Filter Elektrik

SESI/PERTEMUAN KE : 7, 8

SESI/PERTEMUAN KE : 8, 10, 11

Tujuan Instruksional Khusus : Pada akhir perkuliahan mahasiswa diharapkan dapat:

1. Menjelaskan fungsi filter elektrik

2. Menjelaskan frinsip kerja filter

3. Membedakan jenis-jenis filter menurut karaterisitknya

4. Menggambarkan kurva respon frekuensi filter

5. Mendisain filter resonan

6. Menjelaskan prinsip kerja filter-filter khusus

Pokok Bahasan : Filter Elektrik

Desripsi singkat : Hal-hal penting yang akan dibahas dalam materi filter antara lain, Fungsi dan prinsip kerja filter, Pemisahan tegangan ac dengan tegangan dc, konfigurasi filter pasif, Filter resonan, Filter-filter khusus.

I. Bahan Bacaan :

1. Bernard Grob. Basic Electronics, Bab 282. Skilling, Electric Circuit Analysis, bab 19

II. Pertanyaan Kunci1. Apa fungsi filter elektrik

2. Bagaimana prinsip kerja filter pasif RLC

3. Bagaimana konfigurasi filter menurut fungsinya

4. Bagaimana menggambarkan respon frekuensi filter

5. Bagaimana prinsip kerja filter resonan

6. Bagaimana prinsip kerja filter-filter khusus

III. Tugas

1. Gambarkan konfigurasi filter pasif menurut fungsinya

2. Gambarkan kurva respon filter menurut

3. Gambar filter BSF dan BPF dengan menggunakan rangkaian resonansi seri dan paralel baik secara terpisah maupun secara bersama-sama

BAB IV

F I L T E R E L E K T R I K

4.1 Pendahuluan

Filter digunakan untuk memisahkan komponen-komponen yang berbeda ukuran fisik yang tercampur bersama. Sebagai contoh, filter mekanik dapat memisahkan partikel dari cairan, atau partikel kecil dari partikel besar. Filter elektrik digunakan untuk memisahkan komponen-komponen sinyal atau gelombang dengan frekuensi yang berbeda-beda.

Umumnya induktor dan kapasitor digunakan untuk filterisasi karena kedua komponen tersebut mempunyai karakterisitk frekuensi yang berlawanan. Sebagai tambahan, fungsi filterisasi tergantung pada apakah L dan C terhubung seri atau paralel dengan beban. Aplikasi paling umum filterisasi adalah pemisahan frekuensi audio dari frekuensi radio dan pemisahan sinyal ac dari sinyal dc. Prinsip kerja dan karakteristik filter elektrik secara mendalam akan dijelaskan lebih lanjut.

4.2 Penyajian

4.2.1 Fungsi Filterisasi Elektrik

Rangkaian-rangkaian elektronik, sering mempunyai arus dengan frekuensi yang berbeda sesuai dengan tegangan yang berbeda frekuensi. Alasannya adalah bahwa sumber tegangan menghasilkan arus dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi sumber tegangan. Sebagai contoh, sinyal masukan ac ke rangkaian audio dapat mempunyai frekuensi audio yang tinggi dan rendah; rangkaian frekuensi radio (radio freqwency selanjutnya disingkat rf) dapat mempunyai rentang frekuensi radio yang lebar dalam masukan; detektor audio dalam radio mempunyai frekuensi radio dan frekuensi audio dalam keluarannya. Akhirnya penyearah dalam catu daya menghasilkan keluaran dc dengan riak ac (ripple) yang tertumpangkan pada level dc rata-rata.

Dalam aplikasi demikian dimana arus mempunyai komponen dengan frekuensi yang berbeda, biasanya dibutuhkan untuk mengambil atau menolak satu frekuensi atau jalur frekuensi tertentu. Dengan demikian filter elektrik digunakan untuk memisahkan frekuensi yang lebih tinggi dengan frekuensi yang lebih rendah.

Filter elektrik dapat melewatkan komponen-komponen frekuensi yang lebih tinggi ke resistansi beban yang merupakan High Pass Filter (selanjutnya disingkat HPF) atau frekuensi yang lebih rendah untuk Low Pass Filter (selanjutnya disingkat LPF). Sebagai contoh pada gambar 4.1a HPF melewatkan 10 kHz untuk menghasilkan keluaran, sambil menolak/meredam frekuensi yang lebih rendah 100 Hz dan pada gambar 4.1b adalah filterisasi sebaliknya , melewatkan frekuensi rendah 100 Hz dan meredam frekuensi yang lebih tinggi 10 kHz. Contoh ini menyangkut sinyal audio frekuensi tinggi dan sinyal audio frekuensi rendah.

