I Made Arta Diana - 119340005 - Laporan RL Modul 3 [PDF]

Citation preview

LAPORAN PRAKTIKUM “RANGKAIAN BOLAK-BALIK (AC)” Modul 3-RANGKAIAN BOLAK-BALIK (AC) I Made Arta Diana/119340005 Asisten: Hasbiyalloh Dosen: Putty Yunesti, S.T., M.Eng Tanggal Praktikum: 26 November 2020 [email protected] Teknik Sistem Energi-JTPI sub JTEIF Institut Teknologi Sumatera



Abstrak-Praktikum rangkaian listrik “Rangkaian BolakBalik” ini bertujuan agar mahasiswa dapat merancang rangkaian AC pada LTSpice XVII dan agar Mahasiswa dapat melakukan analisis pada rangkaian AC LTSpice XVII. Praktikum dilakukan secara daring menggunakan aplikasi Google Meet dan aplikasi LTSpice XVII, sebagai solusi agar mahasiswa tetap bisa belajar dan melakaukan praktikum dalam situasi pandemic COVID-19. Mahasiswa membuat sebuah rangkaian AC yang terdiri dari dua bauh resistor (R1 = 120Ω dan R2 = 1000Ω), sebuah sumber tegangan dengan PULSE(0 12 0 0.00001 0.00001 0.010 0.020), sebuah kapasitor c1 = 10μF, dan dua buah label yaitu label 1 dan 2. Mahasiswa melakukan run menggunakan jenis simulasi transient dengan syntax “.tran 0 50ms 0”. Arus bolak-balik mempunyai beberapa bentuk gelombang, jika menggunakan PULSE maka gelombang berbentuk kotak (gelombang digital), jika menggunakan SINE maka gelombang berbentuk sinusoidal. Kapasitor dapat menyimpan energi dalam bentuk muatan listrik serta bisa berperan sebagai sumber tegangan. Adanya kapasitor dalam rangkaiaan menyebkan arus berlawanan arah dengan tegangan, dan arus mendahului tegangan. Kata kunci : LTSpice XVII, kapasitor, rangkaian AC, rangkaian listrik. I. PENDAHULUAN Di era modern ini kegiatan manusia ditopang oleh energi. Energi suatu hal yang sangat penting bagi kehidupan, karena energi erat kaitannya dengan kehidupan. Ada banyak jenis energi di alam ini, dan yang paling dibutuhkan manusia saat ini adalah energi listrik. Energi listrik menjadi salah satu faktor penting yang mendukung kehidupan manusia saat ini, yang mana energi listrik sangat dibutuhkan dan banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Banyak sekali



peralatan disekitar kita yang menggunakan listrik sebagai sumber energinya, mulai dari peralatan rumah tangga, perkantoran, pemerintah, dan industri semuanya bergantung pada energi listrik. Contoh ketergantungan itu adalah saat terjadinya pemadaman listrik banyak orang mengeluh karena aktivitas mereka terhambat, mulai dari kegiatan rumah tangga, industri, perkantoran, dan pemerintahan. Bahkan pemadaman listrik menyebabkan sistem internet dan telekomunikasi juga terganggu. Energi listrik yang kita pakai selama ini bersumber dari pembangkit energi listrik. Di Indonesia pengoperasian pembangkit listrik dan transmisinya ke masyarakat dikelola oleh perusahaan milik Negara yang bernama PT PLN. Dalam proses transmisi dari pembangkit ke masyarakat atau konsumen, arus yang digunakan adalah arus bolak-balik atau Alternating Current (AC). Karena dengan menggunakan arus AC tegangan dapat dikirim dalam jumlah besar, dan tegangannya dapat dinaikkan ataupun diturunkan menggunakan alat transformator. Hal ini dapat mengurangi daya yang hilang pada proses transmisi sehingga proses transmisi menjadi lebih efisien. Dari hal tersebut kita tahu bahwa dengan mengetahui dan mendalami bagaiamana karakteristik suatu benda ataupun peristiwa, maka manusia bisa mengetahui cara-cara atau metode dan solusi yang tepat untuk mengatasi masalah yang dihadapi. Dengan mengetahui bagaimana karakteristik dari energi listrik dan arus listrik, maka manusia bisa memanfaatkan energi listrik dengan baik dan menemukan solusi yang tepat mengenai masalah kelistrikan seperti masalah transmisi listrik dari pembangkit menuju konsumen. Maka dari itu penting bagi mahasiswa khususnya yang menekuni bidang kelistrikan seperti prodi TSE ini, agar mempunyai kemampuan/keterampilan dan pengetahuan lebih dalam tentang energi listrik.



