FASOR DAN impedansi pada ELEMEN-elemen DASAR RANGKAIAN LISTRIK

Transkripsi

1 FASO DAN impedansi pada ELEMEN-elemen DASA ANGKAIAN LISTIK 1. Fasor Fasor adalah grafik untuk menyatakan magnituda (besar) dan arah (posisi sudut). Fasor utamanya digunakan untuk menyatakan gelombang sinus dalam bentuk magnituda dan sudut serta untuk analisis rangkaian reaktif. ontoh fasor diperlihatkan pada Gambar 1. Panjang panah fasor menyatakan magnituda dan sudut θ menyatakan posisi sudut seperti pada bagian (a) untuk sudut positif. ontoh fasor pada bagian (b) mempunyai magnituda 2 dan sudut fasa 45. Bagian (c) mempunyai magnituda 3 dan sudut fasa 18 dan bagian (d) magnituda 3 dan sudut fasa -45 (+315 ). Perhatikan bahwa sudut positif diukur berlawanan arah jarum jam dari referensi ( ) dan sudut negatif diukur searah jarum jam dari referensi ( ). (a) (b) (c) (d) Gambar 1. ontoh fasor angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 93

2 1.1 epresentasi Fasor Gelombang Sinus Siklus penuh dari gelombang sinus dapat dinyatakan sebagai putaran fasor 36. Nilai sesaat gelombang sinus pada setiap titik sama dengan jarak vertikal dari ujung fasor ke sumbu horisontal. Gambar 2. memperlihatkan gerakan fasor terhadap gelombang sinus dari hingga 36. Tampak bahwa panjang fasor sama dengan nilai maksimum dari gelombang sinus (lihat sudut 9 dan sudut 27 ). Gambar 2. epresentasi gelombang sinus dengan putaran fasor 1.2 Diagram Fasor Diagram fasor digunakan untuk memperlihatkan hubungan relatif dua atau lebih gelombang sinus pada frekuensi sama. Sebuah fasor posisi tetap digunakan untuk menyatakan gelombang sinus penuh, sebab sudut fasa antara dua atau lebih gelombang sinus frekuensinya sama. Misalnya, dua gelombang sinus pada Gambar 3(a) dapat dinyatakan dengan diagram fasor seperti bagian (b). Tampak bahwa gelombang sinus B leading terhadap gelombang sinus A sebesar 3 dan amplituda lebih kecil dari gelombang sinus A, yang ditunjukkan dengan panjang fasor. angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 94

3 Gambar 3. ontoh diagram fasor Notasi Fasor fungsi sinusoidal untuk tegangan dan arus adalah : v = m Sin (ωt ±θ) = m ±θ i = I m Sin (ωt ±θ) I = I m ±θ......(1) Karena nilai maksimum hanya digunakan dalam analisis rangkaian arus bolak balik maka fasor didefinisikan kembali yaitu nilai fasor ekivalen dengan nilai efektif (rms) untuk keseragaman. Oleh sebab itu bentuk fasor tegangan dan arus dituliskan sebagai berikut : = θ I = I θ...(2) dimana dan I adalah nilai rms dan θ adalah sudut fasa. ontoh 1 Konversi bentuk di bawah ini dari domain waktu ke domain fasor Domain waktu Domain fasor a. 2 (5) sin ωt 5 b sin (ωt + 72 ) (.77)(69.6) 72 = c. 45 cos ωt (.77)(45) 9 = angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 95

4 ontoh 2 Konversi bentuk di bawah ini dari domain fasor ke domain waktu jika frekuensi 5 Hz. Domain fasor Domain waktu a. I = 1 3 i = 2 (1) sin (1πt +3 ) i = sin (1πt +3 ) b. = v = 2 (115) sin (1πt - 7 ) v = sin (1πt - 7 ) 2. Hubungan -I dan Notasi Fasor pada Elemen, L, Elemen esistor ( ) Setiap saat daya dapat dikirim ke resistor tanpa memperhatikan polaritas tegangan atau arus, kecuali pada saat i = Amp. atau v = olt. Hal ini diperlihatkan pada Gambar 4. Pada saat tegangan yang diterapkan mencapai nilai maksimum +8 arus yang melalui resistor adalah 4A, dan daya yang dikirim adalah 32W seperti yang diperlihatkan pada gambar. Bila tegangan diperkecil setengah dari tegangan maksimum yaitu 4 maka arusnya adalah 2A dan dayanya 8W. Bila arusnya A dan tegangan maka dayanya juga W. Bila diterapkan tegangan maksimum -8 maka polaritas arus terbalik seperti pada gambar, tetapi arus yang melalui resistor tetap 4A dan dayanya 32W. Dengan demikian tampak bahwa perubahan arah arus tidak mempengaruhi daya yang dikirim ke resistor. angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 96

