LISTRIK AC

LISTRIK ARUS BOLAK-BALIK ( AC )

Pokok Bahasan :

1.  Menerapkan hukum kelistrikan arus bolak-balik

2.  Menganalisis hubungan antara tegangan, impedansi, dan kuat arus pada listrik bolak-balik

Materi Pelajaran :

·      Sumber tegangan bolak-balik

·      Macam-macam beban dalam rangkaian srus bolak-balik

·      Perumusan impedansi RLC seri

·      Perumusan impedansi RLC paralel

·      Keadaan resonansi rangkaian RLC

·      Perhitungan daya pada arus bolak-balik

  

1. Sumber tegangan bolak-balik

1.1. Mengamati arus bolak-balik

Apabila suatu rangkaian arus bolak-balik diamati dengan alat ukur listrik amperemeter DC 

dan osiloskop dengan pemasangan seperti gambar maka dapat kita lihat pada kedua alat ukur 

sebagai berikut :

►  Pada Amperemeter DC, jarumnya tetap menunjukkan angka nol artinya alat ini tidak dapat menunjukkan nilai arus yang mengalir karena arah arus berubah-ubah.

►  Pada Osiloskop, layarnya menunjukkan gambar grafik sinusoidal. Bila lebih lanjut kita amati garis-garis skala pada layer osiloskop itu, maka dapat terlihat pula nilai tegangan maksimum dan frekuensi arus / tegangan bolak-balik tersebut.

Dari hasil pengamatan tersebut dapat disimpulkan bahwa arus / tegangan bolak-balik adalah arus 

/ tegangan yang nilainya selalu berubah-ubah terhadap waktu secara periodik. Nilai arus / 

tegangan berubah dari nilai nol sampai dengan nilai maksimum.

Disebut arus / tegangan bolak-balik karena arus ini mengalir bolak-balik setiap selang waktu

tertentu sesuai dengan frekuensi sumbernya. Apabila frekuensi sumbernya

50 Hz maka berarti arah arus setiap detik berubah 50 kali.

1.2. Arah dan tegangan sinusoidal

Sumber arus bolak balik adalah generator AC, yang dapat menghasilkan ggl induksi dan berprinsip pada hukum Faraday serta grafiknya berupa fungsi sinusoida yaitu sebagai berikut

      Besar tegangan/arus sesaat dinyatakan :                

V = V_maks . sin ωt                  

 I  = I _{maks .}  sin ωt

Persamaan tersebut merupakan fungsi sinus seperti pada grafik, oleh karena itu ggl induksinya disebut ggl sinusoidal atau arus dan tegangan sinusoidal.

harga sin ωt disebut sudut fase.

1.3 Nilai Efektif dan nilai Maksimum  

     a.    Nilai maksimum dan frekuensi

Dengan osiloskop dapat diamati nilai maksimum arus / tegangan dan frekuensinya, yang tergambar dalam bentuk garis cahaya ( trace ) pada layarnya.

Gambar di atas menunjukkan tampilan layar osiloskop. Garis skala vertical adalah garis skala untuk tegangan dan garis skala horizontal untuk skala waktu. 

Misalkan untuk skala tegangan diatur 2 volt/garis skala dan skala waktu diatur 5 mili detik/garis skala. Kemudian “test head” osiloskop disentuhkan pada rangkaian arus bolak-balik secara parallel dan nampak pada layar grafik sinusoidal seperti pada gambar diatas. 

   b.   Nilai efektif

Yang dimaksud nilai efektif arus / tegangan bolak-balik adalah kuat arus / tegangan yang dianggap setara dengan arus / tegangan searah yang menghasilkan jumlah kalor yang sama ketika melalui suatu penghantar dalam waktu yang sama. Hubungan arus / tegangan efektif dengan arus / tegangan maksimum dinyatakan dengan persamaan :

              Veff   =  0.707 V maks

              I eff   =  0.707  I maks
Dengan :
I _ef  = arus efektif ( ampere )
I _m  = arus maksimum ( ampere )
V _ef = tegangan efektif ( volt )
V _m = tegangan maksimum ( volt )

2.   Macam-macam beban dalam rangkaian AC

     Yang dimaksud dengan diagram Fasor (diagram vector) yaitu vector yang dapat berputar dengan arah berlawanan jarum jam.

