ELEKTRONIKA FISIS DASAR I RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK (AC)

Transkripsi

1 Laporan Praktikum ELEKTRONIKA FISIS DASAR I RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK (AC) OLEH NAMA : ABDUL MUIN BSNYAL NIM : H KELOMPOK : X ASISTEN : HERYANTO LABORATORIUM ELEKTRONIKA DAN INSTRUMENTASI JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HASANUDDIN MAKASSAR 2013

2 BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Elektronika menjadi bagian favorit dalam fisika terutama pada bagian instrumentasi yang akhir akhir ini menjadi mengalami perkembangan pesat. Hampir semua peralatan modern bertumpu pada prinsip elektronika dari pencukur rambut elektronik hingga pesawat ulang alik. Namun perlu diakui bahwa untuk melakukan pengembangan teknologi yang berguna bagi umat manusia tidaklah mudah melainkan harus melewati berbagai percobaan dasar yang menjadi modal awal bagi seorang pereka cipta untuk memulai percobaannya. Di bangku kuliah mulai diperdalam tentang proses kerja,langkah pembuatan rangkaian, hingga pada proses pembuatan instrumentasi yang banyak digunakan di berbagai bidang seperti kedokteran dan industri. Sumber listrik PLN sendiri merupakan suatu arus bolak-balik (AC), sehingga rangkaian alat-alat listrik di rumah pun tentunya merupakan rangkaian arus bolak-balik. Jadi kehidupan manusia tidak akan jauh dari kelistrikan, oleh karena itu sangatlah penting bagi mahasiswa jurusan fisika agar mampu mengetahui dan memahami teknologi elektronika, sehingga penguasaan elektronika dasar tentang berbagai komponen dan alat ukur listrik amat diperlukan sebagai dasar untuk pembelajaran lebih lanjut. I.2 Ruang Lingkup Dalam percobaan ini memfokuskan pengamatan terhadap perbandingan tegangan dari rangkaian tapis lolos rendah dengan tapis lolos tinggi dan mengamati tegangan keluaran dari rangkaian RLC, serta mengamati karakteristik dari rangkaian integrator dan differensiator.

3 I.3 Tujuan Percobaan Setelah mengikuti praktikum diharapkan mahasiswa memiliki kemampuan untuk: 1. Mengetahui sifat dan karakteristik dari bentuk isyarat keluaran pada differensiator dan integrator bila diberi masukan berupa isyarat persegi. 2. Mengukur tanggapan amplitudo dan tanggapan fasa dari suatu sumber AC tegangan tetap untuk tapis lolos rendah dan tapis lolos tinggi pada rangkaian RC ini. 3. Mengukur tegangan amplitudo rangkaian RLC paralel terhadap sumber AC sinus arus tetap. I.4 Waktu dan Tempat percobaan Pada percobaan Arus Bolak-balik (AC) ini dilaksanakan pada hari Rabu tanggal 15 November 2013, tepatnya pada pukul s/d WITA. Percobaan ini berlangsung di Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Hasanuddin, Makassar.

4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Arus Bolak-Balik Arus bolak-balik (AC/alternating current) adalah arus listrik dimana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan arus searah dimana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling efisien. Namun dalam aplikasi-aplikasi spesifik yang lain, bentuk gelombang lain pun dapat digunakan, misalnya bentuk gelombang segitiga (triangular wave) atau bentuk gelombang segi empat (square wave). Secara umum, listrik bolak-balik berarti penyaluran listrik dari sumbernya (misalnya PLN) ke kantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Namun ada pula contoh lain seperti sinyal-sinyal radio atau audio yang disalurkan melalui kabel, yang juga merupakan listrik arus bolak-balik. Di dalam aplikasi-aplikasi ini, tujuan utama yang paling penting adalah pengambilan informasi yang termodulasi atau terkode di dalam sinyal arus bolak-balik tersebut. Telah diketahui bahwa generator arus bolak-balik sebagai sumber tenaga listrik yang mempunyai GGL: E = Emax sin t Persamaan di atas jelas-jelas menunjukkan bahwa GGL arus bolak-balik berubah secara sinusoidal. Suatu sifat yang menjadi ciri khas arus bolak-balik. Dalam menyatakan harga tegangan AC ada beberapa besaran yang digunakan, yaitu : 1. Tegangan sesaat: tegangan pada suatu saat t yang dapat dihitung dari persamaan E = Emax sin 2 ft jika kita tahu Emax, f dan t. 2. Amplitudo tegangan Emax: harga maksimum tegangan. Dalam persamaan: E = Emax sin 2 ft, amplitudo tegangan adalah Emax,