5 Gambar 4. Demonstrasi pengiriman daya dengan sumber tegangan sinusoidal Jika kita sekarang memplot tegangan dan arus pada grafik yang sama diperoleh gambar seperti pada Gambar 5. Dari Gambar 5. terlihat bahwa arus dan tegangan mencapai nilai maksimum dan nilai nol pada saat yang sama, dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk elemen resistor ;tegangan dan arus adalah sefasa. Gambar 5. Tegangan dan arus sefasa pada resistor angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 97

6 Notasi Fasor Notasi fasor tegangan pada resistor dapat dituliskan sebagai berikut : v = m sin ωt = dimana = (rms) =.77 m Gunakan hukum Ohm : I Untuk keseragaman format, θ dihubungkan dengan elemen resistor. Karena v dan i sefasa maka sudut θ =. Substitusi θ = maka : I Konversi hasilnya kembali ke domain waktu adalah : i 2 sint..(3) Elemen Induktor ( L ) Untuk elemen induktif, tegangan adalah berbanding lurus dengan L dan laju perubahan arus yang dapat dinyatakan sebagai berikut : di L v L L (4) dt Dari persamaan (4), jika laju perubahan arus adalah nol maka tegangan yang terinduksi pada L adalah nol. Jika laju perubahan arus menuju maksimum positif maka tegangannya adalah maksimum positif, jika laju perubahan arus menuju maksimum negatif maka tegangannya adalah maksimum negatif. Arus sinusoidal selalu menginduksikan tegangan sinusoidal pada rangkaian induktif. Oleh karena itu tegangan dapat digambar berkenaan dengan nilai arus, dengan mengetahui titik-titik pada kurva arus dan nilai tegangan adalah nol pada saat arus maksimum. Hubungan fasa dapat angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 98

7 dilihat pada Gambar 6.(a). Perhatikan bahwa tegangan leading terhadap arus sebesar 9. Hubungan tegangan dan arus sebagai fasor diperlihatkan pada Gambar 6.(b). Notasi Fasor Gambar 6. Hubungan fasa arus - tegangan induktor Notasi fasor untuk arus pada induktor didefinisikan sebagai berikut : i L = I m sin ωt I L = I L dimana I L = I L(rms) =.77 I m Gunakan hukum Ohm untuk elemen induktif : L = I L. X L θ L = IX L θ L + = IX L θ L Karena v L harus lead terhadap i L sebesar 9, maka θ L harus 9. Substitusi θ L = 9 akan diperoleh L = I L. X L 9 = IX L 9 = I jx L Dalam domain waktu adalah : v L = 2 (IX L ) sin (ωt+9 ) (5) angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 99

8 Elemen Kapasitor ( ) Untuk elemen kapasitif, arus adalah berbanding lurus dengan besar kapasitansi dan laju perubahan tegangan yang dapat dinyatakan sebagai berikut : dv i (6) dt Bentuk gelombang tegangan mempunyai laju perubahan maksimum (dv/dt = maksimum) pada nilai nol dan laju perubahan nol (dv/dt=) pada nilai maksimum, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 7. Dari persamaan (6), jika dv/dt= maka i= dan jika dv/dt menuju maksimum positif maka i adalah maksimum positif dan sebaliknya dv/dt menuju maksimum negatif maka i adalah maksimum negatif. Gambar 7. Laju perubahan dari gelombang sinus Tegangan sinusoidal selalu menghasilkan arus sinusoidal untuk rangkaian kapasitif. Oleh karena itu arus dapat digambar berkenaan dengan tegangan, dengan mengetahui titik-titik pada kurva tegangan dan arus adalah nol pada saat tegangan maksimum. Hubungan fasa dapat dilihat pada Gambar 8.(a) Perhatikan bahwa arus leading terhadap tegangan sebesar 9. Hubungan arus dan tegangan sebagai fasor diperlihatkan pada Gambar 8.(b). angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 1

9 Notasi Fasor Gambar 8. Hubungan fasa arus - tegangan kapasitor Notasi fasor untuk tegangan pada kapasitor didefinisikan sebagai berikut : v = m sin ωt = dimana = (rms) =.77 m Gunakan hukum Ohm akan menghasilkan : I X X X Karena i leading terhadap v sebesar 9, maka θ harus mempunyai sudut -9. Substitusi θ = - 9 akan diperoleh I X 9 X ( 9 ) X 9 Hasilnya dalam domain waktu adalah : i 2 sin ( t 9 ) X (7) angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 11