Untuk kasus frekuensi audio tercampur dengan frekuensi radio, LPF memungkinkan frekuensi audio diperoleh pada keluaran. Atau HPF mengisinkan frekuensi radio dilewatkan ke beban.

Gambar 4.1 Fungsi filter elektrik. a) High Pass Filter, b) Low Pass Filter

4.2.2 Pemisahan Arus Searah (dc) yang Tercampur dengan Arus

Bolak- balik (ac)

Arus yang berubah amplitudonya tetapi tidak berubah polaritasnya dianggap sebagai arus searah berdenyut (pulsating dc) atau arus searah berfluktuasi (fluctuating dc). Arus demikian bukan arus searah mantap (steady dc) karena nilainya berfluktuasi. Namun demikian, arus ini bukan juga arus ac karena polaritasnya tetap sama, baik positif atau negatif.

Gambar 4.2a mengilustrasikan bagaimana rangkaian dapat mempunyai tegangan dan arus berfluktuasi. Dalam gambar ini, tegangan mantap dc dari baterei VB terhubung seri dengan tegangan ac VA. Karena kedua generator yang terhubung seri saling menjumlahkan, tegangan pada RL adalah jumlah kedua tegngan yang diberikan seperti yang diperlihatkan dalam bentuk gelombang VR pada gambar 4.2b.

Gambar 4.2 Arus dan tegangan dc berfluktuasi a) Rangkaian, b) Bentuk

tegangan pada RL

Dalam banyak aplikasi, rangkaian mempunyai tegangan dc berfluktuasi tetapi hanya komponen ac yang diinginkan. Dengan demikian komponen ac dilewatkan ke beban sementara komponen dc ditahan baik dengan transformator atau kapasitor kopling. Transformator dengan belitan sekunder yang terpisah mengisolasi atau menahan atau memblok arus dc mantap pada sisi primer. Kapasitor mengisolasi atau memblok tegangan dc mantap. 4.2.3 Kopling Transformator

Perlu diingat bahwa transformator menghasilkan tegangan induksi pada sekunder hanya untuk arus yang berubah-ubah pada primer. Untuk arus dc berfluktuasi pada primer, sekunder mempunyai tegangan keluaran hanya untuk komponen ac. Komponen dc pada primer tidak mempunyai efek pada sekunder.

Gambar 4.3 Kopling transformator menahan komponen dc pada primer dan

menginduksikan komponen ac ke sekunder

Dalam gambar 4.3 tegangan dc berfluktuasi pada primer menghasilkan arus primer berfluktuasi. Sumbu dc berkaitan dengan nilai mantap arus primer yang mempunyai medan magnet konstan, tetapi hanya dengan medan berubah tegangan sekunder diinduksikan. Karena itu hanya fluktuasi dalam primer yang menghasilkan keluaran pada sekunder. Karena tidak ada keluaran untuk arus primer konstan, level dc berkaitan dengan level nol untuk keluaran ac sekunder.

Bila arus primer naik di atas level konstan, kenaikan ini menghasilkn satu polaritas untuk tegangan sekunder sesuai dengan ekspansi medan; bila arus primer turun di bawah level konstan, tegangan sekunder berbalik polaritas sesuai dengan kontraksi medan. Hasilnya dalam sekunder adalah tegangan ac yang berubah polaritas terhadap level nol.

Fasa tegangan sekunder dapat seperti yang diperlihatkan berlawanan fasa 180o tergantung pada hubungan dan arah belitan. Demikian juga tegangan sekunder dapat lebih besar atau lebih kecil dari level ac primer tergantung pada perbandingan lilitan. Kemampuan untuk menahan komponen dc mantap pada primer sambil menghasilkan tegangan ac pada sekunder berlaku untuk semua transformator dengan belitan sekunder terpisah baik untuk inti besi mau pun untuk inti udara.4.2.4 Kopling Kapasitif

Metode ini merupakan tipe kopling yang paling umum dalam rangkaian-rangkaian amplifier. Kopling berarti menghubungkan keluaran suatu rangkaian ke masukan rangkaian berikutnya. Kebutuhannya adalah mencakup semua frekuensi dalam sinyal yang diinginkan sambil menolak komponen yang tidak diinginkan. Biasanya komponen dc harus diblok dari masukan amplifier ac.

