Modul 3 - RangkaianRC, RL Dan RLC [PDF]

Citation preview

1st edition: Thursday, 14 April 2016



2016



Modul Praktikum Fisika Dasar 2 Modul 3: Rangkaian RC, RL dan RLC



Penyusun: I GDE EKA DIRGAYUSSA RIZAL H.M. SINAGA RIKARDO SIMANJUNTAK



Laboratorium Fisika Dasar INSTITUT TEKNOLOGI DEL Gedung Bioteknologi: GD 811, Jl Sisingamangaraja, Tobasamosir -22381, Sumatera Utara telp +62632331234, fax +626323311116, www.del.ac.id



Modul 3 Rangkaian RC, RL dan RLC



Tugas Pendahuluan 1. Jika suatu inductor dan resistor disusun seperti pada gambar berikut ini, turunkan bagaimana persamaan arus sebagai fungsi waktu pada rangkaian tersebut dan gambarkan grafiknya.



2. Jelaskan bagaimana prilaku karakteristik dari suatu inductor ketika merespon adanya perubahaan arus listrik? 3. Perhatikan gambar rangkaian berikut.



𝜀 = 100𝑉 𝑅1 = 10𝛺 𝑅2 = 40𝛺 𝑅3 = 20𝛺 𝐿 =5𝐻 Segera setelah saklar di ON, tentukan: a). 𝑖1 b). 𝑖2



2



Pendahuluan Kalian telah mempelajari perilaku kapasitor dan induktor di arus searah (DC) rangkaian sederhana. Pada rangkaian yang dialiri arus bolak-balik (AC), elemen-elemen ini memiliki sifat seperti resistor yaitu untuk membatasi arus. Istilah yang digunakan karena komponen-komponen ini menghambat arus listrik dalam rangkaian AC disebut reaktansi. Istilah umum sifat meghambat arus listrik dan reaktansi (baik kapasitif dan induktif) pada suatu rangkaian adalah impedansi. Nilai reaktansi untuk kapasitor atau induktor bervariasi dan bergantung dari frekuensi pada rangkaian. Kapasitor menyimpan energi dalam medan listrik. Ketika terisi penuh, kapasitor tidak akan membiarkan aliran arus di rangakaian DC. Namun, di rangkaian AC, dengan meningkatnya frekuensi listrik, hambatan arus listrik menjadi berkurang. Induktor menyimpan energi dalam bentuk medan magnet. Pada rangkaian DC, suatu induktor ideal tidak memiliki nilai resistansi, tapi di rangkaian AC, nilai resistansinya akan meningkat seiring dengan meningkatnya nilai frekuensi. Dalam percobaan ini, Kalian akan mengkaji perilaku rangkaian AC mengandung kapasitor (C), rangkaian AC mengandung resistor dan induktor (RL), dan rangkaian AC yang memiliki ketiga komponen tersebut (RLC).



Tujuan Dalam percobaan ini , Kalian akan : 1. 2. 3. 4.



Pelajari apa yang dimaksud dengan reaktansi kapasitif , reaktansi induktif , dan impedansi. Menentukan hubungan antara reaktansi dan frekuensi untuk sebuah kapasitor. Menentukan hubungan antara impedansi dan frekuensi rangkaian RL. Menentukan frekuensi resonansi dari rangkaian RLC.



Persiapan 



Pelajari keseluruhan petunjuk praktikum untuk modul ini.







Kerjakan tugas pendahuluan yang telah diberikan. Setiap anggota kelompok harus mengerjakan tugas pendahuluan dan dikumpulkan sesaat sebelum memulai praktikum.







Buatlah rancangan tabel pengamatan agar dapat digunakan untuk menuliskan data praktikum. Tabel pengamatan harus dibuat sebelum memulai praktikum. Setiap praktikan harus membuat masing-masing tabel pengamatan. Diakhir praktikum, tabel tersebut harus di tandatangani oleh asisten praktikum. Setiap kelompok harus menyerahkan satu copy tabel pengamatan kepada asisten untuk disimpan.







