Rangkaian Seri RLC Arus AC [PDF]

Citation preview

JURNAL ELEKTRONIKA DASAR II (2016) / NRP : 1114100089 (1-5)



1



Rangkaian Seri RLC Arus AC (E7) Rizqi Ahmad Fauzan, Bayu Prasetya, Endarko Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected] Abstract— The experiment about Series RLC Circuit in Alternating Current had been done. This experiment has several goals. Those are to analyze the signal`s output from AC source on the oscilloscope, to analyze the signal’s output from RC series, RL series, and RLC series circuits; and to determine the time constant on series RL circuit and series RC circuit. The methods used in this experiment are by monitoring the oscilloscope in order to analyze the signal`s output obtained from RL, RC and RLC circuit. This experiment use the frequencies variations, so the results which were obtained are in the form of maximum V (voltage) and minimum V. The variations of frequency is 10 Hz, 50 Hz, 100Hz, and 150 Hz. The results from this experiment is the output signal from AC source can be analyzed by oscilloscope, in the form of sinusoidal wave and box wave. Also, the output of signal from RL series, RC series, and RLC series is transiens symptom which form is square and sinusoidal. Keyword— AC, oscillosope, RLC, time constant, transient symptom.



I. PENDAHULUAN enggunaan rangkaian yang menggunakan kapasitor, induktor, dan kapasitor telah banyak sekali kita jumpai pada berbagai macam peralatan elektronik. Secara umum, rangkaian-rangkaian tersebut akan bekerja menggunakan arus AC ataupun arus DC dan bisa juga keduanya. Pada arus DC, nilai dari arusnya akan konstan sepanjang waktu, sedangkan pada arus AC nilai dari arusnya akan berubah seiring berjalannya waktu. Namun, efek dari perubahan nilai arus pada rangkaian arus AC tidak dapat kita ketahui indikasinya tanpa peralatan khusus. Keluaran dari segala proses yang terjadi pada rangkaian AC akan divisualisasikan oleh osiloskop. Setiap rangkaian yang memuat kapasitor dan induktor akan mengalami gejala transien yang juga dapat diamati nilai-nilai yang mempengaruhinya menggunakan osiloskop. [1] Arus DC (Direct Current) merupakan arus listrik yang mengalir ke satu arah saja. Arus DC mengalir dari kutub positif (potensial tinggi) ke kutub negatif (potensial rendah). Arus DC memiliki nilai arus dan tegangan yang konstan. Arus dan tegangan DC biasanya digunakan pada peralatan elektronika. Tegangan DC dapat dihasilkan dari sumber tertentu misalnya baterai, Accumulator (biasa disebut aki). Arus AC (Alternating Curent) adalah arus listrik yang mengalir bolak balik dimana arus dan tegangan yang besar dan arahnya berubah-ubah terhadap waktu secara periodik. Di Indonesia memiliki frekuensi sebesar 50 KHz sedangkan tegangan maksimumnya sebesar 220 Volt serta tegangan efektifnya sebesar 220 2 volt. [1] [2]



