Filter Frekuensi Pasif

 

Filter Frekuensi Gelombang Listrik

Filter frekuensi adalah rangkaian elektronik yang berfungsi menyaring frekuensi gelombang listrik, sehingga menghasilkan output pada rentang frekuensi tertentu, dan menghilangkan output pada rentang frekuensi lainnya.

 

Terdapat dua jenis filter frekuensi, yaitu filter frekuensi aktif dan filter frekuensi pasif. Filter frekuensi aktif adalah rangkaian filter frekuensi yang menggunakan komponen elektronik aktif, yaitu seperti operational amplifier (Op-Amp), Transistor dan lain-lain. Komponen-komponen aktif tersebut memerlukan suplai daya (sumber tegangan atau sumber arus) untuk bekerja dan oleh karena itu, performa kerjanya terkontrol secara independent oleh suplai daya tersebut, dan karakteristik filternya lebih fleksibel dengan mengatur suplai daya tersebut.

 

Berbeda dengan filter frekuensi aktif, filter frekuensi pasif hanya mengandalkan komponen pasif, yaitu resistor, capasitor dan inductor. Komponen-komponen pasif tersebut tidak memerlukan suplai daya eksternal, sehingga performa kerjanya terbatas sesuai spesifikasi komponen atau desain awal, dan tidak dapat disesuaikan karakteristik filternya secara fleksibel dalam operasinya. Pada artikel ini, kami hanya akan membahas tentang konsep dan rangkaian filter frekuensi pasif saja. Mudah-mudahan pada kesempatan lain kami dapat menulis tentang filter frekuensi aktif.

 

 

Filter Aktif Vs Filter Pasif

 

Beberapa kelebihan filter aktif yaitu dapat mengolah sinyal dengan amplitudo yang kecil, dapat diatur penguatan outputnya (diperkuat atau diperlemah), kualitas atau respons nya lebih baik dari filter pasif, serta mempunyai impedansi input tinggi dan impedansi output rendah (karakter sistem yang baik). Sedangkan beberapa kekurangannya adalah komponen aktif menghasilkan panas, memerlukan suplai daya untuk dapat bekerja, serta memiliki batas frekuensi kerja dari komponen aktif yang digunakan sehingga penggunaannya terbatas pada sistem frekuensi tinggi.

 

Beberapa kelebihan filter pasif adalah tidak membutuhkan suplai daya untuk bekerja, komponen pasif tidak menimbulkan panas selain dari pada losses daya yang terkonsumsi akibat impedansi komponen, tidak terlalu banyak noise (sinyal gangguan atau ripple yang tidak diinginkan) karena tidak ada penguatan, juga tidak ada keterbatasan pada aplikasi sistem frekuensi tinggi. Sedangkan beberapa kekurangannya adalah tidak dapat menguatkan sinyal, sulit mendesain filter pasif yang responsnya baik, impedansi input dan output tidak tentu dan dapat berbeda-beda dipengaruhi oleh kualitas gelombang inputnya, sehingga kualitas kerjanya kurang baik dibandingkan filter aktif.

 

 

Jenis-Jenis Filter Frekuensi Pasif

 

Terdapat 4 jenis filter frekuensi pasif, yaitu Low Pass Filter (LPF), High Pass Filter (HPF), Band Pass Filter (BPF) dan Band Stop Filter (BSF). Sebenarnya terdapat 1 jenis filter lagi yaitu All Pass Filter (APF), dimana filter ini meloloskan semua nilai frekuensi, namun fungsinya lebih kepada untuk menggeser sudut fasa gelombang input. Untuk jenis APF tersebut tidak akan kami bahas dalam tulisan ini.

 

1. Low Pass Filter (LPF)

Adalah filter frekuensi yang berfungsi meloloskan gelombang dengan frekuensi rendah atau dibawah nilai frekuensi cut-off (F_c) nya, sedangkan gelombang dengan frekuensi tinggi atau diatas nilai F_c akan dibuang (tidak diolah menjadi output). Contoh, bila frekuensi cut-off dari sebuah LPF adalah F_c = 1000 Hz, maka gelombang input dengan frekuensi dibawah 1000 Hz akan diloloskan menjadi output, sedangkan gelombang input dengan frekuensi diatas 1000 Hz akan dibuang atau dihilangkan (tidak menghasilkan output).