Pada masing-masing laptop telah di install Logger Pro.3.9 dan software Vernier Power amplifier yang dapat di download di http://www.vernier.com/downloads/pamp-function-generator/



3



Alat dan Bahan No. 1. 2. 3. 4. 5.



Alat dan Bahan Laptop Software Logger Pro 3.9 Vernier LabQuest Mini Vernier power amp software Vernier Circuit Board -



Jumlah 3 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah



Gambar/Keterangan 3 laptop/kelompok Sudah terinstall di Laptop Sudah terinstall di Laptop



Cabel capit buaya 7 buah Lampu 1 buah



6.



Sensor arus (Current Probe)



1 buah



7.



Sensor tegangan (Voltabe Probe



1 buah



8



Induktor 5 mH Resistansi 2,4 ohm



1 buah



8



Power amplifier



1 buah



4



Langkah Percobaan BAGIAN I: RANGKAIAN RC (RESISTOR – CAPACITOR) 1. Rangkai vernier circuit board secara seri dengan kapasitor sebesar 10 F dan sensor arus (current probe) seperti yang ditunjukkan gambar 2 dan 3 dibawah ini. Pasang sensor tegangan (Voltage Probe) secara pararel dengan kapasitor. Hal ini dilakukan karena kita akan mengukur beda potensial pada ujung-ujung kaki kapasitor.



Gambar 2 Gambar 3 2. Setelah rangkaian selesai, mintalah bantuan asisten Lab atau Laboran untuk memeriksa rangkaian yang telah dibuat sebelum melakukan langkah percobaan selanjutnya. 3. Hubungkan kabel stereo mini pada power amplifier ke Speaker Out port pada computer kalian. Atur volume suara computer menjadi maksimal. 4. Hubungkan kabel USB pada sensor tegangan (differential voltage) ke CH 1 dan sensor arus (current probe) ke CH 2. 5. Buka program komputer Vernier Power Amp. Atur tegangan sebesar 2.0 V, frekuensi awal 100 Hz. Untuk mengatur frekuensi, gunakan panah atas dan bawah, atau gunakan kotak parameter untuk memasukkan nilai yang diinginkan. Jendela Vernier Power Amp ditunjukkan pada gambar dibawah ini.



6. Hubungkan kabel listrik power amplifier ke tegangan PLN. Klik tombol on “1” (lampu pada power amplifier akan berwarna kuning).



5



7. Buka software Logger Pro 3.9, Klik icon



Ubah durasi pengumpulan data menjadi 0.02 sekond dan laju pengumpulan data menjadi 10000 sampels/second.



8. Atur saklar SW1 menuju arah tulisan External. Klik Collect pada Logger Pro 3.9, lakukan pengambilan data. Setetelah selesai, klik. Ketika pengumpulan data telah selesai, cari nilai maksimum dan mnimum dari arus dan tegangan dari grafik yang dihasilkan melalui menu Analyze  Statistics. Catat nilai masing-masing nilai ini dalam tabel pengamatan. Agar memudahkan, buat tabel ini di file excel saat melakukan pengumpulan data. Tabel 1. Nilai pengukuran arus dan tegangan pada rangkaian RC. Gelombang : Sinusoidal Vpp : 2 volt I (A) V(volt) f (Hz) No Min Max Min Max 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.



6



9. Lanjutkan mengumpulkan data dengan cara ini sampai Kalian memiliki nilai potensial dan arus untuk 10 frekuensi ( Catatan: nilai maksimum frekuensi yang diperbolehkan adalah 1000 Hz).



