Belajar Penapis Elektronika

A.           Pengertian Filter

Filter adalah suatu rangkaian yang digunakan untuk melewatkan tegangan output pada frekuensi tertentu. Untuk merancang rangkaian filter dapat digunakan komponen pasif (R,L,C) dan komponen aktif (Op-Amp, transistor). Dengan demikian filter dapat dikelompokkan menjadi filter pasif dan filter aktif.  Pada makalah ini hanya dibahas mengenai filter pasif saja. Pada dasarnya filter dapat dikelompokkan berdasarkanresponse (tanggapan) frekuensinya menjadi 4 jenis:

1.             Filter lolos rendah/ Low pass Filter.

2.             Filter lolos tinggi/ High Pass Filter.

3.             Filter lolos rentang/ Band Pass Filter.

4.             Filter tolah rentang/Band stop Filter

Untuk membuat filter seringkali dihindari penggunaan inductor, terutama karena ukurannya yang besar. Sehingga umumnya filter pasif hanya memanfaatkan komponen R dan C saja.

B.            Macam-Macam Filter

1.        Filter Lolos Rendah/ Low Pass Filte

               Filter Low Pass adalah sebuah rangkaian yang tegangan keluarannya tetap dari dc naik sampai ke suatu frekuensi cut-off fc. Bersama naiknya frekuensi di atas fc, tegangan keluarannya diperlemah (turun).Low Pass Filter juga  melewatkan frekuensi rendah serta meredam/menahan frekuensi tinggi. Bentuk respon LPF seperti ditunjukkan gambar di bawah ini.

Pita Lewat : Jangkauan frekuensi yang dipancarkan Pita Stop : Jangkauan frekuensi yang diperlemah. Frekuensi cutoff (fc) : disebut frekuensi 0.707, frekuensi 3-dB, frekuensi pojok, atau frekuensi putus.

Rangkaian tersebut di atas dikenal sebagai rangkaian tapis RC lolos rendah. Untuk frekuensi rendah tegangan keluaran Vo sama dengan tegangan masukan Vi, akan tetapi pada frekuensi tinggi isyarat keluaran diperkecil. Perbandingan antara tegangan keluaran kompleks Vo (ω) dan tegangan masukan kompleks Vi (ω) disebut sebagai fungsi alih tegangan. Yang bisa dituliskan dalam bentuk persamaan berikut:

Jika Vo >>> Vi maka penguatan pada tegangan keluaran, sebaliknya jika Vo<<<Vi maka terjadi pelemahan tegangan keluaran

Jika dijadikan dalam decibel maka persamaan tersebut menjadi:

Factor 20 pada persamaan decibel di atas berasal dari defenisi decibel sebagai perbandingan  daya.

Dalam tapis lolos rendah ada yang disebut dengan fungsi alih tegangan yang dapat dirumuskan dalam decibel sebagai berikut:

Tanggapan amplitude umumnya dilukiskan dengan menggunakan skala logaritma pada sumbu frekuensi dan decibel dB pada sumbu vertical.

              Kita perlu ketahui bahwa tegangan keluaran rangkaian RC lolos rendah berubah terhad frekuensi, yaitu makin tinggi frekuensi maka semakin kecil tegangan keluarannya (Vo). Lengkung yang menyatakan hubungan antara perbandingan dengan isyarat keluaran dan isyarat masukan dengan frekuensi disebut tanggapan amplitude. Disamping berubah terhadap keluarannya, isyarat juga mengalami perubahan fasa dengan frekuensi

Tapis pelewat rendah atau tapis lolos rendah (low-pass filter) digunakan untuk meneruskan sinyal berfrekuensi rendah dan meredam sinyal berfrekuensi tinggi. Sinyal dapat berupa sinyal listrik seperti perubahan tegangan maupun data-data digital seperti citra dan suara.

Untuk sinyal listrik, low-pass filter direalisasikan dengan meletakkan kumparan secara seri dengan sumber sinyal atau dengan meletakkan kapasitor secara paralel dengan sumber sinyal. Contoh penggunaan filter ini adalah pada aplikasi audio, yaitu pada peredaman frekuensi tinggi (yang biasa digunakan pada tweeter) sebelum masuk speaker bass atau subwoofer (frekuensi rendah). Kumparan yang diletakkan secara seri dengan sumber tegangan akan meredam frekuensi tinggi dan meneruskan frekuensi rendah, sedangkan sebaliknya kapasitor yang diletakkan seri akan meredam frekuensi rendah dan meneruskan frekuensi tinggi.

Untuk sinyal berupa data-data digital dapat difilter dengan melakukan operasi matematika seperti konvolusi. Finite impulse response (FIR) dan Infinite impulse response (IIR) adalah logaritma untuk memfilter sinyal digital. Contoh aplikasi low-pass filter pada sinyal digital adalah memperhalus gambar dengan Gaussian blur.

Batas frekuensi antara sinyal yang dapat diteruskan dan yang diredam disebut dengan frekuensi cut-off atau frekuensi potong. Frekuensi cut-off dapat ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut:

Untuk rangkaian RL, rumus yang digunakan adalah:

Dimana:

R:Nilai hambatan

C: Nilai kapasitor

L: nilai induktor

Low-pass filter yang dirangkai dengan high-pass filter (filter yang meneruskan frekuensi tinggi) akan membentuk filter baru, yaitu band-pass filter(meneruskan sinyal pada jangkauan frekuensi tertentu) ataupun band-stop filter(menghambat sinyal pada frekuensi tertentu).

