Pengaruh RLC Tapis Lolos Rendah Pada Penguat Kelas D

Joel Patra Tirtayasa 612011010Pengubah Tegangan Kotak Menjadi Tegangan Dc Menggunakan Tapis Lolos Bawah Orde 2 TUJUAN

Meneliti karakterisitik dan sifat-sifat komponen resistor, induktor, dan kapasitor dari tapis lolos rendah bawah orde kedua dalam mengubah tegangan kotak menjadi tegangan DCPengetahuan sifat sifat dan nilai dari sebuah komponen induktor dan kapasitor pada tapis lolos rendah orde-2 menjadi sangat penting untuk dapat mengetahui karakteristik dan bentuk keluaran sinyal akhir dari tapis lolos bawah tersebut. Dengan menggunakan nilai kapasitor, induktor, dan resistor yang tepat maka sinyal keluaran akan dapat disesuaikan dengan hasil yang kita inginkan.PERMASALAHAN

.

BAGAN KOTAK PERCOBAAN SISTEM

Filter atau tapis merupakan suatu kelas rangkaian yang dirancang untuk memiliki karakteristik selektivitas terhadap frekuensi yang spesifik. Tapis dapat melewatkan sinyal dengan frekuensi-frekuensi tertentu, dan mem-blok sinyal-sinyal dengan frekuensi yang lain. Sehingga tapis berfungsi untuk memfilter suatu frekuensi tertentu. Idealnya, dalam sistem passband, H(jw) = 1 dan dalam operasi stop-band, H(jw) = 0.FILTERTapis terdiri dari 3 macam kelas, yaitu tapis lolos atas, tapis lolos bawah dan tapis Band Pass :

Tapis lolos rendah adalah sebuah rangkaian yang tegangan keluarannya tetap dari suatu nilai frekuensi yang kecil sampai ke suatu frekuensi penggal (fc).

Tapis lolos atas adalah sebuah rangkaian yang tegangan keluarannya tetap dari nilai frekuensi penggalnya sampai ke nilai frekuensi yang sangat tinggi.

Tapis Band Pass merupakan Tapis yang melewatkan frekuensi di antara frekuensi penggal bawah(fL) dan frekuensi penggal atas (fH).

Frekuensi penggal (fc) merupakan frekuensi yang menjadi batas dalam melewati atau menghalangi sinyal frekuensi masukan yang memiliki frekuensi lebih tinggi atau frekuensi yang lebih rendah.

Untuk mencari frekuensi penggal pada rangkaian LPF LC orde-2 maka kita dapat menurunkan rumusnya dari tanggapan-impuls nya:

Dalam kasus ini, nilai R tidak berpengaruh karena R hanyalah beban keluaran saja.

Rumus Frekuensi penggal

Bentuk keluaran sinyal pada tapis lolos bawah orde 2 tergantung dari nilai kapasitor, induktor, dan resistor yang dipakai pada tapis lolos bawah tersebut. Sehingga keluaran sistem dapat berakibat teredam besar (overdamped), teredam kristis (critically damped), atau teredam kecil (underdamped) tergantung dari nilai damping ratio yang didapat dari tapis lolos bawah tersebutMencari Damping Ratio dan Frekuensi OsilasiDengan :H(j) : Respon Impulsn : Omega pada saat frekuensi berosilasi : Damping RatioTn : Periode gelombang yang ber-osilasiApabila > 1 = sistem tidak berosilasi (Overdamped) < 1 = sistem berosilasi (Underdamped)dengan nilai frekuensi osilasi sebesar fn

Mencari Nilai Damping Ratio dan Frekuensi Osilasi :

Mencari Tanggapan Impuls Rangkaian

Penelitian ini akan diawali dengan membuat simulasi dengan perangkat lunak Circuit Maker dengan menggunakan input masukan berupa pembangkit gelombang sinyal kotak yang direalisasikan dengan menggunakan sinyal generator yang kemudian dijadikan masukan terhadap transistor yang berfungsi untuk memperbesar nilai arus dan setelahnya diumpankan ke tapis lolos bawah orde-2.Pengambilan Data

