Rangkaian RLC Arus AC (E7)

Transkripsi

1 1 Rangkaian RLC Arus AC (E7) Puji Kumala Pertiwi, Andy Agusta, Drs. Bachtera Indarto Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Abstrak Percobaan rangkaian RLC arus AC yang telah kami lakukan. Tujuan percobaan rangkaian RLC arus AC adalah untuk menganalisa sinyal keluaran dari sumber AC pada osiloskop, untuk menganalisa sinyal keluaran pada rangkaian RLC dan untuk menentukan besar nilai tetapan waktu (τ) pada rangkaian RLC. Prinsip yang digunakan dalam percobaan ini adalah analisis rangkaian RLC arus AC. Percobaan dilakukan dengan menggunakan empat buah rangkaian yaitu rangkaian RL seri, rangkaian RLC paralel, RL paralel dan RC paralel. Metode percobaan yaitu dengan menyiapkan alat dan bahan seperti resistor 5Ω, Induktor 5mH dan kapasitor 5mF, osiloskop, kabel penghubung, project board dan generator AC.Lalu alat dirangkai yaitu RC-RL-RLC, kemudian di hubungkan pada generator, lalu diamati bentuk sinyal gelombang pada layar osiloskop kemudian dicatat besar tegangan maksimum dan minimumnya, serta frekuensinya lalu di foto gambar sinyal dan ditentukan besar tetapan waktu untuk RL,dan RC seri. Hasil percobaan ini adalah tetapan waktu, Vmax, Vmin dan Vrms. Kesimpulan dari percobaan ini adalah tetapan waktu untuk rangkain RC sebesar 5x10 6 dan untuk rangkaian RL 0,2x10-6 dan 5x10-6. K Kata Kunci Rangkaian RLC, sinyal Osiloskop, gejala transien. I. PENDAHULUAN apasitor (k apacitor) atau disebut juga dengan Kondensator (k ondensator) adalah Komponen Elektronika Pasif yang dapat menyimpan muatan listrik dalam waktu sementara dengan satuan kapasitansinya adalah Farad. Satuan Kapasitor tersebut diambil dari nama penemunya yaitu Michael Faraday (1791 ~ 1867) yang berasal dari Inggris. Namun Farad adalah satuan yang sangat besar, oleh karena itu pada umumnya Kapasitor yang digunakan dalam peralatan Elektronika adalah satuan Farad yang dikecilkan menjadi pikofarad, NanoFarad dan MicroFarad. Kapasitor merupakan Komponen Elektronika yang terdiri dari 2 pelat konduktor yang pada umumnya adalah terbuat dari logam dan sebuah Isolator diantaranya sebagai pemisah. Dalam Rangkaian Elektronika, Kapasitor disingkat dengan huruf C. Jenis jenis kapasitor, Berdasarkan bahan Isolator dan nilainya, Kapasitor dapat dibagi menjadi 2 Jenis yaitu Kapasitor Nilai Tetap dan Kapasitor Variabel. Kapasitor Nilai Tetap atau Fixed Capacitor adalah Kapasitor yang nilainya konstan atau tidak berubah-ubah. Berikut ini adalah Jenis-jenis Kapasitor yang nilainya Tetap [1] : Gambar 1. Jenis jenis kapasitor nilai tetap [4] Kapasitor Variabel adalah Kapasitor yang nilai Kapasitansinya dapat diatur atau berubah-ubah. Secara fisik, Kapasitor Variabel ini terdiri dari 2 jenis yaitu : Gambar 2. Jenis jenis kapasitor variable [4] Fungsi Kapasitor Pada Peralatan Elektronika, Kapasitor merupakan salah satu jenis Komponen Elektronika yang paling sering digunakan. Hal ini dikarenakan Kapasitor memiliki banyak fungsi sehingga hampir setiap Rangkaian Elektronika memerlukannya. Beberapa fungsi daripada Kapasitor dalam Rangkaian Elektronika yaitu sebagai penyimpan arus atau tegangan listrik, sebagai konduktor yang dapat melewatkan arus AC (Alternating Current), sebagai isolator yang menghambat arus DC (Direct Current), sebagai filter dalam rangkaian power supply (Catu Daya), sebagai kopling, sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian osilator, sebagai penggeser fasa dan sebagai pemilih gelombang frekuensi (kapasitor v ariabel yang digabungkan dengan spul antena dan osilator). [1]

