Arus Bolak Balik.docx

ARUS BOLAK BALIK Arus bolak balik adalah arus listrik yang berbalik arah dengan frekuensi tetap sehingga disebut arus AC (Alternating Current). Pada listrik arus bolak balik, GGl serta arusnya mempunyai lebih dari satu arah atau arahnya berubah sebagai fungsi waktu. Sumber Arus bolak balik adalah generator Arus bolak balik. Generator Arus bolak balik terdiri atas sebuah kumpuran persigi yang diputar dlam medan magnet.Arus bolak balik dibedakan antara Arus bolak balik yang mempunyai fungsi atau pola grafik sinusoida dan Arus bolak balik yang non sinusoida seperti pada gambar :

Sumber arus bolak balik adalah generator arus bolak alik, generator arus bolak balik terdiri atas sebuah kumparan persegi yang diputar dalam medan magnet. Gaya gerak listrik (GGL) yang dihasilkan oleh generator arus bolak balik berubah secara periodic menurut fungsi sinus atau cosinus. GGL sinusoida ini dihasilkan oleh sebuah kumparan yang berputar dengan laju sudut tetap.

BENTUK GELOMBANG ARUS BOLAK BALIK Ketika alternator menghasilkan tegangan AC, tegangan ini akan berubah-ubah polaritasnya, tetapi tidak berubah dengan sesederhana itu. Ketika digambar pada grafik dalam fungsi waktu, akan dihasilkan bentuk “gelombang” dari nilai tegangan ini dalam fungsi waktu, gelombang seperti ini dikenal dengan nama gelombang sinus (sine wave) :

Pada grafik nilai tegangan yang dihasilkan oleh alternator elektromekanik, perubahan dari satu polaritas ke polaritas yang lain terjadi secara “halus/mulus”, level tegangan berubah-ubah secara cepat melalui nilai/titik nol dan secara perlahan mencapai titik puncaknya. Apabila kita menggambar fungsi trigonometri dari fungsi sinus melalui sumbu horisontal yang bernilai dari nol hingga 360 derajat, kita akan menemukan bentuk yang sama seperti nilai-nilai pada tabel 1.1.

Alasan mengapa output alternator elektromekanik berupa gelombang sinus AC adalah karena operasi fisiknya. Tegangan yang dihasilkan oleh kumparan tetap/stasioner oleh gerakan dari putaran magnetnya adalah proposional dengan laju perubahan nilai fluks magnet yang menembus tegak lurus kumparan (hukum induksi elektromagner Faraday). Laju itu akan semakin besar saat kutub magnet berada pada jarak terdekat dengan kumparan, dan lajunya paling kecil saat kutub magnetnya berada pada jarak terjauh dengan kumparan. Secara matematis, laju perubahan fluks magnet akibat putaran magnet, nilainya sesuai dengan fungsi sinus, sehingga tegangan yang dihasilkan pun memiliki rumus fungsi yang sama dengan fungsi sinus juga. Apabila kita mengikuti perubahan nilai tegangan yang dihasilkan oleh kumparan alternator ini pada titik tertentu dalam grafik gelombang sinus lalu kita berjalan menjejakinya dan kembali pada titik semulanya, itu disebut sebagai satu putaran (1 cycle) gelombang. Cara lain untuk mendapatkan satu putaran ini adalah ditandai dengan jarak antar titik puncak yang identik. Nilai pada sumbu horisontal dari grafik tersebut menunjukkan domain dari fungsi sinus, dan juga sekaligus menunjukkan posisi dari kedua kutub magnet dari jangkar alternator saat ia berputar.

