MATERI ARUS BOLAK-BALIK

MATERI ARUS BOLAK – BALIK

A1. Membedakan Tegangan Ac Dan Teganga Dc

Arus bolak-balik atau alternating current (AC) sangat berbeda dengan arus searah. Besarnya tegangan arus searah atau direct current (DC) selalu tetap terhadap waktu, sedangkan besarnya tegangan AC selalu berubah terhadap waktu. Tegangan pada listrik arus bolak-balik membentuk sinusoidal sedangkan tegangan pada listrik arus searah membentuk garis lurus. Perbedaan tegangan DC dan AC dapat kita amati dengan menggunakan alat ukur yang disebut osiloskop.

Pada tegangan AC terdapat tegangan puncak dan tegangan efektif. Tegangan puncak yaitu tegangan maksimal dari listrik AC sedangkan tegangan efektif yaitu tegangan yang terukur saat diukur dengan voltmeter. Hubungan matematis antara tegangan puncak atau tegangan max dengan tegangan efektif yaitu:

2.      Arus Dan Tegangan Sinusoidal     

Sumber arus bolak-balik adalah generator ac yang dapat menghasilkan ggl induksi sebesar

Pada rangkaian arus bolak-balik yang mempunyai hambatan R berlaku juga hukum Ohm. Dengan demikian

B.       IMPEDANSI, TEGANGAN DAN ARUS BOLAK-BALIK

Dalam rangkaian sederhana bolak-balik umumnya terdapat komponen resistor, inductor dan kapasitor. Pada masing-masing komponen tersebut bila dialiri arus listrik AC akan timbul impedansi, tegangan dan arus.

1.      Impedansi

Impedasnsi yaitu hambatan atau reaksi pada rangkaian arus bolak-balik. Hambatan pada resistor dinamakan reaktansi resistantif ( X_R ), pada kapasitor dinamakan reaktansi kapastiif ( X_C ), dan pada inductor dinamakan reaktansi induktif ( X_L ). Besarnya masing-masing hambatan tersebut adalah :

Jika komponen tersebut dalam rangkaian seri seperti di atas, maka impedansinya adalah :

2.      Tegangan Dan Arus Bolak – Balik

Besarnya tegangan total pada rangkaian arus bolak – balik di atas yaitu:

Rangkaian di atas merupakan rangkaian seri, sehingga besarnya arus yang mengalir pada rangkaian tersebut sama besar :

3.      Hubungan Impedansi, Tegangan Dan Arus Bolak-Balik

Secara matematis, hubungan hambatan, tegangan dan arus AC sama dengan pada arus DC berlaku hukum Ohm :

Diagram Pashor

Hubungan antara R, L, C dan Z dapat dinyatakan dalam suatu diagram yang dinamakan diagram pashor. Hubungan XR, XL. Dan XC di gambarkan dalam suatu system sumbu koordinat seperti pada gambar:

θ = beda fase antara tegangan  ( V ) dan arus ( I ) pada rangkaian listrik AC

Resonansi

Resonansi yaitu keadaan dimana XL = XC . keadaan ini dapat terjadi pada frekuensi tertentu. Frekuensi saat terjadinya resonansi disebut frekuensi resonansi besarnya ;

C.      KAPASITOR DALAM RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK

1.      Pada Ragkaian Kapasitif Arus Mendahului Tegangan

Sebuah kapasitor  ( C ) yan dihubungkan dengan sumber arus bolak-balik ditunjukkan pada gambar. Rangkaian seperti ini disebut rangkaian kapasitif.

Besarnya arus dan tegangan pada rangkaian kapasitif dinyatakan dengan persamaan:

2.      Beda Fase Pada Rangkaian Kapasitif

Dengan melihat grafik sinusoidal dapat dinyatakan bahwa beda fase atau selisih fase  anatara arus dan tegangan pada rangkaian kapasitif adalah  90 derajat ½ π , dengan tegangan ketinggalan oleh arus atau arus mendahului tegangan.

3.      Reaktansi Kapasitif

Hambatan yang timbul pada kapasitor yang dihubungkan dengan rangkaian arus bolak-balik disebut reaktansi kapasitif. Besarnya reaktansi kapasitif di rumuskan :

D.      DAYA PADA RANGKAIAN AC

Inductor murni L dan kapasitor murni C yang berbeda dalam rangkaian AC tidak pernah membuang energy listrik, tetapi hanya melakukan pengalihan bolak-balik energy dari rangkaian ke medan magnetic atau medan listrik. Lain halnya dengan arus yang mengalir melaui penghambat  R . di dalam R , energy di ubah menjadi kalor yang tidak dapat di ubah kembali ,menjadi listrik.