Dengan nilai RLC yang dapat berubah-ubah

Apabila nilai R di besar-kecilkan sedangkan nilai L dan C tetap dan dengan duty cycle 80% :

RLCfcQoV0I1k1H0.1uF503.29Hz0.3161.58118V17.91mA10k1H0.1uF503.29Hz3.16220.001518V1.807mA100k 1H0.1uF503.29Hz31.6220.015818V179.5uA1001H0.1uF503.29Hz0.0316215.8113817.92V180mA101H0.1uF503.29Hz0.00316158.11317.8V1.785A11H0.1uF503.29Hz0.000311581.13dropdropOpen1H0.1uF503.29Hz~017.87V616.0uAApabila nilai C di besar-kecilkan sedangkan nilai R dan L tetap dan dengan duty cycle 80% :

CRLfcQoV0I1uF1k1H159.154Hz10.517.9V17.91mA10uF1k1H50.329Hz3.16220.158117.9V17.91mA100uF1k1H15.915Hz100.0517.9V17.91mA100nF1k1H503.29Hz0.31621.581117.9V17.91mA1nF1k1H5032.9Hz0.0316215.81117.9V17.91mA0.1nF1k1H15915Hz0.015017.9V17.91mAApabila nilai L di besar-kecilkan sedangkan nilai R dan C tetap dan dengan duty cycle 80% :

LCRfcQoV0I100mH0.1uF1k1591.54Hz10.517.9V17.91mA10mH0.1uF1k5032.92Hz3.1620.15817.9V17.91mA1mH0.1uF1k15915.4Hz100.0517.9V17.91mA10H0.1uF1k159.154Hz0.1517.9V17.91mA100H0.1uF1k50.3292Hz0.031615.81117.9V17.91mA1000H0.1uF1k15.915Hz0.015017.9V17.91mAApabila frekuensi masukan (fin) diubah-ubah sedangkan nilai RLC tetap dan dengan duty cycle 80% :

finfcV0(average)IDC (Average)IAC (RMS)BerosilasiSangat BerosilasiTeredam10kHz503.29Hz17.48V17.48mA4.677mAYA--1kHz503.29Hz16.48V16.48mA5.125mA-YA-100Hz503.29Hz17.42V17.42mA16.77mA-YA-1MHz503.29Hz17.83V17.83mA11.25mA--YA10MHz503.29Hz13.2913.29mA9.874mA--YANilai Vo (Average), IDC (Average), dan IAC (RMS) akan terus berubah tergantung dari lamanya waktu pengamatan.

Kondisi Saat Drop Voltage (R = 1)

Pada kondisi ini, dikarenakan nilai R = 1 ohm sehingga membuat nilai damping ratio menjadi sangat besar sehingga tegangan keluaran menjadi sangat teredam sekali yang mengakibatkan tegangan keluaran tersebut menjadi sangat lama untuk dapat mencapai posisi stabilnya.

Apabila nilai L dikecilkan dan nilai C dibesarkan tanpa mengganti nilai frekuensi penggal-nya dan dengan duty cycle 80% maka :

RLCfcQVo11H0.1uF503.29Hz0.000311581.13Drop1100mH1uF503.29Hz0.00316158.113Drop110mH10uF503.29Hz0.0316215.811318V11mH100uF503.29Hz0.316221.5811318V1100uH1mF503.29Hz3.162270.1581118V110uH10mF503.29Hz31.62270.0158118VApabila nilai L dibesarkan dan nilai C dikecilkan tanpa mengganti nilai frekuensi penggal-nya dan dengan duty cycle 80% maka :

Apabila nilai C diubah tanpa mengganti nilai R dan L sehingga nilai frekuensi penggal ikut berubah dan dengan duty cycle yang sama yakni 80%

RLCfcQVo11H0.1uF503.29Hz0.00031581Drop11H1uF159.54Hz0.001500Drop11H10uF50.329Hz0.0031158.11Drop11H100uF15.915Hz0.0150Drop11H1mF5.0329Hz0.031615.811Drop11H10mF0.0159Hz0.15Drop11H10nF1591.5Hz0.00015000DropApabila nilai L diubah tanpa mengganti nilai R dan C sehingga nilai frekuensi penggal ikut berubah dan dengan duty cycle yang sama yakni 80%