10 3. Impedansi pada Elemen, L, dan Impedansi adalah perbandingan antara tegangan fasor dan arus fasor, yang diberi simbol Z. Magnituda impedansi adalah perbandingan antara magnituda tegangan fasor dan magnituda arus fasor; sudutnya adalah selisih sudut tegangan dan arus. Satuan impedansi adalah ohm. Impedansi adalah bilangan kompleks, bukan fasor oleh karena bukan fasor maka tidak mempunyai fungsi dalam domain waktu. Impedansi dapat dinyatakan dalam bentuk polar (persamaan 8) maupun dalam bentuk rektangular (persamaan 9). Z = ІZІ... (8) Z Z = + j X.. (9) dimana = e Z = komponen resistif = resistansi X = Im Z = komponen reaktif = reaktansi θ Z = selisih sudut antara tegangan dan arus Z Z Elemen esistor 2 tan X 1 X 2 Z.. (1) I I / = I Z Elemen Induktor i L = I m sin ωt di v L dt = ωli L d(i L m sint) L(I dt m cos t) LI X L L 2 fl I I.(11) Z L = jx L = S L = jωl = ωl 9. (12) L = I L Z L angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 12

11 Elemen Kapasitor = m sin ωt i d dt d(m sint) ( dt m cos t) I = ωi m X I 1 1 2f.(13) Z = -jx = -j 1 2 f = f... (14) = I Z Segitiga Impedansi angkaian Seri -L Impedansi total rangkaian seri -L adalah penjumlahan dari dan X L yang dapat dinyatakan sebagai berikut : Z = + jx L (15) Diagram fasor dari dan X L tampak pada Gambar 9. Gambar 9. Segitiga impedansi rangkaian seri -L Segitiga Impedansi angkaian Seri - Impedansi total rangkaian seri - adalah penjumlahan dari dan X yang dapat dinyatakan sebagai berikut : Z = jx (16) angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 13

12 Diagram fasor dari dan X tampak pada Gambar 1. Gambar 1. Segitiga impedansi rangkaian seri - 4. espon Frekuensi pada Elemen, L, dan Elemen esistor Untuk sebuah resistor ideal, kita dapat mengasumsikan bahwa frekuensi tidak berpengaruh pada level impedansi seperti yang tampak pada Gambar 11. Perhatikan bahwa pada frekuensi 5 khz atau 2 khz, resistansi dari resistor adalah tetap 22 Ω; tidak ada perubahan. Elemen Induktor Gambar 11. Grafik terhadap frekuensi Untuk induktor ideal, persamaan reaktansi dapat dituliskan sebagai berikut : X L = ωl = 2πf L = (2πL) f = kf dimana k=2πl Persamaan yang diperoleh dapat disamakan dengan persamaan garis lurus berikut : angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 14

13 y = mx + b = kf + = kf dimana b= dan slope adalah k atau 2πL. X L adalah variabel y dan f adalah variabel x seperti pada Gambar 12. Karena induktansi menentukan slope dari kurva maka induktansi yang lebih besar digambarkan sebagai garis lurus yang lebih curam yang dapat dilihat pada Gambar 12. Selain itu juga terlihat bahwa untuk f = Hz, reaktansi dari setiap titik adalah ohm. Dengan mensubstitusi f = Hz diperoleh : X L = 2πf L = 2π()L = Ω Karena diperoleh reaktansi nol ohm maka dikaitkan sebagai karakteristik short circuit, sehingga dapat disimpulkan bahwa : Pada frekuensi Hz, sebuah induktor dinyatakan sebagai sebuah karakteristik dari short circuit seperti yang diperlihatkan pada Gambar 13. Gambar 12. Grafik X L terhadap frekuensi Gambar 13. Pengaruh frekuensi rendah dan tinggi pada induktor angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 15

14 Pada Gambar 13. terlihat bahwa bila frekuensi dinaikkan maka reaktansi juga bertambah, sehingga mencapai level yang cukup tinggi pada frekuensi yang sangat tinggi. Sehingga dapat dinyatakan sebagai berikut : Pada frekuensi yang sangat tinggi, sebuah induktor dinyatakan sebagai karakteristik open circuit seperti yang diperlihatkan pada Gambar 13. Elemen Kapasitor Persamaan reaktansi untuk kapasitor adalah : 1 X dapat ditulis sebagai 2 f f X 1 k 2 Dimana sesuai dengan format dasar untuk hiperbola : y x = k dimana X adalah variabel y dan f adalah variabel x serta k adalah konstanta yang sama dengan 1/2π. Hiperbola mempunyai bentuk sepeti pada Gambar 14. tampak bahwa untuk kapasitansi yang lebih besar kurvanya mendekati sumbu vertikal pada frekuensi rendah dan mendekati sumbu horisontal pada frekuensi tinggi. Pada frekuensi Hz atau mendekati nol reaktansi sangat tinggi, sebagaimana dapat ditentukan dari rumus berikut : X 1 1 2f 2( ) Sehingga dapat disimpulkan bahwa : Pada frekuensi Hz atau mendekati nol karakteristik kapasitor dapat dinyatakan sebagai open circuit, dan frekuensi yang sangat tinggi kapasitor dinyatakan sebagai short circuit seperti yang diperlihatkan pada Gambar 15. angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 16

15 Gambar 14. Grafik X terhadap frekuensi Gambar 15. Pengaruh frekuensi rendah dan tinggi pada kapasitor angkaian listrik I by Zaenab Muslimin 17