M OD UL 1

R AN GKAI AN SE T AR A T H E VE NI N -N OR T ON D AN T API S (FI LT E R )

1. TUJUAN PRAKTIKUM

Mampu menggunakan alat ukur elektronika dan signal generator

Memahami rangkaian setara Thevenin dan Norton

Mengetahui dan memahami bentuk rangkaian filter serta fungsinya

Dapat menentukan frekuensi kerja filter dari eksperimen yang dilakukan dengan membandingkannya dengan teori

Memahami sifat integrator dan differensiator pada rangkaian tapis dan keluarannya

2. ALAT DAN KOMPONEN

Breadboard

Resistor

Kapasitor

DC Power Supply

Multimeter

Signal Generator

Osiloskop

Kabel Jumper

3. TEORI DASAR

3.1. PEMBACAAN NILAI RESISTOR DAN KAPASITOR

Gambar 1. Tabel warna nilai resistor

3.2. BREADBOARD

Breadboard digunakan untuk memudahkan pembuatan prototype rangkaian elektronik karena rangkaian yang menggunakan breadboard tidak memerlukan solder untuk memasang dan mudah untuk dilepaskan dan digunakan kembali. Pola lubang pada breadboard secara umum seperti pada gambar 4.

Gambar 2. Tabel nilai kapasitor

Gambar 3. Breadboard Gambar 4. Pola lubang secara umum pada breadboard

3.3. PENGUKURAN TEGANGAN DAN ARUS

Pengukuran arus dilakukan dengan menggunakan Ammeter/Ampere-meter yang dirangkaikan seri dengan arus yang ingin diukur. Pengukuran tegangan dilakukan dengan menggunakan Voltmeter yang dirangkaikan paralel dengan tegangan yang ingin diukur. Catatan : sebelum menggunakan voltmeter/ammeter/multimeter atur terlebih dahulu range pengukuran, sesuaikan dengan perhitungan, agar alat ukur tidak rusak.

3.4. RANGKAIAN SERI DAN PARALEL

Pada rangkaian seri, arus yang mengalir pada tiap komponennya sama besar. Pada rangkaian paralel tegangan pada tiap komponennya sama besar. Dengan :

𝑅𝑠 = ∑ 𝑅𝑖𝑖 ............................................................................................................................................................................... (1)

1

𝑅𝑝= ∑

1

𝑅𝑖𝑖 ................................................................................................................................................................................ (2)

RS = Resistor seri setara (Ω) RP= Resistor paralel setara (Ω) Ri= Resistor penyusum (Ω)

Gambar 5. Rangkaian pengukuran arus dan tegangan

Gambar 6. Rangkaian seri dan paralel dari resistor

3.5. RANGKAIAN SETARA THEVENIN DAN NORTON

Rangkaian setara Thevenin dan Norton digunakan untuk menyederhanakan rangkaian sehingga lebih mudah untuk dianalisis. Cara penghitungan Rth, Vth, dan IN :

1) Lepaskan hambatan beban, RL 2) Untuk rangkaian setara Thevenin, hitung tegangan Vab=Vth 3) Untuk rangkaian setara Norton, hitung arus Iab=IN 4) Ganti sumber tegangan menjadi short circuit dan sumber arus menjadi open circuit,

hitung hambatan penggantinya = Rth.

3.6. TAPIS (FILTER)

Tapis atau filter adalah rangkaian yang digunakan untuk menghilangkan sinyal pada frekuensi tertentu. Pada praktikum kali ini akan digunakan Low Pass Filter dan High Pass Filter. Pada rangkaian LPF dan HPF, frekuensi sudut potongnya (ωp) adalah:

ω𝑝 =1

𝑅𝐶 ................................................................................................................................................................................... (3)

ωp= frekuensi sudut potong (rad/s) R= nilai hambatan pada filter (Ω) C= nilai kapasitansi pada filter (F)

Gambar 7. Rangkaian sesungguhnya (kiri), rangkaian setara Thevenin (kanan)

Gambar 8. Rangkaian sesungguhnya (kiri), rangkaian setara Norton (kanan)

3.6.1. LPF

Low Pass Filter adalah rangkaian filter yang meloloskan sinyal berfrekuensi rendah.