Karena situasi yang masih dalam masa pandemic COVID-19, maka praktikum ini dilakukan secara daring dengan aplikasi LTSpice. Agar mahasiswa tetap mendapatkan pembelajaran melalui praktikum, meskipun ada sedikit keterbatasan. Tujuan dari praktikum ini adalah agar mahasiswa dapat merancang rangkaian AC pada LTSpice XVII dan agar Mahasiswa dapat melakukan analisis pada rangkaian AC LTSpice XVII. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Rangkaian Listrik Rangkaian listrik atau biasa disbut dengan rangkaian elektrik, merupakan interkoneksi berbagai piranti (divais – device) yang secara bersama melaksanakan suatu tugas tertentu. Tugas itu dapat berupa pemrosesan energi ataupun pemrosesan informasi. Pada rangkaian listrik, energi maupun informasi diubah menjadi energi listrik dan sinyal listrik, dan dalam bentuk sinyal inilah energi maupun informasi dapat disalurkan dengan lebih mudah ke tempat yang membutuhkannya [1]. Selain itu, suatu kumpulan elemen atau komponen listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup merupakan devinisi lain dari rangkaian listrik [2]. Komponen listrik pada Rangkaian Listrik dapat dikelompokkan menjadi dua elemen yaitu komponen aktif dan pasif. Elemen aktif yaitu elemen yang menghasilkan energi listrik, seperti sumber tegangan dan sumber arus. Elemen pasif yaitu elemen yang tidak dapat menghasilkan energi listrrik. Elemen pasif dikelompokkan menjadi elemen yang menyerap energi yaitu resistor atau tahanan atau hambatan dengan simbol R, dan komponen pasif yang dapat menyimpan energi. Komponen menyimpan energi diklasifikasikan menjadi dua yaitu komponen yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini induktor atau sering juga disebut kumparan dengan simbol L, dan komponen yang menyerap energi dalam bentuk medan listrik dalam hal ini adalah kapasitor atau kondensator dengan simbol C [3]. B. Arus Listrik Arus listrik adalah laju perubahan muatan terhadap waktu yang diukur dalam volt. Secara matematis hubungan arus listrik (i), muatan (q), dan waktu (t) adalah : i



i=



[5]



C. Arus Bolak-Balik (Alternating Current atau AC) Arus Bolak-Balik adalah arus yang bervariasi secara sinusoidal dengan waktu [4]. Arus bolak-balik ialah arus yang mempunyai dua arah. Arus bolak-balik besarnya berubahubah secara berkala disekitar nilai nol, satu saat positif dan saat berikutnya negatif [2]. Arus dan tegangan bolak-balik dapat dinyatakan dalam fungsi kosinus berikut ini [5]: i = Im cos(ωt+ φ) v = Vm cos(ωt+ φ). Arus bolak-balik adalah arus yang arahnya berubah-ubah secara bergantian. Pada suatu saat arah arus ke kanan, kemudian berubah menjadi ke kiri, kemudian ke kanan, ke kiri, dan seterusnya. Kalau digambarkan dalam bentuk kurva, maka contoh kurva arus bolak-balik:



Gambar 1. Kurva arus bolak-balik III. METODOLOGI PRAKTIKUM Praktikum rangkaian listrik “Rangkaian Bolak-Balik (AC)” ini dilakukan secara daring menggunakan Google Meet dan aplikasi LTSpice. Pada hari Kamis, 26 November 2020 pukul 15.30 s/d 17.00 WIB. Berikut adalah diagram alir praktikum.



