Jurnal Pembelajaran Fisika

KEGIATAN II

FILTER PASIF (LOW PASS DAN HIGH PASS)

I.                   TUJUAN

1.      Untuk menyelidiki tanggapan amplitudo low pass filter

2.      Untuk menyelidiki tanggapan amplitudo high pass filter

3.      Untuk menentukan frekuensi potong bawah dan atas kedua filter

II.                DASAR TEORI

Menurut Tanoto (2005) Filter pasif banyak digunakan untuk mengkompensasi kerugian daya reaktif akibat adanya harmonisasi pada sistem instalasi. Rangkaian filter pasif terdiri dari komponen R, L, dan C.

Komponen utama yang terdapat pada filter pasif adalah :

1.      Kapasitor

Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk memperoleh sebuah total rating tegangan dan Kver yang digunakan.

2.      Induktor

Induktor digunakan dalam rangkaian filter dirancang mampu menahan selubung frekuensi tinggi yaitu efek kulit (skin effect).

Gambar 2.1 Rangkaian Passive Filter

Filter pasif tersusun dari kapasitor dan induktor dengan satu frekuensi yang disetting pada frekuensi tegangan harmonisasi yang akan dihilangkan

                                                                               (1)

Dimana :

fr          = Frekuensi Setting

L          = Induktensi

C          = Kapasitansi                                                 

Rangkaian dalam gambar 2.2 merupakan satu rangkaian dengan satu masukan dan satu keluaran, berarti merupakan rangkaian dua gerbang seperti suatu penguat. Cuma disini tidak terjadi penguatan antara output dan input :

                                                                                              (2)

Sisi kiri dari rangkaian dalam gambar 2.2 dipakai sebagai input dan sisi kanan dipakai sebagai output. Maka terdapat voltage sain dari persamaan untuk pembagi tegangan :

 

Gambar 2.2 : Lowpass filter yang sederhana

                                                     (3)

Dari (3) terdapat harga mutlak dari A sbb :

                                         (4)

Hubungan antara dan frekuensi f dan hubungan antara pergeseran sudut dan frekuensi f yang terdapat dari (4) :

Kalau frekuensi rendah, besar output hampir sama dengan besar input. Kalau frekuensi naik, bagian input yang diteruskan ke output akan berkurang. Berarti frekuensi rendah diteruskan dan frekuensi tinggi diserap. Oleh sebab itu rangkaian ini disebut lowpass filter atau tapis lolos rendah. Frekuensi dimana hanya  dari input diteruskan ke output disebut cutoff frequency fc atau frekuensi batas 3dB:

                                                                                       (5)

Pada cutoff frequency, output berkurang 3dB daripada input, berarti :

                                                 (6)

Dari (4) dan defenisi (5) terdapat besar frekuensi batas 3dB pada lowpass filter dalam rangkaian gambar (2.2) sbb :

Bahwa output dari rangkaian seperti ini turun terhadap frekuensi bisa dilihat dengan mudah dari voltage dan arus pada resistor dan kondensator dalam fasor.

Gambar 2.3 : rangkaian lowpass filter yang dibebani dengan R_beban

Kalau frekuensi dan harga mutlak dari |A| digambarkan dalam skala logaritmis, maka terdapat kemiringan 1. Yang dimaksud dengan kemiringan 1 adalah |A| turun satu dekade ketika f naik satu dekade. Dikatakan bahwa filter ini mempunyai orde 1.

Kalau rangkaian ini dibebani berarti pada output rangkaian ini ada arus keluar (misalnya karena ada resistor yang dirangkai secara paralel dengan kondensator) maka perhitungan berubah. Kalau resistivitas rangkaian asli, maka arus yang mengalir dalam beban bisa diabaikan dan sifat rangkaian hampir sama. Tetapi kalau resivitas beban lebih kecil dibanding dengan arus yang mengalir dalam rangkaian asli, maka sifat rangkaian akan jauh berubah. Cara menghitung sifat dari rangkaian ini sama dengan rangkaian seri dan paralel dengan resistor, hanya disini impedansi R_beban yang dirangkai paralel dengan kondensator yang menghasilkan Z_rc dan resistor R terdapat sifat rangkaian seluruhnya. Sifat dari rangkaian ini bisa juga dimengerti dengan memakai fasor. Bisa jga rangkaian lowpass filter ini dipandang dari keluarannya. Dari keluarannya terdapat rangkaian paralel dengan resistor R dan kondensator C. Impedansi rangkaian paralel ini adalah impedansi keluaran yang menentukan hubungan antara arus dan voltage keluaran. Semakin besar arus dalam beban, maka sifat dari rangkaian ini akan semakin mendekati sifat dari pembagi tegangan dengan dau resistor dan kondensator. Berarti sifat tapis lolos rendah akan semakin hilang.

