Sinyal AC Berfrekuensi Campuran: Kopling, Harmonik, dan Wawasan Praktis
Dalam studi kami tentang rangkaian AC, kami telah memeriksa rangkaian yang diberdayakan oleh satu gelombang tegangan sinus tunggal. Dalam banyak aplikasi dunia nyata, namun, sinyal frekuensi tunggal adalah pengecualian bukan aturan.
Seringkali, rangkaian berisi banyak komponen frekuensi secara bersamaan, dan gelombang mungkin menyimpang dari bentuk sinus murni—apa yang kita sebut gelombang non-sinus. Selain itu, DC dapat disatukan dengan AC, menghasilkan sinyal yang bervariasi dalam magnitudo tetapi tidak polaritas, atau yang menghabiskan waktu yang tidak sama di setengah positif dibandingkan negatif.
Karena DC tidak berbolak-balik, frekuensinya dianggap nol. Setiap sinyal yang mengandung komponen DC dan AC oleh karena itu adalah sinyal berfrekuensi campuran, dan sinyal seperti itu umum dalam praktiknya.
Ketika beberapa frekuensi coexist dalam rangkaian yang sama, analisis menjadi lebih kompleks daripada kasus frekuensi tunggal sederhana.
Kopling
Sinyal tegangan dan arus berfrekuensi campuran dapat timbul secara tidak sengaja melalui kopling listrik yang tidak disengaja—biasanya disebabkan oleh kapasitansi atau induktansi sisa antara konduktor. Contoh industri yang sering terjadi adalah ketika kabel sinyal DC berjalan dekat kabel daya AC. Tegangan dan arus AC tinggi dapat menginduksi “asing” tegangan atau arus pada konduktor sinyal.
Kapasitansi sisa, yang dibentuk oleh isolasi yang memisahkan konduktor daya dan sinyal, dapat mentransfer tegangan relatif terhadap ground bumi. Induktansi sisa, yang diciptakan oleh jalur kabel paralel, dapat menginduksi tegangan di sepanjang konduktor sinyal melalui kopling elektromagnetik.
Hasilnya adalah campuran DC dan AC pada beban sinyal, seperti diilustrasikan oleh skematik di bawah:
Induktansi dan kapasitansi sisa menyalurkan AC sisa ke sinyal DC yang diinginkan.
Ketika tegangan AC sisa dari sumber kebisingan bercampur dengan sinyal DC, hasilnya biasanya tidak diinginkan. Untuk menghindari ini, kabel daya dan kabel sinyal tingkat rendah harus dirute melalui kondusi logam terpisah dan khusus, dan sinyal harus melalui kabel twisted-pair yang dilindungi daripada satu kabel dengan referensi ground:
Twisted-pair dilindungi meminimalkan kebisingan.
Pelindung—baik flek atau foil yang membungkus dua konduktor terisolasi—memblokir medan listrik eksternal, mencegah kopling kapasitif. Kedekatan dua konduktor membatalkan kopling induktif: tegangan kebisingan yang diinduksi hampir sama magnitudo-nya dan berfasa berlawanan pada kedua konduktor, menghasilkan tegangan kebisingan diferensial yang hampir nol.
Penanda polaritas di dekat segmen induktif mengilustrasikan bagaimana tegangan yang diinduksi bergeser fase untuk saling membatalkan.
Kopling juga dapat terjadi antara dua sekelompok konduktor AC, yang mengakibatkan campuran sinyal mereka:
Kopling sinyal AC antara konduktor paralel.
Dalam sebagian besar kasus, kopling seperti itu tidak disengaja dan tidak diinginkan. Meskipun itu, sinyal berfrekuensi campuran secara sengaja dihasilkan dalam banyak aplikasi, dan juga inherent pada beberapa sumber sinyal.
Salah satu cara sederhana untuk membuat sumber berfrekuensi campuran adalah dengan menyambungkan sumber tegangan secara seri, seperti yang ditunjukkan di bawah:
Koneksi seri sumber tegangan mencampur sinyal.
