RANCANG BANGUN FILTER PASIF SEBAGAI MODUL PERAGA Irawati Razak, ST., MT, Ir. Farchia Ulfiah, MT, Ir. Abdullah Bazergan, MT, Airin Dewi Utami, ST., MT, Sulwan Dase, ST., MT Email :
[email protected] ‘
ABSTRAK Filter adalah rangkaian elektronika yang dirancang untuk meloloskan suatu pita frekuensi tertentu dan memperlemah sinyal frekuensi di luar pita tersebut. Rangkaian filter dapat bersifat sebagai rangkaian aktif maupun pasif. Rangkaian filter pasif hanya terdiri dari tahanan, induktor dan kapasitor. Sedangkan rangkaian filter aktif terdiri dari transistor atau op-amp yang juga memuat komponen tahanan, induktor dan kapasitor. Tujuan penelitian ini adalah merancang bangun rangkaian filter pasif untuk digunakan sebagai modul peraga pada mata kuliah Teknik Frekuensi Tinggi dan Microwave pokok bahasan Desain Filter di Program Studi Teknik Telekomunikasi Politeknik Negeri Ujung Pandang. Metode penelitian yang digunakan adalah merancang bangun rangkaian filter pasif tipe Butterworth dan Chebyshev dengan 4 (empat) jenis respon frekuensi yakni Low Pass Filter (LPF), High Pass Filter (HPF), Band Pass Filter (BPF) dan Band Stop Filter (BSF). Penelitian ini menghasilkan modul peraga rangkaian filter pasif dengan 4 (empat) jenis respon frekuensi. LPF meloloskan frekuensi di bawah ambang frekuensi 9,8 MHz pada tipe Butterworth dan Chebyshev. HPF meloloskan frekuensi di atas frekuensi ambang(cutoff) 990 KHz pada filter tipe Butterworth dan frekuensi ambang 2,2 MHz pada filter tipe Chebyshev. BPF meloloskan pita frekuensi 6 – 10 MHz pada filter tipe Butterworth dan pita frekuensi 7 – 9,5 MHz pada filter tipe Chebyshev. BSF meredam pita frekuensi 1,1 – 13,5 MHz pada filter tipe Butterworth dan pita frekuensi 7 – 12,5 MHz pada filter tipe Chebyshev. Kata Kunci : Filter, Frekuensi, Modul
PENDAHULUAN Pada telekomunikasi radio, rangkaian filter berfungsi untuk menapis frekuensi dalam range frekuensi yang dapat ditentukan. Pada sistem pemancar radio, rangkaian filter biasanya ditempatkan setelah sistem penguat akhir yaitu tepatnya sebelum antena. Hal ini menjaga sinyal yang dipancarkan sesuai dengan rentang frekuensi yang dipancarkan. Sedangkan pada sistem penerima, 1rangkaian filter ditempatkan setelah antena dan sistem pencampur (mixer). Untuk mendukung kegiatan proses belajar mengajar dalam salah satu mata kuliah sesuai dengan standar kompetensi yang berlaku pada Program Studi Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Ujung Pandang perlunya modul peraga berupa rangkaian filter jenis Low Pass Filter (LPF), High Pass Filter (HPF), Band Pass Filter (BPF) dan Band Stop Filter (BSF). Modul peraga dengan semua jenis filter tersebut sulit diperoleh. Umumnya rangkaian filter hanya menggunakan satu atau dua jenis filter dan terintegrasi dengan rangkaian lain membentuk suatu sistem pemancar atau penerima sehingga sulit untuk dipisahkan. Filter berfungsi untuk menapis/meredam frekuensi yang tidak diinginkan dan noise yang mungkin terjadi saat pentransmisian sinyal yang menyebabkan berkurangnya kualitas sinyal informasi yang diterima. Rentang frekuensi atau pita frekuensi (frecuency band) yang diloloskan kekeluaran disebut pita lolos (pass band). Sedangkan pita frekuensi yang di redam disebut stop band. Lebar sempitnya pita frekuensi kerja filter tergantung pada rentang frekuensi operasi serta fungsi filter tersebut.
