Lab TF 1 Modul 5kuliah.itera.ac.id/pluginfile.php/84723/mod_resource...Listrik arus bolak-balik...

21
Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 1 Lab TF 1 – Modul 5 5 Rangkaian Listrik Arus Bolak-Balik 5.1 Tujuan Praktikum Listrik arus bolak-balik (Alternating Current, AC) dihasilkan oleh suatu sumber tegangan yang kedua kutubnya secara bergantian menjadi lebih positip atau negatif dengan frekuensi tertentu. Ketika mengalir melalui suatu rangkaian dengan komponen resistor, induktor, dan kapasitor (RLC), listrik AC memiliki kelakuan khusus. Praktikum ini akan mengajak mahasiswa untuk: Mengamati karakteristik listrik AC yang dihasilkan oleh instrumen generator sinyal. Mengamati respon waktu rangkaian RLC ketika dilalui listrik AC berbentuk gelombang kotak dengan frekuensi tertentu. Mempelajari respon frekuensi, yaitu kelakuan rangkaian RLC ketika dilalui listrik AC berbentuk gelombang sinus dengan frekuensi yang berbeda. 5.2 Alat dan Bahan Untuk pelaksanaan praktikum modul ini, alat dan bahan yang diperlukan adalah: No Nama Banyak Keterangan 1 Kit Rangkaian AC 1 Disediakan 2 Speaket 1 Disediakan 3 Osiloskop 1 Disediakan 4 Generator Sinyal 1 Disediakan 5 AVO Meter 1 Disediakan 6 Tool-Kit (solder, tang potong, dll) 1 Disediakan 7 Spectrum Analyzer 1 Dibawa praktikan, berupa HP dengan app Setiap praktikan juga wajib memakai alat pelindung diri untuk bekerja di lab elektronika (minimal: jas lab, sepatu tertutup ber-sol karet, pengaman rambut). 5.3 Dasar Teori 5.3.1 Sistem Percobaan Skema umum percobaan pada praktikum ini diperlihatkan pada Gambar dibawah. Nampak bahwa pada sistem ini: Suatu generator sinyal akan menghasilkan sinyal input dengan karakteristik tertentu Rangkaian AC akan mengolah sinyal tersebut, sehingga dihasilkan sinyal output

Transcript of Lab TF 1 Modul 5kuliah.itera.ac.id/pluginfile.php/84723/mod_resource...Listrik arus bolak-balik...

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 1

    Lab TF 1 – Modul 5

    5 Rangkaian Listrik Arus Bolak-Balik

    5.1 Tujuan Praktikum

    Listrik arus bolak-balik (Alternating Current, AC) dihasilkan oleh suatu sumber tegangan yang kedua kutubnya

    secara bergantian menjadi lebih positip atau negatif dengan frekuensi tertentu. Ketika mengalir melalui suatu

    rangkaian dengan komponen resistor, induktor, dan kapasitor (RLC), listrik AC memiliki kelakuan khusus.

    Praktikum ini akan mengajak mahasiswa untuk:

    • Mengamati karakteristik listrik AC yang dihasilkan oleh instrumen generator sinyal.

    • Mengamati respon waktu rangkaian RLC ketika dilalui listrik AC berbentuk gelombang kotak dengan

    frekuensi tertentu.

    • Mempelajari respon frekuensi, yaitu kelakuan rangkaian RLC ketika dilalui listrik AC berbentuk

    gelombang sinus dengan frekuensi yang berbeda.

    5.2 Alat dan Bahan

    Untuk pelaksanaan praktikum modul ini, alat dan bahan yang diperlukan adalah:

    No Nama Banyak Keterangan

    1 Kit Rangkaian AC 1 Disediakan

    2 Speaket 1 Disediakan

    3 Osiloskop 1 Disediakan

    4 Generator Sinyal 1 Disediakan

    5 AVO Meter 1 Disediakan

    6 Tool-Kit (solder, tang potong, dll) 1 Disediakan

    7 Spectrum Analyzer 1 Dibawa praktikan, berupa HP dengan app

    Setiap praktikan juga wajib memakai alat pelindung diri untuk bekerja di lab elektronika (minimal: jas lab, sepatu

    tertutup ber-sol karet, pengaman rambut).