5 3. Tegangan puncak-kepuncak (Peak-to-peak) yang dinyatakan dengan Epp ialah beda antara tegangan minimum dan tegangan maksimum. Jadi Epp = 2 Emax. 4. Tegangan rata-rata (Average Value). 5. Tegangan efektif atau tegangan rms (root-mean-square) yaitu harga tegangan yang dapat diamati langsung dalam skala alat ukurnya. (gambar II.a. arus dan tegangan bolak-balik) (gambar II.b. arti arus dan tegangan yang dikuadratkan) B. Perumusan Daya Listrik Arus Bolak Balik Dalam sistem listrik AC/Arus Bolak-Balik ada tiga jenis daya yang dikenal, khususnya untuk beban yang memiliki impedansi (Z), yaitu: Daya semu (S, VA, Volt Amper) Daya aktif (P, W, Watt) Daya reaktif (Q, VAR, Volt Amper Reaktif) Untuk rangkaian listrik AC, bentuk gelombang tegangan dan arus sinusoida, besarnya daya setiap saat tidak sama. Maka daya yang merupakan daya rata-rata diukur dengan satuan Watt,Daya ini membentuk energi aktif persatuan waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan daya nyata atau daya aktif (daya poros, daya yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban untuk melakukan tugas

6 tertentu. Sedangkan daya semu dinyatakan dengan satuan Volt-Ampere (disingkat, VA), menyatakan kapasitas peralatan listrik, seperti yang tertera pada peralatan generator dan transformator. Pada suatu instalasi, khususnya di pabrik/industri juga terdapat beban tertentu seperti motor listrik, yang memerlukan bentuk lain dari daya, yaitu daya reaktif (VAR) untuk membuat medan magnet atau dengan kata lain daya reaktif adalah daya yang terpakai sebagai energi pembangkitan flux magnetik sehingga timbul magnetisasi dan daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi elektromagnetik itu sendiri, sehingga daya ini sebenarnya merupakan beban (kebutuhan) pada suatu sistim tenaga listrik. Pada sistem arus bolak-balik, daya listrik tidak sesederhana pada sistem arus searah. Pada arus bolak-balik terdapat tiga jenis daya, yaitu daya semu, daya aktiv, dan daya reaktif, secara matematis S = P +jq Dimana, daya semu(s) merupakan hasil penjumlahan daya aktiv (P) dengan daya reaktif (jq) secara vektoris. Daya semu merupakan hasil perkalian langsung antara tegangan kerja dengan Arus konsumsi peralatan listrik yang terpasang S = V x i. o Dalam rangkaian listrik Daya listrik, seperti daya mekanik, dilambangkan oleh huruf P dalam persamaan listrik. Pada rangkaian arus DC, daya listrik sesaat dihitung menggunakan Hukum Joule, sesuai nama fisikawan Britania James Joule, yang pertama kali menunjukkan bahwa energi listrik dapat berubah menjadi energi mekanik, dan sebaliknya. Dimana: P adalah daya (watt atau W) I adalah arus (ampere atau A) V adalah perbedaan potensial (volt atau V)