1
Skim Penelitian Hibah Bersaing Dibiayai Oleh DIPA Politeknik Negeri Ujung Pandang Sesuai Nomor Kontrak No. 0409/PL10.21/SP/2012. Tanggal 23 November 2012
497
0 dB
Insertion loss Ripple
Redaman
3 dB
-60 dB
Ultimate Attenuation
passband Gambar 1. Respon filter praktis Parameter dari gambar 1 diuraikan sebagai berikut: 1.
Bandwidth. Bandwidth rangkaian resonansi didefininsikan sebagai perbedaan antara frekuensi upper dan lower (f2 – f1) dari rangkaian pada respon amplitudo 3 dB di bawah respon passband. Ini sering disebut bandwidth setengah daya.
2.
Q. Perbandingan frekuensi center rangkaian resonansi terhadap bandwidth-nya didefinisikan sebagai Q rangkaian.
Q
fc f 2 f1
(1)
Q rangkaian adalah ukuran selektivitas rangkaian resonansi. Jika nilai Q tinggi, bandwidth-nya sempit dan selektivitas rangkaian resonansi tinggi. 3.
Shape factor (SF). Shape factor pada rangkaian resonansi didefinisikan sebagai perbandingan bandwidth 60 dB terhadap bandwidth 3 dB dari rangkaian resonansi.
4.
Ultimate Attenuation. Ultimate Attenuation adalah redaman minimum akhir dimana rangkaian resonansi memberikan passband di luar yang ditetapkan. Rangkaian resonansi ideal akan memberikan redaman tak terhingga di luar passband-nya.
5.
Insertion Loss. Kapan saja komponen dimasukkan antara generator dan bebannya, beberapa sinyal dari generator diserap oleh komponen yang disebabkan kehilangan resistif inherent-nya. Jadi, tidak semua sinyal yang ditransmisikan
ditransfer ke beban saat beban dihubungkan secara langsung dengan
generator. Redaman yang dihasilkan disebut insertion loss yang diukur dalam dB dan merupakan karakteristik yang sangat penting dari rangkaian resonansi. 6.
Ripple. Ripple adalah ukuran kerataan passband rangkaian resonansi yang diekspresikan dalam dB. Secara fisik, diukur pada karakteristik respon sebagai perbedaan antara redaman maksimum dan redaman minimum dalam passband.
Terdapat dua respon frekuensi di daerah frekuensi passband. Ada yang datar (flat) dan ada pula yang memiliki riak (ripple). Respon frekuensi filter yang flat di daerah frekuensi pass-band nya dihasilkan oleh jenis filter butterworth, sedangkan yang memiliki ripple dihasilkan oleh jenis filter chebyshev dan Bessel. Peneitian ini hanya merancang dua jenis filter yaitu filter butterworth dan chebyshev.
498
1,0 Transition band
Pass band
Stop band
Cutoff frekuency
0,8 0,6 0,4 0,2
600 Frequency (Hz) Low pass filter with a cutoff frequency off 600 Hz
Gambar 2. Respon filter low-pass filter butterworth tanpa ripple diatasnya Keunggulan filter chebyshev adalah karena daerah frekuensi transisi dari pass-band ke daerah frekuensi stopband lebih curam di bandingkan filter jenis butterworth. Ripple pada jenis filter chebyshev bervariasi dari 0.01 dB, 0.1 dB, 0.5dB, dan 1.0 dB. Contoh dari kedua respon ini bisa dilihat pada gambar 2 dachebyshev dengan ripple di passbandnya Sejauh ini dikenal beberapa tipe filter yaitu Low-pass filter (LPF), high-pass filter (HPF), band-pass filter (BPF), dan band-stop filter (BSF). Fungsi masing-masing filter tersebut dijelaskan sebagai berikut: 1.
Filter LPF hanya dapat meloloskan frekuensi-frekuensi yang berada dibawah frekuensi cutoff (frekuensi kerja).
2.
Filter HPF dalah filter yang hanya dapat meloloskan semua frekuensi diatas frekuensi cutoff.
3.
Filter BPF adalah filter yang hanya dapat meloloskan frekuensi-frekuensi yang berada dalam rentang tertentu yang dibatasi oleh frekuensi cutoff bawah dan atasnya.
4.