BAGIAN I: ANALISIS HASIL PERCOBAAN RANGKAIAN RC PETUNJUK: PROSES ANALISIS DATA HASIL PERCOBAAN BAGIAN I LANGSUNG DIKERJAKAN DI LAB. TUGASKAN SATU ORANG ANGGOTA KELOMPOK UNTUK MENYELESAIKAN ANALISIS INI. Berikut ini adalah analisis yang harus dilakukan berdasarkan data hasil percobaan pada bagian 1. Langsung lakukan pengolahan data dan jawablah pertanyaan berikut ini. 1. Berdasarkan percobaan yang telah kalian lakukan, nilai maksimum potensial untuk setiap nilai frekuensi hampir sama. Bagimana hubungan antara nilai frekuensi dengan nilai arus maksimum? Buatlah suatu grafik untuk menjelaskan hubungan anatara variable ini dan jelaskan apa yang dapat kalian simpulkan dari gafik tersebut? 2. Untuk masing-masing nilai frekuensi, tentukan reaktansi kapasitif (Xc) dari kapasitor dengan cara membagi nilai maksimum tegangan dengan nilai maksimum arus. Berdasarkan yang kalian ketahui tentang hukum Ohm, apa satuan dari reaktansi kapasitif Xc? 3. Buka Logger Pro3.9, lepaskan sambung kabel USB dari Lab Quest mini ke laptop kalian. Pada tabel, masukkan secara manual nilai yang didapat dari tabel hasil percobaan bagian 1 untuk mendapatkan grafik reaktansi kapasitif vs frekuensi. Gunakan 1/s sebagai satuan untuk frekuensi. Berdasarkan grafik tersebut, tulis sebuah pernyataan yang menggambarkan hubungan antara reaktansi kapasitif dan frekuensi. 4. Jika grafik reaktansi kapasitif vs frekuensi yang kalian hasilkan tidak linear, coba modifikasi kolom pada tebel tersebut sehingga dapat menghasilkan grafik linear. Ketika Kalian sudah melakukannya, simpan file untuk grafik asli dan juga grafik yang telah kalian linearisasi. 5. Tuliskan persamaan garis yang paling sesuai dengan grafik linierisasi Kalian. Periksa satuan kemiringan garis tersebut.



7



6. Dari textbook, rumus reaktansi kapasitif adalah:



X c  1 2 f  C  Atur ulang persamaan ini sehingga memiliki bentuk yang sama dengan grafik yang kalian dapatkan pada Langkah ke-5. Bandingkan kemiringan (nilai dan satuan) dari persamaan grafik linier terhadap nilai konstanta proporsionalitas dalam persamaan reaktansi induktif. Dari satuan frekuensi (𝑓) dan kapasitansi kapasitor (𝐶), tunjukkan bahwa satuan reaktansi kapasitif adalah ohm. 7. Banyak kapasitor memiliki toleransi 10%. Ini berarti bahwa kapasitansi mereka hanya dijamin berada dalam 10% dari nilai yang tertulis pada kapasitor. Coba analisa bagaimana spesifikasi kapasitor yang kalian gunakan?



BAGIAN II: RANGKAIAN RL (RESISTOR – INDUKTOR) 1. Buatlah rangkaian dengan menggunakan resistor 10-ohm yang dipasang secara seri dengan sensor arus (current probe) dan satu buah induktor 5 mH seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini.



induktor



2. Hubungkan sensor arus dan sensor tegangan ke Lab Quest Mini, kemudian buka Logger Pro 3.9. Klik icon Ubah durasi pengumpulan data menjadi 0.02 sekon dan laju pengumpulan data menjadi 10000 sampels/second.



8



3. Buka program power amplifier dengan mengetikkan di start menu Vernier Power amp, maka akan muncul jendela sebagai berikut. Atur frekuensinya menjadi 100 Hz dan amplitude dari tegangan (Voltage) sebesar 2.0 volts.



4. Kemudian atur posisi saklar pada SW1 ke arah External, Klik “1” pada power amplifier (lampu pada power amplifier akan berwarna kuning) dan klik Collect pada Logger Pro 3.9. Ketika pengumpulan data telah selesai, cari nilai maksimum dan mnimum dari arus dan tegangan dari grafik yang dihasilkan melalui menu Analyze  Statistics. Catat nilai masing-masing nilai ini dalam tabel pengamatan. 5. Lanjutkan untuk mengambil data pada langkah 5, catat masing-masing nilai maksimum dan minimum dari arus dan tegangan sampai didapat 10 nilai frekuensi pada rentang 100 Hz sampai 1000 Hz. BAGIAN iI: ANALISIS HASIL PERCOBAAN RANGKAIAN Rl PETUNJUK: PROSES ANALISIS DATA HASIL PERCOBAAN BAGIAN I LANGSUNG DIKERJAKAN DI LAB. TUGASKAN SATU ORANG ANGGOTA KELOMPOK UNTUK MENYELESAIKAN ANALISIS INI.



