Percobaan 4 Rangkaian AC dan Respon Frekuensi

(1)

Percobaan IV

Rangkaian AC dan Respon Frekuensi

Daniel Tri Utama Simorangkir (14S20005)

Dosen: I Gde Eka Dirgayusha,S.Pd,M.Si(0103058901) Asisten : Basry Answar Sihotang, S.T

Tanggal Percobaan : 28/09/2021 14S2104 - Praktikum Rangkaian Elektrik

Laboratorium Dasar Teknik Elektro Institut Teknologi Del

Abstrak—Praktikum ini dilakukan agar praktikan dapat memahami rangkaian AC pada rangkaian seri RC dan RL. Prakum ini akan dilakukan dengan menggunakan sebuah software NIMultisim untuk menghasilkan sebuah rangkaian dan hasil yang diinginkan. Pada arus bolak- balik bentuk gelombang sinus, impedansi adalah perbandingan phasor tegangan dan phasor arus, pada rangkaian RC nanti kita akan mempelajari tentang differensiator, high-pas filter, integrator, low pass filter.

Kata Kunci—Rangkaian AC dengan rangkaian RC dan RL, low pass filter, High pass filter, differensiator, integrator, arus, tegangan.

I. P

ENDAHULUAN

Pada praktikum ini, yaitu tentang rangkaian AC dan respon frekuensi, dimana pada percobaan ini akan dilakukan percobaan yang terkait dengan rangkaian seri RL dan RC.

Dalam arus bolak-balik, pada bentuk gelombang sinus, impedansi adalah perbandingan phasor tegangan dan phasor arus. Dari hubungan tegangan dan arus seperti v = R i;

𝑣 = 𝐿

^𝑑𝑖

𝑑𝑡 dan

𝑖 = 𝐶

^𝑑𝑣

𝑑𝑡

Maka akan terlihat bahwa untuk sinyal tegangan sinusoidal(kosinus atau sinus):

Pada R  tegangan sefasa dengan arusnya,

Pada L  tegangan mendahului 90^o terhadap arusnya Pada C  tegangan ketinggian 90^o dari arusnya

Bila perbandingan tegangan dan arus pada R disebut resistansi, dan perbandingan tegangan dan arus pada L dan C disebut reaktansi, maka akan terlihat bahwa resistansi tidak akan “sebanding” dengan reaktansi.

Pada percobaan ini memiliki beberapa tujuan yaitu;

1. Memahami konsep impedansi dalam arti fisik 2. Memahami hubungan antara impedansi resistansi dan

reaktansi pada rangkaian seri RC dan RL.

3. Memahami hubungan tegangan dan arus pada rangkaian seri RC dan RL

4. Mengatur pada fasa tegangan dan arusi pada rangkaian seri RC dan RL

5. Memaham “respon” terhadap frekuensi pada rangkaian seri RC dan RL.

II. L

ANDASAN

T

EORETIS A. Alat yang diperlukan untuk praktikum

Komputer yang sudah terinstall Software multiSIM

B. Rangkain Seri RC

R

angkaian seri RC merupakan resistor dan kapasitor yang dirangkai secara seri dengan menghubungkannya ke sumber tegangan AC.

Rangkaian RC (Resistor-Kapasitor) adalah suatu rangkaian listrik yang memiliki kombinasi komponen resistor dan kapasitor dimana komponen tersebut biasanya dipasang secara seri atau sejajar. Walaupun sering dijumpai rangkaian dengan resistor dan kapasitor yang dipasang berdampingan secara seri rangkaian ini juga dapat dipasang secara paralel.

Simbol dari masing-masing rangkaian resistor dan kapasitor adalah sebagai berikut.

Gambar 1. Simbol rangkaian resistor dan kapasitor Pada domain waktu, rangkaian RC dapat dimanfaatkan sebagai pendeferensiasi sinyal (rangkaiannya disebut dengan diferensiator) dan rangkaian untuk mengintegralkan sinyal (rangkaiannya disebut dengan integrator). Selain itu, pada domain frekuensi, rangkaian RC dapat diaplikasikan sebagai rangkaian untuk menyeleksi frekuensi dari suatu sinyal. Dengan menggunakan rangkaian RC dapat dibuat filter low pass yang digunakan untuk meloloskan sinyal frekuensi rendah, filter high pass untuk meloloskan sinyal frekuensi tinggi, filter band pass untuk meneruskan sinyal dengan band frekuensi tertentu, dan filter band reject untuk menahan sinyal dengan band frekuensi tertentu.