 

2. High Pass Filter (HPF)

Adalah filter frekuensi yang berfungsi meloloskan gelombang dengan frekuensi tinggi atau diatas nilai frekuensi cut-off (F_c) nya, sedangkan gelombang dengan frekuensi rendah atau dibawah nilai F_c akan dibuang (tidak diolah menjadi output). HPF merupakan kebalikan dari LPF. Contoh, bila frekuensi cut-off dari sebuah HPF adalah F_c = 1000 Hz, maka gelombang input dengan frekuensi diatas 1000 Hz akan diloloskan menjadi output, sedangkan gelombang input dengan frekuensi dibawah 1000 Hz akan dibuang.

 

3. Band Pass Filter (BPF)

Adalah filter frekuensi yang berfungsi meloloskan gelombang dengan frekuensi diantara Frequency Low (F_L) dan Frequency High (F_H) nya. Rentang frekuensi diantara F_L dan F_H disebut dengan istilah Bandwidth, yaitu rentang nilai frekuensi yang diloloskan olah BPS. sedangkan gelombang dengan nilai frekuensi diluar bandwidth, akan dihilangkan. Contoh, bila bandwidth dari BPF adalah F_L = 1000 Hz sampai F_H = 2000 Hz, maka bila input memiliki frekuensi pada dalam rentang tersebut, gelombang akan diloloskan sebagai output. Sedangkan input dengan frekuensi dibawah 1000 Hz atau diatas 2000 Hz akan dihilangkan.

 

4. Band Stop Filter (BSF)

Atau sering disebut juga Band Reject Filter, adalah filter frekuensi yang berfungsi meloloskan gelombang dengan frekuensi selain antara Frequency Low (F_L) dan Frequency High (F_H) nya. Rentang nilai frekuensi antara F_L dan F_H biasa disebut Notch (definisinya kebalikan dari bandwidth). BSF merupakan kebalikan dari BPF. Contoh, bila BSF memiliki F_L = 1000 Hz dan F_H = 2000 Hz, maka bila input memiliki frekuensi dalam rentang atau Notch tersebut, gelombang akan dihilangkan. Sedangkan input dengan frekuensi dibawah 1000 Hz atau diatas 2000 Hz akan diloloaskan sebagai output.

 

Berikut adalah gambar karakteristik respons filter frekuensi pasif ideal (diharapkan), Dimana gelombang output muncul ketika input memenuhi syarat frekuensi cut-off atau bandwidth nya, sedangkan output menjadi hilang saat input tidak memenuhi frekuensinya syaratnya.

 

Karakteristik Respons Filter Frekuensi Ideal

Sedangkan berikut adalah gambar karakteristik respons frekuensi pasif praktis (kenyataan), dimana output tidak muncul atau hilang secara ideal pada satu nilai frekuensi tertentu, melainkan ada nilai transisi yang menjadi keterbatasan respons kerja filter (toleransi).

 

Karakteristik Respons Filter Frekuensi Praktis

 

Konsep Komponen Pasif (RLC)

 

Komponen elektronik pasif adalah resistor (R), inductor (L) dan capasitor (C), ketiganya kerap disebut rangkaian RLC bila ketiganya digunakan bersamaan dalam satu rangkaian.

 

1. Komponen resistor

Memiliki nilai hambatan (resistansi) yang tetap tanpa dipengaruhi oleh frekuensi listriknya. Kapasitas resistor dinyatakan dengan besarnya nilai resistansi dalam satuan ohm (Ω). Misalnya 25Ω, 100Ω, 2500Ω, dan lain-lain. Bila berminat memahami resistor lebih jauh, kalian dapat membaca artikel kami yang berjudul “Resistor (Rangkaian, Pembacaan dan Pengukuran)”.

 

2. Komponen inductor

Kapasitasnya dinyatakan dengan nilai induktansi dalam satuan Henry (H), misalnya 5H, 20H, 75H, dan lain-lain. Induktor juga memiliki nilai hambatan yang disebut reaktansi inductor, kerap disimbolkan dengan X_L, dalam satuan ohm. Namun berbeda dengan resistor, nilai hambatan inductor dipengaruhi oleh frekuensi listriknya, dengan persamaan sebagai berikut:

 

X_L        = 2Л . F. L

 

X_L        = Reaktansi inductor (Ω)

Л         = Bilangan phi (3.14)

F          = Frekuensi (Hz)

L          = Induktansi Induktor (H)

 

Dapat kita lihat dari persamaan diatas, hambatan atau reaktansi inductor akan semakin tinggi bila frekuensi listriknya semakin tinggi, begitu juga sebaliknya, hambatannya akan mengecil bila frekuensi listrik kecil.