Gambar 4.4 Rangkaian kopling RC yang menahan arus dc

Dalam gambar 4.4, tegangan denyut dc pada terminal masukan 1 dan 2 diberikan ke rangkaian kopling RC. CC akan terisi sampai level dc, yang adalah tegangan pengisian rata-rata. Dengan demikian komponen dc mantap diblok atau ditahan, karena tidak menghasilkan tegangan pada R. Antara terminal keluaran 3 dan 4. Perhatikan bahwa sumbu nol tegangan keluaran ac berhubungan dengan level rata-rata dc tegangan denyut dc masukan.

4.2.5 Nilai Tipikal Kapasitor Kopling

Nilai-nilai yang umum dari kapasitor rf dan kapasitor kopling untuk nilai resistansi seri R yang berbeda diperlihatkan dalam tabel 4.1. dalam semua kasus kapsitor kopling menahan komponen mantap dc dari tegangan masukan, sementara komponen ac diteruskan ke resistansi.

Ukuran CC yang dibutuhkan tergantung pada frekuensi komponen ac. Pada setiap frekuensi, nilai kapasitansi dalam dalam baris horizontal mempunyai XC sama dengan 1/10 kali nilai resistansi pada setiap kolom. Nilai tipikal kapasitior kopling untuk frekuensi audio adalah sekitar 0,1 sampai 10 F, tergantung pada frekuensi audio terendah yang akan dikopling dan nilai resistansi seri. Untuk kapasitor kopling rf sekitar 1 sampai 100 pF.

Nilai CC yang lebih besar dari 1 F biasanya dari jenis kapasitor elektrolit, yang harus dihubungkan dengan polaritas yang benar. Kapasitor ini mungkin sangat kecil, mungkin sepanjang inc, dengan tegangan 3 sampai 25 V untuk rangkaian-rangkaian transistor. Demikian juga, arus bocor kapasitor elektrolit tidak menjadi masalah serius dalam aplikasi karena tegangan rendah dan resistansi seri yang kecil untuk rangkaian-rangkaian transistor.

Tabel 4.1 Kapasitor kopling tipikal untuk AF dan RF

FrekuensiNilai CCJalur Frekuensi

R=1,6 kR= 16 kR=160 k

100 Hz10 F1 F0,1 FAF rendah

1000 Hz1 F0,1 F0,01 FAF menengah

10 kHz0,1 F0,01 F0,001 FAF tinggi

100 kHz0,01 F0,001 F100 pFRF rendah

1 MHz0,001 F100 pF10 pFRF menengah

10 MHz100 pF10 pF1 pFRF tinggi

100 MHz10 pF1 pF0,1 pFVHF

4.2.6 Kapasitor Bypass

Bypass adalah jalur pintas di sekitar komponen. Dalam rangkaian, bypass adalah jalur paralel atau jalur shunt. Kapasitor sering digunakan paralel dengan resistansi, untuk mem-bypass komponen ac dari tegangan denyut dc. Hasilnya adalah tegangan mantap dc pada kombinasi RC paralel, jika kapasitansi bypass cukup besar sehingga mempunyai reaktansi yang kecil untuk frekuensi terendah dari tegangan ac.

Gambar 4.5 Kapasitor bypass C1 terhadap R1

Seperti yang diperlihatkan dalam gambar 4.5, kapasitansi C1 paralel dengan R1 adalah bypass terhadap R1. Untuk frekuensi dimana XC sebesar 1/10 kali R1, atau lebih kecil, komponen ac di-bypass sekitar R1 melalui reaktansi yang rendah dalam jalur shunt. Hasilnya adalah praktis tegangan ac nol pada kapasitor bypass karena reaktansi yang rendah.

Karena tegangan sama pada R1 dan C1 karena keduanya paralel, juga tidak ada tegangan ac pada R1 untuk frekuensi dimana C1 berfungsi sebagai kapasitor bypass. Dapat dikatakan bahwa R1 di-bypass untuk frekuensi dimana XC sebesar 1/10 kali R1. Bypass juga diterapkan pada frekuensi dimana XC lebih kecil dari 1/10 kali R. Dengan demikian tegangan ac pada kapasitor bypass mendekati nol karena reaktansinya yang rendah.4.2.6 Bypass terhadap RF tetapi Tidak terhadap AF

Perhatikan gambar 4.6. Pada frekuensi audio 1000 Hz, C1 mempunyai reaktansi 1,6 M. Reaktansi ini jauh lebih besar dari R1 sehingga impedansi dari kombinasi paralel pada dasarnya sama dengan R1, 16000 . Dengan demikian R1 dan R2 berfungsi sebagai pembagi tegangan untuk tegangan yang diberikan 10 V. Masing-masing resistansi yang sama memperoleh setengah tegangan yang diberikan, 5 V pada R1 dan 5 V pada R2.