Besarnya energy listrik per satuan waktu yang di ubah menjadi kalor disebut daya listrik. Daya listrik pada rangkaian AC identik dengan daya lisrik pada rangkaian DC yaitu :

Dalam hal ini V_R adalah komponen tegangan yang sefase dengan arus, dengan demikian maka : 

     

besaran cos θ disebut factor daya pada rangkaian. Karena θ dapat berubah, maka daya rangkaian AC pun dapat berubah menurut besarnya sudut fase. Jika pada rangkaian hanya ada R, atau tidak ada L dan C, maka θ = 0 sehinggan cos θ = 1 . dalam keadaan itu , P = V . i

E.       PEMAKAIAN ARUS LISRIK AC

1.      Transmisi Tenaga Listrik

Listrik dari PLN yang kita pakai di rumah adalah listrik arus bolak-balik ( AC ) .Listrik bisa masuk ke rumah kita melalui suatu cara yang disebut transmisi tenaga listrik

2.      Pemakaian Listrik Di Rumah Kita

Arus listrik masuk ke rumah kita melalui kWh meter dan pembatas daya. Alat kWh meter berfungsi untuk mengatur banyaknya energy listrik yang digunakan, sedangkan pembatas daya berfungis untuk membatasi daya maksimum yang dapat di gunakan di rumah kita.

ARUS DAN TEGANGAN LISTRIK BOLAK BALIK

ARUS BOLAK BALIK

Sebelumnya kita telah mempelajari mengenai listrik arus searah, yaitu arus dan tegangan listrik yang besarnya dapat dianggap tetap dan mengalir dalam satu arah. Arus searah yang juga disebut direct current (DC) contohnya dihasilkan oleh baterai. Pada modul ini akan dibahas mengenai arus bolak-balik atau alternating current (AC), yaitu arus dan tegangan listrik yang besarnya berubah terhadap waktu dan dapat mengalir dalam dua arah. Arus bolak-balik digunakan secara luas untuk penerangan maupun peralatan elektronik seperti televisi, radio, oven microwave, dan lain-lain. Di Indonesia, listrik arus bolak-balik disediakan oleh PLN. Pada modul ini, Anda juga akan mempelajari beberapa komponen-komponen listrik, diantaranya resistor, induktor, dan kapasitor, serta rangkaian yang menggunakan komponen-komponen listrik tersebut.

GENERATOR

Generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik (mekanik) menjadi energi listrik. Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar kumparan dalam suatu medan magnetik.
Berdasarkan jenis ggl induksi atau arus listrik induksi yang dihasilkan maka generator dapat dibedakan atas generator arus bolak-balik (AC) dan generator arus searah (DC). Perbedaan generator arus searah dengan generator arus bolak-balik hanyalah pada cincin luncur (cincin kolektor) yang berhubungan dengan kedua ujung kumparan dimana generator AC memiliki dua buah cincin yang masing-masing berhubungan dengan tiap ujung kumparan sedangkan generator DC memiliki sebuah cincin yang terbelah di tengahnya yang disebut cincin belah atau komutator.

Generator AC sederhana terdiri dari sebuah kumparan yang diputar dalam suatu medan magnetik seperti gambar yang ditunjukkan gambar di atas. Untuk melihat bagaimana arus dibangkitkan oleh generator, perhatikan dua sisi vertikal dari kumparan pada gambar tersebut. Agar kumparan berputar berlawanan arah jarum jam maka sisi vertikal kiri harus mengalami gaya F ke depan dan sisi vertikal kanan harus mengalami gaya F ke belakang. Sesuai dengan kaidah telapak tangan untuk gaya magnetik (gaya Lorentz), arus I pada sisi vertikal kiri haruslah ke atas, dan arus I pada sisi vertikal kanan haruslah ke bawah, seperti ditunjukkan pada gambar tersebut. Arah gaya F pada gambar searah dengan arah normal bidang kumparan n. dengan demikian sudut antara arah induksi magnetik B dan arah normal bidang n adalah θ. Dalam generator, perputaran kumparan menyebabkan sudut θ selalu berubah, dan ini menyebabkan fluks magnetik (Ф), yang menerobos bidang kumparan juga berubah. Pada ujung-ujung kawat loop dibangkitkan ggl induksi (ε), yang dapat dihitung dengan persamaan:
ε=-NBA (d cosθ)/dt

Bila loop diputar dengan kecepatan sudut ω maka θ = ωt, dan persamaan di atas dapat ditulis sebagai:
ε=-NBA (d )/dt(cos⁡〖ωt)〗
ε=NBA ω sin⁡ωt

Jika ggl induksi maksimum antara ujung-ujung sikat sama dengan ε_m, maka persamaan di atas dapat ditulis sebagai:
ε=ε_m sin⁡〖ωt=〗 NBA ω sin⁡ωt

Dengan ggl maksimum, ε_m, diberikan oleh:
ε_m=NBAω

Dengan ε = ggl induksi sesaat, ε_m = ggl induksi maksimum, ω = kecepatan sudut putar dari loop dan t = lama loop telah berputar. Nyata bahwa ggl induksi yang dihasilkan pada loop berubah terhadap waktu setiap satu periode T=2π/ω.

ARUS DAN TEGANGAN BOLAK BALIK

Arus dan tegangan bolak-balik adalah arus dan tegangan yang nilainya selalu berubah terhadap waktu secara periodik. Besaran seperti ini disebut arus dan tegangan bolak-balik atau AC (Alternating Current). Apabila pada arus searah Anda dapat mengetahui nilai dan tegangannya yang selalu tetap. Maka, pada arus bolak-balik Anda akan dapat mengetahui nilai maksimum yang dihasilkan dan frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh sumbernya. Arus dan tegangan listrik bolak-balik berbentuk sinusoida seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1.3 berikut.