7 o Dalam ruang Daya listrik mengalir di manapun medan listrik dan magnet berada di tempat yang sama. Dalam kasus umum persamaan P = VI harus diganti dengan perhitungan yang lebih rumit, yaitu integral hasil kali vektor medan listrik dan medan magnet dalam ruang tertentu: C. Frekuensi pada Arus Bolak-Balik Apabila pergantian kutub itu terjadi 60 kali dalam satu detik, maka dikatakan frekuensi sumber AC tersebut adalah 60 Hertz (seperti banyak dipakai di Amerika Serikat). Kalau pergantian kutub itu terjadi 50 kali dalam satu detik, maka frekuensi sumber AC tersebut adalah 50 Hertz (seperti banyak dipakai di Eropa dan Asia termasuk di Indonesia). Tentu sekarang kita paham apa maksud "frekuensi arus PLN adalah 50 Hz". Karena perbedaan tegangan berubah-ubah setiap waktu, maka untuk praktis besarnya perbedaan tegangan arus bolak-balik dinyatakan dalam rms (root mean square, akar dari kuadrat rata-rata) perbedaan tegangan maksimum. Ini sebenarnya hanya permainan statistik, tidak mengandung fenomena fisis yang baru. Harga rms dari perbedaan tegangan bernilai perbedaan tegangan maksimum dibagi akar dua. Bicara tentang kestabilan, tentu arus searah lebih stabil. Umumnya alat-alat elektronik beroperasi dengan arus searah. Arus bolakbalik digunakan sebagai sumber listrik utama disebabkan karena faktor ekonomi sebab membuat sumber arus bolak-balik (generator) jauh lebih murah daripada sumber arus searah. Untuk menjadikan arus bolak-balik menjadi searah tidaklah begitu sulit, walaupun hasilnya tidak sestabil arus dari baterai tapi harga kestabilan ini dikompensasi sangat baik oleh biaya pengadaan sumber listrik. D. Arus dan Tegangan Sinusoidal Dalam generator, kumparan persegi panjang yang diputar dalam medan magnetik akan membangkitkan Gaya Gerak Listrik (GGL) sebesar: E = Em sin t

8 Dengan demikian bentuk arus dan tegangan bolak-balik seperti persamaan di atas yaitu: i = Im sin t v = vm sin t im dan vm adalah arus maksimum dan tegangan maksimum. Bentuk kurva yang dihasilkan persamaan ini dapat kita lihat di layar Osiloskop. Bentuk kurva ini disebut bentuk sinusoidal gambar. (gambar II.c. sinusoidal) E. Harga Efektif Arus Bolak-balik Dalam rangkaian arus bolak-balik, baik tegangan maupun kuat arusnya berubah-ubah secara periodik. Oleh sebab itu untuk penggunaan yang praktis diperlukan besaran listrik bolak-balik yang tetap, yaitu harga efektif. Harga efektif arus bolak-balik ialah harga arus bolak-balik yang dapat menghasilkan panas yang sama dalam penghantar yang sama dan dalam waktu yang seperti arus searah. Ternyata besar kuat arus dan tegangan efektifnya masing-masing : Ieff = [ ] ½ Ief = = 0,707 Imax Vef = = 0,707 Vmax Kuat arus dan tegangan yang terukur oleh alat ukur listrik menyatakan harga efektifnya.

9 (gambar II.d. Resistor dalam rangkaian arus bolak-balik) Bila hambatan murni sebesar R berada dalam rangkaian arus bolak-balik, besar tegangan pada hambatan berubah-ubah secara sinusoidal, demikian juga kuat arusnya. (gambar II.e. Kumparan induktif dalam rangkaian arus bolak-balik) Andaikan kuat arus yang melewati kumparan adalah I = Imax sin t. Karena hambatan kumparan diabaikan I.R = 0 Besar GGL induksi yang terjadi pada kumparan E1 = -L Bila tegangan antara AB adalah V, kuat arus akan mengalir bila: V = L V = L V = L Imax. cos t Jadi antara tegangan pada kumparan dengan kuat arusnya terdapat perbedaan fase, dalam hal ini tegangan mendahului kuat arus. (gambar II.f. Kapasitor Dalam Rangkaian Arus Bolak-balik)