Untuk tegangan rf 1 MHz, reaktansi kapasitor bypass hanya 1600 . Nilai ini adalah 1/10 dari nilai R1. Dengan demikian XC1 dan R1 paralel mempunyai impedansi mendekati 1600 .

Gambar 4. C1 mem-bypass R1 untuk rf tetapi tidak untuk af

Dengan impedansi 1600 untuk banku R1C1 yang seri dengan R2 16000 , tegangan pada R1 dan C1 adalah 1/11 dari tegangan rf yang diberikan. Dengan demikian akan terdapat 0,9 V pada impedansi yang lebih rendah R1 dan C1 dan 9,1 V pada resisitansi yang lebih besar R2.

Hasilnya adalah komponen rf dari tegangan yang diberikan dapat dianggap di-bypass. C1 adalah bypass rf terhadap R1.

4.3 Rangkaian-Rangkaian Filter

Berdasarkan fungsinya, filter dapat diklasifikasikan sebagai Low Pass Filter (LPF) dan High Pass Filter (HPF). LPF melewatkan komponen frekuensi rendah dari tegangan yang diberikan untuk membangkitkan tegangan keluaran pada resistansi beban, sementara komponen frekuensi yang lebih tinggi diredam atau dikurangi pada keluaran. HPF melakukan hal berlawanan, melewatkan komponen frekuensi yang lebih tinggi untuk menghasilakn tegangan keluaran pada resistansi beban.

Kasus rangkaian kopling RC adalah contoh HPF karena komponen ac tegangan masukan dibangkitkan pada R sementara tegangan dc ditahan oleh kapasitor seri. Lebih lanjut, dengan frekuensi yang lebih tinggi dari komponen ac lebih banyak tegangan ac yang dikopel. Untuk kasus yang berlawanan, kapasitor bypass adalah contoh LPF. Frekuensi yang lebih tinggi di-bypass, tetapi frekuensi yang lebih rendah mengurangi fungsi bypass. Frekuensi yang lebih rendah dapat membangkitkan tegangan keluaran pada kapasitor bypass shunt.

Untuk membuat filterisasi lebih selektif dalam pengertian frekuensi mana yang akan dilewatkan untuk menghasilkan tegangan keluaran pada beban, rangkaian filter umumnya menggabungkan induktor dan kapasitor. Karena reaktansi induktip naik untuk frekuensi yang lebih tinggi, sementara reaktansi kapasitip berkurang, maka kedua efek yang berlawanan ini memperbaiki fungsi filterisasi.

Dengan kombinasi L dan C, filter diberi nama sesuai dengan konfigurasi rangkaian. Tipe yang paling umum adalah L, T dan seperti yang diperlihatkan pada gambar 4.9. Salah satu dari ketiganya dapat berfungsi sebagai LPF atau HPF.

Untuk LPF dan HPF dengan L dan C, reaaktansi XL harus naik untuk frekuensi yang lebih tinggi, sedangkan XC berkurang. Karakteristik frekuensi untuk XL dan XC tidak dapat dipertukarkan. Namun demikian hubungan rangkaian dibalik untuk membalik fungsi filterisasi.

Secara umum HPF menggunakan :

1. Kapsitor kopling C seri dengan beban. Dengan demikian XC akan rendah untuk frekuensi tinggi, sehingga dilewatkan ke RL, sementara frekuensi rendah diblok.

2. Induktansi peredam (choke inductance) diparalel dengan RL. Dengan demikian XL shunt akan bernilai tinggi untuk frekuensi tinggi untuk mencegah hubung singkat pada RL, sementara frekuensi rendah diblok.

Karakteristik berlawanan untuk LPF adalah :

1. Induktansi L seri dengan beban. XL yang tinggi untuk frekuensi tinggi dapat berfungsi sebagai peredam, sedangkan frekuensi rendah dapat dilewatkan ke RL.

2. Kapasitansi bypass C diparalelkan dengan RL. Dengan demikian frekuensi tinggi dibypass oleh XC yang kecil, sedangkan frekuensi rendah tidak dipengaruhi oleh jalur shunt.4.3.1 Low Pass Filter (LPF)

Gambar 4.6 mengilustrasikan rangkaian LPF dari kondisi filter elemen tunggal dengan kapasitor bypass (a), peredam seri (b), ke kombinasi yang lebih rumit seperti filter tipe L (c), Tipe T (d), dan tipe (e) dan (f). Dengan tegangan masukan yang mempunyai komponen-komponen dengan frekuensi yang berbeda, kinerja LPF menghasilkan tegangan keluaran frekuensi rendah yang maksimum pada RL, sedangkan sebagian besar tegangan frekuensi tinggi dibangkitkan pada peredam seri atau resistansi.

