Rangkaian Filter RC
Muhammad Rizal Fahlepy*), Risna Zulwiyati, Sulfianty, Zurnansyah
Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi
LATAR BELAKANG
Dalam sebuah rangkaian terdapat komponen yang masing-masing memiliki fungsi tertentu sehingga rangkaian tersebut dapat berfungsi dengan baik. Sebuah rangkaian yang terdiri atas kombinasi dari beberapa komponen aktif dan komponen pasif dirancang untuk meloloskan dan menahan sinyal masukan dengan rentang frekuensi tertentu. Rangkaian ini disebut sebagai rangkaian filter.
Filter adalah sebuah rangkaian yang terdiri atas komponen pasif dan aktif yang sengaja di rancang untuk dapat meloloskan dan menahan sinyal frekuennsi tertentu. Jaringan filter pasif hanya berisi tahanan, inductor dan kapasitor saja. Sedangkan jaringan Filter aktif berisikan transistor atau op-amp ditambah tahanan, inductor dan kapasitor.Dalam system komunikasi, filter digunakan untuk meloloskan frekuensi tertentu yang mengandung informasi rahasia dan meloloskan frekuensi yang lain. Dalam system stereo, filter dapat digunakan untuk mengisolasi rentang frekuansi tertentu berdasarkan tingkat nadanya.
Dasar pemahaman tentang proses tanggapan frekuensi ini, maka kita hanya akan mengkaji pada sifat RC yang bisa meloloskan frekuensi rendah dan tinggi dan sebagai alat pengubah (converter) gelombang persegi-ke-segitiga dan persegi-ke-pulsa dengan, masing-masing, mengintegrasikan dan mendiferensialkan gelombang inputnya dan rangkaiannya sendiri masing-masing disebut rangkaian integrator dan rangkaian diferensiator orde 1, yang hanya terdiri dari sebuah resistor yang seri dengan sebuah kapasitor.
Dalam dunia elektronika, kita mengenal dua jenis rangkaian filter, yaitu rangkaian filter pasif dan rangkaian filter aktif. Rangkaian filter pasif terdiri atas komponen-komponen pasif seperti resistor, kapasitor, dan induktor. Sedangkan rangkaian filter aktif terdiri atas komponen aktif, misalnya transistor. Kombinasi pasif dan aktif elemen resistor R, induktor L, dan kapasitor C (RLC) khusus dirancang untuk meloloskan atau menolak suatu rentang frekuensi tertentu yang disebut rangkian filter. Dalam sistem komunikasi, filter digunakan untuk meloloskan frekuensi tertentu yang mengandung informasi rahasia dan meloloskan frekuensi yang lain. Dalam sistem stereo, filter dapat digunakan untuk mengisolasi rentang frekuensi tertentu berdasarkan tingkat nadanya, tinggi, sedang, atau rendah. Suatu penapis (filter) elektronik, merupakan suatu rangkaian elektronik yang digunakan untuk menyaring, melemahkan, menahan, suatu frekuensi gelombang tertentu, dan melewatkan, meneruskan, gelombang dengan frekuensi yang diinginkan. Ada banyak cara untuk membuat suatu penapis elektronik, yang akan meneruskan frekuensi gelombang tertentu, serta menahan frekuensi yang tidak diinginkan. Menjadikan penapis elektronik sebagai signal conditioning, dengan meneruskan data yang diinginkan, dan menahan frekuensi noise atau interference yang mengganggu.
RUMUSAN MASALAH
- Bagaimanakah karakteristik jenis rangkaian RC tapis lolos rendah dan tinggi ?
- Bagaimana cara menentukan frekuensi cut-off rangkaian tapis RC lolos rendah dan lolos tinggi berdasarkan bode-plot.
- Bagaimana cara merancang sistem rangkaian tapis RC tingkat satu.
TUJUAN PERCOBAAN
- Membedakan jenis rangkaian RC tapis lolos rendah dan tinggi.
- Menentukan frekuensi cut-off rangkaian tapis RC lolos rendah dan lolos tinggi berdasarkan bode-plot.
- Merancang suatu system rangkaian tapis RC tingkat satu.