Sumbu horisontal dari grafik ini,selain dapat menunjukkan posisi jangkar juga dapat menunjukkan dimensi waktu. Sehingga satu putaran/ satu cycle seringkali diukur dalam satuan waktu, biasanya dalam orde detik hingga milidetik. Ketika kita melakukan pengukuran, satu putaran per satuan waktu ini disebut dengan periode gelombang. Periode dari suatu gelombang dalam satuan derajat selalu bernilai 360 derajat,tetapi kalau dalam dimensi waktu, nilai periode nya tergantung dari waktu yang dibutuhkan bagi tegangan untuk berosilasi maju dan mundur. Pengukuran yang lebih umum untuk mengukur laju perubahan dari gelombang tegangan atau arus AC ini adalah dinyatakan dalam periode. Tetapi periode jarang digunakan,laju osilasi naik-turun ini sering dinyatakan dalam frekuensi. Satuan modern untuk frekuensi adalah Heartz (disingkat Hz), yang menunjukkan jumlah dari gelombang penuh yang terjadi dalam satu detik. Di Amerika, frekuensi standar dari listrik AC pada sistem distribusi daya adalah 60 Hz, berarti tegangan AC berosilasi secara penuh sebanyak 60 kali, naik-turun, dalam satu detik. Di Eropa, frekuensi standar yang digunakan dalam sistem distribusinya adalah 50 Hz, berarti nilai tegangan AC naik-turun secara lengkap sebanyak 50 kali dalam satu detik. Stasiun siaran radio pada frekuensi 100 MHz menghasilkan tegangan AC yang berosilasi sebanyak 100 juta putaran/cycle per detiknya. Satuan hertz itu sama dengan cycle per second (jumlah putaran per detik). Alat ukur elekronik yang lawas seringkali menyatakan satuan frekuensi dalam satuan “CPS” (cycle per second = jumlah putaran/siklus per detik), bukan Hz. Tetapi antara Hz dan CPS adalah sama saja. Secara matematis, periode dan frekuensi adalah saling resiprok/berkebalikan antara satu sama lain. Jadi, bila suatu gelombang mempunyai periode 10 sekon, maka frekuensinya adalah 1/10 Hz, atau 1/10 CPS : Frekuensi dalam Hz = 1/periode dalam detik Suatu alat yang bernama osiloskop, digunakan untuk menampilkan perubahan nilai tegangan dalam fungsi waktu dalam suatu layar grafik. Mungkin anda lebih familiar dengan tampilan alat ECG atau EKG (elektokardiograf), yang digunakan oleh pakar fisika untuk menggambar osilasi dari detak jantung pasien dalam domain waktu. ECG adalah osiloskop yang dibuat untuk tujuan khusus yaitu digunakan dalam dunia medis. Tujuan umum dari osiloskop adalah dapat menampilkan nilai grafik tegangan dari sumber tegangan apapun, yang diplot dalam

satuan/domain waktu sebagai variabel bebas. Hubungan antara periode dengan frekuensi adalah sangat diperlukan untuk memahami cara membaca hasil pengukuran tegangan atau arus AC berupa gelombang yang ditampilkan pada layar osiloskop. Dengan mengukur periode dari gelombang pada sumbu horisosntal layar osiloskop yang dinyatakan dalam satuan detik, maka kita dapat menghitung frekuensinya dalam satuan Hz.

Alternator elektromekanik bukanlah satu-satunya alat yang mampu menghasilkan fenomena fisik alamiah berupa gelombang sinus, tetapi masih ada jenis gelombang bolak-balik lainnya. Gelombang AC lainnya adalah sinyal yang dihasilkan dalam rangkaian elektronik. Ini adalah beberapa contoh dari bentuk gelombang AC (selain sinus).

Bentuk-bentuk gelombang ini memiliki nama sendiri-sendiri. Walaupun suatu rangkaian didisain sedemikian rupa sehingga mampu menghasilkan bentuk gelombang yang “murni” sinus, kotak, segitiga, atau gelombang gigi gergaji seperti ditunjukkan pada gambar di atas. Tetapi dalam dunia nyata, rangkaian-rangkaian ini tidak mampu menghasilkan bentuk gelombang yang murni seperti yang diharapkan, tetapi gelombang-gelombang itu biasanya telah terdistorsi (sinyalnya rusak). Secara umum, berbagai macam gelombang AC ini dasarnya dapat dibentuk dari gelombang sinus.Yang perlu diperhatikan adalah jenis dari gelombang AC ini sangatlah bermacam-macam.

PEMBANGKIT ARUS BOLAK BALIK Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung

kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbalbalik (mutual inductance).