Dalam gambar 4.6a, kapasitor shunt C mem-bypass RL untuk frekuensi tinggi. Dalam gambar 4.6b, L peredam berfungsi sebagai pembagi tegangan dengan RL. Karena L mempunyai reaktansi maksimum terhadap frekuensi tertinggi, komponen ini pada tegangan masukan dibangkitkan pada L dan sebagian kecil pada RL. Untuk frekuensi yang lebih rendah, L mempunyai reaktansi yang rendah, dan sebagian besar tegangan masukan dapat dibangkitkan pada RL.

Gambar 4.6 Low Pass Filter. A) Kapasitor bypass paralel dengan RL, b) Peredam L seri dengan RL, c) Tipe L terbalik dengan peredam dan bypass, d) Tipe T dengan dua peredam dan satu bypass, e) Tipe dengan satu peredam dan dua kapasitor bypass, f) Tipe dengan resistansi seri sebagai pengganti peredam.

Dalam gambar 4.6c, pemakaian peredam seri dan kapasitor bypass memperbaiki fungsi filterisasi dengan memberikan pemancungan yang lebih tajam antara frekuensi rendah yang dapat membangkitkan tegangan pada RL dan frekuensi yang lebih tinggi yang akan dihentikan dari beban dengan menghasilkan tegangan maksimum pada L. Serupa dengan itu, rangkaian tipe T dalam (d), dan rangkaian tipe daalam (e) dan (f) memperbaiki filterisasi.

Penggunaan resistansi seri dalam gambar 4.6f, sebagai pengganti peredam, memberikan filter tipe yang eknonomis yang membutuhkan ruang yang lebih sedikit.

Kemampuan untuk mengurangi frekuensi yang tidak diinginkan adalah peredaman (attenuation) filter. Frekuensi dimana peredaman mengurangi keluaran sampai 70,7% respon adalah frekuensi pancung (cutoff frequency).

Jalur yang dilewatkan (Passed Band) dan Jalur yang ditahan (Stopped Band)

Seperti terlihat pada gambar 4.7, LPF meredam frekuensi diatas frekuensi cutoff 15 kHz dalam contoh ini. Komponen dalam tegangan masukan yang mempunyai frekuensi kurang dari 15 kHz menghasilkan tegangan keluaran pada beban. Frekuensi-frekuensi tersebut adalah jalur yang dilewatkan atau Passed Band. Frekuensi-frekuensi 15 kHz atau lebih berada dalam jalur yang ditahan Stopped Band. Ketajaman filterisasi antara passed band dan stopped band tergantung pada tipe rangkaian. Umumnya, makin banyak komponen L dan C makin tajam respon filter. Karena itu tipe dan tipe T adalah filter yang lebih baik daripada tipe L dan yang hanya berupa bypass atau peredam.

Kurva respon dalam gambar 4.7 diilustrasikan untuk penerapan LPF yang meredam tegangan rf sambil melewatkan frekuensi audio ke beban. Hal ini perlu dimana tegangan masukan mengandung komponen rf dan komponen audio, tetapi hanya tegangan audio yang diinginkan untuk rangkaian audio sesudah filter.

Gambar 4.7 Respon frekuensi Low Pass Filter

Contoh yang baik adalah filterisasi keluaran audio rangkaian detektor dalam penerima radio, sesudah sinyal pembawa rf yang termodulasi disearahkan. Aplikasi umum yang lain dari LPF adalah bila komponen dc dari tegangan denyut masukan harus dipisahkan dari komponen ac 60 Hz.Variasi Rangkaian

Pemilihan antara filter tipe T dengan peredam seri masukan dan tipe kapasitor shunt masukan tergantung pada resistansi internal generator yang menyuplai tegangan ke filter. Generator dengan resistansi rendah membutuhkan filter tipe T, sehingga peradam dapat memberikan impedansi yang tinggi ke kapasitor bypass. Sebaliknya , bypass harus sangat besar untuk menghubung singkat generator yang mempunyai resistansi rendah untuk frekuensi tinggi.

Filter tipe lebih cocok untuk generator beresistansi tinggi dimana kapasitor masukan dapat berfungsi efektip sebagai bypass. Untuk alasan yang sama, filter L dapat mempunyai bypass shunt baik pada masukan untuk generator dengan resistansi tinggi atau pada keluaran untuk generator dengan resistansi rendah.