(2)

Gambar 2. Rangkaian RC Sederhana Menurut hukum Kirchoff II (KVL), dapat ditulis:

C. Rangkain Seri RL

Rangkaian seri RL merupakan resistor dan induktor yang dirangkai secara seri dengan menghubungkannya ke sumber tegangan AC. Simbol dari masing-masing rangkaian resistor dan induktor adalah sebagai berikut.

Gambar 3. Simbol rangkaian resistor dan induktor

Rangkaian R-L seri bersifatberdasarkan sebuah hambatan & sebuah induktor yang dihubungkan menggunakan sumber tegangan bolak-balik sinusioda merupakan terjadinya pembagian tegangan secara vektoris.

Arus (i) yg mengalir padahubungan seri merupakan sama.

Arus (i) tertinggal 90^o terhadap tegangan induktor (VL).

Tidak terjadi perbedaan fasa antara tegangan jatuh pada resistor (VR) dan arus (i). Gambar berikut memperlihatkan rangkaian seri R-L dan hubungan arus (i), tegangan resistor (VR) dan tegangan induktor (VL) secara vektoris.

Gambar 4. Rangkaian RL Sederhana

Menurut hukum Kirchoff II (KVL) vi =VR +VL sehingga;

𝑉𝑖 = 𝑅𝑖 + 𝐿𝑑𝑖 𝑑𝑡

D. Integrator

Rangakaian integrator merupakan rangkaian Resistor- kapasitor atau untuk rangkaian integrator RC, sinyal input diterapkan dalam resistor menggunakan output diambil dalam kapasitor, maka Vout sama Vc. Lantaran kapasitor merupakan element yang tergantung pada frekuensi, jumlah muatan yg dipasang melintas plat sama menggunakan integral domain saat berdasarkan arus. Hal itu membutuhkan sejumlah waktu buat kapasitor untuk mengisi penuh lantaran kapasitor tidak bisa mengisi secara instan hanya mengisi secara eksponensial. Oleh karena itu, arus kapasitor dapat ditulis sebagai berikut;

𝐼𝑐(𝑡) =𝐶𝑑. 𝑉𝑐(𝑡) 𝑑𝑡

Gambar 5. Rangkaian Integrator Dari persamaan 𝑉𝑖 = 𝑉𝑅 + 𝑉𝐶 atau 𝑉𝑖 = 𝑅𝑖 +¹

𝐶∫ 𝑖 𝑑𝑡 bila tegangan output diambil pada kapasitor (Vo = Vc) dan VR >> Vc, maka 𝑉𝑖 ≈ 𝑉𝑅 sehingga 𝑉𝑖 ≈ 𝑅𝑖 atau 𝑉𝑖 ≈^𝑉𝑖

𝑅

Pada output diperoleh 𝑉𝑜 = 𝑉𝑐 = ¹

𝐶∫ 𝑖 𝑑𝑡 = _𝑅𝐶¹ ∫ 𝑉𝑖 𝑑𝑡

E. Differensiator

Diferensiator RC adalah rangkaian RC seri terhubung yang menghasilkan sinyal output yang sesuai dengan proses differensial matematika. Untuk rangakain differensial RC pasif, input dihubungkan ke kapasitor ad interim tegangan output diambil berdasarkan semua penahan yang antagoni dengan rangkaian integrator RC. Differensiator RC pasif nir lebih dari kapasitansi pada seri dengan resistansi, yaitu perangkat yang bergantung dalam frekuensi yg mempunya reaktansi secara seri menggunakan resistansi permanen (antagonis dengan integrator). Kemudian sama misalnya rangkaian integrator, tegangan output tergantung pada rangkaian RC saat konstan dan frekuensi input. Jadi dalam input rendah frekuensi reaktansi, Xc menurut kapasitor (C) adalah memblokir tinggi tegangan DC atau lambat bebagai sinyal input.

(3)

Sementara dalam frekuensi input tinggi reaktansi kapasitor rendah memungkinkan pulsa yang bervariasi cepat buat pass langsung menurut input ke hasil. Hal ini karena rasio reaktansi kapasitif (Xc) Resistor (R) adalah tidak sinkron buat frekuens yg tidak sama dan lebih rendah frekuensi kurang output. Jadi untuk kontinu dengan ketika eksklusif. Ketika frekuensnya meningkat, maka hasil semakain seperti menyerupai pulsa input dalam bentuk.

