RC Filter

[menuju akhir]

 

1. Pendahuluan (kembali)

    RC filter atau filter Resistor-Kapasitor merupakan salah satu jenis filter pasif yang paling sederhana namun sangat penting dalam sistem elektronika. Filter ini digunakan untuk memisahkan atau mengatur sinyal berdasarkan frekuensinya. Dengan hanya menggunakan dua komponen dasar yaitu resistor dan kapasitor, filter ini mampu membatasi bagian-bagian dari sinyal yang tidak diinginkan agar tidak diteruskan ke tahap berikutnya dalam rangkaian.

    Terdapat dua jenis utama RC filter, yaitu low-pass filter dan high-pass filter. RC low-pass digunakan untuk melewatkan sinyal berfrekuensi rendah dan menahan sinyal berfrekuensi tinggi. Sebaliknya, RC high-pass melakukan hal sebaliknya: melewatkan sinyal berfrekuensi tinggi dan menghambat sinyal berfrekuensi rendah. Karena kemampuannya ini, RC filter sering dimanfaatkan dalam aplikasi seperti pemrosesan sinyal audio, rangkaian sensor, dan sistem komunikasi, di mana kestabilan dan kejernihan sinyal sangat dibutuhkan.

    Keunggulan utama dari RC filter adalah kesederhanaannya dalam implementasi, biaya yang rendah, serta keandalannya untuk digunakan dalam berbagai perangkat, baik analog maupun digital. Meskipun tergolong sederhana, pemahaman mengenai karakteristik RC filter menjadi bekal penting bagi mahasiswa teknik elektro untuk memahami bagaimana sinyal dapat dikontrol dan diolah secara efektif di dalam rangkaian elektronik.


2. Tujuan (kembali)

- Mengetahui definisi dan fungsi dari RC Filter

- Mengetahui bentuk rangkaian sederhana RC Filter

- Mensimulasikan rangkaian RC Filter pada aplikasi proteus


3. Alat dan Bahan (kembali)

A. ALAT & BAHAN

1. Ptoteus

Proteus adalah perangkat lunak simulasi dan desain rangkaian elektronik yang umum digunakan dalam dunia teknik elektro. Software ini memungkinkan pengguna untuk merancang, menguji, dan memvisualisasikan rangkaian elektronik secara virtual sebelum direalisasikan secara fisik.


2. TRAN-2P3S


3. VSine


4. Dioda 1N4007


5. Dioda Bridge


6. Resistor


7 Kapasitor


8. Oscilloscope Instruments


9. AC Volts


10. Voltage Probes


11. Ground



4. Dasar Teori (kembali)

    Pada sistem catu daya DC, proses penyearahan merupakan tahapan penting dalam mengonversi tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan searah (DC). Salah satu metode penyearahan yang banyak digunakan adalah menggunakan rangkaian Full-Wave Rectifier. Rangkaian ini mampu melakukan penyearahan gelombang penuh dengan memanfaatkan kedua siklus (positif dan negatif) dari sinyal AC. Hal ini dicapai melalui penggunaan dua dioda dalam konfigurasi jembatan yang secara bergantian menghantarkan arus selama setengah siklus positif dan negatif. Sebagai hasilnya, frekuensi gelombang keluaran menjadi dua kali frekuensi sumber AC.

    Namun, tegangan DC yang dihasilkan oleh penyearah gelombang penuh umumnya masih berbentuk pulsating DC, yang memiliki komponen ripple cukup besar. Ripple adalah fluktuasi tegangan yang terjadi akibat adanya residu komponen AC dalam sinyal DC. Untuk mengurangi efek ripple dan menghasilkan tegangan DC yang lebih stabil, digunakanlah rangkaian filter RC (Resistor-Capacitor).

    Pada gambar pertama, rangkaian full-wave rectifier diikuti dengan konfigurasi filter RC yang terdiri dari dua kapasitor (C1 dan C2) dan satu resistor (R). Kapasitor pertama (C1) berfungsi untuk meratakan tegangan DC dari penyearah, sedangkan resistor (R) dan kapasitor kedua (C2) bekerja sama untuk mengurangi ripple lebih lanjut sebelum tegangan diberikan ke beban (RL). Dengan konfigurasi ini, tegangan DC pada beban akan lebih stabil dan memiliki ripple yang lebih kecil dibandingkan langsung dari penyearah.

    Pada gambar kedua, konfigurasi lebih spesifik diperlihatkan dengan nilai komponen yaitu C1 = 15 µF, C2 = 10 µF, dan R = 500 Ω. Tegangan DC yang diperoleh adalah 150 V dengan ripple sebesar 15 V (rms). Rangkaian ini menunjukkan bahwa kombinasi nilai kapasitansi dan resistansi yang tepat dapat menghasilkan tegangan DC dengan ripple yang lebih kecil, yang sangat diperlukan pada perangkat yang membutuhkan kestabilan tegangan tinggi.