Untuk semua rangkaian filter, peredam seri dapat dihubungkan baik pada sisi atas seperti gambar 4.9 atau seri pada sisi berlawanan dari saluran tanpa mempengaruhi efek filterisasi. Demikian juga komponen seri dapat dihubungkan pada kedua sisi saluran untuk rangkaian filter seimbang (balanced filter circuit).4.3.3 High Pass Filter

Seperti yang diilustrasikan dalam gambar 4.8, HPF melewatkan ke beban frekuensi-frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi cutoff, sedangkan frekuensi rendah tidak dapat membangkitkan tegangan yang cukup pada beban. Grafik dalam gaambar 4.8a menunjukkan respon HPF dengan stopped band 0 50 Hz. Di atas frekuensi 50 Hz, frekuensi audio yang lebih tinggi dalam passed band dapat menghasilkan tegangan pada resistansi beban.

Filterisasi HPF dihasilkan dari penggunaan CC sebagai kapasitor kopling yang terhubung seri dengan beban seperti dalam gambar 4.8b. Tipe , T, L menggunakan induktansi untuk peredam reaktansi tinggi pada saluran. Dalam cara ini komponen frekuensi yang lebih tinggi dari tegangan masukan dapat membangkitkan tegangan yang sangat kecil pada kapasitor seri, yang mengizinkan sebagian besar tegangan dibangkitkan pada RL. Induktansi pada saluran mempunyai reaktansi yang lebih tinggi dengan kenaikan frekuensi, yang mengizinkan impedansi shunt tidak lebih rendah dari nilai RL.

Gambar 4.8 High Pass Filter. A) kurva respon dengan frekuensi cutoff 50 Hz,

b). Rangkain kopling RC, c) Tipe L terbalik, d) Tipe T, f) tipe

Untuk frekuensi-frekuensi rendah, RL secara efektif dihubungsingkat oleh reaktansi induktif yang rendah pada saluran. Demikian juga CC mempunyai reaktansi yang tinggi dan membangkitkan sebagian besar tegangan, mencegah frekuensi tersebut membangkitkan tegangan pada beban.

Filterisasi Band Pass

HPF dapat dikombinasikan dengan LPF. Dengan demikian hasilnya adalah melewatkan jalur frekuensi yang tidak diblok oleh kedua rangkaian filter. Respon bandpass demikian diperlihatkan dalam gambar 4.9 untuk frekuensi audio. Dalam contoh ini, frekuensi yang dilewatkan oleh kedua filter adalah 50 Hz sampai 15000 Hz. Perlu dicatat bahwa filter untuk jalur frekuensi tertentu sangat sering digunakan pada frekuensi radio sebagi aplikasi rangkaian resonansi.

Gambar 4.9 Kurva respon bandpass untuk frekuensi radio

4.3.4. Filter Resonansi

Rangkaian yang ditala memberikan metode yang lebih mudah dalam filterisasi jalur frekuensi radio karena nilai L dan C yang relatif kecil dibutuhkan untuk resonansi. Rangkaian yang ditala memberikan fungsi filterisasi dengan bantuan respon maksimumnya pada frekuensi resonansi.

Lebar jalur frekuensi yang dipengaruhi oleh resonansi tergantung pada nilai Q rangkaian tala. Makin tinggi nilai Q makin sempit lebar jalur. Karena resonansi efektif untuk jalur frekuensi di bawah dan di atas fr, filter resonansi disebut Band Stop Filter (BSF) dan Band Pass Filter (BSF). Rangkaian-rangkaian seri atau paralel dapat digunakan untuk kedua fungsi tersebut (BSF dan BPF) tergantung pada hubungannya terhadap RL.

Filter Resonansi Seri

Gambar 4.10 Filter resonansi seri a) Band Pass filter, b) Band Stop Filter

Rangkaian resonansi seri mempunyai arus maksimum dan impedansi minimum pada frekuensi resonansi. Dihubungkan seri dengan RL, seperti pada gambar 4.10a, rangkaian tertala LC mengizinkan frekuensi pada fr dan frekuensi-frekuensi yang dekat fr untuk menghasilkan keluaran maksimum pada RL. Karena itu, hal ini adalah kasus filterisasi bandpass. Bila rangkaian seri LC dihubungkan pada RL, seperti dalam gambar 4.10b, rangkaian resonansi memberikan impedansi shunt yang rendah yang menghubung singkat RL. Dengan demikian terdapat keluaran minimum. Fungsi ini berkaitan dengan kapasitor shunt bypass, tetapi rangkaian resonansi lebih selektip menghubung singkat RL hanya untuk frekuensi resonansi dan frekuensi didekatnya. Untuk lebar jalur rangkaian tertala, maka rangkaian resonansi seri yang terhubung shunt dengan RL memberikan efek filterisasi band stop. Filter Resonansi Paralel.

