Laporan Pendahuluan RLC [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perkembangan teknologi yang semakin pesat saat ini dalam berbagai bidang membuat banyak alat canggih diciptakan untuk memudahkan dalam kehidupan sehari-hari termasuk bidang fisika. Dalam kehidupan sehari-hari tidak dapat kita pungkiri bahwa kita sudah hidup berdampingan dengan listrik, hampir semua alat yang kita gunakan dirumah berhubungan dengan listrik. Tanpa kita sadari banyak komponen alat-alat listrik yang harus dipasang sebelum menjadikannya penyuplai energi ataupun sebagai pembawa arus. Seperti halnya listrik PLN yang menggunakan tegangan bolak balik berbentuk gelombang sinusoida. Rangkaian RLC ini merupakan rangkaian yang terdiri dari resistor, induktor, dan kapasitor, dihubungkan secara seri atau paralel. Resonansi adalah proses bergetarnya suatu benda ketika ada pengaruh getaran benda lain, hal ini terjadi karena kedua benda tersebut memiliki frekuensi yang sama. Resonansi RLC merupakan suatu gejala yang terjadi pada rangkaian arus AC yang terdiri dari resistor (𝑅), induktor (𝐿) dan kapasitor (𝐶). Rangkaian RLC ini yang terpenting adalah untuk tuning, seperti di penerima radio atau televisi, di mana digunakan untuk memilih rentang frekuensi yang sempit dari gelombang radio ambien. Rangkaian RLC juga sering kita sebut sebagai rangkaian yang disetel, karena rangkaian ini juga bisa digunakan sebagai band-pass filter atau band-stop filter dan tuning aplikasi. Berdasarkan uraian diatas dilakukan percobaan rangkaian sri RLC dengan tujuan mempelajari sifat tegangan bolak-balik pada rangkaian seri hambatan (R), kumparan (L), dan kapasitas (C). Oleh karena itu percobaan ini penting untuk dilakukan agar dapat diterapkan dalam aplikasi kehidupan sehari-hari. 1.2 Rumusan Masalah Bagaimana pengaruh besar kecilnya sifat – sifat dari tegangan bolak -balik pada rangkaian seri hambatan (R), kumparan (L), dan kapasitas (C) ?



1



1.3 Tujuan Mempelajari sifat tegangan bolak–balik pada rangkaian seri hambatan (R), kumparan (L), dan kapasitas (C). 1.4 Hipotesis Frekuensi merupakan faktor penentu besar kecilnya tegangan bolak balik pada rangkaian seri hambatan (R), kumparan (L), dan kapasitas (C). 1.5 Definisi Istilah a.



Arus Bolak-Balik (AC – Alternating Current) adalah arus yang arahnya dalam rangkaian berubah-ubah (sinusoidal) dalam selang waktu yang teratur. 



b.



Hambatan listrik adalah perbandingan antara tegangan listrik dari suatu komponen



elektronik



(misalnya resistor)



dengan arus



listrik yang



melewatinya. c.



Induktor adalah sebuah komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan energi listrik pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya.



d.



Kapasitor adalah perangkat komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik dan terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan penyekat dielektrik pada tiap konduktor.



e.



Rangkaian seri RLC adalah rangkaian resistor, induktor dan juga kapasitor yang disusun secara seri atau berderet.



f.



Resonansi adalah suatu gejala yangterjadi pada suatu rangkaian bolakbalik yang mengandung elemen induktor dan kapasitor. 



g.



Solenoida adalah satu jenis kumparan terbuat dari kabel panjang yang dililitkan secara rapat dan dapat diasumsikan bahwa panjangnya jauh lebih besar daripada diameternya.