KAJIAN TEORI
Riak merupakan sesuatu yang tidak di inginkan, karenanya harus di usahakan untuk direduksi sekecil mungkin. Salah satu metode yang biasa di gunakan untuk mereduksi amplitude reduksi riak keluaran dari sebuah catu daya yaitu dengan memperbesar konstanta waktu pelepasan muatannya. Hal ini dapat dilakukan dengan memperbesar nilai C1 atau memperbesar nilai resistansi RL. namun cara yang kedua bukan cara yang baik karena RL merupakan resistansi efektif memiliki kemampuan untuk mengubahnya. Memperbesar nilai C1 merupakan alternatif paling praktis dan nilai kapasitor yang cukup besar digunakan. Rangkaian RC menggunakan dua komponen tambahan., R dan C yang bekerja sebagai rangkaian tapis (filter) untuk meredam riak. Nilai C dipilih sedemikian rupa sehingga komponen tersebut memiliki reaktansi yang dapat diabaikan pada frekuensi riak (50 Hz untuk setengan gelombang dan 100 Hz untuk gelombang penuh). Akibatnya R dan c bekerja menyerupai suatu pembagi tegangan (Haris, dkk, 2015: 183).
Rangkaian filter dapat digunakan dalam berbagai hal, misalnya rangkaian penapis orde dua dapat digunakan untuk meredam riak. Riak (rippel) merupakan sesuatu yang tidak diinginkan, karenanya harus diusahakan untuk direduksi sekecil mungkin. Salah satu metode yang biasa digunakan untuk mereduksi amplitude riak keluaran dari sebuah catu daya yaitu dengan memperbesar konstenta waktu pelepasan muatannya dalam rangkaian penapis RC orde dua (Haris, dkk, 2008).
Menurut Haris dan Saleh (2016), dasar pemahaman tentang proses tanggapan frekuensi ini, maka kita hanya akan mengkaji pada sifat RC yang bisa meloloskan frekuensi rendah dan tinggi dan sebagai alat pengubah (converter) gelombang persegi-ke-segitiga dan persegi-ke-pulsa dengan, masing-masing, mengintegrasikan dan mendiferensialkan gelombang inputnya dan rangkaiannya sendiri masing-masing disebut rangkaian integrator dan rangkaian diferensiator orde 1, yang hanya terdiri dari sebuah resistor yang seri dengan sebuah kapasitor yang ditunjukkan oleh gambar berikut:
Tapis Lolos Rendah RC
Menurut Haris dan Saleh (2016), untuk tapis lolos rendah yang dihasilkan oleh pengintegralan RC, sinyal keluaran rangkaian merupakan integral dari sinyal masukan yang dinyatakan oleh :
Di mana rasio Vo/Vi atau faktor penguatan tegangan (AV) dari rangkaian pada Gambar 1 (a) ditentukan dengan :
Untuk frekuensi khusus di mana XC = R, amplitudo menjadi :
Dan menghasilkan frekuensi kritis atau frekuensi cut-off sebesar :
Plot ternormalisasi antara faktor penguatan tegangan AV terhadap frekuensi f menghasilkan kurva seperti pada gambar berikut.
Tapis Lolos Tinggi RC
Menurut Haris dan Saleh (2016), untuk tapis lolos tinggi yang dihasilkan oleh rangkaian differensiator RC, sinyal keluaran rangkaian merupakan diferensial dari sinyal masukan yang dinyatakan oleh :
Dengan rasio Vo/Vi atau faktor penguatan tegangan (AV) dari rangkaian pada Gambar 1 (b) ditentukan dengan :
Untuk frekuensi khusus di mana XC = R, amplitudo menjadi :
Dan menghasilkan frekuensi kritis atau frekuensi cut-off sebesar :
Plot ternormalisasi antara faktor penguatan tegangan AV terhadap frekuensi f menghasilkan kurva seperti pada gambar berikut.
METODE PERCOBAAN
Alat dan Bahan
- Osiloskop sinar katoda + Probe 1 set
- Audio Function Generator 1 buah
- Resistor 1 buah
- Kapasitor 1 buah
- Kabel penghubung 4 buah
Identifikasi Variabel
- Variabel kontrol : Hambatan R (Ω), Kapasitansi C (F), dan tegangan masukan VIN (volt)
- Variabel manipulasi : frekuensi f (Hz)
- Variabel respon : tegangan keluaran VOUT (volt)
Definisi Operasional Variabel
- Hambatan R adalah kemampuan resistor cincin untuk menghambat sinyal input dalam arus bolak balik yang ditentukan berdasarkan kode warna yang tertera pada resistor cincin tersebut, satuannya adalah ohm (Ω).
- Kapasitansi C adalah kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan, nilainya ditentukan berdasarkan kode yang tertera pada kapasitor, satuannya adalah Farad (F).