    5.3 Dasar Teori

    5.3.1 Sistem Percobaan

    Skema umum percobaan pada praktikum ini diperlihatkan pada Gambar dibawah. Nampak bahwa pada sistem ini:

    • Suatu generator sinyal akan menghasilkan sinyal input dengan karakteristik tertentu

    • Rangkaian AC akan mengolah sinyal tersebut, sehingga dihasilkan sinyal output

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 2

    • Sinyal output diumpankan ke speaker untuk menghasilkan suara

    Gambar 5.1: Skema Umum Percobaan Rangkaian AC

    Untuk mengamati sinyal tersebut, akan digunakan dua instrumen pengukuran yakni:

    • Osiloskop yang mengamati sinyal input dan output, sehingga dapat diamati respon domain waktunya

    • Spectrum analyzer yang mengamati suara dari speaker, sehingga dapat diamati respon domain frekuensinya

    5.3.1.1 Sinyal Listrik AC

    Listrik AC adalah jenis listrik dimana tegangan pada kedua kutub sumber berosilasi naik turun secara teratur. Secara

    umum, parameter penting listrik AC adalah:

    • Bentuk Gelombang: yaitu pola perubahan tegangan menurut waktu. Bentuk gelombang yang umum adalah

    sinus, kotak, segitiga, dan gigi gergaji.

    • Frekuensi: banyaknya gelombang penuh dalam satu detik (second-1)

    • Amplitudo: besarnya simpangan maksimum dari gelombang AC (Volt)

    • Fasa: geseran gelombang pada sumbu waktu (derajat)

    • Offset: tingginya titik tengah gelombang AC (Volt)

    5.3.2 Komponen Resistor – Kapasitor - Induktor

    Ada tiga jenis komponen dasar elektronika yaitu resistor (R, dalam Ohm), kapasitor (C, dalam Farad), dan Induktor

    (L, dalam Henry). Ketiganya dapat beroperasi mengolah sinyal tanpa perlu diberi catu daya, sehingga digolongkan

    sebagai komponen pasif.

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 3

    (a) Resistor

    (b) Kapasitor (c) Induktor

    Gambar 5.2: Komponen RCL

    5.3.2.1 Speaker dan Persepsi Audio

    Sinyal listrik AC bisa diteruskan ke suatu speaker sehingga energi listrik tersebut akan diubah menjadi energi

    gelombang mekanik yang menjalar di udara. Manusia dapat mendengar gelombang mekanik tersebut sebagai suara.

    Persepsi umum manusia atas suara adalah :

    • Keras suara

    • Tinggi nada suara

    • Timbre suara

    5.3.2.2 Generator Sinyal

    Sinyal listrik AC dapat dihasilkan oleh suatu instrumen yang disebut generator sinyal. Kemampuan dasar generator

    sinyal adalah:

    • Menghasilkan berbagai bentuk gelombang: sinus, kotak, ramp, juga noise.

    • Mengatur berbagai parameter sinyal seperti : frekuensi, amplitudo, offset

    • Generator sinyal canggih dapat melakukan mode operasi khusus seperti sweep (frekuensi

    berubah).

    Gambar 5.3: Generator sinyal

    Perhatikan bahwa sinyal ini memiliki daya rendah untuk dialirkan ke suatu rangkaian elektronika sebagai masukan,

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 4

    namun JANGAN sekali-kali di pakai sebagai sumber daya (ini bukan listrik AC dari jala-jala).

    5.3.2.3 Osiloskop

    Untuk mengamati sinyal masukan dan luaran secara bersamaan, akan digunakan osiloskop yang memiliki dua kanal.

    Pada osiloskop ini kita dapat mengamati sinyal dalam domain waktu.

    Gambar 5.4: Osiloskop

    5.3.2.4 Spectrum Analyzer

    Untuk mengamati sinyal AC pada domain frekuensi, digunakan alat ukur frequency analyzer. Pada praktikum ini

    akan digunakan alat berupa HP Androidn yang dipasang app “Advanced Frequency Analyzer”.

    Gambar 5.5: Spectrum Analyzer

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 5

    5.4 Simulasi LTSpice

    5.4.1 Rangkaian RLC

    Pada praktikum ini, akan diselidiki kelakuan empat tipe rangkaian RLC seperti gambar berikut:

    (a) Rangkaian RC (b) Rangkaian RL

    (c) Rangkaian CR (d) Rangkaian LR

    Gambar 5.6: Rangkaian LRC

    5.4.2 Respon Waktu Masukan Step

    Ketika suatu rangkaian RLC mendapat masukan sinyal berbentuk step, atau sinyal gelombang kotak dengan periode

    relatif besar, maka pada masing-masing komponen akan mengalir arus transien. Dengan LTSpice, dapat dilakukan

    simulasi untuk mengamati luaran sistem terhadap waktu (respon waktu). Sebagai contoh, akan dipakai rangkaian

    RC. Langkah-langkahnya adalah:

    • Gambarkan rangkaian RC, dan berikan harga C1 dan R1

    • Atur Voltage source untuk menghasilkan gelombang kotak dengan periode 2 mili detik

    • Pilih menu Simulate – Edit Simulation Cmd. Pilih tab Transient, atur Stop time = 2m.