10 Andaikan tegangan antara keping-keping capasitor oada suatu saat V = Vmax sin t, muatan capasitor saat itu: Q = C.V I = C.Vmax cos t Jadi antara tegangan dan kuat arus terdapat perbedaan fase dalam hal ini kuat arus lebih dahulu daripada tegangan. Disamping resistor, kumparan induktif dan capasitor merupakan hambatan bagi arus bolak-balik. Untuk membedakan hambatan kumparan induktif dan capasitor dari hambatan resistor, maka hambatan kumparan induktif disebut Reaktansi Induktif dan hambatan capasitor disebut Reaktansi kapasitif. F. Tapis Lolos Rendah (Low Pass Filter) Tapis lolos rendah memberikan tegangan keluaran yang konstan hingga frekuensi sumbat tertentu (fc). Frekuensi sumbat (cut-off) fc juga disebut frekuensi 0,707, frekuensi -3dB, frekuensi sudut, atau frekuensi belok. Frekuensi-frekuensi di atas fc akan diredam (diperkecil). Kisar frekuensi di bawah fc disebut pass band, sedangkan frekuensi di atas fc disebut frekuensi stop band. G. Tapis Lolos Tinggi (High Pass Filter) Tapis lolos tinggi merupaka kebalikan fungsi dari tapis lolos rendah. Tapis lolos tinggi ini akan meredam semua frekuensi di bawah frekuensi sumbat fc dan melewatkan semua frekuensi di atas fc. Sebagaimana pada tapis lolos rendah, fc pada tapis lolos tinggi dalam persentasenya juga diambil pada 70,7 % tegangan keluaran maksimal tapis lolos atas dapat memiliki kemiringan yang berbeda, tergantung pada perancangan rangkaian. Pada tapis lolos tinggi terdapat frekuensi kutub dan frekuensi nol yang menyebabakan terjadinya perubahan amplitude dan fasa isyarat masukan pada isyarat keluaran.

11 BAB III METODOLOGI PERCOBAAN II1.I Alat dan Bahan III.1.1 Alat Beserta Fungsinya Adapun alat yang digunakan dalam praktikum ini adalah sebagai berikut: 1. Papan Rangkaian berfungsi sebagai tempat meletakkan komponen-komponen elektronika. (gambar III.a. Papan Rangkaian) 2. Sinyal Generator berfungsi sebagai pembangkit signal yang digunakan pada rangkaian. (gambar III.b. Sinyal Generator) 3. Osiloskop berfungsi sebagai berfungsi untuk menampilkan tegangan sinusoida, dan berbagai bentuk gelombang yang ditemukan dalam rangkaian yang dibuat. (gambar III.c. Osiloskop)

12 4. Kabel Jumper berungsi untuk menghubungkan komponen arus listrik. (gambar III.d. Osiloskop) 5. Multimeter berfungsi untuk mengukur arus, tegangan dan hambatan. (gambar III.e. Multimeter) 6. Catu Daya berfungsi sebagai pembangkit tegangan AC untuk dialirkan pada rangkaian. (gambar III.f. Catu Daya) III.1.2 Bahan Beserta Fungsinya Adapun bahan yang digunakan dalam praktikum ini adalah sebagai berikut: 1. Kapasitor adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk mengukur kapasitas arus yang mengalir dari rangkaian listrik.