Hal ini harus diperhatikan kalau merancang filter untuk keperluan tertentu. Mengenai sifat dari rangkaian yang dibebani.

Kalau resistor dan kondensator dibalikkan seperti gambar 2.4 :

Gambar 2.4 : Highpass filter yang sederhana

Maka akan didapatkan suatu rangkaian highpass filter atau tapis lolos tinggi (Blocher, 2004 : 69 – 74).

Menurut Sutrisno (1986) Pada rangkaian tapis RC lolos rendah, untuk frekuensi rendah tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan, akan tetapi pada frekuensi tinggi isyarat keluaran diperkecil.

Hambatan R dan reaktansi kapasitor C membentuk pembagi tegangan kompleks.

Gambar 2.5 : Rangkaian tapis RC lolos rendah

 ......... (8)

Dengan  dan

Perbandingan antara tegangan keluaran kompleks (w) dan tegangan masukan kompleks ( ) disebut fungsi alih :

 ............................... (9)

Bentuk fungsi alih  dapat dibuat lebih sederhana menjadi :

Dengan

Rangkaian tapis RC lolos tinggi ditunjukkan pada gambar dibawah :

Gambar 2.6 Tapis RC lolos tinggi

Rangkaian ini disebut rangkaian pendiferensial RC fungsi alih :

 ...................... (10)

Dengan  dan

Filter are simply an extension of the tunet networks introduced in the previous section. As the name would-imply, filters pickout a range of frequencies for passage or blokage. They filter out the unwanted frequencies. The first to be described is called the band-passs filter since it “passes” a particular range of frequencies in fig a series resonant circuit was designed to perform this function. The output is taken off  the resistor R₁. The resistence R₁ is the internal resistance of the inductor. Usually the resistance R₁ is considerably larger than R₁, resulting in a major portion of the applied voltage appearing across R₁ or as V₀. At resonance, the impedance of the series R₁,X₁, and X_c circuit is a minimum, and

                                                                                      (11)

Figure 2.7 : Series resonant filter

At lower frequencies the rectance of the capacitor increases, resulting in an increasing part of E appearing across the resonant circuit. At higher frequencies the reactance of X_l will override, and an increasing part of E will again appear across the resonant circuit. The output frequency curve appears in fig only those frequencies near the resonant value will pass to the next stage. If the output were taken off the resonant circuit, we would have a band stop filter where only a certain band of frequencies is not permitted to pass (Boylestad, 1989 : 191-192).

III.             ALAT DAN KOMPONEN

1.    AFG

2.    CRO

3.    Hambatan dan kapasitor

4.    Breadboard dan kabel tusuk

IV.             PROSEDUR PERCOBAAN

a.     Percobaan Low Pass Filter

1.    Disusun rangkaian low pass filter seperti gambar berikut

 

2.      Digunakan R=150 ohm dan C=0,1 MF

3.      Pada input masukan low pass filter diberi input (sinosoidal) sekitar 5V menggunakan signal generator dan frekuensi yang berbeda dari 10 Hz – 100 Khz

4.      Digambar kurva tanggapan amplitudo pad V_in dan V_out  pada masing-masing frekuensi

5.      Dicatat hasil pengukuran pada tabel data

b.      Percobaan high pass filter

1.      Disusun rangkaian high pass filter seperti gambar berikut

2.      Digunakan R=100 ohm dan C=0,1 F

3.      Pada input masukan high pass filter diberilah input (sinusoidal) sekitar 500 V_pp menggunakan signal generator dan frekuensi yang berbeda dari 10 Hz – 100 KHz

4.      Digambar kurva tanggapan amplitudo pada V_in dan V_out  pada masing-masing frekuensi.

5.      Dicatat hasil pengukuran pada tabel data

                   

V.      DATA HASIL

1. Percobaan Low Pass Filter

No.	Frekuensi	Vin	Vout
1	122,05 Hz	0,31 V	1,83 V
2	140,02 Hz	0,31 V	1,83 V
3	182,22 Hz	0,31 V	1,83 V
4	251,04 Hz	0,31 V	1,83 V
5	300 Hz	0,31 V	1,83 V
6	26,785 Khz	0,31 V	2,54 V
7	3,2649 KHz	0,31 V	1,41 V