 

3. Komponen capasitor 

Kapasitasnya dinyatakan dengan nilai kapasitansi dalam satuan Farad (F), misalnya 5F, 20F, 75F, dan lain-lain. Juga karena biasanya nilainya kecil, sering dinyatakan dalam satuan micro farad (μF), dimana 1 μF = 1x10^-6 F. Capasitor juga memiliki nilai hambatan yang disebut reaktansi capasitor, kerap disimbolkan dengan X_C, dalam satuan ohm. Nilai hambatan Capasitor juga dipengaruhi oleh frekuensi listriknya, dengan persamaan sebagai berikut:

 

X_C       = 1/ (2Л . F. C)

 

X_C       = Reaktansi Capasitor (Ω)

Л         = Bilangan phi (3.14)

F          = Frekuensi (Hz)

C         = Capasitansi Capasitor (F atau Farad)

 

Dapat kita lihat dari persamaan diatas, hambatan atau reaktansi capasitor akan semakin tinggi bila frekuensi listriknya semakin rendah, begitu juga sebaliknya, hambatannya akan mengecil bila frekuensi listrik besar.

 

 

Rangkaian Low Pass Filter (LPF)

 

LPF digunakan untuk melewatkan frekuensi rendah atau dibawah nilai F_C (frekuensi cut-off) dan menghilangkan frekuensi tinggi atau diatas nilai F_C). Contoh aplikasi filter ini adalah pada speaker untuk output frekuensi rendah atau woofer.

 

Terdapat 2 rangkaian dasar LPF, yaitu menggunakan rangkaian RC (resistor-capasitor) dan menggunakan rangkaian LR (inductor-Resistor). berikut adalah LPF dengan rangkaian RC.

 

Low Pass Filter Menggunakan Rangkaian RC

Pada rangkaian RC diatas, tegangan output adalah tegangan pada capasitor. Resistor memiliki hambatan tetap sedangkan capasitor memiliki hambatan berubah terhadap frekuensi, yaitu X_C = 1/ (2Л . F. C). Pada saat frekuensi F rendah sekali, misal F=0, maka hamabatan capasitor menjadi tak berhingga, sehingga tegangan akan jatuh di output, dengan kondisi ideal V_out = V_in (tegangan dilewatkan karena frekuensi rendah). Sebaliknya, pada saat F= tak berhingga, hambatan capasitor akan menjadi 0, sehingga tegangan jatuh semua pada resistor, dan V_out = 0 (tegangan dihilangkan karena frekuensi tinggi).

 

Untuk menemukan nilai frekuensi cut-off (F_C) dari rangkaian tersebut, maka prinsipnya F_C terjadi saat X_C = R. jadi, untuk mendesain LPF dengan F_C tertentu, dapat ditentukan nilai resistor dan nilai capasitor agar memenuhi persamaan berikut:

 

X_C                     = R

1/ (2Л . F_C. C)  = R

F_C                      = 1/ (2Л . R. C)

 

Kemudian berikut adalah gambar LPF menggunakan rangkaian LR, dimana saat frekuensi rendah, tegangan output akan jatuh pada resistor sehingga V_out = V_in (tegangan dilewatkan karena frekuensi rendah), dan ketika frekuensi tinggi, tegangan akan jatuh pada inductor sehingga V_out = 0 (tegangan dihilangkan karena frekuensi tinggi).

 

Low Pass Filter Menggunakan Rangkaian LR

Untuk menemukan nilai frekuensi cut-off (F_C) dari rangkaian tersebut, maka prinsipnya F_C terjadi saat X_L = R.

 

X_L                    = R

2Л.F_C.L          = R

F_C                    = R / (2Л . L)

 

 

Rangkaian High Pass Filter (HPF)

 

HPF merupakan kebalikan dari LPF. Aplikasi filter ini pada speaker yaitu untuk digunakan sebagai output dari frekuensi tinggi atau tweeter. HPF memiliki rangkaian yang mirip LPF, yaitu dapat menggunakan rangkaian RC atau rangkaian LR. Bedanya, pada HPF menggunakan rangkain RC, output yang digunakan adalah pada sisi resistor (sedangkan LPF outputnya pada sisi capasitor). Kemudian pada HPF menggunakan rangkaian LR, output yang digunakan adalah pada sisi inductor (sedangkan LPF outputnya pada sisi resistor).