LRCfcQVo1H10.1uF503.293Hz0.00031581.13Drop100mH10.1uF1591.54Hz0.001500Drop10mH10.1uF5032.92Hz0.00316158.11318V1mH10.1uF15915.5Hz0.015018V100uH10.1uF50329.2Hz0.031615.81118V (Sine Wave)10H10.1uF159.154Hz0.00015000DropApabila nilai L dan C dibesarkan tanpa mengubah nilai damping ratio () dan dengan duty cycle yang sama yakni 80% maka :

LCRfcQVo1H0.1uF1503.293Hz0.00031581.13Drop10H1uF150.329Hz0.00031581.13Drop100H10uF15.0329Hz0.00031581.13Drop1kH100uF10.5032Hz0.00031581.13DropApabila nilai L dan C dikecilkan tanpa mengubah nilai damping ratio () dan dengan duty cycle yang sama yakni 80% maka :

LCRfcQVo1H100nF1503.293 Hz0.00031581.13Drop100mH10nF15032.92Hz0.00031581.13Drop10mH1nF150329.2Hz0.00031581.1318V1mH0.1nF1503292Hz0.00031581.1318VTerlihat bahwa semakinbesar nilai frekunsi penggal (dengan nilai yang sama) maka Drop voltage dapat semakin teratasiApabila nilai L dan C di besar-kecilkan tanpa mengganti nilai damping ratio ( = 50) dan dengan duty cyle yang sama, yakni 80%

LCRfcQVo1mH0.1uF115915.4Hz0.015018V10mH1uF11591.54Hz0.015018V100mH10uF1159.154Hz0.0150Drop1H100uF115.9154Hz0.0150Drop100uH10nF1159154Hz0.015018V(Sine Wave)Terlihat bahwa semakin kecil nilai frekuensi penggal (dengan nilai yang sama) maka tegangan akan mengalami Drop voltageApabila nilai L dan C di besar-kecilkan tanpa mengganti nilai damping ratio ( = 1.58113) dan dengan duty cyle yang sama, yakni 80%

LCRfcQVo1mH100uF1503.292Hz0.316221.5811318V0.1mH10uF15032.92Hz0.316221.5811318V10uH1uF150329.2Hz0.316221.5811318V (sine Wave)1uH0.1uF1503292Hz0.316221.58113Sine Wave10mH1mF150.3292Hz0.316221.5811318V100mH10mF15.03292Hz0.316221.58113DropDari hasil percobaan, kondisi kondisi dimana drop voltage dapat teratasi adalah :

LCRfcQVo100mH1kF10.01591000.00518V100mH10mF15.0320.31621.58118V100mH1mF115.91540.1518V100mH100uF150.3290.031615.81118V100mH10uF1159.1540.015018V100mH1uF1503.29210.0031158.11318V100mH100nF11591.54940.00150018V100mH10nF15032.920.00031581.1318V10mH100F10.15911000.00518V10mH10mF115.9154Hz10.518V10mH1mF150.329Hz0.31621.58118V10mH100uF1159.154Hz0.1518V10mH10uF1503.292Hz0.031615.81118V10mH1uF11591.54Hz0.015018V10mH100nF15032.92Hz0.0031158.1118V10mH10nF115915.5Hz0.00150018V10mH1nF150329.2Hz0.000311581.1318V1mH10F11.59151000.00518V1mH10mF150.3292Hz3.16220.158118V1mH1mF1159.154Hz10.518V1mH100uF1503.292Hz0.31621.581118V1mH10uF11591.54Hz0.1518V1mH1uF15032.92Hz0.031615.81118V1mH100nF115915.4Hz0.015018V1mH100pF1503292Hz0.00031581.118V100uH1F115.9151000.00518V100uH1mF1503.292Hz3.16220.1581118V100uH10uF15032.92Hz0.31621.581118V10uH100mF1159.1541000.00518V10uH10mF1503.292Hz31.6220.015818V1uH10mF11591.54Hz1000.00518VTerlihat dari data bahwa terdapat 2 unsur penting yang berperan dalam mengurangi drop voltage yaitu :

Frekuensi Penggal : Syarat agar tegangan keluaran tidak mengalami drop voltage adalah bahwa frekuensi penggal tidak boleh bernilai kecil semakin kecil nilai frekuensi penggal maka semakin rentan pula sinyal tegangan tersebut menjadi drop voltage.