Filter BSF adalah filter yang meredam semua frekuensi yang berada dalam rentang frekuensi tertentu yang dibatasi oleh rekuensi cutoff bawah dan atas (berlawanan dengan BPF). (a) f 3dB
f Frekuensi
(b)
Redaman (dB)
Redaman (dB)
Cutoff frekuensi
Cutoff frekuensi
f 3dB
f Frekuensi
(d) f 3dB
Cutoff frekuensi f
Redaman (dB)
Redaman (dB)
(c)
Cutoff frekuensi f 3dB
f 3dB
f
Frekuensi
Frekuensi
Gambar 4. Respon frekuensi terhadap tipe filter ( a ) respon low-pass filter. ( b ) respon band-stop filter. ( c ) respon high-pass filter. ( d ) respon band-pass filter. Respon frekuensi masing masing tipe filter diatas didasarkan pada respon filter menurut butterworth, dan chebyshev dan bessel, namun penelitian ini hanya merancang dua jenis filter, yaitu butterworth dan chebyshev. Perbedaan dari kedua filter tersebut adalah ada atau riak (ripple) didaerah pass-band filter. Gambar 4 memperlihatkan respon frekuensi untuk masing masig tipe filter yang telah dibahas sebelumnya. Frekuensi cutoff adalah frekuensi dimana level daya turun 3dB (decibel) terhadap level daya di frekuensi pass-band nya.
499
METODOLOGI PENELITIAN Filter yang dirancang menggunakan komponen-komponen elektronika pasif (kapasitor dan induktor). Filter yang dirancang adalah tipe butterworth dan chebyshev dengan respon frekuensi low-pass, high-pas, band-pass dan band-stop menggunakan metode pendekatan prototype low-pass dinormalisasi (Bowick, 2008). Berikut adalah prosedur perancangan : 1.
Menentukan frekuensi cutoff dan frekuensi transisi serta redaman pada frekuensi transisi yang dimaksud.
2.
Menentukan jumlah elemen sesuai dengan grafik karakteristik redaman filter butterworth.
3.
Menormalisasi resistansi sumber terhadap resistansi beban Rs/R L atau resistansi beban terhadap resistansi sumber RL/Rs sesuai dengan jenis respon filter yang dirancang.
4.
Untuk menentukan nilai sebenarnya dari masing-masing elamen, maka harga tiap elemen prototype harus di transformasi ke harga sebenarnya menggunakan persamaan berikut (F)
(2)
(H)
(3)
Dimana, C = nilai kapasitor sebenarnya (Farad). L = nilai induktor sebenarnya (Hendry). Cn = nilai prototype low – pass untuk kapasitor ke –n Ln = nilai prototype low – pass untuk induktor ke –n RL = nilai resistansi sebenarnya dari beban = ferekuensi cutoff filter (Hertz)
HASIL DAN PEMBAHASAN Data yang dihasilkan dalam penelitian ini adalah perbandingan respon frekuensi LPF, HPF, BPF dan BSF pada tipe butterworth dan chebychev. Analisis data diuraikan sebagai berikut : a.
LPF LPF meloloskan frekuensi dibawah frekuensi cut-off. Daerah passband respon frekuensi LPF pada tipe butterworth adalah flat (datar) sedangkan pada tipe chebyshev memiliki ripple sebesar 0,1 dB. Frekuensi cuttof adalah level daya pada 3 dB. Tipe butterworth:
Pada gambar 5 (a) menunjukkan frekuensi cutoff respon frekuensi LPF tipe butterworth adalah 9,8 MHz. Sedangkan pada tipe chebyshev :
Pada gambar 5 (b), frekuensi cutoff respon frekuensi LPF tipe chebychev adalah 9,8 MHz. Kedua tipe dari respon frekuensi LPF menghasilkan nilai frekuensi cut off yang sama. Perancangan awal yang direncanakan adalah respon frekuensi LPF dengan nilai frekuensi cutoff sebesar 10 MHz. Ketepatan perhitungan
500
nilai C (capasitor) dan L (inductor) yang sesuai dengan nilai normalisasi dapat menghasilkan nilai frekuensi cutoff respon frekuensi LPF pada kedua tipe menjadi sama.
(a) 2
(b) 1515141414
10 0
1.8 1.8 1.8 1.7 1.6 1.6 1.7 1.5 1.5 1.5 1.5 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.3 1.3
1
9 7.57.5 2
5 7 9 11 13 Mhz Mhz Mhz Mhz Mhz
Vpp
0.7 0.3 0.2 0.2 0.2 0.1 00 Vpp
0
1 MHz 2 MHz 3 MHz 4 MHz 5 MHz 6 MHz 7 MHz 8 MHz 9 MHz 10 MHz 11 MHz 12 MHz 13 MHz
20
Frekuensi
Frekuensi
Gambar 5. Respon Fekuensi LPF Tipe (a) Butterwoth dan (b) Chebychev.
b.
