Materi Listrik arus bolak-balik

Pengertian Arus  bolak balik

Arus bolak balik adalah arus listrik yang berbalik arah dengan frekuensi tetep sehingga disebut arus AC (Alternating Current). Pada listrik arus bolak balik, GGl serta arusnya mempunyai lebih dari satu arah atau arahnya berubah sebagai fungsi waktu. Sumber Arus  bolak balik adalah generator Arus  bolak balik. Generator Arus  bolak balik terdiri atas sebuah kumpuran persigi yang diputar dlam medan magnet.

Arus bolak balik dibedakan antara Arus bolak balik yang mempunyai fungsi atau pola grafik sinusoida dan Arus bolak balik yang non sinusoida seperti pada gambar :

  Sumber arus bolak balik adalah generator arus bolak alik, generator arus bolak balik terdiri atas sebuah kumparan persegi yang diputar dalam medan magnet. Gaya gerak listrik (GGL) yang dihasilkan oleh generator arus bolak balik berubah secara periodic menurut fungsi sinus atau cosinus. GGL sinusoida ini dihasilkan oleh sebuah kumparan yang berputar dengan laju sudut tetap.tegangan yang dihasilkan berupa tegangan sinusoida dengan persamaan sebagai berikut:

Ԑ = NBA ω sin ωt

Atau

Ԑ = Ԑ_m sin ωt

Dengan :

Ԑ_m = NBA ω = gaya gerak listrik maksimum

N = Jumlah lilitan kumparan

A = luas kumparan

B = besarnya induksi magnetic

ω = frekuensi sudut putaran kumparan

 Beban listrik dalam rangkaian Arus bolak balik dapat berupa resistor (R), kapasitor (C) dan indictor (L).

Pada Arus AC diukur dengan amperemeter AC, besaran yang terukur merupakan nilai rms (root mean square) atau nilai afektif dari arus,untuk melihat bentuk arus.untuk melihat bentuk arus sinusoidal yang dihasilkan oleh sumber bolak balik, dapat digunakan osiloskop. Monitor sebuah osiloskop terbagi-bagi menjadi baris-baris dan kolom-kolom sehingga membentuk sebuah kotak seperti pada gambar :

Dari gambar diatas sumbu vertikal menunjukkan nilai tegangan atau arus yang dihasilkan oleh sumber bolak balik dan sumbu horizontal menunjukkan waktu.

 B.       Harga Efektif (Root-mean-square) dan Harga Rata-Rata (average)

Pada listrik arus bolak ballik besarnya GGL (Ԑ), beda potensial (V) dan arus (I) selalu berubah sebagai fungsi wkatu. Untuk itu perlu suatu besaran yang bersifat tetap, tidak digunakan harga efektif dan harga rata-rata, baik untuk GGl, beda potensial maupun arus.

Alat ukur amperemeter AC dan volt meter AC dapat mengukur nilai efektif  dari arus dan tegangan bolak balik.nilai efektif arus dan tegangan bolak balik adalah kuat arus dan tegangan yang dianggap setara dengan arus dan tegangan searah yang menghasilkan jumlah energy yang sama ketika melalu suatu pengantar dalam waktu yang sama. Besarnya arus efektifyang mengalir pada sebuah rangakain seperti pada gambar Dibawah dapat dihitung  dengan cara sebagai berikut.

 

   1.   Harga Efektif (root-mean-square, rms)

Harga efektif arus(I_ef = I_rms) dari arus listrik bolak balik didefenisikan setara dengan besarnya arus rata-rata yang pada besar hambatan dan selang waktu yang sama,menghasilkan kerja listrik yang sama besar.

Untuk arus rata,jika arus sebesar I mengallir pada hambatan R selam selang waktu t akan menghasilkan kerja listrik sebesar:

W = R  I² t

Untuk arus rata, I = I_ef

W= R  I²_ef t

Kerja yang dihasilkan oleh arus bolak balik pada hambatan R dalam selang waktu t adalah:

 W=  i²   dt

Dalam waktu setengah periode, energy yang dihasilkan oleh arus efektif adalah

W_ef   = I²_ef  R   T

Untuk selang waktu satu periode, harga efektif listrik arus bolak balik

I_ef = ² dt

Harga efektif untuk GGL dan arus adalah

Ԑ_ef = _p

Dan

I_{ef  p}

Biasanya tanda atau keterangan efektif tidak dituliskan.itu berarti yang dimaksud adalah harga efektifnya. Pada umumnya alat-alat ukur listrik bolak balik dikalibrasi untuk harga efektif untuk tegangan sinusoida.

2.      Harga rata-rata (average-value)

Harga rata-rata arus dari listrik arus bolak balik didefenisikan setara dengan besarnya arus rata yang dalam selang waktu sama memindahkan sejumlah muatan yang sama besarnya.Jika arus rata dengan selang waktu memindahkan sejumlah muatan, q = I t. Listrik arus rata, arus yang mengalir tetap besarnya, berarti arus rata-rata dan arus sesaat sama besarnya, atau

I = Ī

q= I t = Ī t

Jumlah muatan yang dipindahkan oleh arus bolak balik dalam selang waktu t adalah

 

 Untuk selang waktu satu periode harga rata-rata bagi arus GGL dan tegangan adalah

 Untuk arus bolak balik yang mempunyai pola grafik simetrikm, artinya bagian positif dan negative sama besar, maka dalam selang waktu t harga rata-ratanya nol. Dalm hal demikian, harga rata-rata diambil untuk selang waktu setengah periode.