P



Secara umum ada tiga komponen utama pada suatu rangkaian. Komponen-komponen tersebut antara lain resistor, kapasitor, dan induktor. Kapasitor dan induktor merupakan komponen pasif elektronika. Kedua komponen ini merupakan komponen penyimpan, dan keduanya dapat disusun secara seri maupun paralel. [1] Rangkaian RL dan rangkaian RC merupakan konfigurasi rangkaian listrik dimana rangkaian hanya tersusun atas sumber, resistor, dan induktor atau kapasitor. Rangkaianrangkaian tersebut juga dikenal sebagai rangkaian orde pertama. Hal ini disebabkan karena tegangan dan arus yang mereka miliki dideskripsikan oleh persamaan diferensial orde pertama. Rangkaian RL adalah sebuah rangkaian yang terdiri dari resistor atau hambatan dan induktor, yang terhubung secara langsung terhadap sumber arus atau sumber tegangan. Rangkaian RC adalah suatu rangkaian seri yang tersusun oleh resistor atau penghambat / hambatan dan kapasitor yang terhubung oleh suatu sumber arus atau sumber tegangan. Disini kita memasukkan kapasitor sebagai sebuah elemen rangkaian yang akan menghantarkan kita ke konsep arusarus yang berubah terhadap waktu. Jika sebuah hambatan dimasukkan ke dalam rangkaian, maka pertambahan muatan dari kapasitor per satuan waktu akan menuju nilai kesetimbangannya. Resistor adalah komponen pasif yang digunakan untuk membatasi arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian. Satuan resistor adalah ohm (Ω) dan kemampuan resistor dalam membatasi atau menghambat arus dinamakan dengan resistansi. Resistor bekerja dengan dialiri arus listrik yang akan menyebabkan terjadinya disipasi daya berupa panas. Semakin besar ukuran resistor menunjukkan semakin besar kemampuan daya disipasinya. [3] Kapasitor adalah perangkat elektronika yang berfungsi menyimpan muatan listrik dan terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan penyekat (dielektrik) pada tiap konduktor atau yang disebut keping. Kapasitor memiliki sebutan lain yaitu kondensator yang merupakan komponen listrik yang dibuat sedemikian rupa sehingga mampu menyimpan muatan listrik. Banyaknya muatan yang tersimpan dalam suatu kapasitor disebut dengan kapasitansi. [3]



Pada arus AC, kapasitor berfungsi sebagai hambatan atau penolakan untuk ketidakstabilan arus yang lewat, dan penolakan ini disebut sebagai impedansi. Kapasitor yang digunakan dalam prakteknya menggunakan beraneka ragam geometri dan dielektrik untuk menyediakan jangkauan nilai kapasitansi yang bervariasi, mulai dari beberapa pikofarad sampai satu farad. Akan tetapi karena tidak sembarang kapasitor dapat menyimpan tenaga yang banyak, maka aka



JURNAL ELEKTRONIKA DASAR II (2016) / NRP : 1114100089 (1-5) nada suatu nilai tegangan maksimum yang mungkin terdapat pada terminal-terminal kapasitor. Jika melebihi nilai tegangan maksimum, maka akan menyebabkan kerusakan permanen pada kapasitor. [3][4] Induktor merupakan salah satu komponen pasif elektronika yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor dalam menyimpan energi dalam bentuk magnet diidentifikasikan oleh induktansinya dalam satuan Henry. Induktor terbuat dari sebuah kawat yang dibentuk menjadi kumparan. Lilitan ilnilah yang akan membuat medan magnet yang kuat di dalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Fungsi utama induktor dalam suatu rangkaian adalah untuk melawan fluktuasi arus yang melewatinya. [2] Gejala transien atau gejala peralihan adalah perubahan nilai tegangan atau arus maupun keduanya dalam jangka waktu yang sangat singkat (biasanya dalam mili ataupun mikro sekon) dari kondisi steady state-nya. Perubahan yang sangat cepat ini bagaimanapun juga tidak dapat terjadi secara seketika karena proses transien dicapai melalui pertukaran energi yang biasaya tersimpan dalam medan magnet dari induktansi dan atau medan listrik dari kapasitansi. Perubahan energi tidak dapat terjadi secara mendadak karena akan menghasilkan daya yang tidak terbatas, yang tidak mungkin terjadi dalam keadaan sesungguhnya.Pada rangkaian listrik, transien merupakan suatu karakteristik respon alami tegangan atau arus dari sistem yang terdiri dari komponen resistif (R), induktif (L), dan kapasitif (C). Rangkaian listrik dapat dikatakan berada dalam keadaan transien saat variabelvariabelnya berubah tidak secara periodik. Penyebab dari gejala transien ini antara lain bisa dari lingkungan atau faktor eksternal seperti petir, dan juga dapat disebabkan karena faktor internal pada sistem itu sendiri, misalnya pensaklaran yang mengubah parameter pada rangkaian. [1][2] Transien sudah lama dikenal dalam istilah kelistrikan sebagai suatu kejadian yang sebenarnya tidak diinginkan dan bersifat sangat cepat. Gejala transien tidak diinginkan sepenuhnya apabila transien meningkatkan nilai dari teganan dan arus pada sebagian atau seluruh sistem daya. Semua ini dapat menghasilkan distorsi peralatan, kenaikan suhu, dan atau kehancuran ataupun kerusakan dari seluruh sistem. Namun, gejala transien juga ada yang diinginkan yaitu pada keadaan transien yang bisa dikontrol dan diperlukan pada alat elektronik dengan prinsip pensaklaran. Selain itu, gejala transien ini juga merupakan suatu kejadian yang alami sehingga tidak dapat dicegah. [3] Tetapan waktu yang ada pada suatu rangkaian listrik adalah waktu yang dibutuhkan respon untuk meluruh menjadi faktor 1/e atau 36,8 persen dari nilai awalnya. Tetapan waktu adalah sebuah parameter penting pada rangkaian orde pertama, karena menyebutkan beberapa karakteristiknya menjadi lebih muda. Pertama, merupakan sebuah hal yang harus diperhatikan untuk memikirkan waktu setelah pensaklaran dalam bentuk integral lipat tiga dari r. Maka saat jangka waktu satu tetapan waktu setelah induktor mulai melepas energi yang disimpannya ke resistor, nilai arus telah berkurang hingga ke , atau kira-kira 0.37 dari nilai awalnya.[2]