Rangkaian resonansi paralel mempunyai impedansi maksimum pada frekuensi resonansi. Dihubungkan seri dengan RL seperti pada gambar 4.11a, rangkaian paralel LC tertala memberikan impedansi maksimum yang terhubung seri dengan RL pada frekuensi resonansi dan frekuensi didekatnya. Dengan demikian, frekuensi-frekuensi ini menghasilkan tegangan maksimum pada rangkaian LC tetapi tegangan keluaran minimum pada RL. Ini adalah contoh filterisasi band stop, untuk bandwidth rangkaian tertala.

Gambar 4.11. Filterisasi dengan rangkaian resonansi paralel. a) BSF, b) BPF

Rangkaian paralel LC yang dihubungkan paralel terhadap RL, seperti dalam gambar 4.14b, memberikan BPF. Pada resonansi, impedansi yang tinggi dari rangkaian paralel LC memungkinkan RL membangkitkan tegangan keluaran. Di bawah resonansi, RL dihubung singkat oleh reaktansi yang rendah dari L; di atas resonansi, RL dihubung singkatkan oleh rektansi yang rendah dari C. Untuk frekuensi resonansi dan frekuensi didekatnya, RL diparalel dengan impedansi yang tinggi, yang menghasilkan tegangan keluaran maksimum.

Filter Resonansi Tipe L

Rangkaian resonansi seri dan paralel dapat dikombinasikan dalam bentuk L, T, untuk memperbaiki filterisasi. Gambar 4.12 mengilustrasikan filter tipe L, dengan filterisasi band stop untuk hubungan seperti gambar 4.12a tetapi memberikan filterisasi band pass untuk gambar 4.12b.

Gambar 4.12 Filter resonansi tipe L. A) BSF ,b) BPF

Rangkaian dalam gambar 4.12a adalah BSF karena rangkaian resonansi paralel terhubung seri dengan RL, sedangkan rangkaian resonansi seri terhubung paralel dengan beban. Gambar 4.12b filterisasi band pass dihasilkan dari hubungan seri rangkaian resonansi seri dengan beban, sedangkan rangkaian resonansi paralel diparalelkan dengan beban. Filter Interferensi

Tegangan dan arus yang tidak pada frekuensi yang diinginkan merepresentasikan interferensi. Biasanya, interfernsi demikian dapat dihilangkan dengan filter. Beberaapa aplikasi spesifik antara lain :

1. LPF untuk mengeliminasi interferensi rf dari saluran daya 60 Hz ke masukan penerima

2. HPF untuk mengeliminasi interferensi dari sinyal yang dibangkitkan oleh antena peneriman televisi

3. Filter resonansi untuk mengeliminasi interferensi frekuensi radio dari sinyal rf yang diinginkan. Fuilter resonansi tipe BSF disebut juga perangkap gelombang (Wavetrap).

Filter Saluran daya

Meskipun saluran daya adalah sumber tegangan 60 Hz, saluran daya tersebut juga adalah konduktor untuk arus rf penginterferensi yang dihasilkan oleh motor, rangkaian lampu fluorescent, peralatan rf. Bila penerima dihubungkan ke saluran daya, interferensi rf dapat menghasilkan derau (noise) dan dengungan dalam keluaran penerima. Untuk meminimalkan interferensi ini, filter seperti pada gambar 4.13 dapat digunakan. Filter dihubungkan ke stop kontak dinding untuk daya 60 Hz dan penerima dihubungkan ke keluaran filter. Kapasitor bypass rf dihubungkan pada saluran seri dengan dua peredam membentuk LPF seimbang tipe L. Penggunaan peredam pada kedua sisi saluran membuat rangkaian seimbang terhadap ground.

Gambar 4.13 Filter saluran daya

Peredam memberikan impedansi yang tinggi untuk arus interferensi rf tetapi tidak untuk 60 Hz, mengisolasi masukan penerima dari interferensi rf dalam saluran daya. Demikian juga kapasitor bypass menghubung singkat masukan penerima untuk frekuensi radio tetapi tidak untuk frekuensi 60 Hz. Dengan demikian unit ini adalah LPF untuk frekuensi 60 Hz yang diberikan ke penerima sambil menolak frekuensi-frekuensi yang lebih tinggi.