PERGESERAN FASE ARUS BOLAK BALIK Rangkaian Seri RL Pada Arus Bolak-Balik Gambar di bawah ini menggambarkan sebuah rangkaian seri hambatan dan induktor yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC sebesar V, yang disebut rangkaian seri RL.

Jika VR menyatakan tegangan pada ujung-ujung hambatan (R), VL menyatakan tegangan pada ujung-ujung induktor, maka dalam rangkaian ini nilai VR sefase dengan arus listrik, sedangkan VL mendahului arus sebesar 90o. Sehingga besarnya tegangan V dapat dicari dengan menjumlahkan nilai VR dan VL secara vektor (fasor) yaitu : V= Sedangkan : VR = VL = I IL

I

R

Maka : V= V= Sesuai dengan hukum Ohm bahwa V = I.R bahwa nilai merupakan suatu jenis hambatan dalam rangkaian AC yang disebut impedansi, dilambangkan Z dan ditulis: Z= Besarnya pergeseran fase antara arus dan tegangan dinyatakan:

Besarnya sudut pergeseran antara arus dan tegangan pada rangkaian seri RL tidak lagi sebesar 90o, melainkan kurang dari 90o, di mana tegangan mendahului arus. Rangkaian Seri RC Pada Arus Bolak-Balik Gambar di bawah ini menggambarkan sebuah rangkaian seri hambatan dan kapasitor yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC sebesar V, yang disebut rangkaian seri RC.

Apabila VR menyatakan tegangan pada ujungujung hambatan (R), VC menyatakan tegangan pada ujung-ujung induktor, maka dalam rangkaian ini nilai VR sefase dengan arus listrik, sedangkan VC tertinggal arus sebesar 90o. Sehingga besarnya tegangan V dapat dicari dengan menjumlahkan nilai VR dan VC secara vektor (fasor) yaitu : V= Sedangkan : VR = VL = I XC

I

R

Maka : V= V=I Sesuai dengan hukum Ohm V = I.R bahwa nilai merupakan suatu jenis hambatan dalam rangkaian AC yang disebut impedansi, dilambangkan Z dan ditulis: Z= Besarnya pergeseran fase antara arus dan tegangan dinyatakan:

Besarnya sudut pergeseran antara arus dan tegangan pada rangkaian seri RC tidak lagi sebesar 90o, melainkan kurang dari 90o di mana tegangan tertinggal terhadap arus. Rangkaian Seri RLC Pada Arus Bolak-Balik Rangkaian seri RLC yaitu rangkaian yang terdiri atas hambatan, induktor dan kapasitor yang dihubungkan seri, kemudian dihubungkan dengan sumber tegangan AC. Telah diterangkan bahwa pada rangkaian hambatan arus tegangan sefase, sedangkan pada induktor tegangan mendahului arus, dan pada kapasitor arus mendahului tegangan.

Besarnya tegangan jepit pada rangkaian seri RLC dapat dicari dengan menggunakan diagram fasor sebagai berikut : VR = Imax R sin ωt = Vmax sin ωt VL = Imax XL sin (ωt + 90o) = Vmax sin (ωt + 90o) VC = Imax XC sin (ωt – 90o) = Vmax sin (ωt – 90o) Jika sudut ωt kita pilih sebagai sumbu x, maka diagram fasor untuk I, VR, VL, dan VCdapat digambarkan dengan gambar diatas. Dan besarnya tegangan jepit pada rangkaian seri RLC dapat dicari dengan menjumlahkan fasor dari VR, VL, dan VC menjadi : V= di mana : V = tegangan total/jepit susunan RLC (volt) VR = tegangan pada hambatan (volt) VL = tegangan pada induktor (volt) VC = tegangan pada kapasitor (volt) Dari gambar diagram fasor terlihat bahwa antara tegangan dan arus terdapat beda sudut fase sebesar θ yang dapat dinyatakan dengan :

Besarnya arus yang melewati rangkaian RLC adalah sama, sehingga besarnya tegangan pada masing masing komponen R, L, dan C dapat dinyatakan : VR = I R , VL = I XL dan VC = I XC