2



BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Rangkaian Seri RLC Banyak rangkaian ac yang digunakan dalam sistem elektronika praktis melibatkan hambatan (resistensi), reaktansi induktif, dan reaktansi kapasitif, sebuah contoh sederhana adalah sebuah rangkaian seri yang mengandung sebuah resistor, sebuah induktor, sebuah kapasitor, dan sebuah sumber ac, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 2.1. Rangkaian RLC seri dengan generator seperti pada gambar rangkaian di bawah ini:



Gambar 2.1 Rangkaian seri RLC Kita menggunakan simbol VR, VL, dan VC untuk tegangan sesaat yang melalui R, L, dan C, dan kita menggunakan simbol VR, VL, dan VC untuk tegangan maksimum. Telah diperlihatkan bahwa selisih potensial di antara terminal-terminal sebuah resistor adalah sefase dengan arus dalam resistor itu dan bahwa nilai maksimum VR yang di berikan persamaan



VR  IR



(2.1)



Tegangan yang melalui sebuah induktor mendahului arus sebanyak 900. Amplitudo tegangan diberikan oleh persamaan VL  IX L



(2.2)



Fasor VL dalam gambar 2.1.1 menyatakan tegangan yang melalui induktor dan proyeksinya pada sumber horizontal pada sebarang saat sama dengan Vc



VC  IX C



(2.3)



Menentukan impedansi total Z dari rangkaian, yang didefinisikan dari hubungan atau



3



(2.4)



Dengan menggunakan teorema Phytagoras (V0 merupakan hipotenusa dari suatu segitiga siku – siku) sehingga:



Berarti Z =



(2.5)



Sehingga kita dapat menuliskan kembali persamaan (2.4) sebagai



V  IZ (amplitudo tegangan yang melalui suatu rangkaian ac) (2.6) Persamaan (2.6) mempunyai sebuah bentuk yang sempurna dengan



V  IR dengan impendensi Z dalam sebuah rangkain ac yang memainkan peranan hambatan R dalam sebuah rangkaian ac. Akan tetapi, perhatikan bahwa impendensi itu sebelumnya adalah sebuah fungsi dari R, L,dan C, dan juga merupakan fungsi dari frekuensi sudut  . Z  R2   X L  X C 



2



 R 2    L  1/ C   (impedensi sebuah rangkaian seri R-L-C) 2



(2.7)



Maka untuk sebuah amplitudo V yang diberikan dari tegangan sumber yang diberikan pada rangkaian amplitudo I  V / Z dari arus yang dihasilkan akan berbeda pada frekuensi yang berbeda (Young, 2004: 441-443). 2.2 Arus dan Tegangan Bolak Balik Arus dan tegangan listrik bolak – balik adalah arus dan tegangan listrik yang berubah terhadap waktu atau merupakan fungsi waktu. Yang berubah adalah besar kuat arus dan tegangannya. Sebuah tegangan elektrik yang berubah dengan waktu menurut persamaan



   m sin t , (2.8)



4



  2 v , dengan v diukur di dalam hertz) adalah frekuensi sudut yang tetap. Simbol untuk sebuah tegangan gerak elektrik bolak-balik seperti yang dijelaskan oleh persamaan (8) adalah



sebuah alat seperti itu



dinamakan generator arus bolak balik atau geenrator ac (ac generator). Arus bolak balik adalah penting karena dua sebab: (a) dari segi praktis, maka teknologi modern yang cara kehidupan sehari-hari di dalam negaranegara yang teknologinya sudah maju, sungguh-sungguh akan sangat berbeda jika tegangan gerak elektrik seperti yang diberikan oleh persamaan (8), dan arus bolak balik yang bersesuaian dengan itu, tidak tersedia. Sistem distribusi daya, radio, televisi, sistem komunikasi satelit, sistem penghitung (komputer), dan lain-lain, akan sangat kurang efektif atau tak mungkin tanpa tegangan gerak elektrik bolak balik dan arus bolak balik yang dihasilkan. (b) dari segi teoritis, jika kita mengetahui respon (tanggapan) setiap rangkain RCL (tak peduli berapa banyak elemen atau simpal yang terlibat) terhadap tegangan elektrik, dari persamaan (8) maka kita dapat mencari respon, yakni arus yang dihasilkan, terhadap setiap tegangan gerak elektrik, tak peduli berapapun sukarnya bentuk gelombangnya (Halliday, 1984: 480). 2.3 Resonansi pada Rangkaian Seri RLC Resonansi adalah proses bergetarnya suatu benda ketika ada pengaruh getaran benda lain, hal ini terjadi karena kedua benda tersebut memiliki frekuensi yang sama. Resonansi RLC merupakan suatu gejala yang terjadi pada rangkaian arus AC yang terdiri dari resistor (𝑅), induktor (𝐿) dan kapasitor (𝐶). Resonansi dalam rangkaian seri yaitu resonansi seri, sedangkan resonansi dalam rangkaian paralel yaitu resonansi paralel (anti resonansi). Resonansi pada rangkaian RLC terjadi ketika reaktansi kapasitif ( 𝑋𝐶 ) sama dengan reaktansi induktif ( 𝑋𝐿 ) dan amplitudo tegangan 𝑉𝐿 = 𝐼𝑋𝐿 dan 𝑉𝐶 = 𝐼𝑋𝐶 adalah sama. Pada frekuensi resonansi RLC impedansi mencapai nilai minimumnya dan arus mencapai nilai maksimumnya (Mustalim, dkk, 2018: 54-55). Rangkaian resonansi digunakan dalam radio penerima, disini rangkaian resonansi diuah-ubah dengan mengubah kapasitasnya. Resonansi terjdi apabila frekuensi alami rangkaian yang sama dengan salah satu frekuensi 5