Filter Antena Televisi

Pada waktu penerima televisi mempunyai interferensi dalam gambar yang dihasilkan dari frekuensi radio di bawah jalur penyiaran televisi, yang diterima oleh antena penerima , interferensi rf ini dapat dikurangi dengan HPF seperti yang diperlihatkan pada gambar 4.14. Filter meredam frekuensi di bawah 54 MHz, yang merupakan frekuensi terendah dari saluran 2.

Pada frekuensi yang lebih rendah dari 54 MHz, kapasitansi seri memberikan kenaikan reaktansi dengan jatuh tegangan yang lebih besar, sementara induktansi shunt mempunyai reaktansi lebih kecil dan menghubung singkat beban. Frekuensi-frekuensi yang lebih tinggi dilewatkan ke beban karena reaktansi kapasitif seri berkurang dan reaktansi induktif shunt bertambah besar. Hubungan ke unit filter dilakukan pada ujung penerima dari saluran dari antena.

4.4 Penutup.

Begitu penting peraanan filter dalam bidang telekomunikasi, khususnya dalam komunikasi radio sehingga perlu pendalaman tentang aspek-aspek prinsip operasional dan disain. Perlu pula mengikuti perkembangan teknologi utaamanya pemakaian perangkat lunak dalam disain.

4.5 Soal-soal Latihan

1. Jelaskan fungi filter elektrik

2. Komponen apa saja yang sering digunakan untuk rangkaian filter elektrik

3. Gambarkan contoh-contoh rangkaian LPF, HPF dan jelaskan cara kerjanya

4. Gambarkan respon frekuensi LPF dan HPF

5. Jelaskan cara-cara pemisahan tegangan dc dari tegangan ac dalam tegangan denyut dc

6. Gambarkan rangkaian BSF dan BPF yang menggunakan rangkaian resonansi seri dan rangkaian resonansi paralel secara terpisah.

7. Gambarkan rangkain BSF dan BPF yang menggunakan kombinasi resonansi seri dan rangkaian resonansi paralel

8. Mengapa diperlukan filter interferensi

9. Jelaskan prinsip kerja filter saluran daya.

PAGE 98

_1095369710.vsd

Keluaran sekunder ac

Masukan dc denyut

-10

+10

10

20

30

Waktu

waktu

CC

+

-

R

Vdc = 20 V

_1095370235.vsdTegangan pada beban

Frek cutoff 15 kHz

Pass bandaf

Stopband

15 kHz

frekuensi

_1095370714.vsdPassband50 - 15000 hz

50 Hz

15000 Hz

StopbandHPF

Stopband LPF

frekuensi

Tegangan padabeban

C1

(a)

_1095371055.vsd

(a)

(b)

L

C

RL

RRP

RL

RRP

L

C

_1095371138.vsd

L1

C1

L2

C2

RL

L1

C1

L2

C2

RL

(a)

(b)

_1095371201.vsd

1 mH

1 mH

0,01 uF

masukan

Keluaran

_1095370985.vsd

(a)

(b)

RL

C

L

RRS

L

C

RRS

C2

RL

_1095370420.vsd

Cutoff frek. 50 Hz

Tegangan beban

Stopband

Passband af

C

RL

C1

C2

L

RL

L1

L2

C

RL

RL

L

C

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

_1095369980.vsd

Rs = 16.000 Ohm

Vrf = 10 V, 1 Mhz

Vaf = 10 V, 1 kHz

C1 = 106 pF

RL = 16.000 Ohm,Vaf = 5 VVrf = 0,9 V

XC = 1,6 Mohm, 1 kHz =1600 Ohm, 1 Mhz

Vaf = 5 VVrf = 9,1 V

_1095370137.vsd

MasukanLF dan HF

R

C

RL

KeluaranLF

L

RL

L

C

RL

L1

L2

C

RL

L

C1

C2

R

C1

C2

RL

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

_1095369909.vsd

R2 = 5000 Ohm

Vac = 5 V

Vdc = 9,1 V

XC1 = 500 Ohm

RL = 5000 Ohm

Vac = 5 VVcd = 0,9 V

Vac = 10 V

Vdc = 10 V

_1095369165.vsd

Nilai dc mantap

RL=1 Ohm

10

20

30

Sinyal ac

Sumbu dc rata

(a)

(b)

VR

_1095369637.vsd

ac

dc

Keluaran sekunder ac

Masukan dc denytu

Vs

0

_1095369071.vsdHPF

LPF

masukan

10 kHz

100 Hz

10 kHz

100 Hz

10 kHz

100 Hz

(a)

(b)