Active High Pass Filter [PDF]

Citation preview

ACTIVE HIGH PASS FILTER Anita Dewi Permatasari, Muh. Zauki, Rika, Zurnansyah*) Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi 2017 LATAR BELAKANG Dalam peralatan elektronika yang kompleks sangat banyak ditemukan komponenkomponen seperti dioda transistor, OP-Amplifier, IC, timer 555 (LED dan Buzzer), 7 segment, akusisi data, dan komponen lainnya. Suatu alat elektronik akan tersusun dari banyak rangkaian elektronika. Serangkaian itu sesungguhya hanya memanfaatkan penggabungan sifat dari masing-masing komponen. Karena tiap-tiap komponen elektronika memiliki karakteristik kerja yang berbeda. Seiring dengan semakin berkembangnya ilmu pengetahuan, maka komponenkomponen elektronika seperti transistor, resistor, kapasitor dapat digabung dalam satu kemasan yang disebut IC (Integrated Circuit). Dari suatu IC dapat tersusun dari beribu-ribu transistor di dalamnya. Dalam percobaan ini IC yang digunakan sebagai penguat adalah OpAmp 741. Op-Amp merupakan rangkaian terintegrasi yang dikemas dalam bentuk chip, sehingga sangat praktis penggunaannya. Penggunaan Op-Amp sangat luas, termasuk diantaranya sebagai osilator, filter, rangkaian instrumentasi. Op-Amp biasa disebut penguat operasional adalah suatu penguat beda (penguat diferensial) yang mempunyai penguatan tegangan sangat tinggi dengan impedansi keluaran rendah. Penguat operasional ini merupakan jenis penguat pada elektronika dengan arus searah (DC). OP-AMP memiliki faktor penguat besar dengan dua masukan dan satu keluaran. Rangkaian penyusun utama dari Op-Amp adalah penguat beda. Penguat beda atau Differential Amplifier merupakan rangkaian yang banyak dipakai dalam rangkaian terintegrasi termasuk Op-Amp. Pada prinsipnya rangkaian penguat beda terdiri atas dua buah transistor dan emitornya dihubungkan jadi satu. Dalam hal rangkaian, IC dapat dirangkai menjadi rangkaian inverter, noninverter,buffer, adder(penjumlah), integrator dan differensiator. Dalam pengaplikasiannya, rangkaian inverting dan rangkaian non inverting biasanya dipadukan dengan sebuah kapasitor pada sebuah rangkaian inverting maupun non inverting. Biasanya kapasitor tersebut dipasang seri dengan sebuah resistor ataupun paralel dengan kapasitor. Inilah yang dinamakan dengan rangkaian tapis lolos tinggi atau active high pass filter. RUMUSAN MASALAH 1. Bagaimana merancang sistem filter aktif lolos tinggi orde 1 mode inverting dan non invertingm? 2. Bagaimana menentukan besar amplitudo tegangan filter aktif lolos tinggi orde 1 sebagai fungsi frekuensi input? 3. Bagaimana menentukan frekuensi cut-off filter aktif lolos tinggi orde 1 mode inverting dan non inverting?



TUJUAN PRAKTIKUM Mahasiswa diharapkan dapat : 1. Merancang sistem filter aktif lolos tinggi orde 1 mode inverting dan non inverting. 2. Menentukan besar amplitudo tegangan filter aktif lolos tinggi orde 1 sebagai fungsi frekuensi input. 3. Menentukan frekuensi cut-off filter aktif lolos tinggi orde 1 mode inverting dan non inverting. KAJIAN TEORI Operational Amplifier atau biasa disingkat Op – Amp, adalah sebuah penguat differensial dengan penguatan sangat tinggi dengan impedansi input yang tinggi dan dengan impedansi output yang rendah. Sebuah Op – Amp terdiri dari sejumlah tingkatan penguat differensial untuk mencapai penguatan tegangan yang tinggi. Jenis Op – Amp 741 sangat dikenal secara umum dalam penggunaan penguat, tapis aktif, aplikasi sensing dan lain sebagainya. Skema dasar dan wujud dari jenis penguat operasional (Operational Amplifier, Op – Amp) ini ditunjukkan pada Gambar berikut. (Tim Elektronika Dasar, 2016)



Keterangan Gambar : 1. 2. 3. 4. 5.



Input membalik (Inverting), Input tak membalik (Non-nverting), Sumber daya negatif, Output, Sumber daya positif.