Gambar 6. Rangkaian Differensiator

F. High-Pass Filter

High Pass Filter atau umumnya disingkat menggunakan HPF adalah Filter atau penyaring frekuensi yg bisa melewatkan sinyal frekuensi tinggi & merusak atau memblokir frekuwensi frekuensi rendah. Dengan istilah lain, frekuwensi Frekuensi tinggi akan lebih gampang melewati High Pass Filter (HPF) sedangkan sinyal frekuensi rendah akan dihambat atau dipersulit buat melewatinya. HPF yang ideal adalah HPF yg sama sekali tidak melewatkan sinyal dengan frekuensi dibawah frekuensi cut-off.

Pada dasarnya, High Pass Filter (HPF) merupakan kebalikan berdasarkan Low Pass Filter (LPF).

High Pass Filter ini dapat dibentuk dengan menggunakan komponen pasif misalnya Resistor menggunakan Kapasitor atau Induktor. High Pass Filter yg dibentuk menurut Resistor &

Kapasitor disebut dengan High Pass RC Filter sedangkan High Pass Filter atau HPF yg terbuat berdasarkan Resistor dan Induktor diklaim dnegan High Pass RL Filter. Filter Pasif yaitu filter yg menggunakan komponen pasif ini tidak memiliki elemen penguat misalnya Transistor & Op-Amp sebagai akibatnya nir memiliki perolehan penguatan frekuwensi, oleh karenanya taraf OUTPUT-nya selalu kurang menurut tingkat INPUT-nya.

Dari persamaan 𝑖 = 𝑉𝑅 + 𝑉𝐶 , bila diambil 𝑉𝑜 = 𝑉𝑅, maka dapat dituliskan ;

Ada nilai utama yang diperoleh dari fungsi di atas;

Gambar 7. Rangkaian High-Pass-Filter

G. Low-Pass Filter

Low Pass Filter atau umumnya disingkat dengan LPF adalah Sebuah komponen pada pada elektronik yg berfungsi buat menyaring frekuwensi listrik yang berfrekuensi tinggi &

hanya meloloskan sinyal listrik frekuensi rendah. Contoh sinyal yang disaring sang LPF yaitu sinyal perubahan tegangan &

audio.

Sebuah penyaring lewat rendah atau penyaring tapis bawah ini dikatakan ideal, jika tidak meloloskan sinyal yg frekuensinya melebihi frekuensi cut off, sekecil apapun nilainya. Pada prakteknya, sinyal listrik yang frekuensinya lebih tinggi dibandingkan nilai cut off, akan dibuat lemah. Hal ini mengakibatkan terbentuknya suatu pita transisi atau transition band.

Pita transisi tadi memiliki satuan berupa dB/dekade atau dB/oktaf. Nilai menurut orde filter berdampak pribadi terhadap kemiringan pita transisi. Apabila nilai orde filter semakin besar , kemiringan dalam transition band pun nilainya akan bertambah dan posisinya semakin curam.

Dari persamaan 𝑖 = 𝑉𝑅 + 𝑉𝐶 , bila diambil 𝑉𝑜 = 𝑉𝑅, maka dapat dituliskan ;

(4)

Ada nilai utama yang diperoleh dari fungsi di atas;

Gambar 8. Rangkaian Low-Pass-Filter

III. P

ROSEDUR PERCOBAAN

Pada percobaan ini hanya menggunakan aplikasi NI MultiSIM. Berikut langkah-langkah setiap percobaan yang akan dilakukan;

A. Percobaan Rangkaian RC

1. Buatlah rangkaian dengan harga-harga besaran seperti pada Gambar berikut :.

Dengan;

Vi = 2 V rms (bentuk gelombang sinus) R = 10 KΩ;

C= 0.1µF;

f = 300 Hz

2. Hitunglah VR dan VL dengan harga besaran yang telah diketahui.

3.

Ukurlah VR dan VC dengan multimeter. Cek apakah Vi = VR + VC.

4.

Amati Vi, VR dan VC dengan osiloskop.

5.

Carilah beda fasa antara Vi dan VR, juga antara VC dan VR dengan bantuan osiloskop.

6.