gelombang radio yang ditangkap antena. Pada saat resonansi, terdapat arus yang relatif besar dalam rangkaian antenanya. Jika faktor Q rangkaian cukup tinggi, arus yang disebabkan oleh frekuensi stasiun pemancar lain yang tidka beresonansi akan sangat kecil dan dapat diabaikan dibandingkan dengan arus akibat frekuensi stasiun dimana rangakain radio ditala (Tipler, 1991: 367368). Rangkaian seri RLC dikatakan berada dalam resonansi ketika arusnya mencapai nilai maksimum. Umunya, arus rms dapat ditulis sebagai I rms 



Vrms Z



(2.9)



Sementara raangkain Q rendah dapat mendeteksi pita frekuensi yang lebih lebar. Nilai-nilai Q yang lazim pada rangkaian listrik berkisar dari 10 sampai 100. Rangkaian penerima sinyal dalam sebuah radio adalah penerapan rangkaian resonansi yang penting. Ketika frekuensi resonansi dari rangkaian sama dengan frekuensi gelombang elektromagnetik yang datang, arus dalam sirkuit penerima akan meningkat. Sinyal yang ditimbulkan oleh gelombang yang datang ini kemudian diperkuat dan dikirimkan ke pengeras suara. Oleh karena biasanya banya sinyal yang ada dalam suatu kisaran frekuensi, maka kita perlu merancang rangkaian Q tinggi untuk mengeliminasi sinyal-sinyal yang tidak kita inginkan. Dengan cara ini, stasiun-stasiun radio yang frekuensinya dekat, tetapi tidak tepat sama dengan frekuensi resonasi mengirimkan sinyal yang sangat kecil kepada penerima, relatif terhadap sinyal yang tepat berada ferekuensi resonansi (Serwey, 2014: 663-664). 2.4 Impedansi Umum (R, L, C) st Tegangan penggerak berbentuk v  Vm e yang dipasok pada rangkaian



pasif akan menghasilkan arus cabang dan tagangan cabang pada elemenelemennya, masing-masing mempunyai ketergantungan terhadap waktu yang j st j st sama e st ; misalnya I a e e , dan Vb e e . Akibatnya, tinggal besarnya arus



dan tegangan serta sudut fasa yang perlu ditentukan (Edminister dan Nahvi 2006: 110).



6



Impedansi total (𝑍) pada rangkaian RLC seri bergantung pada frekuensi arus listrik yang dimasukkan. Reaktansi induktif berbanding lurus dengan frekuensi dan reaktansi kapasitif berbanding terbalik dengan frekuensi. Misalkan kita mempunyai rangkaian RLC seri dan dihubungkan dengan sumber tegangan 𝑉𝑆 (t) seperti pada gambar berikut:



Gambar 2.4 Rangkaian RLC Dimana Z adalah impedensi. Dengan mensubstitusikan pernyataan untuk Z dari persamaan, kita peroleh



I rms 



Vrms R   X L  XC  2



2



                                      2.10 



Berdasarkan nilai reaktansi induktif dengan nilai kapasitif terdapat tiga sifat rangkaian sebagai berikut : 1. Rangkaian bersifat induktif jika XL > XC sehingga  



1 maka LC



rangkaian akan bersifat seperti induktor, yaitu tegangan mendahului arus dengan beda sudut fase θ yang besarnya dinyatakan dengan tan  