2



Osiloskop adalah alat ukur besaran listrik yang dapat memetakan sinyal listrik. Kegunaan dari osiloskop adalah mengukur besar tegangan listrik dan hubungannya terhadap waktu, mengukur frekuensi sinyal yang berosilasi, mengecek jalannya suatu sinyal pada rangkaian listrik, membedakan arus AC dan arus DC. Osiloskop terdiri dari dua bagian utama yaitu display dan panel control. Pada layar terdapat garis-garis melintang vertical dan garis horizontal yang disebut dengan div. Pada garis arah horizontal, ditunjukkan waktu dan garis vertical menunjukkan sumber tegangannya. Posisi dari pengamatan bentuk gelombang yang ditampilkan pada osiloskop pun dapat diatur menggunakan kenop Horizontal dan Vertical yang terdapat pada panel control. Apabila masih terlihat tampilan gelombang yang fuzzy pada layar, dapat dinetralkan menggunakan attenuator yang ada pada signal generator.[2] Sinyal Generator adalah alat pembangkit sinyal, dimana sinyal yang dihasilkannya dapat berupa sinyal berbentuk sinusoidal, segitiga, ataupun persegi yang dapat diatur frekuensinya. Hal ini disesuaikan dengan sinyal masukan (input) yang harus diberikan pada rangkaian. Signal Generator menggambarkan tegangan puncak ke puncak pada osiloskop. Pada beberapa jenis, alat ini memiliki display/peraga digital yang berupa seven segment untuk menampilkan besar frekuensi yang digunakan sehingga dapat diatur sesuai dengan yang dibutuhkan. Faktor pengali juga dapat disesuaikan, lalu putar tombol frekuensi dan amplitudo untuk mendapatkan nilai yang diinginkan. [4] II. METODOLOGI A. Alat Alat-alat yang digunakan pada praktikum Rangkaian Seri RLC Arus AC ini antara lain generator AC, osiloskop, kabel buaya, project board, resistor 120 Ω, kapasitor 47 μF, dan induktor 1 H. Kegunaan dari alat-alat ini antara lain generator AC sebagai pembangkit daya dari sumber AC, osiloskop berfungsi untuk mengamati dan memvisualisasikan sinyal keluaran yang terdapat pada rangkaian, kabel buaya untuk menghubungkan kapasitor, resistor, dan komponen lainnya pada rangkaian agar arus listrik dapat mengalir; project board digunakan sebagai media untuk membuat rangkaian, resistor digunakan untuk memberikan hambatan pada rangkaian, kapasitor untuk menyimpan muatan rangkaian dalam bentuk medan listrik, sedangkan induktor memiliki fungsi yaitu untuk menyimpan energi dalam bentuk medan magnet. B. Metodologi Percobaan Pada percobaan ini, terdapat tiga skema alat. Berikut ini merupakan skema alat yang digunakan:



JURNAL ELEKTRONIKA DASAR II (2016) / NRP : 1114100089 (1-5)



3



sinyal masukannya v1 sebesar 10 Hz dengan amplitudo 5 Volt. Kemudian, sinyal masukan dihubungkan ke channel 1 osiloskop dan untuk sinyal keluaran, dihubungkan pada channel 2. Besar Vmax dan Vmin pada masing-masing sinyal yaitu sinyal masuk dan sinyal keluar diukur. Tetapan waktu sinyal keluaran dihitung pula, dan dibuat satu tampilan sinyal masukan dan keluaran pada osiloskop. Cara kerja diatas diulangi pada rangkaian RL, RC, RLC, CR, RL, RCC, CCR, RLL, RLL kemudian diulangi dengan variasi frekuensi lain yaitu 50 Hz, 100 Hz, dan 150 Hz. Agar lebih mudah dan ringkas dalam membaca langkahlangkah kerja dari praktikum ini, maka dibuatlah flowchart seperti yang tampak pada gambar dibawah ini:



Gambar 2.1. Rangkaian RL Seri



Dicatat hasilnya Diukur Vmax dan Vmin Rangkaian dihubungkan dengan osiloskop dan generator AC



StartStart



Disiapkan alat dan bahan Gambar 2.2. Rangkaian RC Seri



Alat dan bahan dirangkai seperti gambar 2.1, 2.2, dan 2.3



Tidak Finish



GAMBAR 2.4. FLOWCHART PERCOBAAN RANGKAIAN RLC ARUS AC



III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Data Pada percobaan ini, digunakan induktor , kapasitor, dan resistor. Untuk yaitu induktor Apakah ada nilainya penggulangan / variasi?sebesar 1 H, kapasitor sebesar 47 µF , dan resistor sebesar 120 Ω. Gambar 2.3. Rangkaian RLC Seri



Praktikum dipersiapkan seperti yang dihubungkan



ini dilakukan dengan alat dan bahan yang terlebih dahulu. Lalu, komponen dirangkai terlihat pada gambar rangkaian 1. Rangkaian dengan sinyal generator dan diatur frekuensi



Tabel 3.1 Tabel Tegangan Maksimum f(Hz)



RC



CR



R2C



2CR



RL



LR



R2L



2LR



RLC



10



3.240



3.040



2.240



2.200



1.000



1.000



1.080



1.120



3.240



50



1.400



1.520



1.120



0.960



1.000



1.000



1.040



1.000



1.480



Ya



JURNAL ELEKTRONIKA DASAR II (2016) / NRP : 1114100089 (1-5) 100



1.160



1.160



1.040



1.040



1.000



5.080



1.160



1.080



1.160



150



1.080



1.080



0.960



0.960



1.000



1.640



3.040



3.240



1.120



4



Tabel 3.2 Tabel Tegangan Minimum f(Hz)



RC



CR



2CR



RL



LR



R2L



2LR



10



-3.360



-3.360



-2.320 -2.360



R2C



1.040



1.160



-1.120



-1.120



-3.48



RLC



50



-1.600



-1.520



-1.280 -1.520



-1.040



1.040



-2.520



-1.200



-1.640



100



-1.280



-1.280



-1.080 -1.120



-1.080



5.120



-1.080



-1.240



-1.360



150



-1.200



-1.200



-1.080 -1.080



-1.040



1.360



-1.240



-1.240



-2.720



B. Data Hasil Pengamatan Bentuk Sinyal pada Osiloskop Pada percobaan ini, ditampilkan sebagian dari gambar sinyal keluaran yang teramati pada osiloskop:



Gambar 3.3. RL 50 Hz



\



Gambar 3.1. RCC 10 Hz



Gambar 3.4. RCC 100 Hz



Gambar 3.2. RL 10 Hz Gambar 3.5. RC 150 Hz



C. Pembahasan Percobaan E7 yang berjudul Rangkaian Seri RLC Arus AC ini memiliki beberapa tujuan. Tujuan-tujuan tersebut yaitu untuk menganalisa sinyal keluaran dari sumber AC pada osiloskop, menganalisa sinyal keluaran pada rangkaian RC seri, RL seri, dan RLC seri; dan menentukan nilai tetapan waktu pada rangkaian RL seri dan RC seri. Frekuensi yang digunakan yaitu 10 Hz, 50Hz, 100Hz, dan 150Hz. Besarnya