2.        Filter Lolos Tinggi/high pass Filter

Filter High Pass memperlemah tegangan keluaran untuk semua frekuensi di bawah frekuensi cutoff fc. Di atas fc, besarnya tegangan keluaran tetap. Garis penuh adalah kurva idealnya, sedangkan kurva putus-putus menunjukkan bagaimana filter-filter high pass yang praktis menyimpang dari ideal. Pengertian lain dari High Pass Filter yaitu jenis filter yang melewatkan frekuensi tinggi serta meredam/menahan frekuensi rendah.

High pass filter adalah jenis filter yang melewatkan frekuensi tinggi, tetapi mengurangi amplitudo frekuensi yang lebih rendah daripada frekuensi cut off. Tanggapan amplitude dengan frekuensi tinggi diisyaratkan dengan f>>>fp, sedangkan isyarat dengan frekuensi rendah adalah f<<<fp. Tapis semacam ini mempunyai tanggapan frekuensi dengan kemiringan 6 dB/oktaf dan disebut tapis tingkat satu. Tapis lolos tinggi tingkat dua mempunyai kemiringan 2 x 6 dB/oktaf  yang dapat dibuat dengan menggunakan komponen aktif transistor dan rangkaian terpadu.

Nilai-nilai pengurangan untuk frekuensi berbeda-beda untuk tiap-tiap filter ini .Terkadang filter ini disebut low cut filter, bass cut filter atau rumble filter yang juga sering digunakan dalam aplikasi audio. High pass filter adalah lawan dari low pass filter, dan band pass filter adalah kombinasi dari high pass filter dan low pass filter.Filter ini sangat berguna sebagai filter yang dapat memblokir component  frekuensi rendah yang tidak diinginkan dari sebuah sinyal komplek saat melewati frekuensi tertinggi.

High pass filter yang paling simple terdiri dari kapasitor yang terhubung secara pararel dengan resistor, dimana reistansi dikali dengan kapasitor (R.C) adalah time constant (τ).

  

High-pass filter memiliki banyak aplikasi. Diantaranya digunakan digunakan sebagai bagian dari crossover audio untuk mengarahkan frekuensi tinggi ketweeter sementara pelemahan sinyal bass yang dapat mengganggu, atau kerusakan, pembicara.  Ketika filter seperti dibangun menjadi loudspeaker kabinet itu biasanya filter pasif yang juga mencakup -pass filter rendah untuk woofer dan sering menggunakan kedua kapasitor dan induktor (meski sangat sederhana tinggi-pass filter untuk tweeter dapat terdiri dari kapasitor seri dan tidak ada yang lain).

3.        Filter Lolos Rentang/Band Pass Filter

Filter Band Pass hanya melewatkan sebuah pita frekuensi saja seraya memperlemah semua frekuensi di luar pita itu. Pengertian lain dari Band Pass Filter adalah filter yang melewatkan suatu range frekuensi. Dalam perancangannya diperhitungkan nilai Q(faktor mutu).

Dengan :
Q = faktor mutu
fo = frekuensi cutoff
B = lebar pita frekuensi.

Sebuah band-pass filter merupakan perangkat yang melewati frekuensidalam kisaran tertentu dan menolak ( attenuates ) frekuensi di luar kisaran tersebut. Contoh dari analog elektronik band-pass filter adalah sirkuit RLC (a resistor -induktor - kapasitor sirkuit ). Filter ini juga dapat dibuat dengan menggabungkan -pass filter rendah dengan -pass filter tinggi .

Band pass filter digunakan terutama di nirkabel pemancar dan penerima. Fungsi utama filter seperti di pemancar adalah untuk membatasi bandwidth sinyal output minimum yang diperlukan untuk menyampaikan data pada kecepatan yang diinginkan dan dalam bentuk yang diinginkan. Pada receiver Sebuah band pass filter memungkinkan sinyal dalam rentang frekuensi yang dipilih untuk didengarkan, sementara mencegah sinyal pada frekuensi yang tidak diinginkan

4.        Band Stop Filter

Filter Band Elimination, yaitu filter band elimination menolak pita frekuensi tertentu seraya melewatkan semua frekuensi diluar pita itu.Bisa juga disebut Band Reject merupakan kebalikan dari Band Pass, yaitu merupakan filter yang menolak suatu range frekuensi. Sama seperti bandpass filter, band reject juga memperhitungkan faktor mutu.

Dalam pemrosesan sinyal, filter band-stop atau band-penolakan filter adalah filter yang melewati frekuensi paling tidak berubah, tetapi attenuates mereka dalam rentang tertentu ke tingkat yang sangat rendah. Ini adalah kebalikan dari filter band-pass. Sebuah filter takik adalah filter band-stop dengan stopband sempit (tinggi faktor Q). Notch filter digunakan dalam reproduksi suara hidup (Public Address sistem, juga dikenal sebagai sistem PA) dan instrumen penguat (terutama amplifier atau preamplifiers untuk instrumen akustik seperti gitar akustik, mandolin, bass instrumen amplifier, dll) untuk mengurangi atau mencegah umpan balik , sedangkan yang berpengaruh nyata kecil di seluruh spektrum frekuensi. band filter membatasi 'nama lain termasuk', 'Filter T-takik', 'band-eliminasi filter', dan 'menolak band-filter'.

Biasanya, lebar stopband kurang dari 1-2 dekade (yaitu, frekuensi tertinggi dilemahkan kurang dari 10 sampai 100 kali frekuensi terendah dilemahkan). Dalam pita suara, filter takik menggunakan frekuensi tinggi dan rendah yang mungkin hanya semitone terpisah.