 

Oleh karena rangkaiannya sama dengan LPF, hanya berbeda penggunaan titik output, maka HPF memiliki fungsi kebalikan dari LPF, yaitu melewatkan frekuensi tinggi dan menghilangkan frekuensi rendah. Berikut adalah rangkaian dasar HPF menggunakan rangkaian RC dan rangkaian LR.

 

High Pass Filter Menggunakan Rangkaian RC dan RL

Perhitungan frekuensi cut-off atau F_C pada rangkaian HPF sama saja dengan rangkaian LPF. Pada HPF menggunakan rangkaian RC, berlaku F_C = 1/ (2Л . R. C), dan HPF menggunakan rangkain LR, berlaku F_C = R / (2Л . L). perbedaanya, pada HPF, F_C adalah frekuensi minimum atau batas bawah untuk menghilangkan output, sedangkan pada LPF merupakan frekuensi maksimum atau batas atas untuk menghilangkan output.

 

 

Rangkaian Band Pass Filter (BPF)

 

Aplikasi dari filter ini adalah pada radio yaitu untuk menerima frekuensi dalam rentang tertentu. Rangkaian BPF dapat dibentuk dengan Menyusun LPF dan HPF secara seri. Susunannya dapat LPF lebih dulu kemudian HPF, atau sebaliknya HPF dulu kemudian LPF. Kedua susunan urutan tersebut akan mempengaruhi syarat frekuensi cut-off masing masing dari LPF dan HPF. Contoh berikut adalah BPF dengan susunan LPF ditambah HPF secara seri.

 

Band Pass Filter Menggunakan LPF + HPF Seri

Pada rangkaian diatas, F_C milik rangkaian LPF harus memiliki nilai lebih tinggi dari F_C milik rangkaian HPF didepannya, sehingga akan menghasilkan karakteristik BPF dengan F_C HPF akan menjadi nilai F_L dan F_C LPF akan menjadi nilai F_H (Perhatikan kurva BPF pada pembahasan diatas).

 

Kemudian berikut adalah contoh BPF dengan susunan HPF terlebih dulu, kemudian ditambah LPF secara seri. Pada rangkaian dibawah, F_C milik rangkaian HPF harus memiliki nilai lebih tinggi dari F_C milik rangkaian LPF didepannya, sehingga akan menghasilkan karakteristik BPF dengan F_C LPF akan menjadi nilai F_L dan F_C HPF akan menjadi nilai F_H.

 

Band Pass Filter Menggunakan HPF + LPF Seri

Selain kedua contoh sebelumnya, BPF dapat juga dibentuk dengan rangkaian RLC baik secara seri maupun secara parallel seperti gambar dibawah ini. Namun pada rangkaian ini nilai F_C didapatkan dengan syarat X_C = X_L.

Band Pass Filter Menggunakan RLC seri dan Parallel

 

Rangkaian Band Stop Filter (BSF)

 

Rangkaian BSF dapat dibentuk dengan Menyusun LPF dan HPF secara parallel, sehingga akan menghasilkan karakteristik kebalikan dari BPF yang menyususn LPF dan HPF secara seri. Aplikasi BSF adalah untuk menghilangkan rentang frekuensi tertentu, seperti untuk menghilangkan noise (rentang frekuensi yang mengganggu sinyal). Nama lain dari BSF antara lain adalah Band Rejection Filter, Band Elimination Filter atau Notch Filter.

 

Selain menggunakan metoda tersebut, BSF dapat juga dibentuk dengan rangkaian Twin-T Band Stop Filter seperti gambar dibawah ini. Sedangkan F_notch dapat ditentukan sesuai persamaan dalam gambar, yaitu frekuensi yang di tolak atau dihilangkan pada output.

 

Rangkaian Twin-T Band Stop Filter

Kemudian BSF juga dapat dibentuk dengan rangkaian RLC dengan memanfaatkan resonansi X_C = X_L. berikut adalah gambar rangkaian BSF menggunakan rangkaian RLC baik secara seri maupun parallel.

 

Band Stop Filter Menggunakan RLC seri dan Parallel

Demikian pembahasan kami mengenai filter frekuensi pasif. Perlu di catat bahwa contoh-contoh rangkaian dalam artikel ini merupakan rangkaian konsep dasar, sehingga dalam aplikasi aktualnya terdapat faktor-faktor desain lain yang akan membutuhkan tambahan komponen atau sedikit perubahan rangkaian.

 

Penulis : ER

 

Share this post