2 2 Resistor, salah satu komponen elekronika yang berfungsi sebagai penahan arus yang mengalir dalam suatu rangkaian dan berupa terminal dua komponen elektronik yang menghasilkan tegangan pada terminal yang sebanding dengan arus listrik yang melewatinya sesuai dengan hukum Ohm (V = IR). Sebuah resistor tidak memiliki kutub positif dan negatif, tapi memiliki karakteristik utama yaitu resistensi, toleransi, tegangan kerja maksimum dan power rating. Karakteristik lainnya meliputi koefisien temperatur, kebisingan, dan induktansi. Ohm yang dilambangkan dengan simbol Ω(Omega) merupakan satuan resistansi dari sebuah resistor yang bersifat resistif. Resistor berfungsi sebagai pengatur dalam membatasi jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. Dengan adanya resistor menyebabkan arus listrik dapat disalurkan sesuai dengan kebutuhan. Adapun fungsi resistor adalah untuk menahan sebagian arus listrik agar sesuai dengan kebutuhan suatu rangkaian elektronika, untuk menurunkan tegangan sesuai dengan yang dibutuhkan oleh rangkaian elektronika, untuk membagi tegangan dan untuk membangkitkan frekuensi tinggi dan frekuensi rendah dengan bantuan transistor daan kondensator (kapasitor). [2] Selain Resistor dan Kapasitor, Induktor juga merupakan komponen Elektronika Pasif yang sering ditemukan dalam Rangkaian Elektronika, terutama pada rangkaian yang berkaitan dengan Frekuensi Radio. Induktor atau dikenal juga dengan Coil adalah Komponen Elektronika Pasif yang terdiri dari susunan lilitan Kawat yang membentuk sebuah Kumparan. Pada dasarnya, Induktor dapat menimbulkan Medan Magnet jika dialiri oleh Arus Listrik. Medan Magnet yang ditimbulkan tersebut dapat menyimpan energi dalam waktu yang relatif singkat. Dasar dari sebuah Induktor adalah berdasarkan Hukum Induksi Faraday. Kemampuan Induktor atau Coil dalam menyimpan Energi Magnet disebut dengan Induktansi yang satuan unitnya adalah Henry (H). Satuan Henry pada umumnya terlalu besar untuk Komponen Induktor yang terdapat di Rangkaian Elektronika. Oleh Karena itu, Satuan-satuan yang merupakan turunan dari Henry digunakan untuk menyatakan kemampuan induktansi sebuah Induktor atau Coil. Satuan-satuan turunan dari Henry tersebut diantaranya adalah milihenry (mh) dan microhenry (µh). Simbol yang digunakan untuk melambangkan Induktor dalam Rangkaian Elektronika adalah huruf L. Secara singkat dapat kita katakan bahwa inductor merupakan suatu elemen dinamik dengan sifat-sifat sebagai berikut, tegangan pada induktor akan nol jika arusnya tidak berubah terhadap waktu. Induktor berperilaku seperti suatu hubung singkat pada arus searah. Arus yang melalui induktor adalah fungsi kontinu darwaktu. Perubahan tak kontinu dari arus induktomemerlukan tegangan serta daya yang tak terhinggabesarnya, yang secara fisis tidak mungkin terjadi. Induktomenyerap daya dari rangkaian jika ia melakukanpenyimpanan energi. Induktor mengeluarkan energi yangdisimpan sebelumnya jika ia memberikan energi padarangkaian.[3] Gambar 3. Karakteristik dan simbol induktor Kapasitansi dan Induktansi Ekivalen. Pencarian nilaiekivalen dari kapasitor maupun induktor yang terhubungseri ataupun paralel dapat dilakukan dengan menggunakancara yang sama seperti mencari resistor ekivalen.