Gambar 1. Bagian- Bagian Operational Amplifier Op-Amp LM-741 mempunyai 8 kaki yang mana masing-masing kaki mempunyai fungsi masing-masing (Tim Penyusun Elektronika dan Instrumentasi UB) (a)



Gambar 2. Kaki-kaki Op-Amp LM-741 Penjelasan kaki Op-Amp LM-741, yaitu : 1. Kaki 1 : Offset Null, kaki ini berfungsi untuk mengontrol offset tegangan untuk meminimalkan kebocoran, karena Op-Amp berjenis diferensial 2. Kaki 2 : Inverting Input, Kaki ini berfungsi sebagai masukan pada Op-Amp. Sifat keluaran dari masukan melalui kaki ini, yaitu fasa sinyal keluaran akan berlawanan dengan sinyal masukan.



3. Kaki 3 : Non_Inverting Input. Kaki ini berfungsi sebagai masukan pada Op-Amp. Sifat keluaran dari masukan melalui kaki ini, yaitu fasa sinyal keluaran akan berfasa sama dengan sinyal masukan. 4. Kaki 4 : V negatif. Kaki ini berfungsi sebagai sumber daya tegangan negatif pada Op-Amp agar dapat bekerja. 5. Kaki 5: Offset Null. Fungsi kaki ini sama dengan kaki 1 6. Kaki 6: Output. Kaki ini berfungsi ssebagai keluaran dari Op-Amp 7. Kaki 7 : V positif. Kaki ini berfungsi senagai sumber daya tegangan positif 8. Kaki 8 : Not connected. Kaki ini berfungsi sebagai pelengkap kemasan standar 8 pin. Kaki ini tidak terhubung ke manapun pada rangkaian. Filter frekuensi dibagi menjadi dia, yaitu filter aktif dan filter pasif. Filter aktif adalah rangkaian filter dengan menggunakan komponen-komponen elektronik pasif dan aktif seperti Operational Amplifier (Op-Amp), Transistor dan komponen lainnya. Filter pasif adalah rangkaian filter yang menggunakan komponen-komponen pasif saja, dimana komponen pasif itu adalah resistor, kapasitor, dan induktor. Perbedaan dari komponen aktif dan pasif adalah pada komponen aktif dibutuhkan sumber agar dapat bekerja (op-amp dan transistor membutuhkan sumber lagi agar dapat bekerja/digunakan), sedangkan komponen pasif tidak membutukan sumber lagi untuk digunakan/bekerja. (Anonim, 2014) Beberapa keuntungan dan kerugian dari filter aktif ialah pada filter aktif dapat mengolah sinyal dengan amplitudo kecil, dapat diatur penguatan outputnya (diperkuat atau diperlemah), kualitas respon yang lebih baik dari filter pasif, mempunyai impedansi input tinggi dan impedansi output yang rendah, sedangkan kerugiannya adalah pada komponen dihasilkan panas, perlu sumber agar dapat bekerja, terdapatnya pembatasan frekuensi dari komponen yang digunakan sehingga pengaplikasian untuk frekuensi tinggi terbatas. Terdapat beberapa filter frekuensi yaitu filter frekuensi LPF (Low Pass Filter) yaitu filter yang hanya melewatkan frekuensi rendah, HPF (High Pass Filter) yaitu filter yang hanya melewatkan frekuensi tinggi, BSF (Band Stop Filter) atau terkadang disebut Band Reject Filter (BRF) yaitu filter yang memilih frekuensi tertentu untuk tidak dilewatkan dan melewatkan frekuensi lain, BPF (Band Pass Filter) yaitu filter yang melewatkan frekuensi tertentu dan tidak melewatkan frekuensi yang lain (kebalikan BSF). (Anonim, 2014)



Gambar 3. Respon untuk beberapa jenis filter



Active High Pass Filter Inverting Mode



Gambar 4. Rangkaian High Pass Filter Mode Inverting Besar penguatan tegangan untuk tapis aktif lolos tinggi dengan mode inverting di atas adalah :



AF  



R2 R1



V  AF (dB)  20 log  out   Vin 



atau



Frekuensi cut – off untuk tapis aktif lolos tinggi mode inverting adalah :



fc 



1 Hz 2 R1 C1



Active High Pass Filter Non Inverting Mode



Gambar 4. Rangkaian High Pass Filter Mode Non Inverting Besar penguatan tegangan untuk tapis aktif lolos tinggi dengan mode non inverting di atas adalah :