High pass filter HPF meloloskan frekuensi di atas frekuensi cut-offnya. Daerah passband respon frekuensi LPF pada tipe butterworth adalah flat (datar) sedangkan pada tipe chebyshev memiliki ripple sebesar 0,1 dB. Gambar 6 menunjukkan respon frekuensi HPF dimana frekuensi cutoff ditentukan sebagai berikut : Untuk tipe Butterworth:
Gambar 6 (a) menunjukkan frekuensi cut off pada range 990 KHz. Pada tipe chebyshev frekuensi cutoff adalah:
Gambar 6 (b) menunjukkan frekuensi pada range 2,2 MHz. Frekuensi cut off yang direncanakan adalah 1 MHz. Perancangan inductor yang tidak tepat menghasilkan perbedaan nilai frekuensi cutoff respon frekuensi HPF pada tipe butterworth dan chebychev.
(a)
(b)
2
Frekuensi
Gambar 6. Respon Frekuensi HPF Tipe (a) Butterworth dan (b) Chebychev. 501
10 MHz
8.5 MHz
7 MHz
5.5 MHz
Frekuensi
4 MHz
0
2.5 MHz
Series 1
700 kHz
2 MHz
1 MHz
960 kHz
-1
850 kHz
1
930 kHz
2.25 1.9 1.8 1.8 1.7 1.5 0.6 0.41 0.39 0.35 0.315 000.3
1 MHz
1
3
850 kHz
1.6 1.5 1.5 1.5 1.4 1.3 1.3 1.3 1.2 1.2 1.2 1 11 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.3 0.25 0.2 0 0 0.1
5
c.
BPF BPF memiliki dua frekuensi cut off (Fc1 dan Fc2). Respon frekuensi BPS meloloskan frekuensi yang berada di atas nilai frekuensi Fc1 dan di bawah nilai frekuensi Fc2. Respon frekuensi BPF tipe Butterworth memiliki daerah pass-band flat (datar) sedangkan pada tipe chebyshev memiliki ripple 0,01 dB. Gambar 7 (a) menunjukkan respon frekuensi BPF tipe butterworth yang meloloskan frekuensi dalam range Fc1 senilai 6 MHz dan Fc2 senilai 10 MHz dengan nilai frekuensi cut off berikut:
Maka bandwidth (BW) respon frekuensi BPF tipe butterworth adalah 4 MHz. Gambar 7 (b) menunjukkan respon frekuensi BPF tipe chebychev yang meloloskan frekuensi dalam range Fc1 senilai 7 MHz dan Fc2 senilai 9,5 MHz dengan besaran frekuensi cut off :
Bandwidth respon frekuensi BPF tipe chebychev adalah 2,5 MHz. 4
10 MHz
8.5 MHz
7 MHz
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3 5 7 9 11 13 MHz MHz MHz MHz MHz MHz MHz Frekuensi
5.5 MHz
0
00 700 kHz
Vpp
4 MHz
1
2.5 MHz
2
1.6 1.5 1.5 1.5 1.4 1.3 1.2 1.2 1.2 1 1 10.9 1 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.3 0.25 0.2 0.1 1 MHz
2
2 1.5 1 0.5 0
850 kHz
3.5 3 3
3
Frekuensi
Gambar 7. Respon frekuensi BPF Tipe (a) Butterworth dan (b) Chebychev Frekuensi cut off BPF yang direncanakan adalah 8,5 MHz untuk nilai Fc 1 dan 11,5 MHz untuk nilai Fc2. Kedua tipe filter hasil perancangan berbeda nilainya dengan yang direncanakan, hal ini disebabkan oleh perancangan yang dilakukan kurang baik sehingga frekuensi bergeser dari nilai yang direncanakan.
d.