X L  XC R



2. Rangkaian bersifat kapasitif jika XL < XC sehingga  



1 maka LC



rangkaian akan bersifat seperti kapasitor, yaitu tegangan ketinggalan



7



terhadap arus dengan beda sudut fase θ yang besarnya dinyatakan dengan tan  



X L  XC R



3. Rangkaian bersifat resistif jika 𝑋𝐿 = 𝑋𝐶 maka besarnya impedansi rangkaian sama dengan nilai hambatannya (Z = R) maka rangkaian akan terjadi resonansi f 



1  2



1 LC (Mustalim, dkk, 2018: 55).



8



BAB III METODOLOGI PERCOBAAN 3.1 Alat dan Bahan Nama Alat/ Bahan No.



Jumlah



1



Kumparan 1000 Lilitan



1



2



Hambatan Tetap 100 Ω



1



3



Kapasitor 1 μf



1



4



Papan Rangkaian



1



5



Jembatan Penghubung



1



6



Inti Besi 1



1



9



Gambar Alat



7



8



Kabel Penghubung



2



Merah



Kabel Penghubung



2



Hitam



9



Multimeter



1



10



Audio Generator



1



3.2 Langkah Percobaan 3.2.1 Persiapan Percobaan a. Peralatan atau komponen dipersiapkan sesuai dengan daftar alat dan bahan. b. Rangkaian dibuat seperti gambar diatas. 1. Saklar pada posisi terbuka (posisi 0). 2. Inti besi I dimasukkan dalam kumparan L. 3. Resistor (R), kumparan (L), dan kapasitor (C) disusun seri. 4. Sebuah multimeter sebagai voltmeter dengan batas ukur 10V AC. c. Audio generator dihubungkan ke sumber tegangan (alat masih dalam keadaan mati/off). 1. Skala tegangan dipilih 10 x 10 m Vp-p .



10



2. Bentuk gelombang dipilih (wave form) sinusoida. 3. frekuensi awal dipilih 100 Hz (10 x 10 Hz). d. Rangkaian dihubungkan ke audio generator (gunakan kabel penghubung). e. Rangkaian diperiksa kembali. 3.2.2 Langkah Percobaan a. Audio generator dihidupkan (on). b. Saklar S (posisi 1) ditutup, VR (tegangan hambatan R) dibaca pada voltmeter, hasilnya dicatat pada tabel hasil pengamatan. c. Saklar S (posisi 0) dibuka, kemudian voltmeter dipindah ketitik B dan D untuk mengukur tegangan kumparan L. d. Saklar S (posisi 1) ditutup, VL (tegangan pada kumparan L) dan hasilnya di catat dalam tabel hasil pengamatan. e. Saklar S dibuka (posisi 0) dan voltmeter dipindahkan ke titik D dan E untuk mengukur tegangan kapisitor C. f. Saklar S ditutup (posisi 1), VC (tegangan kapasitor C) dibaca dan hasilnya dicatat kedalam tabel hasil pengamatan. g. Saklar S (posisi 0) dibuka, voltmeter dipindahkan ke titik A dan E untuk mengukur tegangan rangkaian. h. Saklar S (posisi 1) ditiup, Vtot (tegangan seluruh rangkaian) dibaca dan hasilnya dicatat kedalam hasil pengamatan. i. Langkah b diulangi sampai dengan langkah h untuk frekuensi 500 dan 1000 Hz.



3.3 Gambar Percobaan



11



Gambar 3.3.1 Rangkaian percobaan seri RLC



12



BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Percobaan F (Hz)



Tegangan



Tegangan



Tegangan



Tegangan



Resistor



Kumparan



Kumparan



total



VR



VL



VC



Vtot



1V 1V 1V



0,2 V 0,3 V 0,4 V



3V 4V 5V



3V 4V 5V



100 500 1000



4.2 Analisis Data 4.2.1



Untuk Frekuensi 100 Hz a. Tegangan Resistor Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 10 VR  10V  1V 100 VR =



b. Tegangan Kumparan Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 2 VL  10V  0, 2V 100 VL =



c. Tegangan Kapasitor Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 6 VC   50V  3V 100 VC =



d.