C.      Fungsi eksponensial dan Impedansi Kompleks

1.      Fungsi eksponensial kompleks

Pada suatu rangkaian bolak-balik yang terdiri dari sebuah resistor yang seri dengan sebuah kapasitor seperti pada gambar berikut

 

                      Salah satu cara untuk memecahka persamaan diatas adalah dengan menggunakan fungsi eksponensial kompleks untuk menyatakan suatau fasor. l Suatu bilangan kompleks dapat dinyatakan sebagai  z = x + jy dimana j = yang merupakan bilangan khaya (imajener), x disebut bagian nyata (real) dari, dan ditulis : x = Ri . Besaran y disebut bagian khayal dan ditulis y = I_m  .

Suatu fasor  z = x + j y dapat dinyatakan secara mengutup (polar) dengan menggunakan fungsi eksponensial kompleks:

  z =  e ^jɸ

2.      Fungsi impedansi kompleks

Kembali kepersamaan (1.2)

V_p  cos  ( ωt +ɸ )= I (t) R +

Dengan

V_s (t) = Vp cos (ωt +ɸ_os) dan I (t) = I_p cos ( ωt +ɸ_oi) dimana V_s (t) = V_p e^{j (ωt + ɸos)} 

Impeansi kompleks untuk reaktansi kapasitif yaiu:

   

D.      Rangkaian RLC

Rangkaian penting dalam rangkaina arus bolak balik ialah rangkaian RLC seri dan parallel.

1.      Resonansi RLC-Seri

Sebuah rangkaian yang terdiri atas hambatan, induktansi, dan kapasitor yang terhubung secara seri dan dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan yang berubah terhadap waktu v_s (t) seperti pada gambar.kita mulai dengan menganalisis arus yang mengalir pada rangkaian.

 Pada rangkain RLC seri adalah rangkain yang terdiri atashambatan inductor dan kapasitor yang disusun secara seri seperti pada gambar 5 kemudian rangkaian tersebut dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik. Andaikan arus sesaatnya  I = i_m  sin ωt diperoleh :

Dari gambar diatas diperoleh:

tan

jika dibuat grafik tegangan total dan arus pada sebuah grafik,akan didapatkan grafik sebagai berikut :

Beda fase antara tegangan total (V_ab) terhadap arus adalah  dengan 0 <  < 90⁰ (tegangan mendahului arus)

2.       Impedensi rangkaian RLC seri

Hambatan total karena pengaruh resistor R, inductor X_L, dan kapasitor X_C dalam rangkaian arus bolak balik dapat diganti dengan sebuah hambatan pengganti yang disebut impedansi (Z) sehingga akan berlaku hubungan

V = V = I Z

Nah, bagaimanakah cara mengetahui frekuensi resonansi dari sebuah rangkaian ? dengan mengubah-ubah frekuensi yang dihasilkan oleh sebuah generator, anda dapat menetukan frekuensi resonansi dari rangkaian dengan cara frekuensi  generator diubah-ubah mulai dari nilai terkecil, kemudian secara perlahan-lahan dinaikkan sambil mengamati arusyang terbaca pada amperemeter.

 Arus akan membesar  dan akhirnya akan mengecil. Pada arus mencapai nilai maksimum, frekuensi pada rangkaian itu merupakan frekuensi resonansi.

Banyak peralatan elektronik memerlukan rangkaian resonans. Diruang sekitar anda,merambat berbagai gelombang radio dan gelombang televise dengan berbagai macam frekuensi. Agar pesawat radio atau televise dapat menerima satu macam frekuensi, dibutuhkan sebuah rangkaian resonansi yang frekuensi resonansinya dapat diubah-ubah.

 Rangkaian semacam ini disebut rangkaian penala. Pengubahan freuensi resonansi biasanya dilakukan dengan menggunakan kapasitor yang kapasitasnya dapat diubah-ubah, disebut kapsitor variable.

      E.     Daya Dalam Rangkaian Ac

Jika sebuah induktor dialiri arus listrik bolak balik, pada inductor akan timbul medan magnetic. Untuk menimbulkan medan magnetik ini dibutuhkan energi yang kemudian akan tersimpang didalam medan magnetic. Jika arus listriknya dihentikan, medan magnetic akan hilang.

Bersamaan dengan itu, energy yang tersimpandidalam medan magnetik pun akan berubah kembali menjadi energy listrik. Oleh karena inductor dialiri arus bolak balik, akan terjadi perubahan energy berulang ulang secara periodic dari energy listrik ke medan magnetikdan sebaliknya dari medan magnetic ke energy listrik.

Peristiwa yang sama dapat terjadi pada kapasitor. Ketika kasitor dihubungkan dengan tegangan listrik,di dalam kapasitor timbul medan listrik. Untuk menimbulkan medan listrik ini dibutuhkan energy yang bersal dari tegangan listrik. Jika tegangan listriknya diputuskan, medan listrik di dalam kapasitor juga akan menghilang dan energy yang tersimpan didalamnya akan kembali ke rangkaian dalam bentuk arus listrik sesaat. Oleh karena kapasitor dihubungkan dengan tegangan bolak balik, akan terjadi terjadi peristiwa perubahan energy secara periode.

Jadi inductor murni dan kapasitor murni yang ada didalam rangkaian arus bolak balik tidak menghabiskan energy listrik karena yang sebenarnya terjadi adalah perubahan secara berulang energy listrik dari rangkaian kemedan magnet atau medan listrik.