Carilah hasil perhitungan, catat hasil yang telah didapat.

B. Percobaan Rangkaian RL

1. Buatlah rangkaian dengan harga-harga besaran seperti pada Gambar berikut;

Dengan;

Vi = 2 V rms (bentuk gelombang sinus) R = 1 KΩ;

L = 2,5 mH;

f = 60 KHz

2.

Hitunglah VR dan VL dengan harga besaran yang telah diketahui.

3.

Amati nilai Vi dengan osiloskop, catat pada Buku Catatan Laboratorium.

4.

Carilah beda fasa antara Vi dan VR dan VL dengan bantuan osiloskop.

5.

Carilah hasil perhitungan, catat hasil yang telah didapat.

C. Percobaan Rangkaian Diferensiator

1. Buatlah rangkaian dengan harga-harga besaran seperti pada Gambar berikut;

2.

Aturlah input dengan bentuk gelombang segi empat sebesar 4 V peak to peak (Vpp) pada frekuensi 500 Hz dengan bantuan generator sinyal

3.

Hitunglah konstanta waktu RC dengan harga-harga

C dan R yang tersedia. Gambarlah bentuk

gelombang output (ideal) dengan input bentuk

gelombang segi empat.

(5)

4.

Ukurlah bentuk gelombang output yang terjadi dengan osiloskop.

5.

Catatlah hasil perhitungan dan pengukuran.

D. Pengaruh Frekuensi Diamati pada Domain Frekuensi 1. Buatlah rangkaian

RC seperti pada percobaan

rangkaian diferensiator, dengan harga R = 10 kΩ dan C = 8.2 nF.

2.

Hitunglah konstanta waktu ℸ

3.

Aturlah input dengan bentuk gelombang segi empat sebesar 4 Vpp pada frekuensi 50 Hz dengan bantuan osiloskop.

4.

Ukur dan gambarlah bentuk gelombang output untuk harga-harga frekuensi 50 Hz, 500 Hz, 5 kHz, dan 50 kHz

5.

Catatlah hasilnya dalam bentuk tabel

6.

Kemudian buatlah rangkaian RC seperti pada percobaan rangkaian integrator, dengan harga R

= 10 kΩ, dan C = 8.2 nF.

7.

Buatlah rangkaian RC seperti pada percobaan rangkaian diferensiator dengan harga R = 10 kΩ dan C = 8.2 nF.

8.

Hitunglah konstanta waktu (𝜏= RC) serta frekuensi cut-off 𝑓0 = 1/(2𝜋 𝜏)

9.

Aturlah bentuk masukan sinusoidal.

10.

Ukurlah Vo (tegangan keluaran) /Vi (tegangan masukan) dengan bantuan osiloskop (input di kanal-1 dan output di kanal-2) untuk 5 titik pengukuran yaitu:



1 titik frekuensi cut off (petunjuk: ubah frekuensi input dimana frekuensi ini di sekitar frekuensi cut off hasil perhintungan sehingga diperoleh Vo/Vi

= 1/√2 atau = 0,7. Kemudian catat frekuensi ini sebagai fo).



2 titik untuk zona datar (LPF) atau zona naik (HPF). (petunjuk: pilih titik frekuensi 1/100 fo dan 1/10 fo)



2 titik untuk zona turun (LPF) atau zona datar (HPF). (petunjuk: pilih titik frekuensi 10 fo dan 100 fo)

11.

Hitunglah Vo/Vi yang terjadi dalam dB.

𝐴𝑣(𝑑𝐵)

= 20 𝑙𝑜𝑔 𝑉𝑂/𝑉i

12.

Catatlah hasilnya dalam table

13.

Ukur beda fasa dengan menggunakan metode Lissajous

14.

Plot hasil tersebut ke dalam grafik frekuensi-fasa

IV.

HASIL DAN ANALISIS

A. Percobaan Rangkaian RC Pada percobaan ini didapat bahwa Vi = 2 Vmrs = 1,414 Vp

VR = 1,768 V

VC = 934,799 Mv = 0,934 V

Dari hasil perhitungan dari penjumlahan VR dan VC akan sama dengan Vi

V

i

= V

R

+ V

C

.

Vi = 1,768 + 0,934

V

i

= 2,702 Volt

Dari hasil perhitungan dengan multimeter dapat disimpulkan bahwa hasil atau besar menurut penjumlahan tegangan pada resistor & tegangan dalam kapasitor tidak sama dengan menggunakan sumber tegangan.