Selain meloloskan sinyal berfrekuensi rendah, LPF pun berfungsi sebagai integrator. Sehingga dihasilkan keluaran seperti pada gambar 11 dimana sinyal ouput adalah hasil integrasi sinyal input.

3.6.2. HPF

High Pass Filter adalah rangkaian filter yang meloloskan sinyal berfrekuensi tinggi.

Gambar 9. Frekuensi respon ideal dan sesungguhnya dari LPF

Gambar 10. Rangkaian LPF

Gambar 11. Tegangan input (kuning), tegangan ouput (biru)

Gambar 12. Frekuensi respon ideal dan sesungguhnya dari HPF

Gambar 13. Rangkaian LPF

Selain meloloskan sinyal berfrekuensi tinggi, HPF pun berfungsi sebagai diferensiator. Sehingga dihasilkan keluaran seperti pada gambar 12 dimana sinyal ouput adalah hasil diferensiasi sinyal input.

4. TUGAS PENDAHULUAN

1. Jelaskan asumsi ammeter dan voltmeter ideal! 2. Tentukan besar hambatan resistor dengan warna pita :

a. Biru-kuning-hitam emas b. Merah-merah-hitam-coklat perak c. Coklat-hitam-coklat-merah emas d. Hijau-jingga-ungu perak

3. Bagaimana sifat hambatan pengganti, arus, dan tegangan pada rangkaian seri dan paralel?

4. Jelaskan metode menghitung Rth, Vth, dan IN! 5. Jelaskan metode pengukuran Rth, Vth, dan IN! 6. Hitung hambatan Thevenin rangkaian jembatan Wheatstone dibawah ini dengan

menggunakan transformasi Y-Delta! Kemudian hitung Vth dan IN!

7. Buat grafik Va-RL dari rangkaian pada no. 2 dengan menggunakan DC Sweep pada ISIS! Dengan range RL 0 ohm – 10 kohm! (Hubungkan b dengan ground, dan simpan voltage probe pada a. Voltage probe membutuhkan ground sebagai referensi)

8. Jelaskan kegunaan dari filter! Apa perbedaan Low Pass Filter dan High Pass Filter? Berikan contoh jenis filter selain LPF dan HPF serta kegunaannya!

9. Buat simulasi rangkaian LPF dan HPF dengan masukan sinyal kotak (pada Generator : Digital Types -> Clock (DCLOCK) ) dan output dihubungkan dengan osiloskop

Gambar 12. Tegangan input (kuning), tegangan ouput (biru)

Gambar 12. Rangkaian jembatan Wheatstone

a

b

seperti pada gambar 13! (Atur besar frekuensi masukkan, R, dan C agar dihasilkan keluaran seperti gambar 11 dan 12).

10. Buat grafik Frequency Response dari rangkaian LPF dan HPF tersebut!

Catatan : Tugas pendahuluan ditulis tangan dan dibawa pada saat praktikum. Tugas pendahuluan dengan menggunakan ISIS disimpan dalam flashdrive/harddisk dan dibawa pada saat praktikum. Tugas pendahuluan merupakan syarat mengikuti praktikum.

5. PERCOBAAN

5.1. PENGUKURAN SERI DAN PARALEL

1. Ambil 3 buah resistor dan baca besar hambatannya dengan menggunakan tabel pada gambar 1.

2. Rangkaikan 3 buah resistor tersebut pada breadboard secara seri seperti pada gambar 6.

3. Ukur tegangan dari masing-masing resistor dan ukur arus pada rangkaian dengan menggunakan multimeter. Sesuaikan batas ukur dengan nilai arus/tegangan secara teori.

4. Rangkaikan 3 buah resistor yang sama secara paralel, seperti pada gambar 6. 5. Lakukan langkah 3.

5.2. RANGKAIAN SETARA THEVENIN DAN NORTON

1. Ukur besar masing-masing resistor yang akan digunakan. 2. Buat rangkaian seperti pada gambar 12 pada breadboard. Gunakan DC Power Supply

sebagai sumber tegangan sebesar 5V. 3. Setelah rangkaian terpasang, ukur Rth, Vth, dan IN. Gunakan multimeter pada titik a dan

b.