    • Lakukan Simulasi

    • Pada plot, tampilkan luaran V1 dan V2

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 6

    Gambar 5.7: Pengaturan V1 untuk gelombang kotak dan simulasi

    Gambar 5.8: Hasil simulasi gelombang kotak

    Tips:

    • Untuk menghasilkan grafik tebal: pilih menu Simulate – Control Panel. Pada Tab “Waveforms”, silang

    pilihan “Plot data with thick lines”.

    • Untuk menurunkan sinyal pada plot (agar maksimumnya tidak berimpit dengan kotak atas: Klik kanan di

    grafik, pilih menu “Manual Limits”. Atur sesuai kebutuhan.

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 7

    (a) mengatur tebal plot

    (b) mengatur limit plot

    Gambar 5.9: Pengaturan Plot

    Untuk menganalisis hasil luaran, cobalah :

    1. Aktifkan layap plot

    2. Pilih menu Tools – Copy Bitmap to Clipboard

    3. Jalankan suatu editor gambar, misalnya powerpoint

    4. Buat slide baru (kosong), lalu Paste clipboard

    5. Lengkapi dengan garis-garis analisis konstanta waktu (garis titik-titik, lihat gambar berikut)

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 8

    Terlihat bahwa sinyal masukan (V1) naik mendadak dari 0 menjadi 1. Sementara itu sinyal luaran (V2) perlahan-

    lahan mengikuti sampai nantinya berada dalam keadaan tunak. Ada satu titik istimewa pada grafik ini, yaitu ketika

    sinyal luaran mencapai nilai sekitar 63,2% dari nilai tunak. Waktu saat sinyal luaran mencapai level itu disebut

    konstanta waktu (time constant) yang diberi simbol τ. Dalam grafik ini, harga τ ≈ 0,12 ms. Hal ini dapat dijelaskan

    sebagai berikut.

    Ketika suatu rangkaian diberi sinyal step (berubah dari off ke on), maka akan terjadi transien. Untuk rangkaian

    RCL, persamaanya adalah sebagai berikut (analisis mendalam tentang hal ini akan diberikan pada kuliah RLE):

    Rangkaian RC dan LR Rangkaian RL dan CR

    Konstanta waktu (τ) adalah waktu (t) ketika respon eksponensial berharga (e-1). Jika dimasukkan ke rumus tersebut

    maka :

    Sementara itu, bisa diturunkan juga bahwa konstanta waktu adalah τ = RC. Sesuai harga komponen terlihat bahwa

    R1=120 dan C1=1 uF, sehingga bisa dihitung τ = RC = 120 . 1x10-6 = 0,12 ms. Hasil kalkulasi ini cocok dengan

    analisis hasil simulasi sebelumnya.

    5.4.3 Respon Waktu Masukan Sinus

    Pada simulasi sebelumnya sudah kita lihat bahwa ketika diberi masukan berbentuk gelombang kotak, luaran dari

    rangkaian ternyata tidak berbentuk gelombang kotak lagi (terjadi distorsi), walau frekuensinya tetap. Kita akan coba

    masukan masukan berbentuk sinus sebagai berikut:

    1. Gunakan rangkaian RC sebelumnya

    2. Klik kanan V1, atur untuk menghasilkan sinyal sinus frekuensi 200Hz, amplitudo 1 Volt

    𝑉2 = 𝑉1(1 − 𝑒−𝑡𝑅𝐶) 𝑉2 = 𝑉1𝑒

    −𝑡𝑅𝐶

    𝑉2 = 𝑉1(1 − 𝑒−1) = 𝑉1(1 − 0,368) = 0,632. 𝑉1

    Gambar 5.10: Respon waktu rangkaian RC terhadap gelombang kotak (step)

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 9

    3. Pilih menu Simulate – Edit Simulation Cmd, atur simulasi mode transien selama 10 ms.

    4. Lakukan Simulasi, lalu tampilkan luaran V1 dan V2 pada plot

    Gambar 5.11: Rangkaian simulasi dan Pengaturan V1

    Gambar 5.12: Plot hasil simulasi

    Perhatikan hasil plot simulasi, coba bandingkan sinyal input dan output:

    • Bentuk gelombang tetap

    • Frekuensi tetap

    • Amplitudo gelombang luaran berkurang terhadap masukan (terjadi atenuasi / pelemahan)

    • Terjadi pergeseran fasa, dimana gelombang luaran tertinggal dari gelombang masukan.