Untuk mengukur beda fasa dapat dilakukan dengan

∅=Δ𝑡/𝑇×360°

𝑇𝑖𝑚𝑒 𝑆𝑐𝑎𝑙𝑒= 1𝑚𝑠/𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘 Δ𝑡=0.2 𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘×1𝑚𝑠/𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘 𝑇=3.4 𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘 ×1𝑚𝑠𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘

Sehingga beda fasa antara Vi dan VR sama dengan beda fasa antara VC dan VR

∅ = Δ𝑡/𝑇×360°

∅ = 0,2/3,4×360°

∅ = 20,7°

B. Percobaan Rangkaian RL Pada percobaan ini didapat bahwa Vi = 2 Vmrs = 1,414 Vp

VR = 1,453 V VC = 1,374 V

Untuk mengukur beda fasa dapat dilakukan dengan

∅=Δ𝑡/𝑇 ×360°

𝑇𝑖𝑚𝑒 𝑆𝑐𝑎𝑙𝑒 = 5 𝑢𝑠/𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘

Δ𝑡 = 0.4 𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘×5 𝑢𝑠/𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘 𝑇 =3.4 𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘 ×5 𝑢𝑠𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘 Sehingga beda fasa antara Vi dan Vr sama dengan beda fasa antara 𝑉𝐿 dan Vr

∅=Δ𝑡/𝑇×360°

∅=0.4/3.4×360°

∅=42.35°

(6)

C. Percobaan Rangkaian Integrator

R = 10kΩ, C = 8.2nF, Vpp = 4V

Frekuensi Konstanta waktu

𝑉_{𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡}

50Hz 0.00082 ms 8 V

500Hz 0.00082 ms 7 V

5kHz 0.00082 ms 2.4 V

50kHz 0.00082 ms 3 V

- f = 50 Hz

- f = 500 Hz

- f = 5kHz

- f = 50kHz

D. Percobaan Rangkaian Integrator

R = 10kΩ, C = 8.2nF, Vpp = 4V

Frekuensi Konstanta waktu

𝑉𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡

50Hz 0.00082 ms 0.2V

500Hz 0.00082 ms 2 V

5kHz 0.00082 ms 7 V

50kHz 0.00082 ms 8 V

- f = 50 Hz

- f=500Hz

- f=5 kHz

- f = 50kHz

(7)

KESIMPULAN

Kesimpulan yang didapat dalam percobaan ini yaitu:

Rangkaian RC dan RL dapat menyebabkan pergeseran fasa 90 derajat.

Rangkaian RL dan RC dapat menghasilkan rangkaian yang bersifat Integrator, DIferensiator, High Pass Filter, dan Low Pass Filter.

Konstanta waktu sangat mempengaruhi nilai w dimana nilai w sangat mempengaruhi sifat dari rangkaian tersebut (bersifat Integrator, Diferensiator, High Pass Filter, dan Low Pass Filter)

Semakin kecil nilai C untuk rangkaian RC maka semakin kecil juga VC yang terukur.

Kecepatan pengisisan kapasitor dipengaruhi oleh nilai konstanta waktu, dimana semkin besar nilai kostanta waktu akan semkin besar nilai R dan C pada rangkaian RC dan RL. Dan begitu juga untuk sebaliknya.

R

EFERENSI



Rangkaian RC | Rangkaian Elektronika (wordpress.com)





Rangkaian Seri RL pada Arus Bolak-Balik (kompas.com)



 Modul 04, rangkaian AC dan Respon Frekuensi, 2021



(8)

Lampiran

1. Link Video Presentasi :

https://drive.google.com/drive/folders/12_zhSlENKiCv_Pgtqviqdl7mU-UkcyVQ

2. Nama Anggota Kelompok 06;

- Daniel Tri Utama Simorangkir (14S20005) - Edwinner Sitorus (14S20013)

- Talenta Naibaho (14S20025) 3. Hasil Pengerjaan

- Percobaan Rangkaian RC(Rangkaian 1)

(9)

- Percobaan Rangkaian RC dengan Osiloskop(Rangkaian 2)

- Percobaan Rangkaian RL(Rangkaian 3)

(10)

- Percobaan Rangkaian RL dengan Osiloskop(Rangkaian 4)

-

Percobaan Integrator