4. Kemudian ukur Vab dengan berbagai macam hambatan RL.

5.3. FILTER

5.3.1. LOW PASS FILTER

1. Hubungkan probe channel 1 osiloskop pada Signal Generator. 2. Atur Signal Generator agar didapatkan keluaran pada osiloskop berupa sinyal

sinusoidal dengan 500mVpp.

Gambar 12. Rangkaian HPF dengan masukkan sinyal kotak

3. Ukur besar hambatan dan kapasitor yang akan digunakan. 4. Buat rangkaian seperti pada gambar 10 pada breadboard. Hubungkan Signal

Generator pada rangkaian sebagai Vin. 5. Hubungkan probe channel 1 dengan Vin dan probe channel 2 dengan Vout. 6. Ukur Vpp dari output pada osiloskop dengan frekuensi yang beragam (ambil 10 data

sebelum frekuensi potong dan 10 data setelah frekuensi potong). 7. Ubah sinyal input menjadi sinyal kotak, kemudian amati keluaran pada osiloskop.

5.3.2. HIGH PASS FILTER

1. Lakukan langkah yang sama dari 1-7 pada percobaan 4.3.1. namun menggunakan rangkaian pada gambar 13.

6. PENGOLAHAN DATA DAN ANALISIS

6.1. PENGUKURAN SERI DAN PARALEL

1. Lengkapi tabel hasil percobaan. 2. Bandingkan besar arus dan tegangan yang terukur dengan teori! Kenapa terdapat

perbedaan? Jelaskan! 3. Apakah voltmeter dan amperemeter yang digunakan memengaruhi pengukuran?

Jelaskan! 4. Bagaimana arus dan tegangan pada rangkaian seri dan parallel? Jelaskan!

6.2. RANGKAIAN SETARA THEVENIN

1. Jelaskan kenapa dapat dilakukan metode pada percobaan 4.2.3. untuk mengukur Rth, Vth, dan IN?

2. Sesuaikah hasil Vo yang didapatkan dari percobaan dengan teori? Jelaskan! 3. Apa fungsi dari rangkaian setara Thevenin dan Norton? Apakah semua rangkaian

memiliki rangkaian setara Thevenin dan Norton? Jelaskan!

6.3. FILTER

1. Buat grafik penguatan terhadap frekuensi dan tentukan frekuensi kerjanya! 2. Bandingkan frekuensi kerja yang didapatkan antara percobaan dengan teori! Apakah

terdapat perbedaan? Jelaskan! 3. Bandingkan keluaran osiloskop antara input dan output (sinusoidal dan sinyal kotak)!

Perbedaan apa yang terjadi? Jelaskan! 4. Jika fL adalah frekuensi potong dari rangkaian LPF dan fH adalah frekuensi potong dari

rangkaian HPF. Bagaimana rangkaian LPF dan HPF digabungkan agar : a. Frekuensi yang lolos berada pada fL<f<fH b. Frekuensi yang lolos berada pada f<fL atau f>fH

REFERENSI

1) Alexander CA & Sadiku MS.Fundamentals of Electric Circuits (3rd ed.). McGraw-Hill. 2006. 2) The Resistor Page. http://williamson-labs.com/resistors.htm. Diakses pada 28 November

2013. 3) Question about capacitor values. Diakses pada 28 November 2013.

http://www.seymourduncan.com/forum/showthread.php?232964-question-about-capacitor-values.

4) Young, Warren. What is “Breadboard”?. 2011. Diakses pada 28 November 2013. http://tangentsoft.net/elec/breadboard.html.

LEMBAR DATA

5.1. Pengukuran seri dan paralel R1= ... Ω R2= ... Ω R3= ... Ω

Rangkaian I1 I2 I3 V1 V2 V3 Seri Paralel

5.2. Rangkaian setara Thevenin dan Norton R1= ... Ω R4= ... Ω Rth = ... Ω R2= ... Ω R5= ... Ω Vth = ... V R3= ... Ω R6= ... Ω IN = ... A

RL(Ω) Vab(V)

5.3. Filter 5.3.1. Low Pass Filter

No. f (Hz) Vpp (V) No. f (Hz) Vpp (V) 1 11 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 18 9 19 10 20

5.3.2. High Pass Filter

No. f (Hz) Vpp (V) No. f (Hz) Vpp (V) 1 11 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 18 9 19 10 20