    Atenuasi dan pergeseran fasa tersebut terjadi karena impedansi kapasitor berubah sesuai dengan frekuensi sinyal

    AC sebagai berikut:

    Resistor Kapasitor Induktor

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 10

    𝑍𝑅 = 𝑅 𝑋𝐶 =1

    𝜔𝐶=

    1

    2𝜋𝑓

    𝑋𝐿 = 𝜔𝐿 = 2𝜋𝑓

    Dalam hal ini, rangkaian RC yang disimulasikan membentuk suatu pembagi tegangan, sehingga :

    𝐺𝑎𝑖𝑛 =𝑉2

    𝑉1=

    𝑍2

    𝑍𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

    Dalam hal ini, impedansi total resistor yang diseri kapasitor adalah:

    𝑍𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = √𝑅2 + 𝑋𝐶

    2

    Sementara

    𝑍2 = √𝑋𝐶2 = 𝑋𝐶

    Sehingga

    𝐺𝑎𝑖𝑛 =𝑉2

    𝑉1=

    𝑋𝐶

    √𝑅2+𝑋𝐶2=

    (1 𝜔𝐶⁄ )

    √𝑅2+(1 𝜔𝐶⁄ )2

    Untuk mengamati lebih jauh, hitunglah gain untuk berbagai frekuensi berikut, lalu lakukan simulasi untuk

    mencobanya.

    f 200 400 800 1600 3200 6400 12800

    XC

    Gain

    Simulasi

    V1 = 1.0 Volt

    f 200 400 800 1600 3200 6400 12800

    V2

    Gain

    5.4.4 Respon Frekuensi (Analisis AC)

    Apabila hasil percobaan respon sinus seperti pada sub bab sebelumnya dibuat grafiknya, maka akan didapat grafik

    gain terhadap frekuensi. Dengan kata lain, akan bisa dibuat respon frekuensi rangkaian.

    LTSPice dapat membuat grafik respon frekuensi ini secara otomatis melalui fasilitas analisis AC. Caranya adalah

    sebagai berikut:

    1. Simpan dulu rangkaian RC sebelumnya yang menggunakan analisis transien (Save As).

    2. Untuk analisis rangkaian, simpan file RC tersebut dengan nama baru (Save As).

    3. Pada Voltage Source, atur untuk menggunakan Function: None, sementara AC Amplitude=1.

    4. Edit Simulation Command, gunakan tab AC Analysis. Isikan :

    • Type of sweep : Octave (frekuensi berlipat dua)

    • Number of points per octave: 8 (agar teliti)

    • Start Frequency : 100

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 11

    • Stop Frequency : 12800

    5. Jalankan simulasi, lalu keluarkan plot V2.

    Gambar 5.13: Respon waktu gelombang sinus

    Setelah di-Run, maka akan tampil grafik penguatan dan pergeseran fasa terhadap frekuensi. Perhatikan bahwa axis

    digambarkan secara logaritmik. Grafik seperti ini dikenal juga sebagai diagram bode.

    Gambar 5.14: Diagram bode rangkaian RC

    Pada grafik tersebut, sumbu datar adalah frekuensi digambarkan secara logaritmik, sementara sumbu tegak adalah

    penguatan dalam satuan desibel (dB), dimana:

    𝑑𝐵 = 20log(𝑔𝑎𝑖𝑛)

    Dari grafik tersebut, terlihat bahwa sinus dengan frekuensi rendah tak akan mengalami atenuasi karena penguatan

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 12

    masih dekat ke satu (0 db), dan sebaliknya sinus dengan frekuensi tinggi akan habis karena penguatannya mendekati

    nol (minus tak hingga dB). Rangkaian dengan kelakuan seperti ini disebut low pass filter (LPF). Sebaliknya

    rangkaian yang melemahkan frekuensi rendah sementara meloloskan frekuensi tinggi disebut high pass filter (HPF).

    Pada grafik ini, titik yang menarik adalah adalah perpotongan grafik dengan penguatan 0,707, atau dalam dB:

    𝑑𝐵 = 20log(1

    √2) = −3

    Dengan menarik garis datar penguatan -3dB ke kurva, lalu menarik garis tegak ke sumbu frekuensi, akan diperoleh

    frekuensi cutoff. Dari grafik terlihat bahwa frekuensi ini disekitar 1300 Hz.