BSF BSF berlawanan prinsip kerjanya dengan BPF. BSF juga memiliki dua frekuensi cut off Fc1 dan Fc2. BSF meloloskan frekuensi di luar frekuensi cutoff Fc1 dan Fc2. Respon frekuensi BSF tipe Butterworth memiliki daerah pass-band flat (datar) sedangkan pada tipe chebyshev memiliki ripple 0,01 dB. Gambar 8 (a) menunjukkan respon frekuensi BSF tipe butterworth yang meloloskan frekuensi dalam range Fc1 senilai 1,1 MHz dan Fc2 senilai 13,5 MHz dengan nilai frekuensi cut off berikut:
Maka bandwidth (BW) respon frekuensi BSF tipe butterworth adalah 12,4 MHz. Gambar 7 (b) menunjukkan respon frekuensi BSF tipe chebychev yang meloloskan frekuensi dalam range Fc1 senilai 7 MHz dan Fc2 senilai 12,5 MHz dengan besaran frekuensi cut off : 502
Bandwidth respon frekuensi BSF tipe chebychev adalah 5,5 MHz. Frekuensi center BSF yang direncanakan adalah 10 MHz untuk tipe butterworth dan chebychev. Pada tipe butterworth, frekuensi center yang dihasilkan adalah 9,5 MHz dan tipe chebychev menghasilkan frekuensi center senilai 10,5 MHz. Nilai frekuensi center yang direncanakan tidak jauh berbeda dengan hasil perancangan.
2 1.5 1 0.5 0
13.5 Mhz
9 MHz
7 MHz
11.5 Mhz
Frekuensi
5 MHz
Vpp
1 MHz
1.1 1 0.6 0.6 0.4 0.4 0.3 0.2 0.1 0.1
1.9 1.8 1.8 1.8 1.7 1.1 10.9 1 0.65 0.6 0.5 0.45 0.3 0.25 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 3 MHz
33 2.5 2.5 2.25 2.4
3 MHz 4 MHz 5 MHz 6 MHz 7 MHz 8 MHz 10 MHz 11 MHz
4 3 2 1 0
Vpp
Frekuensi
Gambar 8. Respon Frekuensi BSF Tipe (a) Butterworth dan (b) Chebychev
KESIMPULAN Dari penelitian dihasilkan beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1.
Respon frekuensi filter tipe butterworth memiliki daerah passband datar (flat) dan tipe chebychev memiliki ripple pada daerah passband yang bervariasi dari 0.01 dB, 0.1 dB, 0.5dB, dan 1.0 dB.
2.
LPF meloloskan frekuensi di bawah ambang frekuensi 9,8 MHz pada tipe Butterworth dan Chebyshev. HPF meloloskan frekuensi di atas frekuensi ambang(cutoff) 990 KHz pada filter tipe Butterworth dan frekuensi ambang 2,2 MHz pada filter tipe Chebyshev. BPF meloloskan pita frekuensi 6 – 10 MHz pada filter tipe Butterworth dan pita frekuensi 7 – 9,5 MHz pada filter tipe Chebyshev. BSF meredam pita frekuensi 1,1 – 13,5 MHz pada filter tipe Butterworth dan pita frekuensi 7 – 12,5 MHz pada filter tipe Chebyshev.
DAFTAR PUSTAKA Aldi, Akbar. (2009). Pengertian, Sifat, PrinsipKerja, KapasitansiKapasitor / Kondensator, (Online), (http://www.allproducts.com/ee/powerwin/DC-DC-Converter-31-dc_dc(diakses 24 November 2012). Bowick, Chrisdkk. (2008). RF Circuit design. 2nd Ed. Elsevier,Inc. Burlington, USA. Kuncoro, BayuMukti. 2010. “IlmuElektronika”. RangkaianFilter pasif, (Online), (http://www.circooits.blogspot.com/2010/06/passive-filter.html(diakses 24 November 2012). McLyman.Wm.T. (2004). Transformer and Inductor design Handbook. 3rd . KG Magnetics, Inc, California, USA. Pressman, Abraham I. (2002). Switching Power Supply Design. McGraw Hill Companies Inc, new York, USA. Razak,Irawati. (2009). Jobsheet Praktikum Laboratorium Frekuensi Tinggi 1. Politeknik Negri Ujung Pandang. Suwarnata, Putu dan Mahardhika, Angga. (2011). Modul Demonstrator Rangkaian Filter Pasif Pada Laboratorium Frekuensi Dan Transmisi Program Studi Telekomunikasi Politeknik Negeri Ujung Pandang. Proyek Akhir.
503