Berikut ini adalah analisis yang harus dilakukan berdasarkan data hasil percobaan pada bagian 1. Langsung lakukan pengolahan data dan jawablah pertanyaan berikut ini. 1. Berdasarkan percobaan yang telah kalian lakukan, nilai maksimum potensial untuk setiap nilai frekuensi hampir sama. Bagimana hubungan antara nilai frekuensi dengan nilai arus maksimum? Buatlah suatu grafik untuk menjelaskan hubungan anatara variable ini dan jelaskan apa yang dapat kalian simpulkan dari gafik tersebut? 2. Impedansi adalah istilah umum yang digunakan untuk menghambat arus listrik karena resistansi dan reaktansi komponen listrik pada rangkaian. Pada langkah ini, Kalian akan menentukan bagaimana hubungan antara nilai impedansi terhadap perubahan nilai frekuensi. Untuk setiap nilai frekuensi, tentukan nilai dan satuan dari impedansi pada rangkaian listrik dengan cara membagi nilai maksimum tegangan dengan nilai maksimum arus. 3. Buka Logger Pro3.9, lepaskan sambung kabel USB dari Lab Quest mini ke laptop kalian. Pada tabel, masukkan secara manual nilai yang didapat dari tabel hasil percobaan bagian 1 untuk mendapatkan grafik impedansi vs frekuensi. Gunakan 1/s sebagai satuan untuk frekuensi. 4. Perhatikan grafik yang kalian dapatkan, hubungan antara impedansi dan frekuensi mungkin tampak linear. Pemeriksaan lebih lanjut menunjukkan bahwa hal ini tidak terjadi (tidak linier). Daripada melakukan pencocokan kurva pada data, ambil langkah-langkah untuk mengubah salah satu variabel sehingga menghasilkan grafik lebih linier. Kalian mungkin merasa perlu untuk



9



memodifikasi variabel pada kedua sumbu untuk mencapai tujuan ini. Setelah didapatkan grafik linear, cari persamaan garis untuk grafik tersebut dengan cara “fitting”. 5. Kaitkan nilai grafik yang berpotongan dengan sumbu y terhadap nilai resistansi dari rangkaian. Pastikan untuk menyertakan nilai resistansi dari induktor. 6. Persamaan Reaktansi induktif dari textbook adalah : X i  2 f L , Hubungkan persamaan ini ke persamaan garis yang telah Kalian buat pada langkah 5. Apakah kemiringan dari persamaan garis tersebut ada kaitannya dengan induktor yang kalian gunakan dalam percobaan ini?



BAGIAN I: RANGKAIAN RLC 1. Susunlah rangkaian seperti skema yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Rangkaian tersebut adalah rangkaian RLC yang terdiri dari, inductor (L) kapasitor (C), sensor arus, dan lampu kecil yang berfungsi sebagai resistor.



Sensor arus Lampu



2. Periksa dengan baik rangkaian yang telah dibuat. Mintalah asisten atau Laboran untuk memeriksa kembali rangkaian yang telah kalian buat, apakah sesuai dengan skema rangkaian atau tidak. 3. Hubungkan sensor arus dan sensor tegangan ke Lab Quest Mini, kemudian buka Logger Pro 3.9. Klik icon Ubah durasi pengumpulan data menjadi 0.02 sekon dan laju pengumpulan data menjadi 10000 sampels/second.



10



4. Buka program vernier power amplifier dengan mengetikkan di start menu Vernier Power amp, maka akan muncul jendela sebagai berikut. Atur frekuensinya menjadi 100 Hz dan amplitude dari tegangan (Voltage) sebesar 5.0 volts.