2. Percobaan High Pass Filter

No	Frekuensi	Vin	Vout
1	4,5001Hz	0,31 V	0,84 V
2	10,568 Hz	0,31 V	0,84 V
3	15,178 Hz	0,31 V	0,98 V
4	25,317 Hz	0,31 V	0,98 V
5	30,483 Hz	0,31 V	0,98 V
6	32,021 Khz	0,31 V	0,84 V
7	70,788 KHz	0,31 V	0,84 V
8	256,63 Hz	0,31 V	0,56 V
9	323,41 Hz	0,31 V	0,56 V
10	1,0405 Hz	0,31 V	0,56 V
11	2,0146 Hz	0,31 V	0,42 V

VI.             PEMBAHASAN

Pada praktikum kali ini membahas mengenai “Filter pasif (low pass dan high pass)”. Dimana filter adalah suatu rangkaian yang digunakan untuk membuang tegangan output pada frekuensi tertentu. Untuk merancanng filter pasif, komponen yang digunakan yaitu resistor dan kapasitor.

Filter lolos rendah (Low Pass Filter) adalah filter yang hanya melewatkan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut-off (fc). Diatas frekuensi tersebut outputnya mengecil (idealnya tidak ada). Low pass filter tegangan inputnya meloloskan frekuensi <2 RC. Sedangkan frekuensi tinggi akan ditahan. Rangkaian ini berfungsi sebagai pengintegral (integrator). Rangkaian RC low pass filter dan tanggapan frekuensinya ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar : Low Pass Filter pasif dan tanggapannya

Tapis lolos tinggi (high pass filter) adalah filter yang outputnya hanya melewatkan frekuensi di atas frekuensi cut-off fc. Dibawah frekuensi itu output idealnya tidak ada. Pada tapis lolos tinggi tegangan inputnya meloloskan frekuensi >2 RC dan menahan frrekuensi rendah sehingga disebut sebagai deferensitor. Rangkaian high pass filter terdiri dari kapasitor yang terhubung secara paralel dengan resistor.

Rangkaian RC HPF dan tanggapan frekuensinya ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar : Rangkaian high pass filter dan tanggapannya

Pada percobaan ini digunakan rangkaian low pass filter kapasitif dan high pass filter kapasitif.

Rangkaian low pass filter kapasitif tersusun dari dua komponen utama yaitu resistor dan kapasitor. Kapasitor pada rangkaian low passs filter akan semakain rendah reaktansinya saat frekuensinya tinggi (meningkat).

Hal ini menyebabkan frekuensi yang berada dibawah frekuensi cut-off akan mengalir ke beban. Begitu juga dengan high pass filter.

Pada percobaan kali ini alat dan bahan yang digunakan adalah AFG, CRO, Resistor, kapasitor, breadboard dan kabel tusuk. Percobaan dilakukan sesuai dengan prosedur. Tetapi syaangnya kali ini kami gagal untuk melakukan percobaan. Hal ini dikarenakan kerusakan pada alat tepatnya osiloskop dimana CRO tidak sama sekali menampilkan sinyal tanggapan. Oleh karena itu pengukuran tidak dapat dilakukan. Sehingga sebagai bahan untuk membuat laporan, kami mengambil literatur dari hasil data percobaan orang lain untuk dibahas pada laporan ini.

Pada percobaan low pass filter digunakan hambatan sebesar 100  dan kapasitor 0,22 F kemudian dirangkai seperti gambar berikut :

Kemudian rangkaian diatas dihubungkan dengan signal generator dan osiloskop, pada input masukan diberi input (sinusoidal) sekitar 5V dan frekuensi yang berbeda-beda dari kisaran 10 hz hingga 100 Khz

Berdasarkan data yang digunakan frekuensi sebesar 121,05 Hz ; 140,02Hz ; 182,22 Hz; 251,04Hz; 300Hz ; 26,785Khz dan 3,2649 KHz. Saat frekuensi sebesar 121,05 Hz, skala menunujukan angka 2,6, maka untuk menentukan nilai V_pp (tegangan puncak ke puncak) digunakan rumus:

Karena volt/div yang dipakai adalah 2 maka :

                                                       = 5,2 volt

Selanjutnya dengan menghitung V_p (tegangan puncak), dimana V_p adalah :

Kemudian untuk menentukan nilai V_out ditentukan terlebih dahulu V_eff :

Karena V_eff =V_out maka dapat diketahui bahwa V_out pada frekuensi 121,05 Hz adalah sebesar 1,83 volt.