Secara matematis, arus dan tegangan listrik bolak-balik tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dimana:
V = tegangan sesaat (V)
I = arus sesaat (A)
Vm = tegangan maksimum (V)
Im = arus maksimum (A)
f = frekuensi (Hz)
T = periode (s)
t = waktu (s)
ωt = sudut fase (radian atau derajat)

Hubungan amplitudo tegangan atau arus bolak-balik dengan sudut fase dapat dinyatakan secara grafik dalam diagram fasor. Fasor adalah suatu vektor yang berputar berlawanan arah putaran jarum jam terhadap titik asal dengan kecepatan sudut ω. Fasor suatu besaran dilukiskan sebagai suatu vektor yang besar sudut putarnya terhadap sumbu horizontal (sumbu x) sama dengan sudut fasenya. Nilai maksimum besaran tersebut adalah sama dengan panjang fasor, sedangkan nilai sesaatnya adalah proyeksi fasor pada sumbu vertikal (sumbu y). Berikut adalah gambar diagram fasor untuk arus dan tegangan yang sudut fasenya sama (sefase) serta gambar fungsi waktu dari arus dan tegangan tersebut.

Sesungguhnya arus dan tegangan bolak-balik bukanlah besaran vektor, melainkan besaran skalar. Penggambaran arus dan tegangan bolak-balik sebagai fasor adalah untuk mempermudah analisis rangkaian arus bolak-balik yang lebih rumit.

NILAI RATA-RATA DAN NILAI EFEKTIF

Nilai rata-rata arus bolak-balik adalah kuat arus bolak-balik yang nilainya setara dengan kuat arus searah untuk memindahkan sejumlah muatan listrik yang sama dalam waktu yang sama. Arus rata-rata dinyatakan dengan:

Sedangkan tegangan rata-rata dinyatakan dengan:

Nilai efektif arus dan tegangan bolak-balik ialah arus dan tegangan bolak-balik yang setara dengan arus dan tegangan searah untuk menghasilkan jumlah kalor yang sama ketika melalui suatu resistor dalam waktu yang sama. Secara matematis, hubungan antara arus dan tegangan efektif dengan arus dan tegangan maksimum dinyatakan dengan:

Contoh Soal

Jala-jala listrik di rumah mempunyai tegangan 220 volt. Sebuah alat listrik dengan hambatan 50 ohm dipasang pada jala-jala tersebut. Hitunglah:
Nilai efektif dan maksimum tegangan
Nilai efektif dan maksimum arus listrik yang mengalir
Penyelesaian:
Tegangan hasil pengukuran adalah nilai efektif, jadi Vef = 220 volt dan R = 50 Ω
Vef = 220 volt
Vmax = V_ef √2=220√2 volt

Gunakan hukum Ohm untuk menentukan kuat arus.
I_ef=V_ef/R=220/50=4,4 A
I_m=V_m/R=(220√2)/50=22/5 √2 A

Sebuah generator AC menghasilkan tegangan sebagai fungsi waktu sebagai berikut: V=200√2 sin⁡〖50t volt.〗 Hitunglah:
Tegangan maksimum
Tegangan puncak ke puncak
Tegangan efektif
Frekuensi angular
Periode
Frekuensi
Tegangan pada saat 0,01π sekon
Penyelesaian:
Bandingkan persamaan umum tegangan dengan persamaan yang diketahui:
V=V_m sin⁡ωt volt
V=200√2 sin⁡〖50t volt〗
V_m=200√2 volt
Tegangan puncak ke puncak sama dengan dua kali tegangan maksimum
Vpp = 2Vm = 2 . 200√2 volt = 400√2 volt
V_ef=V_m/√2=(200√2)/√2=200 volt
ω=50 rad/s
ω=2π/T → T=2π/ω=2π/50=π/25 s
f=1/T=1/(π⁄25)=25/π Hz
V pada t = 0,01 π sekon:
V=200√2 sin⁡50t=200√2 sin⁡〖50 (0,01π)〗
V=200√2 sin⁡〖0,5π=200√2 sin⁡〖〖90〗^o=〗 〗 200√2 volt

Alat Ukur Tegangan dan Arus Bolak-Balik

Tegangan dan arus listrik bolak-balik diukur dengan voltmeter AC dan amperemeter AC (seperti terlihat pada gambar 1.5). Dengan menggunakan alat ukur voltmeter atau amperemeter AC besaran yang terukur adalah nilai rms (root mean squere) = akar rata-rata kuadrat arus = ; = rata-rata dari atau nilai efektif dari tegangan atau arus. Secara umum hasil pengukuran tegangn (V) dan arus (I) dapat ditulis sebagai berikut:
I=(Penunjukan jarum)/(Skala maksimum)×Batas ukur maksimum

V=(Penunjukan jarum)/(Skala maksimum)×Batas ukur maksimum