- Tegangan masukan VIN adalah nilai tegangan yang dialirkan pada rangkaian RC dan bersumber dari Audio Function Generator, duukur dengan satuan volt (V).
- Frekuensi f adalah nilai frekuensi dari sinyal masukan yang dialirkan pada rangkain RC yang diperoleh dengan cara memutar tombol pengatur frekuensi pada Audio Function Generator, satuannya ialah hertz (Hz).
- Tegangan keluaran Vout adalah besarnya tegangan keluaran yang nilainya diperoleh dari penunjukan skala pada layar monitor osiloskop, satuannya ialah volt (V).
Prosedur Kerja
Gambar 4. (a) Rangkaian RC Integrator (b) Rangkaian RC Diferensiator
1. Filter RC Lolos Rendah (Integrator)
Langkah pertama yang harus dilakukan adalah mempersiapkan alat dan bahan yang diperlukan, kemudian membuat sebuah rangkaian tapis lolos rendah sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar 4. Terdapat beberapa hal yang harus dikur dan dicatat sebelum melakukan pengamatan, di antaranya menghitung nilai/harga komponen C dan R, menghitung besar frekuensi potong (cut-off) yang ditentukan berdasarkan persamaan [4], mengukur tegangan pincak Vi (maksimum) audio generator untuk gelombang persegi, dan mengkalibrasi basis waktu dan basis tegangan pada osiloskop. Setelah itu, barulah dilakukan pengamatan dan pengukuran tegangan output VOUT dengan langkah-langkah sebagai berikut. Setelah tampilan output tampak pada layar monitor osiloskop dan telah dipastikan bahwa rangkaian berfungsi dengan baik, maka langkah yang dilakukan selanjutnya adalah memutar tombol/pemutar frekuensi pada angka penunjukan 30 Hz. Kemudian mengukur tegangan puncak yang tampak pada layar monitor dan sekaligus gambar model keluarannya. Pengambilan data dilakukan sampai nilai tegangan output VOUT pada layar osiloskop tidak dapat diukur. Rentang nilai frekuensi keluaran yang dimanipulasi sesuai dengan angka logaritma, yaitu 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz,…., 100 Hz, 200 Hz,….., 1000 Hz, 2000 Hz, dan seterusnya. Hasil pengamatan dicatat pada tabel hasil pengamatan.
2. Filter RC Lolos Tinggi (Diferensiator)
Untuk pengamatan pada filter lolos tinggi, dibuat rangkaian seperti yang terlihat pada gambar 4. Proses pengamatan dan pengambilan data sama halnya dengan rangkaian tapis RC lolos rendah, yakni dengan mengubah-ubah nilai frekuensi keluaran pada audio function generator dan mengukur tegangan puncak yang tampak pada layar monitor osiloskop. Rentang nilai frekuensi keluaran yang dimanipulasi sesuai dengan angka logaritma, yaitu 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz,…., 100 Hz, 200 Hz,….., 1000 Hz, 2000 Hz, dan seterusnya. Hasil pengamatan dicatat pada tabel hasil pengamatan.
HASIL PENGAMATAN DAN ANALISIS DATA
Hasil Pengamatan
R = 200 Ω ± 5 % C = 22 x 10^-8 F Vin = 1,5 volt fc = 36.190 Hz
Tabel.1 Hubungan antara frekuensi dan tegangan pada integrator
Tabel.2 Hubungan antara frekuensi dan tegangan pada diferensiator
Analisis Data
Untuk analisis data pengukuran dan ketidakpastian praktikum Rangkaian Filter RC silahkan mendownloadnya disini PDF WORD
PEMBAHASAN
Telah dilakukan praktikum elektronika dasar yang berjudul “Rangkaian Filter RC” yang bertujuan untuk; membedakan jenis rangkaian RC tapis lolos rendah dan tinggi, menentukan frekuansi cut-off rangkaian tapis RC loos rendah dan lolos tinggi berdasarkan bode-plot, dan merancang suatu sistem rangkaian tapis RC tingkat satu. Sebelum memulai praktikum, dilakukan spesifikasi alat dan bahan yang akan digunakan yaitu R = 200 Ω ±5 %, C = 22 x 10^-8 F, Vin = 1,5 volt dan fc = 36.190 Hz. Setelah itu, dipersiapkanlah perangkat dan prosedur kerja, dimana ada dua jenis rangkaian yang akan dianalisis yang masing-masing memiliki prinsip yang sama, tapi yang membedakan adalah cara pengambilan outputnya saja.