    Efektivitas peredaman ripple pada filter RC ditentukan oleh konstanta waktu (τ) yang dihitung dari perkalian nilai resistansi dan kapasitansi (τ = RC). Semakin besar nilai kapasitansi atau resistansi, semakin kecil amplitudo ripple yang dihasilkan. Pada kedua rangkaian tersebut, teknik peredaman dilakukan dengan menyesuaikan nilai kapasitansi dan resistansi secara tepat agar tegangan DC pada beban mendekati kondisi ideal.

    Secara praktis, filter RC pada rangkaian full-wave rectifier banyak diaplikasikan dalam perangkat elektronik yang memerlukan sumber tegangan DC yang stabil dan bebas noise, seperti adaptor daya, perangkat audio, dan sistem pengisian daya pada baterai. Melalui penggunaan filter ini, kualitas daya DC dapat ditingkatkan sehingga mengurangi gangguan pada beban yang sensitif terhadap fluktuasi tegangan.

 

5. Prinsip Kerja [kembali]

    Rangkaian full-wave rectifier dengan filter RC bekerja dengan prinsip mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC yang lebih stabil melalui proses penyearahan dan perataan tegangan. Pada tahap pertama, sinyal AC dari sumber tegangan diubah menjadi sinyal DC berdenyut melalui konfigurasi full-wave rectifier yang menggunakan dua dioda. Dioda ini bekerja secara bergantian menghantarkan arus saat sinyal berada pada siklus positif dan negatif, sehingga keluaran berupa sinyal DC dengan frekuensi dua kali frekuensi AC input.

    Setelah melalui penyearah, tegangan DC yang dihasilkan masih mengandung ripple yang cukup besar. Oleh karena itu, digunakan filter RC untuk meratakan tegangan. Kapasitor C1 yang diposisikan setelah penyearah berfungsi menyimpan muatan saat tegangan mencapai puncak dan melepaskannya saat tegangan menurun. Hal ini menyebabkan tegangan yang keluar dari kapasitor menjadi lebih rata. Kemudian, resistor R dan kapasitor C2 bekerja sebagai rangkaian filter tambahan untuk lebih meredam komponen ripple. Resistor berfungsi mengatur laju pengosongan kapasitor, sehingga tegangan DC pada beban menjadi lebih stabil.

    Pada gambar kedua, rangkaian menunjukkan penggunaan kapasitor C1 sebesar 15 µF dan C2 sebesar 10 µF dengan resistor 500 Ω. Kombinasi ini menghasilkan tegangan DC sebesar 150 V dengan komponen ripple sebesar 15 V (rms), yang kemudian diterapkan pada beban dengan resistansi 5 kΩ. Dengan nilai komponen yang tepat, tegangan DC pada beban dapat mendekati ideal, dengan ripple yang sangat kecil.

    Rangkaian ini banyak digunakan pada catu daya DC untuk perangkat elektronik yang membutuhkan stabilitas tegangan tinggi, seperti penguat audio dan peralatan laboratorium, di mana fluktuasi tegangan dapat mengganggu performa dan akurasi peralatan.       

  

6. Example [kembali]                  

Example 1 – Low Pass Filter (Analisis Frekuensi Cut-off)

Soal:
Diberikan sebuah RC Low Pass Filter dengan resistor R = 1 kΩ dan kapasitor C = 0.1 μF. Hitung frekuensi cut-off (f<sub>c</sub>) dari rangkaian ini.

Jawaban & Pembahasan:
Rumus cut-off frequency:

fc = 1 / (2πRC)

   = 1 / (2π × 1000 × 0.1×10⁻⁶)

   = 1 / (2π × 1×10⁻⁴)

   = 1 / (6.28 × 10⁻⁴)

   ≈ 1591.55 Hz

Jadi, frekuensi cut-off filter tersebut adalah sekitar 1.59 kHz.


Example 2 – High Pass Filter (Analisis Respon Tegangan)

Soal:
Sebuah RC High Pass Filter memiliki R = 2.2 kΩ dan C = 0.047 μF. Jika sinyal input berupa sinusoidal 10 V pada frekuensi 1 kHz, berapa tegangan output V dalam bentuk perbandingan terhadap V?

Jawaban & Pembahasan:
Pertama, hitung nilai impedansi kapasitor:

Xc = 1 / (2πfC)

   = 1 / (2π × 1000 × 0.047×10⁻⁶)

   ≈ 3385.4 Ω

Gunakan pembagi tegangan:

Vout/Vin = R / √(R² + Xc²)

         = 2200 / √(2200² + 3385.4²)

         ≈ 2200 / √(4.84×10⁶ + 11.46×10⁶)

         = 2200 / √(16.3×10⁶)

         ≈ 2200 / 4037

         ≈ 0.545

Jadi, V ≈ 5.45 V dari input 10 V.


Example 3 – Menentukan Jenis RC Filter

Soal:
Perhatikan rangkaian berikut:

  • Input dihubungkan ke kapasitor C terlebih dahulu,
  • Lalu disambungkan ke resistor R yang ujungnya ke ground,
  • Output diambil dari antara C dan R.