Sistem jaringan komputer kadang-kadang menyatukan data frekuensi tinggi pada konduktor daya 60 Hz untuk mentransmisikan informasi melalui kabel yang sudah ada. Jaringan distribusi daya telah menggunakan teknik ini selama dekade untuk menyampaikan data beban di sepanjang garis tegangan tinggi.
Perangkat satu sumber juga dapat menghasilkan frekuensi campuran. Misalnya, mikrofon mengubah gelombang tekanan udara frekuensi audio menjadi gelombang tegangan. Nada murni menghasilkan satu gelombang sinus, sementara suara kompleks menghasilkan campuran kaya frekuensi yang mencerminkan konten akustik yang mendasarinya.
Frekuensi Dasar dan Harmonik
Akord musik timbul dari pencampuran frekuensi dasar dengan harmonik yang merupakan kelipatan integer dari dasar itu. Bahkan satu nada piano mengandung nada dasar dominan plus serangkaian harmonik frekuensi lebih tinggi.
Di bawah ini adalah tabel yang mengilustrasikan istilah-istilah ini dengan frekuensi dasar hipotetis 1000 Hz:
| Frekuensi | Istilah |
|---|
| 1000 | 1st harmonic (fundamental) |
| 2000 | 2nd harmonic |
| 3000 | 3rd harmonic |
| 4000 | 4th harmonic |
| 5000 | 5th harmonic |
| 6000 | 6th harmonic |
| 7000 | 7th harmonic |
Overtone
Istilah overtone merujuk pada frekuensi harmonik yang dihasilkan oleh instrumen tertentu. Overtone pertama adalah harmonik pertama di atas dasar; untuk seri harmonik penuh, overtone kedua adalah harmonik ketiga, dan seterusnya. Namun, tidak semua instrumen menghasilkan setiap harmonik. Misalnya, tabung yang terbuka di satu ujung dan tertutup di ujung lain—seperti botol—tidak dapat menghasilkan harmonik genap. Dasar 1000 Hz dari instrumen seperti itu akan menghasilkan 3000, 5000, 7000 Hz, tetapi tidak ada komponen 2000, 4000, atau 6000 Hz.
Gelombang sinus murni tidak memiliki harmonik dan oleh karena itu terdengar datar dan tidak memiliki ciri khas. Timbre, atau warna, yang khas dari instrumen musik datang dari campuran unik dari amplitudo dasar dan harmonik-nya. Instrumen brass, woodwind, dan stringed masing-masing memiliki tanda tangan harmonik khas yang menentukan nada-nya.
Instrumen yang getar permukaan dua dimensi, seperti drum baja atau lonceng tertentu, menghasilkan spektrum frekuensi yang lebih luas yang tidak terbatas pada kelipatan bilangan bulat dari dasar, menghasilkan nada yang beberapa pendengar temukan kaya akustik atau bahkan disonsonan.
Musik menawarkan tanah yang subur untuk mempelajari frekuensi campuran dan efek persepsinya. Bagian-bagian selanjutnya dari bab ini akan membahas lebih dalam penggunaan instrumen musik sebagai sumber gelombang untuk analisis.
Tinjauan
- Gelombang sinusoidal memiliki bentuk yang persis sama dengan gelombang sinus.
- Gelombang non-sinusoidal dapat berupa sinus yang terdistorsi atau bentuk apa pun, seperti gelombang persegi.
- Gelombang berfrekuensi campuran dapat timbul secara tidak sengaja, sengaja, atau sebagai konsekuensi alami. Sebagian besar nada musik adalah campuran kaya dari banyak frekuensi.
- Ketika beberapa gelombang sinus bercampur, frekuensi terendah adalah dasar, dan kelipatan integer-nya adalah harmonik.
- Sebuah overtone adalah harmonik yang dihasilkan oleh instrumen tertentu; overtone pertama adalah frekuensi pertama di atas dasar, tetapi urutannya bergantung pada harmonik mana yang dapat dihasilkan oleh instrumen.
Lembar Kerja Terkait
- Lembar Kerja Sinyal Berfrekuensi Campuran
- Lembar Kerja Induktansi Saling
