pF = 100nF; toleransi 5% = ± 95nF sampai 105nF
Kapasitor adalah komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan muatan listrik dalam waktu sementara.
Cara menghitung nilai kapasitor :
1. Masukan 2 angka pertama langsung untuk nilai kapasitor.
2. Angka ke-3 berfungsi sebagai perpangkatan (10^n) nilai kapasitor.
3. Satuan kapasitor dalam piko farad.
4. Huruf terakhir menyatakan nilai toleransi dari kapasitor.

Daftar nilai toleransi kapasitor :
B = 0.10pF
C = 0.25pF
D = 0.5pF
E = 0.5%
F = 1%
G = 2%
H = 3%
J = 5%
K = 10%
M = 20%
Z = + 80% dan -20%

Spesifikasi

c. OP AMP

Simbol op-amp 741 pada proteus 8

Konfigurasi PIN LM741:

Spesifikasi:

Respons karakteristik kurva I-O:

Contoh Soal:

1. Untuk membuat sebuah LPF dengan komponen resistor dan kapasitor, dibutuhkan kapasitor keramik dengan niai 10nF dan resistor yang bernilai 1KΩ lalu rangkai seperti pada rangkaian di bawah (Rangkaian LPF RC Filter).

Diketahui

π = 3.14
R = 1KΩ atau 1000Ω
C = 10nF atau 10 x 10-9 atau 0.000000001F

Ditanya : f = ?

Dijawab

f = 1/2πRC
f = 1/2 (3.14)(1000)(0.000000001)
f = 15.923,57 Hz atau sekitar 15,9KHz.

Dengan perhitungan ini, berarti semua frekuensi diatas 15,9kHz akan dihambat atau diblokir, semakin tinggi frekuensi dari 15,9kHz semakin besar pula penghambatannya, sedangkan frekuensi dibawah 15,9kHz akan dilewati atau diteruskan pada rangkaian selanjutnya.

Jadi, jika memasukan sinyal frekuensi rendah sebesar 10Hz ke rangkaian LPF RC Filter ini, maka rangkaian ini akan melewatkan sinyal tersebut hingga ke output hampir sepenuhnya dan tidak terlemahkan.

Ini dikarenakan sinyal frekuensi rendah tidak mengambil jalur kapasitor. Tetapi apabila kita menaikan frekuensi ke 30kHz, frekuensi ini akan mengalami peredaman yang besar, sehingga hampir tidak mencapai ke titik output.

Hal ini dikarenakan sinyal frekuensi tinggi akan mengambil jalur kapasitor serta bukan jalur ke output.

2. Untuk membuat rangkaian Low Pass RL Filter dengan sebuah resistor 10KΩ dan sebuah induktor yang bernilai 470mH. Rangkaiannya bisa kita lihat pada gambar di bawah(Rangkaian LPF RL Filter).

Diketahui

π = 3.14
R = 10KΩ atau 10.000Ω
L = 470mH atau 047H

Ditanya : f = ?

Dijawab

f = R / 2πL
f = 10.000 / 2 (3.14)(0.47)
f = 3.387,99 atau sekitar 3,39kHz.

Ini berarti bahwa semua frekuensi diatas 3,39kHz akan dilemahkan dan makin tinggi dari 3,39kHz pelemahannya makin besar, sedangkan frekuensi dibawah 3,39kHz akan dilewatkan.

3. Suatu rangkaian Low Pass Filter orde 1 memiliki nilai R1 = 1 kΩ dan C1 = 1 uF. Tentukan frekuensi cut-off dari Low Pass Filter tersebut!

Jawab :

Untuk menghitung nilai frekuensi cut-off dari Low Pass Filter orde 1 dapat dilakukan menggunakan persamaan (3):

4. Suatu rangkaian Low Pass Filter orde 2 memiliki nilai R1 = 1 kΩ, R2 = 2 kΩ, C1 = 2 uF, dan C2 = 1 uF. Tentukan frekuensi cut-off dari Low Pass Filter tersebut!

Jawab :

Untuk menghitung nilai frekuensi cut-off dari Low Pass Filter orde 2 dapat dilakukan menggunakan persamaan (5):

4.Percobaan [KEMBAL I]

A.Prosedur percobaan:

1. Buka aplikasi proteus
2. Siapkan alat dan bahan
3. Rangkai setiap komponen
4. Ubah spesifikasi komponen sesuai kebutuhan
5. Jalankan simulasi rangkaian
6. Amatilah Respons Frekuensi dan juga respons gelombangnya pada osiloskop

B. Gambar Rangkaian Simulasi

Adapun rangkaian LPF -40dB/dec adalah seperti pada gambar

C. Prinsip Kerja:

Pada tanggapan frekuensi Low Pass Filter ideal, sinyal yang berada di atas frekuensi cut-off tidak akan dilewatkan. Sementara pada tanggapan frekuensi Low Pass Filter praktik, sinyal di atas frekuensi cut-off akan dilemahkan, sehingga membentuk suatu daerah yang disebut dengan transition band (pita transisi), yang nilai kemiringannya dinyatakan dalam dB/oktav atau dB/dekade. Nilai kemiringan dari pita transisi dipengaruhi oleh orde filter, dimana semakin besar orde filter akan membuat nilai kemiringan dari pita transisi semakin besar dan bentuknya akan semakin curam (mendekati bentuk tanggapan frekuensi ideal). Pada tanggapan frekuensi praktik, juga diketahui nilai penguatan dari frekuensi cut-off yaitu sebesar 0,707 (atau -3 dB).

Pertama-tama untuk rangkaian LPF -40 dB/dec ini, buatlah sebuah rangkaian LPF dengan OP AMP, kapasitor, juga resistor.Kemudian sumber arus Ac dengan amplitudo 10 diumpankan ke resisor R1, selanjutnya masuk melalui rangkaian Low Pass Filter - 40dB/dec, dimana Omega cut off (Wc) kita dapatkan dari rumus Wc = 0,707/C1 R = 0,707/10 x 10*-9 x 10 x 10*3 = 7070 dan Acl = Vo/Vin = 0,707. sehingga dari Wc kita dapatkan Frekuensi cut off rangkain tersebut Fc = 7070/2 x 3.14 = 1125,225. hal ini akan meyebabkan apabilah frekuensi input lebih rendah dari frekuensi cut off, maka frekuensi rendah akan dibiarkan lolos. Namun jika frekuensi input lebih tinggi dari frekuensi cut off, maka frekuensi input tinggi tidak bisa melewati filter.

Muhammad Dimas Fatwa Syaputra

Rabu, 25 Mei 2022