Tentukan jenis filternya dan berikan alasannya.

Jawaban & Pembahasan:
Dalam konfigurasi ini, sinyal input melewati kapasitor terlebih dahulu sebelum sampai ke resistor dan ground. Ini adalah ciri dari High Pass Filter, karena:

  • Kapasitor memblokir frekuensi rendah (DC),
  • Hanya frekuensi tinggi yang diteruskan ke output.

Jadi, rangkaian tersebut adalah RC High Pass Filter.

                            

7. Problem [kembali]

a. Problem 1 : Dasar Teori RC Low-Pass Filter

Sebuah rangkaian RC Low-Pass Filter memiliki resistor dengan nilai R = 2 kΩ dan kapasitor dengan nilai C = 1 µF.

  • (a) Hitung frekuensi cutoff (fc) dari filter tersebut.
  • (b) Jika inputnya berupa sinyal sinusoidal dengan frekuensi 50 Hz dan amplitudo 10 V, tentukan tegangan outputnya.
  • (c) Jelaskan bagaimana frekuensi sinyal memengaruhi respons amplitudo pada filter ini.

Petunjuk: Gunakan rumus frekuensi cutoff


b. Problem 2 : RC High-Pass Filter pada Sinyal Audio

Seorang teknisi ingin menggunakan RC High-Pass Filter untuk menghilangkan komponen DC dari sinyal audio. Rangkaian filter dirancang dengan resistor 1 kΩ dan kapasitor 0.1 µF.

  • (a) Tentukan frekuensi cutoff dari filter tersebut.
  • (b) Jika sinyal masukan memiliki frekuensi 100 Hz dan amplitudo 5 V, berapakah tegangan output yang dihasilkan?
  • (c) Berikan alasan mengapa filter ini cocok atau tidak cocok untuk memproses sinyal audio dengan komponen DC yang besar.


c. Problem 3 : Rangkaian Kombinasi RC Filter

Anda diminta untuk merancang sebuah filter band-pass sederhana dengan menggabungkan RC Low-Pass dan High-Pass Filter secara seri.

  • (a) Jika filter high-pass menggunakan R1 = 1 kΩ dan C1 = 0.01 µF, serta filter low-pass menggunakan R2 = 10 kΩ dan C2 = 0.1 µF, hitung frekuensi batas bawah dan batas atas (cutoff) dari band-pass filter tersebut.
  • (b) Tentukan rentang frekuensi yang dapat dilewatkan oleh filter tersebut.
  • (c) Apakah rangkaian ini lebih sesuai untuk memfilter sinyal audio atau sinyal RF? Jelaskan alasan Anda berdasarkan rentang frekuensi yang diperoleh.


8. Soal Latihan [kembali]

Soal 1: Karakteristik RC Low-Pass Filter

Sebuah RC Low-Pass Filter memiliki frekuensi cutoff sebesar 1 kHz. Apa yang terjadi jika sinyal masukan memiliki frekuensi 10 kHz?

A. Sinyal dilewatkan dengan amplitudo penuh
B. Sinyal teredam secara signifikan
C. Sinyal terpantul kembali ke sumber
D. Sinyal diperkuat oleh filter

Jawaban: B
Pembahasan:
Pada RC Low-Pass Filter, sinyal dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi dari frekuensi cutoff akan teredam secara signifikan. Dalam hal ini, sinyal 10 kHz jauh lebih besar dari 1 kHz, sehingga amplitudonya akan sangat berkurang di output.


Soal 2: Penggunaan RC High-Pass Filter

Mengapa RC High-Pass Filter cocok digunakan untuk menghilangkan komponen DC dari sinyal audio?

A. Karena filter ini memblokir frekuensi tinggi
B. Karena filter ini meneruskan frekuensi rendah
C. Karena filter ini memblokir frekuensi rendah, termasuk DC
D. Karena filter ini memperkuat sinyal DC

Jawaban: C
Pembahasan:
RC High-Pass Filter memblokir frekuensi rendah, termasuk sinyal DC (0 Hz), sehingga cocok untuk menghilangkan offset DC dari sinyal audio, menjaga agar hanya frekuensi tinggi yang dilewatkan.


Soal 3: RC Band-Pass Filter

Jika sebuah RC Band-Pass Filter memiliki batas frekuensi bawah 100 Hz dan batas frekuensi atas 1 kHz, sinyal manakah yang akan dilewatkan oleh filter ini?

A. Sinyal 50 Hz
B. Sinyal 500 Hz
C. Sinyal 2 kHz
D. Sinyal DC

Jawaban: B
Pembahasan:
RC Band-Pass Filter akan melewatkan sinyal yang berada di antara frekuensi batas bawah (100 Hz) dan batas atas (1 kHz). Sinyal 500 Hz berada dalam rentang tersebut, sehingga dapat dilewatkan oleh filter.

                                                          



Fig 15.9
Fig 15.11

10. Download File [kembali]


[menuju awal]

 

Komentar

Postingan populer dari blog ini