    Untuk membuktikan, kembali ke rumus penguatan dimana pada cut-off berlaku:

    𝐺𝑎𝑖𝑛 =(1 𝜔𝐶⁄ )

    √𝑅2+(1 𝜔𝐶⁄ )2=

    1

    √2

    Itu hanya akan terjadi bila:

    √2(1 𝜔𝐶⁄ ) = √𝑅2 + (1 𝜔𝐶⁄ )2

    2(1 𝜔𝐶⁄ )2 = 𝑅2 + (1 𝜔𝐶⁄ )2

    2(1 𝜔𝐶⁄ )2 − (1 𝜔𝐶⁄ )2 = 𝑅2

    (1 𝜔⁄ 𝐶)2 = 𝑅2

    (1 𝜔⁄ 𝐶) = 𝑅

    1

    𝐶𝑅= 𝜔 = 𝜔𝑜; kecepatan sudut saat cut-off

    Yang menarik, kalau dikembalikan ke percobaan domain waktu, ternyata:

    𝜔𝑜 =1

    𝐶𝑅=

    1

    𝜏

    5.5 Tugas Awal

    5.5.1 Simulasi

    Pada percobaan ini akan dilakukan percobaan 4 rangkaian dasar seperti Gambar 5.6. Rangkaian pertama (RC) sudah

    disimulasi dan dianalisis dengan lengkap pada Sub 5.4. Masih ada tiga rangkaian lagi (RL, CR, dan LR). Bagilah

    ketiga rangkaian tersebut ke anggota regu (satu / dua rangkaian per orang), dan lakukan simulasi seperti telah

    dicontohkan. Pada masing-masing rangkaian hitunglah:

    • Konstata waktu

    • Frekuensi Cut-off (dalam Hz)

    5.5.2 Alat Percobaan

    Untuk alat percobaan, setiap regu harap mempersiapkan HP Android, dan dipasang applikasi “Advanced Spectrum

    Analyzer”.

    5.6 Praktikum

    5.6.1 Kalibrasi Generator Sinyal dan Osiloskop

    Pada praktikum ini, kita akan menguji rangkaian dengan sinyal AC berfrekuensi 100Hz hingga 10KHz. Mula-mula,

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 13

    kita perlu mencoba kemampuan generator sinyal dalam menghasilkan sinyal tersebut. Siapkan dulu tabel 10 kolom

    4 baris berikut:

    No Generator Sinyal Osiloskop Kanal A Osiloskop Kanal B

    Sinyal Frek Amp Sinyal Frek Amp Sinyal Frek Amp

    1 Sinus 100 10

    2 Sinus 10.000 10

    3 Kotak 100 10

    4 Kotak 10.000 10

    Prosedur percobaan :

    1. Siapkan osiloskop, pasang probe di kanal A lalu kalibrasi kanal A untuk pengukuran mode DC dengan

    skala vertikal 0.2V/div. Demikian pula Kanal B.

    2. Siapkan generator sinyal, pasang kabel luaran, lalu sambung ke osiloskop (ground ketemu ground, sinyal

    ketemu input) kanal A maupun kanal B.

    3. Pelajari panel generator sinyal, cobalah atur ke kondisi awal:

    • Tekan tombol “Wave” untuk memilih bentuk gelombang sinus

    • Atur Frekuensi menjadi 100 Hz

    • Atur Amplitudo menjadi 10 Volt

    • Offset tetap 0 Volt.

    4. Pada osiloskop, atur skala time/div agar terlihat 2 - 3 gelombang penuh. Amati frekuensi, amplitudo, serta

    gelombang dan catat pada tabel.

    Ulangi percobaan diatas sebanyak 4 kali, ubah bentuk gelombang dan frekuensi sesuai tabel.

    • Untuk seluruh data, bandingkan frekuensi generator sinyal dengan hasil pengukuran osiloskop.

    Seharusnya tak ada perbedaan signifikan (2% atau lebih).

    • Amati apakah amplitudo sinyal yang dihasilkan antara frekuensi terendah dan tertinggi sama. Seharusnya

    tak ada perbedaan signifikan juga.

    5.6.2 Kalibrasi Speaker dan Spectrum Analyzer

    Percobaan ini ingin menyiapkan spectrum analyzer. Siapkan tabel pengukuran:

    No Generator Sinyal Speaker (persepsi suara*) Spectrum Analyzer

    Sinyal Frek Amp Keras Nada Timbre Frek Frek Lain Amp

    1 Sinus 100 10

    2 Sinus 100 20

    3 Sinus 1000 10

    4 Sinus 1000 20

    5 Kotak 100 10

    6 Kotak 1000 10

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 14

    *) Keras = lemah / kuat

    Nada = rendah / tinggi

    Timbre = monotone / multitone

    Siapkan HP dan aplikasi spectrum analyzer, lalu diatur settingnya sebagai berikut:

    • Input Samples : 16384

    • Window function : Hamming

    • Logaritmic scale : tick

    • Markers : tick

    • Peaks : tick

    Pada percobaan ini akan dilakukan pengukuran suara, karena itu usahakan tak ada bising dari lingkungan. Lakukan

    percobaan sebagai berikut:

    1. Koneksikan luaran generator sinyal ke speaker

    2. Atur bentuk sinyal, frekuensi, dan amplitudo pada generator sinyal sesuai tabel (baris 1)

    3. Pada speaker akan terdengar suara, dengarkan lalu isi kolom persepsi suara

    4. Dekatkan HP pada speaker, amati luaran pada spectrum analyzer.

    5. Setelah tunak, tekan tombol “Pause”.

    Gambar 5.15: Spectrum Analyzer, menemukan peak

    6. Jika perlu, gerakkan marker untuk mencari peak.

    7. Catat hasil pengamatan peak (frekuensi dan amplitudo) di tabel. Jika ada, catat juga frekuensi tambahan

    yang lain. Seharusnya frekuensi peak ini sama dengan frekuensi dari generator sinyal

    8. Pilih menu Screenshot untuk menyimpan hasil ke HP, untuk pengolahan nantinya.

    Ulangi percobaan diatas sebanyak 6 kali sesuai dengan baris pada tabel percobaan.

    5.6.3 Spektrum Frekuensi Speaker

    Percobaan ini ingin menguji spektrum frekuensi speaker sendiri, dengan cara sebagai berikut:

    1. Generator sinyal masih tersambung ke speaker

    2. Pada spectrum analyzer, pilih menu “Enable Peak Hold”. Tekan tombol clear (X), lalu tekan tombol pause

    (||).

    3. Pada generator sinyal, mode “sweep” dengan bentuk sinyal sinus, lalu atur:

    ◦ Frekuensi awal : 100 Hz

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 15

    ◦ Frekuensi akhir : 10 Khz

    ◦ Lama sweep : 20 detik

    4. Tunggu sampai sweep akan dimulai, pada HP tekan tombol on (>).

    5. Biarkan spectrum analyzer mengukur sementara suara naik dari frekuensi rendah ke tinggi

    6. Setelah selesai, tekan tombol pause kembali.

    7. Pilih menu “Screenshot” untuk menyimpan gambar.

    8. Amati grafik warna kuning, itu adalah respon frekuensi speaker.

    Gambar 5.16: Spectrum Analyzer, respon frekuensi dengan peak hold

    Respon frekuensi speaker ini nanti akan dipakai untuk mengkoreksi respon frekuensi rangkaian lainnya pada

    percobaan selanjutnya.

    5.6.4 Rangkaian RC

    Pada Praktikum ini, anda akan memakai kit berikut:

    Gambar 5.17: Kit Praktikum RC

    Harga komponen pada kit ini adalah:

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 16

    • C1 = 220 nF C2 = 470 nF ; toleransi = 5%

    • L1 = 27mH L2 = 33mH ; toleransi = 5%

    Sementara itu harga R1 – R4 bervariasi, baca saat praktikum dan catat beserta toleransinya. Jika ragu, gunakan AVO

    Meter untuk mengukur tahanan. Namun ingat, rangkaian harus dalam kondisi tidak terkoneksi saat mengukur

    tahanan. Jika dilanggar, AVO Meter bisa rusak.

    Setelah mengetahui harga C1 dan R1:

    1. Hitunglah konstanta waktu

    2. Hitung frekuensi cut-off

    Selanjutnya untuk percobaan rangkaian RC, koneksikan:

    1. Luaran generator sinyal ke soket A dan Z.

    2. Kanal A osiloskop mengamati masukan, koneksikan ke soket A dan Z

    3. Kanal B osiloskop mengamati luaran, koneksikan ke soket V dan Z

    5.6.4.1 Respon Step

    Siapkan tabel percobaan sebagai berikut:

    Gensin Osiloskop, sinyal luaran

    Frekuensi Frekuensi V tunak 0,707 V Tho

    200

    100

    50

    Lakukan percobaan :

    1. Hidupkan generator sinyal, atur agar:

    • Bentuk gelombang kotak.

    • Periode gelombang 200 Hz.

    • Amplitudo 10 Volt.

    2. Sesuaikan osiloskop kanal A maupun B sehingga

    • Terlihat sekitar 2 gelombang penuh di layar osiloskop.

    • Sesuaikan offset kanal B agar sinyal luaran mudah dibandingkan dengan sinyal masukan.

    3. Setelah stabil, potret luaran osiloskop.

    4. Saat analisis, dari potret tersebut coba tentukan V tunak luaran, kemudian tentukan konstanta waktu.

    5.6.4.2 Respon Sinus

    Percobaan ini akan melibatkan banyak data. Siapkan tabel sebagai berikut, dimana frekuensi dari 100 Hz naik per

    oktaf hingga 12.800 Hz, karena data yang didapat nantinya akan dibuat menjadi diagram bode.