AF  1 



R2 R1



V  AF (dB)  20 log  out   Vin 



atau



Frekuensi cut – off untuk tapis aktif lolos tinggi mode non inverting adalah :



fc 



1 Hz 2 R3 C1



Respon frekuensi kedua rangkaian di atas, baik mode inverting maupun mode non inverting tetap sama dengan filter RC passif, kecuali amplitude output yang diloloskan semakin meningkat hingga sebesar AF. Tapis aktif lolos tinggi untuk kedua mode memiliki penguatan semakin meningkat dari 0 Hz hingga frekuensi cut – off fc. Pada titik fc, penguatan menjadi 0,707AF dan setelah fc semua sinyal akan diloloskan dengan penguatan sebesar AF. (Tim Elektronika Dasar, 2016) METODE PERCOBAAN Alat dan bahan 1. Osiloskop Sinar Katoda + Probe 2. Audio Function Generator (AFG) 3. Op – Amp Power Supply Unit 4. Op – Amp Universal Kit 5. Resistor 1 k 6. Resistor 10 k 7. Kapasitor 10 nF 8. Kabel penghubung Identifikasi variabel Variabel manipulasi Variabel respon Variabel kontrol



1 set. 1 set. 1 buah. 1 buah 1 buah. 2 buah 1 buah 11 buah



: Frekuensi (f) (Hertz) : Tegangan Output (Vo) (Volt) : Resistansi Resistor (R)(Ω), Kapasitansi Kapasitor (C)(F),Tegangan Input (Vi)(Volt)



Definisi operasional variabel 1. Frekuensi adalah besarnya frekuensi yang diubah-ubah pada AFG selama praktikum dengan satuan Hertz 2. Resistansi Resistor adalah nilai hambatan resistor yang digunakan dalam praktikum. Resitansi yang digunakan yaitu R1 = 1 kΩ dan Rf= 10 kΩ. dengan satuan kΩ 3. Kapasitansi Kapasitor nilai kapasitor yang digunakan dengan satuan nF 4. Tegangan input adalah AFG dihubungkan dengan CRO diukur dengan satuan Volt. 5. Tegangan output adalah tegangan yang dihasilkan dari setiap perubaghan frekuensi yang berbentuk gelombang yang tampak pada layar osiloskop dengan satuan volt (v). Prosedur kerja Merangkai rangkaian tapis aktif lolos tinggi mode inverting pada Op Amp Universal Kit yang disiapkan dengan komponen-komponen R1 = 1 k, RF = 10 k, dan CF = 10 nF.Setelah itu menghubungkan Op Amp dengan power supply sesuai polaritasnya lalu menhubungkan input rangkaian dengan AFG pada frekuensi 10 Hz. Setelah itu mengukur tegangan input dan output rangkaian. Setelah selesai, langkah selanjutnya adalah menaikkan frekuensi sumber secara logaritmik dan mencatat tegangan output rangkaian untuk setiap perubahan frekuensi yang telah diberikan.



HASIL PENGAMATAN DAN ANALISIS DATA Hasil Pengamatan Mode Inverting 𝑅1 = 1 𝑘Ω 𝑅2 = 10 𝑘Ω 𝐶𝑓 = 22 𝑥 10 3 𝑃𝐹 = 22 𝑥 10 −9 F 𝑉𝑖 = 2 𝑉𝑜𝑙𝑡 Tabel 1. Hubungan frekuensi dengan tegangan output dan penguatan tegangan pada Mode Inverting No f(Hz) Vo Vo/Vi 20 Log Vo/Vi 1 100 0,28 0,14 -17,07 2 200 0,6 0,3 -10,45 3 300 0,88 0,44 -7,13 4 400 1,2 0,6 -4,44 5 500 1,5 0,75 -2,49 6 600 1,7 0,85 -1,41 7 700 2 1 0 8 800 2,2 1,1 0,82 9 900 2,4 1,2 1,58 10 1000 3 1,5 3,52 11 2000 6 3 9,54 12 3000 8,8 4,4 12,87 13 4000 10,4 5,2 14,32 14 5000 13 6,5 16,26 15 6000 13 6,5 16,26 16 7000 13 6,5 16,26 17 8000 13 6,5 16,26 18 9000 13 6,5 16,26 19 10000 13 6,5 16,26