13 (gambar III.g. Kapasitor) 2. Induktor adalah komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan arus listrik dalam bentuk induksi listrik. (gambar III.h. Induktor) 3. Resistor merupakan komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat aliran arus listrik. (gambar III.i. Resistor) III.2 Prosedur Kerja III.2.1 Rangkaian Integrator 1. Mengukur terlebih dahulu nilai resistansi resistor yang akan digunakan berdasarkan cincin warna pada resistor tersebut. 2. Mencatat nilai kapasitor yang akan digunakan yang tertera pada kapasitor. 3. Membuat rangkaian integrator dengan resistor dan kapasitor pada papan rangkaian sperti pada gambar berikut:

14 4. Menghubungkan kutub positif dari sumber arus (sinyal generator) pada kaki resistor dan kutub negatif pada kaki kapasitor, dan menghubungkan kutub positif osiloskop pada kaki resistor dan kutub negatif pada kaki kapasitor. 5. Menghidupkan osiloskop dan signal generator, kemudian mengkalibrasi alat tersebut. 6. Membuat agar sinyal generator berupa sinusoidal 4 VPP. 7. Menghubungkan antara signal generator, osiloskop, dan rangkaian yang telah dibuat. 8. Mengatur bentuk isyarat keluaran pada signal generator ke dalam bentuk gelombang persegi. 9. Menentukan frekuensi tertinggi dan terendah pada signal generator, yaitu sebesar 100 Hz dan 1 khz. 10. Mengamati bentuk isyarat keluaran dari rangkaian yang ditampilkan di layar osiloskop pada setiap frekuensi yang ditentukan. 11. Mengambil gambar pada setiap signal keluaran yang tampak pada layar osiloskop. III.2.2 Rangkaian Differensiator 1. Menggunaka resistor dan kapasitor pada rangkaian integrator yang telah diketahui nilainya. 2. Membuat rangkaian diferensiator dengan resistor dan kapasitor pada papan rangkaian sseperti pada gambar berikut:

15 3. Menghubungkan kutub positif dari sumber arus (sinyal generator) pada kaki kapasitor dan kutub negatif pada kaki resistor, dan menghubungkan kutub positif dari osiloskop pada kaki kapasitor dan kutub negatif pada kaki resitor. 4. Menghidupkan osiloskop dan signal generator, kemudian mengkalibrasi alat tersebut. 5. Membuat agar signal generator berupa sinusoidal 4 VPP. 6. Menghubungkan antara signal generator, osiloskop, dan rangkaian yang telah dibuat. 7. Mengatur bentuk isyarat keluaran pada signal generator ke dalam bentuk gelombang square. 8. Menentukan frekuensi tertinggi dan terendah pada signal generator, yaitu sebesar 100 Hz dan 1 khz. 9. Mengamati bentuk isyarat keluaran dari rangkaian yang ditampilkan di layar osiloskop pada setiap frekuensi yang ditentukan. 10. Mengambil gambar pada setiap signal keluaran yang tampak pada layar osiloskop. III.2.3 Rangkaian Tapis Lolos Rendah 1. Memasang resistor secara horizontal dengan resistansi awal yang ditentukan, yaitu 1 kω pada papan rangkaian. 2. Memasang kapasitor dengan kapasitansi yang telah ditentukan secara paralel terhadap resistor seperti pada gambar yang ditunjukkan sebagai beikut:

16 3. Menyalakan multimeter dan mengkalibrasinya. 4. Mengukur tegangan dari sumber tegangan AC sebelum dihubungkan pada rangkaian. 5. Menghubungkan kutub positif sumber tegangan AC pada kaki resistor dan kutub negatif sumber tegangan AC berada di kutub negatif kapasitor. 6. Meletakkan kutub positif multimeter pada resistor yang paling dekat dengan kutub positif kapasitor dan meletakkan kutub negatif multimeter pada kutub negatif kapasistor. 7. Setelah itu, memasang resistor dengan kapasitas 2 kω, 3 kω, 10 kω, dan 100 kω seperti pada prosedur sebelumnya secara bergiliran. III.2.4 Rangkaian Tapis Lolos Tinggi 1. Memasang resistor secara horizontal dengan resistansi awal yang ditentukan, yaitu 1 kω pada papan rangkaian. 2. Memasang kapasitor dengan kapasitansi yang telah ditentukan secara paralel terhadap resistor seperti pada gambar yang ditunjukkan sebagai beikut: 3. Menyalakan multimeter dan mengkalibrasinya. 4. Mengukur tegangan dari sumber tegangan AC sebelum dihubungkan pada rangkaian.