JURNAL ELEKTRONIKA DASAR II (2016) / NRP : 1114100089 (1-5) kapasitor, induktor, dan resistor masing masing digunakan 47 μF, 1 H, dan 120 Ω. Data tegangan maksimum dapat dilihat pada tabel 3.1 dan tegangan minimum pada tabel 3.2. Dari percobaan yang telah dilakukan, didapat data sinyal keluaran yang ditampilkan pada osiloskop, dimana bisa dilihat pada gambar 3.1. 3.2, 3.3, 3.4, dan 3.5. Gambargambar tersebut adalah sebagian dari keseluruhan data yang diperoleh (data lengkap dapat dilihat pada lampiran). Dari gambar yang disajikan, dapat dibandingkan bentuk sinyal keluaran dari rangkaian RL dan RC. Pada rangkaian RC, sinyal yang dihasilkan berupa gelombang yang mendekati bentuk gelombang sinusoidal, sedangkan rangkaian RL, sinyal yang dihasilkan dari rangkaian tersebut berupa gelombang kotak. Perbedaan yang dapat dilihat secara jelas antara frekuensi 10 Hz, 50 Hz, 100 Hz, dan 150 Hz yaitu pada bentuk gelombangnya. Semakin tinggi nilai frekuensi yang digunakan, maka gelombang yang dihasilkan pada tampilan layar osiloskop semakin rapat dan amplitudonya semakin kecil. Dari keseluruhan data yang ada pada tabel 3.1 dan 3.2, dapat pula dianalisa bahwa nilai Vmax tertinggi didominasi oleh rangkaian yang memiliki kombinasi R dan C padanya, sedangkan nilai Vmax terendah didapat dengan rangkaian yang memiliki kombinasi R dan L. Namun, hal sebaliknya terjadi untuk kasus rangkaian yang memiliki nilai Vmin dimana nilai Vmin terendah dimiliki oleh rangkaian yang memiliki kombinasi R dan C sedangkan Vmin tertinggi dimiliki rangkaian yang mempunyai kombinasi R dan L.



5 IV. KESIMPULAN



Pada percobaan ini, diperoleh dua kesimpulan yaitu sinyal keluaran yang muncul pada layar osiloskop dengan rangkaian yang menggunakan arus AC (Alternating Current) dapat berupa sinyal kotak-kotak dan sinyal sinusoidal. Lalu, sinyal keluaran dari rangkaian seri RL, RC, dan RLC memiliki garis lonjakan pada bagian puncak dan lembahnya yang merupakan gejala transien dan sinyal ini berbentuk kotak dan sinusoidal. UCAPAN TERIMA KASIH Saya, Rizqi Ahmad Fauzan mengucapkan terima kasih kepada Bapak Endarko selaku dosen Elektronika Dasar II saya, dan Mas Bayu Prasetya sebagai asisten laboratorium yang telah membimbing dalam pelaksanaan praktikum. Terima kasih juga saya sampaikan kepada teman-teman sekelompok praktikum yang baik secara langsung ataupun tidak langsung telah membantu dalam proses terselesaikannya laporan ini. . DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4]



Riedel, Susan A. dan James W. Nilsson. 2008. “Electric Circuits: Eighth Edition.” New Jersey: Pearson Prentice Hall. Sadiku, Matthew N.O. dan Charles K. Alexander. 2009. “Fundamentals of electric Circuits: Fourth Edition.” New York: McGraw-Hill. Riedel, Susan A. dan James W. Nilsson. 2011. “Electric Circuits: Ninth Edition.” New Jersey: Pearson Prentice Hall. Boylestad. 2002. “Introductory Circuit Analysis: Tenth Edition”. New Jersey: Prentice.