[2] Jadi kapasitansi ekivalen dari kapasitor yang terhubung paralel adalah C ek = C 1 +C 2 +C C N (1) Untuk kapasitor yang dihubungkan seri maka kapasitansi ekivalennya dapat dicari dengan hubungan,[2] = (2) Induktansi ekivalen dari induktor yang dihubungkan seri ataupun paralel dapat dicari dengan cara yang sama, dan untuk mengukur induktansi secara seri adalah sebagai berikut, L ek = L 1 +L 2 +L L N (3) Induktansi ekivalen dari induktor yang terhubung paralel adalah,[2] = (4) Arus listrik (I) adalah aliran muatan listrik yang terjadi karena adanya perbedaan potensial dalam medan listrik. Beda potensial dapat dihasilkan oleh sel baterai atau generator, yang mengakibatkan arus listrik mengalir dalam rangkaian. Arus listrik dapat dibedakan menjadi dua, yaitu Arus Searah dan Arus Bolak-Balik. Arus Searah (DC Dirrect Current) adalah arus yang mengalir dalam satu arah. Sedangkan Arus Bolak-Balik (AC Alternating Current) adalah arus yang arahnya dalam rangkaian berubah-ubah (sinusoidal) dalam selang waktu yang teratur. Arus Bolak-Balik ditimbulkan oleh gaya gerak listrik yang berubah-ubah. Video di bawah ini adalah tentang bagaimana sebuah generator AC (alternator) bekerja, walaupun tidak menghasilkan tegangan yang besar. magnet yang berputar dekat solenoida dapat menghasilkan sinyal AC yang terdeteksi pada osiloskopkomputer. Arus bolak-balik dan gaya gerak listrik biasanya dinyatakan dengan harga rata-rata dan efektif. Harga rata-rata dari tegangan dan arus bolak-balik dapat ditentukan dengan mengambil setengah periode dari gelombang sinusoidal (π). Sedangkan harga efektif dari arus dan tegangan bolak-balik didefinisikan sebagai nilai sedemikian rupa sehingga menghasilkan energi kalor rata-rata yang sama pada arus

3 3 searah yang melewati hambatan R. Harga efektif merupakan harga yang terbaca pada alat ukur voltmeter maupun amperemeter AC (multimeter). Alat pengukur arus dan tegangan bolak-balik, yang dapat mengukur serta mempelajari beda potensial dapat menggunakan multimeter maupun osiloskop. Perbedaan yang diberikan oleh kedua alat ukur ini terletak pada hasilnya. Multimeter menghasilkan alat (meteran) yang dapat menunjukkan penyimpangan pada skala sesuai dengan besarnya arus dan tegangan. Adapun osiloskop menghasilkan bintik pada layar flouresensi berupa grafik sinusoidal yang diakibatkan dari tembakan sinar katode yang mengenai belakang layar secara berulang-ulang sehingga menghasilkan jejak yang nampak pada bagian depan layar. Listrik untuk keperluan rumah tangga dan industri dihasilkan dari stasiun pembangkit listrik oleh generatorgenerator besar yang menghasilkan listrik bolak-balik pada frekuensi 50 herz dan 60 herz. Arus bolak-balik tak seperti arus searah, dapat secara mudah diubah untuk menghasilkan beda potensial yang lebih besar atau kecil dengan menggunakan transformator (step up step down). Ini berarti bahwa tegangan tinggi dapat digunakan untuk transmisi, yang dapat mengurangi kehilangan daya dalam kabel transmisi. Pasokan listrik ke rumah-rumah terdiri dari dua kabel dari substasiun (gardu listrik) untuk mengalirkan arus listrik bolak-balik dan ada kabel kabel tambahan (arde) yang dihubungkan ke bumi sebagai tindakan pengamanan. Resonansi adalah suatu gejala yang terjadi