17 5. Menghubungkan kutub positif sumber tegangan AC pada kaki resistor dan kutub negatif sumber tegangan AC berada di kutub negatif kapasitor. 6. Meletakkan kutub positif multimeter pada resistor yang paling dekat dengan kutub positif kapasitor dan meletakkan kutub negatif multimeter pada kutub negatif kapasistor. 7. Setelah itu, memasang resistor dengan kapasitas 2 kω, 3 kω, 10 kω, dan 100 kω seperti pada prosedur sebelumnya secara bergiliran. III.2.5 Rangkaian RLC Paralel 1. Mengukur induktansi dari inductor yang akan digunakan. 2. Membuat rangkaian RLC parallel seperti pada gambar berikut: 3. Menyambungkan multimeter pada catu daya. 4. Mengkalibrasikan multimeter yang akan digunakan untuk mengukur voltase yang dikeluarkan. 5. Memasang kabel jumper (penghubung) pada rangkaian RLC paralel 6. Kutb positif negatif Multimeter dan catu daya 7. Mengganti secara berkala resistor dan kapasitor pada rangkaian yaitu untuk resistor 1 kω, 2 kω, 3 kω, 10 kω, dan 100 kω 8. Melihat dan mencatat voltase keluaran pada multimeter untuk tiap-tiap resistor dan kapasitor.

18 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1 Hasil IV.1.1 Tabel data A. Tapis Lolos Tinggi R (kω) Vi (volt) V0 (volt) C (πf) Grafik Tapis Lolos Tinggi: B. Tapis lolos rendah R (kω) Vi (volt) V0 (volt) C (µf)

19 Grafik Tapis Lolos Rendah: C. RLC paralel R (kω) Vi (volt) V0 (volt) IV.1.2 Gambar dan Rangkaian A. Rangkaian Integrator B. Rangkaian differensiator C. Tapis Lolos Tinggi D. Tapis Lolos Rendah E. Rangkaian RLC Paralel VI.1.3 Hasil/ Bentuk Isyarat Keluaran A. Rangkaian integrator 1. Frekuensi 100 Hz 2. Frekuensi 1 khz B. Rangkaian diffensiator 1. Frekuensi 100 Hz 2. Frekuensi 1 khz

20 V.2 Pembahasan

21 BAB V PENUTUP V.I Kesimpulan Berdasarkan percobaan tentang rangkaian arus bolak balik dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1) Isyarat keluaran pada rangkaian integrator dan diferensiator berbentuk sinusoidal bila diberi masukan berupa isyarat persegi. 2) Frekuensi keluaran dari rangkaian RC (integrator dan diferensiator) bersesuaian dengan frekuensi isyarat masukan, dan dapat diamati sebagai kerapatan kurva. V.II Saran V.11.1 Saran untuk Laboratorium Perlengkapan praktikum sebaiknya diperbaharui karena kualitas dan kuantitas sarana dan prasarana penunjang kurang memadai sehingga agak menyulitkan jalannya praktikum. V.11.2 Saran untuk Asisten Keep smile!!!

22 DAFTAR PUSTAKA Ahmad, Jayadin, ELDAS, 2007, e-book Arifin, Drs, M.T., Buku Penuntun Elektronika Fisis Dasar 1, Jurusan Fisika Universitas Hasanuddin, Makassar, 2010 Fajar, Belajar Elektronika tanpa Guru. Jakarta : Del Fajar,