∆



Dimana arus diukur dalam ampere (A). I ampere = 1 coulomb/second [4]. Besarnya arus yang mengalir berbanding lurus dengan beda potensial, V, antara dua tempat. Kesebandingan di atas selanjutnya dapat ditulis:



mulai



Buka aplikasi LTSpice



Membuat Rangkian



Tambahkan nilai komponen



Pilih jenis simulasi



Lakukan run



Lakukan analisis hasil



Gambar 3. Hasil run rangakaian 1 pada V1 selesai



IV. HASIL DAN ANALISIS



Hasil run pada tegangan V1 berupa gelombang atau sinyal kotak, karena pada sumber tegangan menggunakan PULSE. Angka pada PULSE(0 12 0 0.00001 0.00001 0.010 0.020) menunjukan komponen-komponen yang ada pada gelombang seperti pada gambar di bawah ini.



Gambar 2. Rangkaian 1 Rangkaian pertama ini terdiri dari sebuah sumber tegangan V1 dengan PULSE(0 12 0 0.00001 0.00001 0.010 0.020). Terdapat dua buah label 1 dan 2 yang berfungsi sebagai penanda bagian input (pada label 1) dan output (pada label 2). Terdapat dua buah resistor yaitu R1 = 120 Ω dan R2 = 1000 Ω. Terdapat sebuah kapasitor c1 = 10 μF dan rangkaian menggunakan simulasi jenis transient yang ditandai dengan syntax “.tran 0 50ms 0”.



Gambar 4. Pengaturan sumber tegangan Vinitial merupakan tegangan awal, pada praktikum ini tegangan awal sebesar 0 V. Von merupakan tegangan ketika gelombang atau sinyal berbentuk kotak. Pada sinyal pulse yang merupakan sinyal digital terdapat on dan off. On bisa diartikan sebagai satu sedangkan off dapat diartikan sebagai 0. Seperti pada gambar 4 tegangan saat masa on sebesar 12 V. Lebih jelas terlihat pada gambar 3 dan 5, puncak dari gelombang berbentuk garis datar (artinya konstan 12V) pada saat on.



Gambar 7. Gelombang arus c1 Gambar 5. On/off gelombang pulse Trise 0.00001ms (gambar 4) menunjukan waktu yang diperlukan gelombang untuk naik sampai ke puncak. Waktu naik ini dibuat kecil agar gelombang cepat naik ke atas sehingga bentuk dari gelombang pulse benar-benar kotak Tfall menunjukan waktu gelombang untuk turun sehingga di buat sama nilainya dengan Trise. T on merupakan waktu selama gelombang on yaitu selama 0.010s = 10ms. T periode menunjukan waktu satu periode gelombang (satu periode = 1 on dan 1 off) sebesar 0.020s = 20ms. Karena menggunakan syntax “.tran 0 50ms 0” ini berarti bahwa waktu berlangsungnya simulasi rangkaian hanya 50ms. Itulah sebabnya gelombang yang di tampilkan hanya sampai waktu 50ms.



Gelombang berwarna biru merupakan gelombang arus pada c1. Dalam keadan on arus justru berkurang atau turun nilainya, ini karena pengaruh dari kapasitor. Saat dalam keadaan on, kapasitor akan menyerap electron. Seperti yang kita tahu bahwa aliran listrik adalah perpindahan muatan listrik (elektron), itulah alasannya ketika electron diserap oleh kapasitor maka arus akan berkurang nilainya. Begitupun sebaliknya saat keadaan off, kapasitor akan melepaskan electron (berperan sebagai sumber tegangan). Karena ada aliran electron yang dilepaskan inilah maka nilai arus akan bertambah saat keadaan off.



Gambar 6. Gelombang pada V2(kuning) dan V2 (biru)



Gambar 8. Gelombang arus pada V1



Bentuk gelombang pada V2 tidak sama dengan bentuk gelombang V1 dan tidak berbentuk kotak karena pengruh dari kapasitor. Saat on kapasitor menyerap electron dari V1 dan bentuk gelombang yang tidak benar-benar kotak terjadi karena adanya resistor 1 dan 2, sehingga electron yang diserap tidak maksimal. Ketika off gelombang pada V2 turun karena kapasitor saat itu berfungsi sebagai sumber tegangan menggantikan V1. Sehingga electron yang telah diserap dilepaskan kembali sebagai energi listrik.



Sedangkan hal yang berbeda terjadi pada arus di V1. Arus pada V1 naik saat dalam keadaan on dan turun saat keadaan off. Ini terjadi sesuai seperti teori dimana V sebanding atau berbanding lurus dengan I dan kapasitor pengaruhnya tidak begitu signifikan di daerah V1.