pada suatu rangkaian bolak-balik yang mengandung elemen induktor dan kapasitor. Resonansi dalam rangkaian seri disebut resonansi seri, sedangkan resonansi parallel (anti resonansi) adalah resonansi rangkaian paralel. Resonansi seri terjadi bila reaktansi induktif sama dengan reaktansi kapasitif, sedangkan Resonansi parallel terjadi bila sustansi induktif disuatu cabang sama dengan sustansi kapasitif pada cabang lainnya. Impedansi suatu rangkaian RLC bergantung kepada frekuensi. Karena reaktansi induktif sebanding lurus dan reaktansi kapasitif berbanding terbalik dengan frekuensi. Besarnya arus AC (I) yang mengalir pada rangkaian RLC seri bergantung pada besarnya tegangan dan impedansi (Z). [4] skala yang muncul dan menghitung nilai tegangan dan periode sesuai dengan jumlah div atau kotak yang dibentuk oleh gelombang. Kemudian mencari nilai periodenya kemudian dicatat hasilnya dan menunggu hingga osiloskop menampilkan gelombang pada keadaan nol. Mengamati 3 gelombang yang terbentuk dan diatur posisi tegangan pada sumbu y dan periode pada sumbu x agar mendapatkan bentuk gelombang yang baik. Namun pada praktikum ini hanya menyelidiki respon rangkaian RC saja. Sehingga dalam satu rangkaian hanya terdiri resistor dan kapasitor. Mematikan signal generator dan osiloskop. Lalu mengamati sebelah kiri bawah berupa Vmaksimum. mengukur besar Vmax dan Vmin pada masing-masing sinyal yaitu sinyal masuk dan sinyal keluar. Menghitung tetapan waktu sinyal keluaran, dan buatlah satu tampilan sinyal masukan dan keluaran pada osiloskop. Kemudian merangkai alat seperti berikut Gambar 4. Rangkaian Resistor Paralel dan Induktor Seri. Dan mengulangi metode diatas dengan merangkai alat seperti berikut ini Gambar 5. Rangkaian Resistor Seri dan Induktor Seri. Gambar6. Rangkaian Resistor Paralel, Induktor Seri dan Kapasitor Seri. II. METODE Pada percobaan ini menggunakan beberapa peralatan dan bahan seperti generator AC, osiloskop digunakan untuk menganalisis pemetaan sinyal listrik, kabel buaya, projectboard, kapasitor 5 mf, induktor 5 mh dan resistor 5kΩ. Pada percobaan ini langkah pertama yang dilakukan adalah menyiapkan alat dan bahan yang dibutuhkan, kemudian mengukur nilai kapasitor, mengukur nilai inductor dan mengukur nilai resistor, kemudian menghidupkan osiloskop dan memastikan keadaan osiloskop sudah siap digunakan, menyambungkan osiloskop pada signal generator AC menggunakan kabel penghubung, dan mengatur frekuensi pada signal generator, dan kemudian mengamati gelombang yang terbentuk dan terus mengatur agar satu gelombang yang terbentuk dan mengatur posisi tegangan yaitu pada sumbu y dan periode atau waktu pada sumbu x agar mendapatkan bentuk gelombang. kemudian, melihat Gambar7. Rangkaian Resistor Paralel dan Kapasitor Seri Setelah semua data diperhitungkan dan dibandingkan nilai tegangan Vpp atau voltage peak-peak adalah tegangan yang terukur dari puncak ke puncak dalam suatu sinyal sinusoidal. Sedangkan Vrms (root mean square) adalah tegangan ratarata akar kuadrat representasi tegangan DC dari sinyal AC (sinusoidal). Hubungan antara Vpp dan Vrms adalah = 2...(5) Kemudian dicari nilai error alatnya, dengan cara: Error = x 100 %...(6)