Berdasarkan hukum Ohm bahwa = R, akan tetapi dalam rangkaian arus AC besaran yang disebut dengan impedansi rangkaian RLC yang disusun seri dinyatakan :

=Z

Z= di mana : Z = impedansi rangkaian seri RLC (Ω) R = hambatan (Ω) XL = reaktansi induktif (Ω) XC = reaktansi kapasitif (Ω) Pada rangkaian seri RLC dapat mempunyai beberapa kemungkinan yaitu : a. Jika nilai XL > XC maka rangkaian akan bersifat seperti induktor, yaitu tegangan mendahului arus dengan beda sudut fase θ yang besarnya dinyatakan dengan b. Jika nilai XL < XC maka rangkaian akan bersifat seperti kapasitor, yaitu tegangan ketinggalan terhadap arus dengan beda sudut fase θ yang besarnya dinyatakan dengan c. Jika nilai XL = XC maka besarnya impedansi rangkaian sama dengan nilai hambatannya (Z = R) maka pada rangkaian akan terjadi resonansi yang disebut resonansi deret/seri yang besarnya frekuensi resonansi dapat dicari yaitu : Penggunaan rangkaian seri RLC pada rangkaian bolak-balik dapat kita temuai pada rangkaian pengatur nada.

HARGA ARUS BOLAK BALIK Pada listrik arus bolak ballik besarnya GGL (Ԑ), beda potensial (V) dan arus (I) selalu berubah sebagai fungsi wkatu. Untuk itu perlu suatu besaran yang bersifat tetap, tidak digunakan harga efektif dan harga rata-rata, baik untuk GGl, beda potensial maupun arus. Alat ukur amperemeter AC dan volt meter AC dapat mengukur nilai efektif dari arus dan tegangan bolak balik.nilai efektif arus dan tegangan bolak balik adalah kuat arus dan tegangan yang dianggap setara dengan arus dan tegangan searah yang menghasilkan jumlah energy yang sama ketika melalu suatu pengantar dalam waktu yang sama Harga Efektif (root-mean-square, rms) Harga efektif arus(Ief = Irms) dari arus listrik bolak balik didefenisikan setara dengan besarnya arus rata-rata yang pada besar hambatan dan selang waktu yang sama,menghasilkan kerja listrik yang sama besar.

HARGA RATA RATA ARUS BOLAK BALIK Harga rata-rata (average-value) Harga rata-rata arus dari listrik arus bolak balik didefenisikan setara dengan besarnya arus rata yang dalam selang waktu sama memindahkan sejumlah muatan yang sama besarnya.