Berdasarkan grafik ternormalisasi dari rangkaian integrator yang telah diperoleh, terlihat bahwa semakin besar nilai frekuensi yang diinput, maka nilai faktor penguatan dari rangkaian menjadi semakin kecil. Hal ini menjelaskan bahwa pada rangkaian filter RC lolos melakukan penyaringan sinyal dari frekuensi-frekuensi tertentu saja, yaitu menahan sinyal berfrekuensi tinggi dan meloloskan sinyal berfrekuensi rendah. Sedangkan pada grafik plot ternormalisasi dari rangkaian diferensiator, menjelaskan bahwa semakin besar nilai frekuensi yang diinput maka nilai dari faktor penguatan rangkaian menjadi semakin besar. Artinya rangkaian filter RC lolos tinggi melakukan penyaringan sinyal dari frekuensi-frekuensi tertentu, yaitu menahan sinyal berfrekuensi rendah dan meloloskan sinyal berfrekuensi tinggi. Hal ini sesuai dengan teori bahwa pada rangkaian integrator nilai faktor penguatan dari rangkaian akan semakin mengecil ketika nilai frekuensi yang diinput diperbesar. Sedangkan pada rangkaian diferensiator, nilai faktor penguatan akan semakin besar ketika nilai dari frekuensi yang diinput diperbesar.
Adapun nilai frekuensi cut-off yang diperoleh berdasarkan grafik pada rangkaian RC integrator dan diferensiator adalah 20000 Hz. Jika dibandingkan dengan nilai frekuensi yang dihitung berdasarkan persamaan [4], dapat disimpulkan bahwa nilainya menyimpang jauh dari nilai teori. Secara spesifik, nilai persentase perbedaan antara keduanya adalah 57,62%. Besarnya kesalahan ini disebabkan oleh beberapa hal di antaranya praktikan kurang teliti dalam melakukan pengukuran tegangan keluaran Vout pada alat Audio Function Generator. Selain itu kesalahan juga bisa jadi disebabkan karena peralatan yang digunakan kurang memadai, karena pada saat praktikum nilai tegangan keluaran Vout tidak dapat mencapai nilai yang setara dengan tegangan inputnya, yakni 2 V sehingga perolehan nilai frekuensi cut off tersebut kurang akurat.
KESIMPULAN
Setelah melakukan percobaan ini, dapat disimpulkan hal-hal berikut:
- Perbedaan mendasar antara rangkaian tapis lolos rendah dan tapis lolos tinggi terletak pada pengukuran tegangan keluarannya, pada rangkaian tapis lolos rendah, tegangan keluaran diukur pada kapasitor, sedangkan pada rangkaian lolos tinggi tegangan keluarannya diukur pada resistor. Rangkaian RC tapis lolos rendah merupakan rangkaian yang bersifat meloloskan frekuensi rendah dan menahan frekuensi tinggi, sedangkan rangkaian RC tapis lolos tinggi merupakan rangkaian yang bersifat meloloskan frekuensi tinggi dan menahan frekuensi rendah.
- Dalam menentukan frekuensi cut off dapat dilakukan secara teori dan praktikum. Secara teori digunakan persamaan fc=1/2πRC, sedangkan secara praktikum dapat diketahui berdasarkan bode-plot. Berdasarkan hasil analisis perhitungan diperoleh nilai frekuensi cut-off secara teori pada rangkaian RC lolos rendah dan RC lolos tinggi adalah 36190 Hz sedangkan secara praktikum diperoleh nilai yang berbeda yaitu 28095 Hz. Dari hasil yang telah diperoleh terlihat bahwa frkuensi cut off secara teori dan praktikum berbeda dimana persentase yang dihasilkan adalah 57,62%.
- Sistem rangkaian tapis RC tingkat satu tersusun atas sebuah resistor dan sebuah kapasitor, yang dimana komponen tersebut disusun seri.
REFERENSI
Bakri, Abdul Haris, M. Agus Martawijaya & Muh. Saleh. 2015. Dasar-Dasar Elektronika. Makassar: Edukasi Mitra Grafika
Bakri, Abdul Haris, Saleh, Muh. 2016. Penuntun Praktikum Elektronika Dasar. Makassar: Laboratorium Elektonika dan Instrumen UNM
Theraja, B.L. & A.K. Theraja. 1994. A Text Books of Electrical Technology, vol. IV. New Delhi: Nirja Construction & Development Co. (P) LTD