5. Kemudian atur posisi saklar pada SW1 External dan klik Collect pada Logger Pro 3.9. Ketika pengumpulan data telah selesai, cari nilai maksimum dan minimum dari arus dan tegangan dari grafik yang dihasilkan melalui menu Analyze  Statistics. Catat nilai masing-masing nilai ini dalam tabel pengamatan.



11



Tabel 1. Nilai pengukuran arus dan tegangan pada rangkaian RC. Gelombang: Sinusoidal Vpp ; 5 volt



No



f (Hz)



I (A) Min



V(volt) Max



Min



Max



1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.



100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000



6. Lanjutkan pengambilan sampai didapat 10 data. Catat masing-masing nilai maksimum dan minimum dari arus dan tegangan. Maksimum frekuensi yang digunakan sebesar 1300 Hz. 7. Lepaskan kabel USB Lab Quest mini dari computer, kemudian pilih New dari File menu. Pada tabel tersebut masukkan secara manual nilai arus dan tegangan yang didapat. Periksa grafik yang dihasilkan dan tentukan frekuensi pada arus maksimum. 8. Atur frekuensi secara perlahan-lahan sehingga software Vernier power amp untuk meng-kontrol power amplifier. Ubah-ubah frekuensinya dan perhatikan nyala lampu. Fokuskan investigasi kalian pada daerah dimana arusnya paling besar. Temukan pada frekuensi berapa yang menyebabkan lampu menyala paling terang. Saat nyala lampu paling terang, maka frekuensi tersebut yang disebut sebagai frekuensi resonansi. 9. Saat frekuensi resonansi pada rangkaian tersebut telah ditemukan, masukkan inti besi ke dalam lilitan inductor. Amati apa yang terjadi dengan nyala lampu? Kembali atur nilai frekuensi sehingga didapat nilai frekuensi resonansi yang baru. Catat hasil tersebut dalam tabel pengamatan.



12



ANALISIS BAGIAN III: RANGKAIAN RLC



PETUNJUK: UNTUK PROSES ANALISIS DATA HASIL PERCOBAAN BAGIAN III, JIKA WAKTU MASIH MEMUNGKINKAN MAKA ANALISIS LANGSUNG DIKERJAKAN DI LAB. TUGASKAN ANGGOTA KELOMPOK UNTUK MENYELESAIKAN ANALISIS INI. JIKA WAKTU TIDAK MEMUNGKINKAN, ANALISIS DILAKUKAN SAAT MEMBUAT LAPORAN AKHIR. Berikut ini adalah analisis yang harus dilakukan berdasarkan data hasil percobaan pada bagian III. Langsung lakukan pengolahan data dan jawablah pertanyaan berikut ini. 1. Sebuah rangkaian RLC dapat di analogikan seperti kombinasi pegas dan massa yang berosolasi teredam, bergerak di gerak harmonik sederhana. Seperti kombinasi massa pada pegas, sistem memiliki frekuensi resonansi di mana ia menyerap energi luar. Dalam percobaan ini, Kalian telah menemukan frekuensi resonansi ini untuk rangkaian RLC, yaitu saat nyala lampu paling terang. Resonansi terjadi ketika impedansi dari rangkaian tersebut adalah minimum. Untuk rangkaian RLC, impedansi didefinisikan sebagai



Z  R 2  ( X i2  X c2 ) . Nilai impedansi mencapai minimum ketika reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif adalah sama. Gunakan persamaan reaktansi kapasitif dan induktif untuk menghitung frekuensi resonansi pada rangkaian RLC. 2. Dengan melihat nilai yang tertulis pada kapasitor dan induktor yang digunakan, hitunglah frekuensi resonansi yang diharapkan pada percobaan. 3. Dapatkah kalian menghitung nilai frekuensi resonansi tersebut? Menurut kalian, faktor-faktor apa saja yang bisa menyebabkan adanya perbedaan nilai hasil perhitungan dengan nilai hasil eksperimen? 4. Dapatkah kalian menjelaskan perubahan kecerahan lampu ketika sebatang inti logam dimasukkan ke dalam kumparan induktor? Mengapa demikian?



--- End of paper --



13