4 4 III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil percobaan rangkaian RLC arus AC adalah sebagai berikut : Tabel 1. Hasil perhitungan saat menggunakan rangkain RL seri Frekuensi Vmax Vmin Vrms V/DIV 50 Hz 3,440 V -3,440 2, Hz 4,880 V -3,280 2, ,9 Hz 3,600 V -5,520 2, ,8 Hz 6,800 V -6,480 2, ,5 Hz 6,72 V -6,080 2,962 Pada Tabel 1 menunjukkan hasil dari nilai yang terbesar saat frekuensinya yaitu 140,8Hz, terbesar saat frekuensinya yaitu 80Hz, terbesar saat frekuensinya yaitu 140,8Hz Tabel 2. Hasil perhitungan saat menggunakan rangkain RLC paralel Frekuensi Vmax Vmin(v) Vrms(mv) V/DIV 50 Hz , ,2 80,65 Hz , ,7 109,9 Hz , ,6 5v 140,8 Hz , ,3 169,5 Hz , ,3 Pada Tabel 2 menunjukkan hasil dari nilai yang terbesar saat frekuensinya yaitu 169,5Hz, terbesar saat frekuensinya yaitu 80,65Hz, terbesar saat frekuensinya yaitu 80,65Hz Tabel 3. Hasil perhitungan saat menggunakan rangkaian RL paralel Freq Vmax Vmin Vrms(mv) V/DIV 50 Hz 5,120-4, ,0 80,65 Hz 5,120-2, ,8 1v 109,9 Hz 3,040-3, ,3 140,8 Hz 5,280-4, ,9 2V 169,5 Hz 5,200-4, ,7 Pada Tabel 3 menunjukkan hasil dari nilai yang terbesar saat frekuensinya yaitu 140,8Hz, terbesar saat frekuensinya yaitu 80,65Hz, terbesar saat frekuensinya yaitu 50Hz. 2V 140,8 Hz 640, ,5 169,5 Hz 640, ,7 Pada Tabel 4 menunjukkan hasil dari nilai yang terbesar adalah dengan frekuensi terkecil yaitu 109,9Hz, terbesar saat frekuensinya yaitu 50Hz, terbesar saat frekuensinya yaitu 50Hz. Satuan tegangan adalah milivolt (mv). Dengan nilai tersebut maka akan di dapat nilai berupa Vrms. Pada layar terdapat nilai amplitudo yang ditunjukkan gelombang. Adapun nilai berupa Vpp atau Voltage peak peak diamati melalui satuan div tiap puncak ke puncak gelombang, Vpp ini diamati melalui skala vertikal atau berapa unit div yang tertera secara melintang yang dalam satuan nya dituliskan ms/div. Ada pula nilai Vrms yang nilainya di dasarkan pada berapa unit div pada skala horisontal yang dalam satuannya volt/div. Tabel 5. Hasil perhitungan tetapan waktu Komponen R=5kohm L=5mH C=5mF tetapan waktu (τ=rc) tetapan waktu (τ=r/l) IV. KESIMPULAN Percobaan rangkaian RLC arus AC telah berhasil dilakukan. Percobaan ini dapat menganalisa sinyal keluaran pada layar osiloskop. Dan dapat mengamati berdasarkan nilai besaran yang di dapat, sehingga telah didapatkan konstanta waktu sebesar untuk rangkaian RC sebesar 5x10 6 dan untuk rangkain RL 0,2x10-6 dan 5x10-6. DAFTAR PUSTAKA [1] Moegiharto, yoedi Rangkaian Listrik.Surabaya:Politeknik Elektronika Negeri Surabaya,2000 [2] Tippler A. Paul, Fisika Untuk Sains Dan Teknik, Jakarta: Penerbit Erlangga, 1998 [3] Alexander and Sadiku, Fundamentals of Electric Circuit, Fourth Edition.New York: McGraw-Hill Companies.inc,2009 [4] Tabel 4. Hasil perhitungan saat menggunakan rangkaian RC pararel Frekuensi Vmax(mv) Vmin(mv) Vrms(mv) V/DIV 50 Hz 1,280-1, ,4 80 Hz 880, ,8 2V 109,9 Hz 720, ,8

5 5 PERHITUNGAN konstanta waktu ( )pada rangkaian Rseri Lseri adalah: R TOTAL = ( )kOhm =25 kohm = 25x10 6 mohm L = 5 m H maka, ( ) = = = 0,2 10 konstanta waktu pada rangkaian Rparalel Lseri adalah: 1 = L = 5m H = 5 5 = 1 h = 1 10 h ( ) = = = 5 10 konstanta waktu pada rangkaian Rparalel Cseri adalah: 1 = C = 5 m F = 5 5 = 1 h = 1 10 h ( ) = = = 5 10 Tampilan pada layar osiloskop berupa gelombang yang dihasilkan dari percobaan diantaranya sebagai berikut; Gambar2. Sinyal rangkaian R paralel L-C seri Gambar1. Sinyal rangkaian RL seri

6 6 Gambar3. Sinyal rangkaian R paralel L seri Gambar4. Sinyal rangkaian R paralel C seri