Tegangan Total Berdasarkan Percobaan Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 6 Vtot   50V  3V 100 Vtot =



e. Tegangan Total Berdasarkan Percobaan



13



VR2   VL  VR 



2,9 V 3,8 V 4,7 V



2



Diketahui : VR  1 V VL = 0,2 V VC = 3 V Ditanya: Vtot  ...? Jawab: Vtot  VR2   VL  VC  Vtot  12   0, 2  3



2



2



Vtot  1  7,84 Vtot  8,84 Vtot  2,9 V 4.2.2



Untuk Frekuensi 500 Hz a. Tegangan Resistor Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 10 VR  10V  1V 100 VR =



b. Tegangan Kumparan Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 3 VL  10V  0,3V 100 VL =



c. Tegangan Kapasitor Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 8 VC   50V  4V 100 VC =



d. Tegangan Total Berdasarkan Percobaan Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 8 Vtot   50V  4V 100 Vtot =



e. Tegangan Total Berdasarkan Perhitungan



14



Diketahui : VR  1 V VL = 0,3 V VC = 4 V Ditanya: Vtot  ...? Jawab: Vtot  VR2   VL  VC  Vtot  12   0,3  4 



2



2



Vtot  1  13, 69 Vtot  14, 69 Vtot  3,8 V 4.2.3



Untuk Frekuensi 1000 Hz a. Teganan Resistor Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 10 VR  10V  1V 100 VR =



b. Teganan Kumparan Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 4 VL  10V  0, 4V 100 VL =



c. Tegangan Kapasitor Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 10 VC   50V  5V 100 VC =



d. Tegangan Total Berdasarkan Percobaan Skala yang ditunjuk  Batas ukur Skala maksimum 10 Vtot   50V  5V 100 Vtot =



e. Tegangan Total Berdasarkan Perhitungan Diketahui : VR  1 V



15



VL = 0,4 V VC = 5 V Ditanya: Vtot  ...? Jawab: Vtot  VR2   VL  VC  Vtot  12   0, 4  5  Vtot  1  21,16 Vtot  22,16 Vtot  4, 7 V



16



2



2



4.3 Pembahasan



17



18



19



20



4.4 Grafik



Grafik 4.4.1 Hubungan Frekuensi dan Tegangan Resistor



Grafik 4.4.2 Hubungan Frekuensi dan Tegangan Kumparan



Grafik 4.4.3 Hubungan Frekuensi dan Tegangan Kapasitor



21



BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Berdasarkan percobaan yang telah kami lakukan, dapat disimpulkan bahwa suatu tegangan bolak-balik mempunyai dua polaritas yang selalu berubah dari negatif ke positif dan sebaliknya, frekuensi merupakan faktor penentu besar kecilnya tegangan bolak balik pada rangkaian seri hambatan (R), kumparan (L), dan kapasitas (C). Apabila reaktansi induktor lebih besar dari reaktansi kapasitor XL> XC maka rangkaian bersifat induktif, apabila XL = XC maka rangkaian bersifat resistif dan apabila XL< XC maka rangkaian bersifat kapasitif. Nilai tegangan pada induktor dan nilai tegangan pada kapasitor dipengaruhi oleh frekuensi yang digunakan dan hasil yang diperoleh berbanding lurus, sementara VR (tegangan resistor) tidak terpengaruh oleh besar kecilnya frekuensi tersebut, dimana hasilnya konstan walaupun diberikan frekuensi yang berbeda. 5.2. Saran 1. Sebelum melakukan praktikum, praktikan harus mempelajari dan memahami dahulu materi yang akan dipraktikumkan, serta membaca dan memahami buku panduan yang berkaitan dengan praktikum yang akan dilakukan pada waktu itu. 2. Asisten dosen sebaiknya membimbing para praktikan yang belum terlalu fasih menggunakan alat tertentu agar pada saat melakukan percobaan, data yeng dihasilkan lebih akurat. 3. Praktikan harus lebih teliti dalam melakukan percobaan agar mengurangi terjadinya kesalahan sehingga hasil yang diperoleh lebih akurat.



22



DAFTAR PUSTAKA Jewett, Serway. 2009. Fisika untuk Sains Buku 2 Edisi 6. Jakarta: Salemba Teknika. Tipler, Paul. A. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik . Jakarta: Erlangga.



http://jurnalmahasiswa.unesa.ac.id/index.php/inovasi-fisikaindonesia/article/viewFile/24748/22661



23