KEMAGNETAN Daya dalam rangkaian jika sebuah induktor dialiri arus listrik bolak balik, pada inductor akan timbul medan magnetic. Untuk menimbulkan medan magnetik ini dibutuhkan energi yang kemudian akan tersimpang didalam medan magnetic. Jika arus listriknya dihentikan, medan magnetic akan hilang. Bersamaan dengan itu, energy yang tersimpandidalam medan magnetik pun akan berubah kembali menjadi energy listrik. Oleh karena inductor dialiri arus bolak balik, akan terjadi perubahan energy berulang ulang secara periodic dari energy listrik ke medan magnetikdan sebaliknya dari medan magnetic ke energy listrik. Peristiwa yang sama dapat terjadi pada kapasitor. Ketika kasitor dihubungkan dengan tegangan listrik,di dalam kapasitor timbul medan listrik. Untuk menimbulkan medan listrik ini dibutuhkan energy yang bersal dari tegangan listrik. Jika tegangan listriknya diputuskan, medan listrik di dalam kapasitor juga akan menghilang dan energy yang tersimpan didalamnya akan kembali ke rangkaian dalam bentuk arus listrik sesaat. Oleh karena kapasitor dihubungkan dengan tegangan bolak balik, akan terjadi terjadi peristiwa perubahan energy secara periode.Jadi inductor murni dan kapasitor murni yang ada didalam rangkaian arus bolak balik tidak menghabiskan energy listrik karena yang sebenarnya terjadi adalah perubahan secara berulang energy listrik dari rangkaian kemedan magnet atau medan listrik. Penerapan dalam kehidupan sehari-hari a. Tunning Tuning adalah salah satu bagian dari sebuah radio yang berfungsi untuk memilih salah satu frekuensi pemancar yang ada di udara ini. Komponen utama pada bagian ini adalah Varco (variable condensator). Bagaimana cara tuning memilih salah satu frekuensi dari pemancar radio? Caranya adalah dengan menggunakan prinsipresonansi. Kalian tahukan apa itu resonansi? Resonansi adalah peristiwa bergetarnya benda lain akibat getaran sebuah benda walaupun kedua benda tidak bersentuhan. Kenapa bisa bergetar? Karena terdapat kesamaan frekuensi antara kedua benda tersebut. Berdasarkan prinsip resonansi itulah rangkaian tuning pada sebuah radio bekerja. Ketika kita memutar varco, maka kita merubah nilai kapasitansi dan induktansi yang ada pada rangkaian tuning tersebut sehingga menghasilkan sebuah frekuensi yang sama dengan frekuensi pada salah satu pemancar radio yang ada. Sebagai contoh, apabila kita ingin mendengarkan siaran dari pemancar radio yang bekerja pada frekuensi 97,9 MHz maka kita akan memutar varco sehingga nilai kapasitansi serta nilai induktansinya diubah sehingga menghasilkan frekuensi sebesar 97,9 MHz juga. Dengan demikian maka kita bisa mendengarkan siaran dari pemancar radio tersebut. Hal ini jugalah yang menyebabkan kita mendengar suara yang tidak jernih (seperti suara desis karena terdapat dua pemancar yang frekuensinya

tercampur) apabila tidak terjadi resonansi antara frekuensi pada rangkaian tuning dengan frekuensi dari pemancar radio yang kita dengar. Untuk mengetahui besar frekuensi resonansi dapat kita gunakan rumus:

Keterangan: Fr adalah besar frekuensi resonansi L adalah nilai induktansi

b. Filter Filter (Tapis) Dalam Penyearah Gelombang (Rectifier) berfungsi untuk mendapatkan tegangan output searah yang rata dari rangkaian rectifier. Tujuan dari penyearahan adalah memperoleh arus searah. Dalam penyearah, kita tidak memperoleh arus searah murni melainkan arus searah yang berubah secara periodik, jadi arus searah ini mengandung komponen arus bolak-balik. Variasi tegangan ini disebut riak tegangan. Riak tegangan pada penyearah gelombang penuh lebih kecil dari riak tegangan pada penyearah setengah gelombang. Untuk lebih memperkecil riak tegangan ini digunakan filter yang bertugas untuk meloloskan komponen searah danmencegahkomponenbolak-balik. Filter Kapasitor. Dengan menambahkan kapasitor paralel dengan beban R pada rangkaian penyearah setengah gelombang, maka riak tegangan akan sangat ditekan. Sebagaimana kita ketahui, kapasitor dapat menyimpan energi. Pada saat tegangan sumber naik, kapasitor akan terisi sampai mencapai tegangan maksimum. Pada saat tegangan sumber menurun, kapasitor akan melepaskan energi yang disimpannnya melalui beban (karena pada saat ini dioda tidak konduksi). Dengan demikian beban akan tetap memperoleh aliran energi walaupun dioda tidak konduksi. Selanjutnya bila dioda konduksi lagi, kapasitor akan terisi dan energi yang tersimpan ini akan dilepaskan lagi pada waktu dioda tidak konduksi; dan demikian seterusnya. Filter semacam ini tentu saja dapat pula digunakan pada penyearah gelombang penuh. Rangkaian Filter Kapasitor 1.

low pass (tapis lolos rendah)

Rangkaian ini digunakan untuk melewati sinyal-sinyal frekunsi rendah dan melemahkan sinyal-sinyal frekuensi tinggi 2.

High pass (tapis lolos tinggi)

Rangkaian ini digunakan untuk melewati sinyal-sinyal frekunsi tinggi dan melemahkan sinyal-sinyal frekuensi rendah