     2.1. Resistor dalam rangkaian AC:

          Jika sebuah resistor (hambatan) dilalui arus bolak-balik, maka tegangan dan

          arusnya dikatakan sefase, sehingga secara vector berimpit.

                       Rangkaian Resistor        Kurva V dan I             Diagram Fasor                       

    Hukum Ohm pada beban ini menjadi :        V = I . R

V = V_maks . sin ωt                  

 I  = I _{maks .}  sin ωt

V sefase dengan i

 Ket : V = potensial listrik (V)

    I  = kuat arus listrik (A)

          R = hambatan   (Ω)

2.2. Induktor dalam rangkaian listrik AC

                  Jika sebuah induktor dilalui arus bolak-balik, maka fase tegangan akan  mendahului 90^o                 terhadap arusnya (leading), sehingga diagram fasor dan kurvanya ditunjukkan seperti gambar             dibawah ini :

                              Rangkaian Induktor     Kurva V_L dan I      Diagram fasor   

  

                           ► V = V_m . sin ωt 

                     ► i  = i_m . sin ( ωt – 90⁰ )

                     ► V mendahului i dengan beda fase 90⁰

    

                       Hukum Ohm pada rangkaian ini menjadi :    V = I.X_L    sedang  X_L = 2πf.L  

                       dimana :   X_L = reaktansi induktif (Ω)
                                       L  =  Induktansi (Henry)
                                       f = frekuensi (Hz) 

                        2.3. Kapasitor dalam rangkaian listrik AC

                               Jika sebuah kapasitor dilalui arus bolak-balik, maka fase tegangan akan
                              tertinggal 90^o terhadap arusnya (lagging), sehingga diagram fasor dan kurvanya adalah
                              seperti dibawah                                                        

        Rangkaian kapasitor (C)            Kurva V_C dan I         Diagram fasor 

 Hukum Ohm pada rangkaian ini menjadi :  V  = I Xc

        

► V = V_m . sin ωt 

► i  = i_m . sin ( ωt + 90⁰ )

► V tertinggal i dengan beda fase 90<sup>0



Untuk Latihan soal bab Listrik Arus Bolak-balik klik disini</sup>

3.  Perumusan impedansi RLC seri

      Dalam rangkaian AC jarang kita jumpai adanya beban murni, biasanya merupakan kombinasi dari beberapa beban, sehingga kita mengenal pengertian impedansi rangkaian (Z) yang merupakan beban gabungan tadi, dengan begitu kita juga mengenal factor daya yang besarnya :

Cos θ = R / Z       dimana    :  Cos θ = factor daya

                                                 R       = hambatan (ohm)

                                                 Z       = impedansi (ohm)

     3.1. Rangkaian seri R-L :

      Pada gambar dibawah ini menunjukkan  sebuah hambatan murni R dirangkai

      seri dengan inductor L dihubungkan pada listrik AC.

      Dalam rangkaian ini diketahui bahwa :

      ► arus i sefase dengan tegangan V_R

      ► arus i ketinggalan 90⁰ oleh tegangan V


                        Kurva  Seri VR , VL thd  I                         Diagram Fasor

Impedansi  Z  = V / I

Faktor Daya  (Cos θ ) = R/Z  =VR/V

   3.2. Rangkaian seri R-C :

      Suatu hambatan murni yang dirangkai seri dengan kapasitor yang mempunyai

      kapasitas C dihubungkan dengan tegangan AC.

            Dalam rangkaian ini diketahui bahwa :

► arus i sefase dengan tegangan V_R

► arus i mendahului 90⁰ terhadap tegangan V_C

                   _{Kurva  Seri VR , VC thd  I                         Diagram Fasor}

   

Impedansi  Z  = V / I

Faktor Daya  (Cos θ ) = R/Z  =VR/V