Analisis Data 1. Penguat tegangan pada mode inverting a. Secara Teori 𝑅2 𝐴𝑣 = − 𝑅1 10 𝑘Ω 𝐴𝑣 = − 1 𝑘Ω 𝐴𝑣 = −10 𝑑𝐵 b. Secara Praktikum 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐴𝑓 (𝑑𝐵) = 20 𝑙𝑜𝑔 ( ) 𝑉𝑖𝑛 0,28 𝐴𝑓 (𝑑𝐵) = 20 𝑙𝑜𝑔 ( ) 2,0 𝐴𝑓 (𝑑𝐵) = −17,07 𝑑𝐵 𝐴𝑓 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖 − 𝐴𝑓 𝑝𝑟𝑎𝑘𝑡𝑖𝑘𝑢𝑚 %𝑑𝑖𝑓𝑓 = | | ∙ 100% ̅̅̅ 𝐴𝑓 (−10 − (−17,07) %𝑑𝑖𝑓𝑓 = | | ∙ 100% −3,86 7,07 %𝑑𝑖𝑓𝑓 = | | ∙ 100% −13,535 %𝑑𝑖𝑓𝑓 = 52,23 % 2. Frekuensi Cut-off 𝑓𝑐 =



1 Hz 2𝜋𝑅1 𝐶1



1 2(3,14)(1000)(22 𝑥 10 −9 ) 𝑓𝑐 = 7.237,98 𝐻𝑧 𝑓𝑐 =



Analisis Grafik Tapis Aktif Lolos Tinggi Mode Inverting a. Secara Teori 𝑓𝑐 = 7.237,98 𝐻𝑧 b. Secara Praktikum 𝑓𝑐 = 5000 𝐻𝑧 𝑓𝑐 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖 − 𝑓𝑐 𝑝𝑟𝑎𝑘𝑡𝑖𝑘𝑢𝑚 %𝑑𝑖𝑓𝑓 = | | ∙ 100% 𝑓̅𝑐 (7.237,98 − 5.000) %𝑑𝑖𝑓𝑓 = | | ∙ 100% 6.118,99 2.237,98 %𝑑𝑖𝑓𝑓 = | | ∙ 100% 6.118,99



%𝑑𝑖𝑓𝑓 = 36,57 % PEMBAHASAN Dalam praktikum ini untuk membuat rangkaian filter aktif dibutuhkan komponen penting berupa kapasitor, resistor dan op amp. Dalam praktikum ini IC yang digunakan sebagai penguat adalah Op-Amp 741. Secara teori penguatan yang dihasilkan oleh Op-Amp bergantung pada besar resistansi resistor yang digunakan. Sedangkan berdasarkan praktikum penguatan berganantung pada tegangan input dan tegangan output. Besar frekuensi cut off secara teori bergantung pada besar resistansi reistor 1 dan kapasitor. Spesifikasi komponen yang digunakan dalam percobaan ini yaitu R1 = 1 kΩ, Cf = 22 𝑥 10 −9 F , R2= 10 kΩ dengan Vi sebesar 2 volt pada penguatan membalik Dari hasil percobaan pertama filter aktif lolos rendah mode inverting yang menggunakan 2 resistor dan 1 kapasitor, diperoleh nilai perhitungan yaitu untuk besar penguatan secara teori yaitu -10 dB sedangkan secara praktikum, besar penguatannya adalah -17,07 dB. Besar frekuensi cut off yang diperoleh secara teori yaitu 7.237,98 Hz dan secara praktikum sebesar 5.000 Hz. Ketika kedua data dibandingkan diperoleh besar % diff 52,23% dan 36,57% yang tergolong besar. Ini diakibatkan kurangnya ketelitian praktikan dalam melakukan praktikum khusunya pembacaan data. Dari tabel dapat dilihat bahwa semakin besar frekuensi yang diberikan maka semakin besar pula penguatan pada osiloskop. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa, semakin tinggi frekuensi yang dimasukkan maka semakin besar amplitudo tegangan yang diperoleh, hal ini membuktikan bahwa terjadi pelemahan isyarat keluaran untuk frekuensi rendah. KESIMPULAN Berdasarkan praktikum dapat disimpulkan bahwa : 1. Active high pass filter dirancang dengan menggunakan sebuah resistor yang seri dengan sebuah kapasitor non polar dengan komponen aktif yaitu op amp. 2. Besar amplitudo tegangan untuk mode inverting yang diperoleh berdasarkan teori adalah -10 dB dan berdasarkan praktikum adalah -17,07 dB. 3. Besar frekuensi cut-off secara teori untuk rangkaian tersebut secara teori yaitu 7.237,98 Hz dan berdasarkan percobaan yang bisa terlihat pada grafik adalah 5000 Hz.



DAFTAR PUSTAKA Tim Elektronika Dasar. 2016. Penuntun Praktikum Elektronika Dasar 2. Makassar:UNM Tim Penyusun Elektronika dan Instrumentasi. Modul Praktikum Elektronika Dasar. Malang:Universitas Brawijaya Anonim. 2014. Filter Frekuensi. diakses pada wesbite compeng.binus.ac.id/files/2014/05/Filter-Frekuensi.pdf tanggal 24 Mei