Damping Ratio : Semakin besar nilai damping ratio, maka sinyal tersebut akan semakin rentan mengalami drop voltage. Sebaliknya, semakin kecil nilai damping ratio () maka drop voltage juga akan semakin berkurang.

Perbedaan selisih yang cukup besar antara damping ratio dengan frekuensi penggal juga dapat menyebabkan terjadinya drop voltage. Drop Voltage terjadi dikarenakan nilai frekuensi penggal yang terlalu kecil atau karena nilai damping ratio yang terlalu besar. Untuk mengatasi Drop Voltage dapat dengan 2 cara yaitu :

Apabila Drop Voltage terjadi dikarenakan nilai frekuensi penggal yang terlalu kecil, maka hal tersebut bisa diatasi dengan cara menaikkan nilai frekuensi penggalnya atau dengan menurunkan nilai damping ratio nya.

Apabila Drop voltage terjadi dikarenakan nilai damping ratio yang terlalu besar, maka hal tersebut dapat diatasi dengan cara menaikkan nilai frekuensi penggalnya atau dengan menurunkan nilai damping ratio nya.Misalkan kita ambil contoh pada data diatas :

RLCfcQVo11H0.1uF503.29Hz0.000311581.13DropDrop voltage yang terjadi pada data diatas dikarenakan nilai yang sangat besar. Sehingga apabila nilai frekuensi penggal pada data diatas kita naikkan tanpa mengubah nilai , maka hasilnya ialah :RLCfcQVo1100mH10nF5032.92Hz0.000311581.1318VContoh kedua :

Drop voltage yang terjadi pada data diatas adalah dikarenakan nilai frekuensi penggal yang terlalu kecil. Kondisi tersebut dapat kita atasi dengan cara menurunkan nilai damping ratio nya, sehingga :

RLCfcQVo11H10mF0.0159Hz0.15DropRLCfcQVo110mH1F0.0159Hz50.118VDengan mengubah-ubah nilai damping ratio dan frekuensi penggal, maka kita juga dapat menjadikan gelombang yang nilai < 1 menjadi tidak berosilasi, dan membuat nilai frekuensi penggal dapat melebihi nilai frekuensi masukan tanpa membuat gelombang keluaran menjadi berosilasi.

LCRfcQVo10uH100nF1159154Hz0.1518V (sine wave)Contoh ketiga:Masalah diatas dapat teratasi dengan cara menaikkan nilai damping ratio sehingga gelombang keluaran menjadi terbebani dan dapat menghilangkan efek sinus.LCRfcQVo10mH100pF1159154Hz0.0001500018V Sehingga terlihat walaupun frekuensi masukan hanya bernilai 100kHz, namun nilai frekuensi penggal dapat lebih besar dari 100kHz dan gelombang keluaran tetap tidak berosilasi, hal tersebut dikarenakan nilai damping ratio yang sangat besar membuat gelombang keluaran tersebut menjadi teredam sangat besar sehingga gelombang keluaran tersebut menjadi tidak berosilasi sama sekali. Akan tetapi apabila frekuensi penggal tersebut bernilai lebih dari 100kHz dan nilai damping ratio nya sangat kecil, maka bisa dipastikan bahwa gelombang keluaran tersebut akan berosilasi menyerupai gelombang kotak (gelombang masukan).

KesimpulanDaftar Pustaka[1] Sklar, Bernard, Digital Communications: Fundamentals and Applications, 2nd Edition, 2001[2]Nahvi, Mahmood G., Schaum Outline, Teori Rangkaian Listrik.[3] Shu, Hwei, 2009, Komunikasi Analog dan Digital, Edisi kedua, Erlangga, Jakarta.

TERIMA KASIH