    Gensin Osiloskop Sinyal input Osiloskop Sinyal Output Kalkulasi

    Frekuensi Frekuensi Amplitudo Frekuensi Amplitudo Fasa Gain dB

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 17

    100

    200

    12.800

    Kerjakan percobaan sebagai berikut:

    1. Atur generator sinyal untuk menghasilkan sinus, dan frekuensi 100 Hz.

    2. Sesuaikan osiloskop agar dapat mengamati gelombang stabil sekitar 2 gelombang penuh. Potret layar

    osiloskop.

    3. Amati sinyal input dan sinyal output, catat frekuensi dan amplitudo masing-masing. Untuk sinyal output,

    amati pergesaran fasanya terhadap sinyal input. Catat pengukuran pada tabel.

    Ulangi percobaan dengan frekuensi sesuai tabel pengukuran.

    Selanjutnya untuk menetukan frekuensi cut-off, cobalah ubah-ubah frekuensi generator sinyal di sekitar frekuensi

    cut-off (sesuai perhitungan), hingga V2=0,707 V1. Catat frekuensi tersebut sebagai frekuensi cut-off hasil

    pengukuran.

    5.6.4.3 Respon Frekuensi

    Siapkan rangkaian untuk percobaan ini sebagai berikut:

    1. Lepas semua probe osiloskop

    2. Luaran generator sinyal ke soket A dan Z.

    3. Koneksikan speaker ke soket V dan Z.

    4. Siapkan HP dengan spectrum analyzer.

    Lakukan percobaan sebagai berikut:

    1. Pada spectrum analyzer, pilih menu “Enable Peak Hold”. Tekan tombol clear (X), lalu tekan tombol pause

    (||).

    2. Pada generator sinyal, mode “sweep” dengan bentuk sinyal sinus, lalu atur:

    • Frekuensi awal : 100 Hz

    • Frekuensi akhir : 10 Khz

    • Lama sweep : 20 detik

    3. Tunggu sampai sweep akan dimulai, pada HP tekan tombol on (>).

    4. Biarkan spectrum analyzer mengukur sementara suara naik dari frekuensi rendah ke tinggi

    5. Setelah selesai, tekan tombol pause kembali.

    6. Pilih menu “Screenshot” untuk menyimpan gambar.

    7. Amati grafik warna kuning, itu adalah respon frekuensi rangkaian RC + speaker.

    Perhatikan bahwa respon frekuensi ini adalah respon frekuensi rangkaian RC dan speaker. Untuk mengkoreksinya,

    hasil pada percobaan ini bisa dikurangi dengan hasil respon frekuensi speaker, dimana pengurangannya harus secara

    desibel.

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 18

    5.6.5 Rangkaian RL

    Selanjutnya kita akan mencoba rangkaian RL, dimana komponen yang terlibat adalah R2 dan L1. Sementara itu

    koneksinya adalah:

    • Masukan dari generator sinyal ke node C dan Z.

    • Koneksikan juga node C dan Z ke kanal A osiloskop.

    • Luaran ada di node X dan Z. Koneksikan ke kanal B osiloskop.

    Gambar 5.18: Kit Praktikum RL

    Untuk prosedur, lakukan 3 percobaan sesuai pada rangkaian RC sebelumnya.

    5.6.6 Rangkaian CR

    Sama seperti sebelumnya, lakukan 3 percobaan pada rangkaian CR. Komponen yang terlibat adalah C2 dan R3.

    Koneksinya:

    • Input adalah node B dan Z (node B positif, Z ground).

    • Output adalah node W dan Z (node W positif, Z ground).

    5.6.7 Rangkaian LR

    Terakhir, lakukan 3 percobaan pada rangkaian LR. Komponen yang terlibat adalah L2 dan R4. Koneksinya:

    • Input adalah node D dan Z (node D positif, Z ground).

    • Output adalah node Y dan Z (node Y positif, Z ground)

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 19

    5.7 Laporan

    Buatlah laporan sesuai petunjuk umum. Masukkan data-data hasil percobaan ke spreadsheet untuk diolah. Untuk

    analisis, jawablah pertanyaan-pertanyaan khusus berikut.

    5.7.1 Kalibrasi

    5.7.1.1 Generator Sinyal

    Dari data hasil percobaan generator sinyal :

    1. Buatlah tabel frekuensi sinyal menurut generator sinyal dan hasil pengukuran di osiloskop. Manakah yang

    bisa lebih dipercaya ?

    2. Buatlah tabel amplitudo sinyal terhadap frekuensi, lalu buat grafiknya. Olahlah secara statistik untuk

    menyimpulkan apakah generator sinyal ini memiliki rentang frekuensi kerja yang cukup datar.

    Simpulkan bagaimana kualitas generator sinyal ini, dan bahas apa efeknya / apa konpensasi yang diperlukan

    pengukuran-pengukuran selanjutnya.