        Untuk frekuensi yang lain, V_out nya juga dapat ditentukan dengan persamaan yang sama. Pada frekuensi 140,02 Hz; 182,22Hz ; 251,04Hz ; 300Hz didapat nilai V_out nya sebesar 1,83 volt. Pada frekuensi 26,785 KHz V_out nya 2,54 volt dan frekuensi 3,2649 Hz V_out nya sebesar 1,41 volt.

        Nilai V_in pada percobaan low pass filter diukur dengan menghubungkan signal generator dan osiloskop saja tanpa rangkaian low pass filter. Setelah dilakukan percobaan, osiloskop menunjukkan skala pengukuran sebesar 1,5. Untuk menentukan V_pp maka :

                                                        =0,9 V

                                                        =0,31 V

Jadi, nilai V_in adalah sebesar 0,26 volt

        Selanjutnya untuk percobaan kedua adalah mengenai high pass filter. Pada percobaan ini digunakan hambatan sebesar 100  dan kapasitor 47 . Kemudian dirangkai seperti gambar berikut :

        Untuk menentukan nilai V_in, sinyal generator lagsung dihubungkan dengan osiloskop tanpa rangkaian diatas. Perhitungan dapat dilakukan dengan cara yang sama pada percobaan pertama :

Jadi , nilai V_in didapat 0,26 volt

        Untuk menentukan V_out digunakan frekuensi yang bervariasi yaitu antara 10 Hz hingga 10 KHz. Frekuensi keluaran signal generator yang dipakai antara lain : 4,5001 Hz ; 10,568Hz ; 15,178Hz ; 25,317Hz ; 30,483Hz ; 32,021Hz ; 70,788Hz ; 256,63Hz ;323,41Hz  ; 1,0405 KHz dan 2,0146 KHz dengan menggunakan cara perhitungan yang sama dengan percobaan pertama. Nilai V_out untuk frekuensi 4,50001 Hz ; 10,568Hz ; 32,021Hz ; dan 70,788Hz sebesar 0,84Volt, frkuensi 15,178 Hz ; 25, 317 Hz ; dan 30,483 Hz sebesar 0,98 volt dan untuk frekuensi 256,63 Hz ; 323,41Hz ; 1,0405 Hz sebesar 0,56 volt. Dan untuk frekuensi 2,0146 V_out nya sebesar 0,42 volt.

Untuk menghitung nilai frekuensi potong (cutoff) baik pada low pass filter maupun high pas filter digunakan rumus :

        Jika pada percobaan low pass filter besar resistor yang digunakan adalah 100  dan kapasitor 0,22 F, maka harga frekuensi potongnya dapat diketahui dengan :

Jadi, frekuensi cutoff pada low pass filter yang telah dipercobakan adalah 7237,98 Hz

        Sedangkan pada high pass filter resistor yang diapakai adalah 100  dan kapasitor 47 . Dengan demikian maka :

Jadi, frekuensi cutoff pada percobaan high pass filter adalah 33,87 Hz.

VII.          KESIMPULAN

1.      Low pass filter adalah filter yang meloloskan signal frekuensi rendah. Tegangan inputnya meloloskan frekuensi kurang dari 2 dan menahan frekuensi tinggi rangkaian low pass filter dan tanggapan amplitudonya yaitu pada gambar berikut :

(Rangkaian Low Pass Filter)                                (Kurva Tanggapan Amplitude LPF)

2.      High pass filter adalah filter yang meloloskan signal frekuensi tinggi. Tegnagan inputnya meloloskan frekuensi besar dari 2  dan menahan frekuensi rendah. Rangkaian high pass filter dan tanggapan amplitudonya yaitu pada gamabar berikut :

(Rangkaian High Pass Filter)                               (Kurva Tanggapan Amplitude HPF)

3.      Untuk menentukan frekuensi potong atau (cutoff) atas dan bawah pada low pass filter dan high pass filter dapat digunkan rumus :

                

                 Dimana :          R =resistor yang digunakan ( )

                                         C=kapasitor yang digunakan (F)

VIII.       DAFTAR PUSTAKA

Blocher, Richard.2003. Dasar Elektronika. Yogyakarta : Andi.

Boylestad, Robert 1989. Elektronica A survey Third Edition. Singapura : Prentice                           Hall International, Inc

Sutrisno . 1986. Elektronika Dasar dan Penerapannya. Bandung : ITB

Tanoto, Yusaj. 2005. Simulasi aktif filter dan system kerja rangkaian dalam                                     meredam harmonisa pada Vacum Casting Induction Fumance. Jurnal Teknik Elektro UK Petra. September 2005.