    5.7.1.2 Spectrum Analyzer

    Dari tabel hasil pengukuran, coba bahas:

    1. Apakah spectrum analyzer memang mampu menunjukkan frekuensi sinyal dengan baik ?

    2. Apakah pengaruh bentuk sinyal pada hasil spectrum analyzer ?

    3. Apakah pengaruh amplitudo pada hasil spectrum analyzer ?

    Sementara itu pada persepsi pendengaran:

    4. Apakah persepsi yang teras bila frekuensi sinyal dinaik turunkan ?

    5. Apakah persepsi yang teras bila frekuensi sinyal dinaik turunkan ?

    6. Apakah persepsi yang teras bila frekuensi sinyal dinaik turunkan ?

    5.7.1.3 Respon Frekuensi

    Dari hasil spektrum frekuensi speaker, pada rentang manakah speaker masih baik (gainnya datar). Pada rentang

    mana terjadi lembah, dan dimana terjadi bukit ?

    Apakah anda bisa ambil kesimpulan, speaker ini akan baik dipakai di rentang frekuensi berapa ?

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 20

    5.7.2 Rangkaian RC

    5.7.2.1 Respon Step

    Cobalah analisis data percobaan untuk menyimpulkan:

    • Apakah konstanta waktu eksperimen sama dengan kalkulasi ?

    • Apakah konstanta waktu berubah jika frekuensi sinyal masukan berubah ?

    5.7.2.2 Respon Sinus

    Dari tabel percobaan coba buat diagram bode rangkaian ini, dimana :

    • Sumbu datar adalah frekuensi (Hz) dalam skala logaritmik

    • Sumbu vertikal adalah penguatan dalam satuan dB

    Gambarkan frekuensi cut-off pada diagram tersebut, kemudian coba simpulkan:

    • Apakah frekuensi cutoff eksperimen sama dengan kalkulasi ?

    • Rangkaian ini bersifat HPF atau LPF ?

    5.7.2.3 Respon Frekuensi

    Bandingkan hasil pengukuran respon frekuensi dengan spectrum analyzer, terhadap diagram bode yang dibuat

    sebelumnya. Apakah serupa ? Jika tidak serupa, berikan alasan yang ilmiah.

    5.7.3 Rangkaian RL

    Analisislah seperti rangkaian RC

    5.7.4 Rangkaian CR

    Analisislah seperti rangkaian RC

    5.7.5 Rangkaian LR

    Analisislah seperti rangkaian RC

    5.7.6 Analisis Menyeluruh

    Bandingkan hasil dari keempat rangkaian.

    • Manakah rangkaian yang berfungsi sebagai HPF ?

    • Manakah rangkaian yang berfungsi sebagai LPF ?

    6 Referensi

    Bahan dari textbook adalah “Alexander, C.K. dan Sadiku, M.N.O, Fundamentals of Electric Circuits”:

  • Praktikum Laboratorium TF I Rangkaian Arus Bolak-Balik - 21

    • Chapter 6 : Capacitors & Inductors

    • Chapter 7 : First Order Circuits

    • Chapter 8 : Second Order Circuits

    • Chapter 9 : Sinosuids & Phasors

    • Chapter 10 : Sinusoidal Staedy State Analysis

    Bacalah sumber-sumber tambahan mengenai rangkaian RLC ini, juga mengenai HPF dan LPF. Beberapa sumber

    bacaan di Internet:

    • MIT Open Course: http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-071j-

    introduction-to-electronics-signals-and-measurement-spring-2006/lecture-notes/capactr_inductr.pdf

    • The Step Response of RC and RL Circuits:

    https://www.digilentinc.com/Classroom/RealAnalog/text/Chapter_2p4p4.pdf

    • Sinusoidal Steady State Response of Linear Circuits: https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-

    and-computer-science/6-071j-introduction-to-electronics-signals-and-measurement-spring-2006/lecture-

    notes/09_sss.pdf

    http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-071j-introduction-to-electronics-signals-and-measurement-spring-2006/lecture-notes/capactr_inductr.pdfhttp://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-071j-introduction-to-electronics-signals-and-measurement-spring-2006/lecture-notes/capactr_inductr.pdfhttps://www.digilentinc.com/Classroom/RealAnalog/text/Chapter_2p4p4.pdfhttps://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-071j-introduction-to-electronics-signals-and-measurement-spring-2006/lecture-notes/09_sss.pdfhttps://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-071j-introduction-to-electronics-signals-and-measurement-spring-2006/lecture-notes/09_sss.pdfhttps://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-071j-introduction-to-electronics-signals-and-measurement-spring-2006/lecture-notes/09_sss.pdf