Gambar 11. Rangkaian 2 Gambar 9. Gelombang arus pada R1(merah) Sama halnya seperti pada V1, arus yang melalui R1 juga mengalami kenaikan saat on dan turun saat off, tapi kenaikannya tidak sampai menyentuh puncak gelombang tegangan (warna kuning). Ini terjadi karena adanya pengaruh kapasitor dan resistor (arus berbanding terbalik dengan resistansi). Disisni juga terlihat bahwa gelombang I(R1) arahnya berlawanan dengan gelombang tegangan, ini terjadi karena adanya pengaruh kapasitor. Awalnya electron mengalir dari sumber tegangan menuju kapasitor selama on, saat off tegangan sumber 0 V dan kapasitor berperan sebagai sumber tegangan, jadi electron mengalir dari kapasitor menuju sumber tegangan artinya electron mengalir berlawanan arah dari sebelumnya.



Pada rangkaian ke-dua ini, bentuk rangkaiannya sama dengan bentuk rangkaian pertama, jumlah komponenya juga sama, besar nilai kapasitor dan jenis simulasi serta syntax yang digunakan pun sama. Yang membedakan adalah nilai resistornya yang mana R1 = 125Ω, R2 = 1005Ω. Tegangan yang digunakan bukan lagi PULSE melainkan SINE(10 15 55 10 ms 0 0 0).



Gambar 12. Pengaturan sumber tegangan 2 Gambar 10. Gelombang arus pada R2 Sedangkan pada R2 nilai arus justru cenderung sama atau hanya sedikit mengalami perubahan sehingga gelombangnya hampir menjadi garis lurus atau mendekati konstan saat on ataupun off. Terjadi karena rangkaian tersebut merupakan rangkaian penguat power faktor, yang mana R2 sebagai load yang menyerap daya aktif dan mengeluarkan daya reaktif. Pemasangan kapasitor daya dalam jaringan listrik merupakan pemasangan kapasitor secara pararel pada suatu instalasi listrik dengan harapan dapat menaikkan efisiensi faktor daya (cosphi). Rendahnya power factor merupakan hal yang sangat tidak diinginkan selama hal itu menyebabkan peningkatan arus, yang menyebakan bertambahnya kehilangan daya aktif pada semua elemen sistem tenaga listrik dari pusat pembangkit listrik hingga ke pemakai listrik [6].



Rangkaian ke-dua ini menggunakan DCoffset sebesar 10 V. DC offset ini menunjukan keadaan terdapatnya arus atau tegangan DC pada sistem arus bolak-balik. Amplitude gelombang sebesar 15 V, frekuensi 55Hz, dan t delay 10ms.



gelombang V1 berlawanan dengan arah gelombang I(R). Ini merupakan pengaruh dari adanya kapasitor pada sebuah rangkaian. Pada awalnya electron mengalir dari sumber tegangan menuju kapasitor, setelah sumber tegangan 0V maka kapasitor berperan sebagai sumber tegangan dan electron mengalir dari kapasitor ke sumber tegangan artinya electron mengalir berlawanan arah dari sbelumnya.



Gambar 12. Bentuk gelombang V1 rangkaian 2 Setelah dilakukan run pada rangkaian dua diperoleh bentuk gelombang sinusoidal (karena menggunakan SINE) pada tegangan V1(gamabar 12). Terlihat bahwa awalnya gelombang merambat datar, ini terjadi karena pada tegangan SINE menggunakan t delay atau waktu menunggu. Dan jika diamati secara seksama gelombang memiliki puncak 25V dan tidak mulai dari nol V, melainkan dimulai dari 10 V. Ini terjadi karena adanya DCoffset sebesar 10 V. Adanya tdelay dan DCoffset menyebabkan gelombang tidak langsung berbentuk gelombang sinus melainkan dalam rentang waktu tdelay tegangan atau arus masih dalam bentuk DC, baru setelah tdelay selesai tegangan atau arus berubah menjadi AC. Gelombang pada gamabar 12 tersebut memiliki amplitude sebesar 15 V. Ini juga bisa dibuktikan dengan mengurangi nilai puncak dengan nilai awal dimulainya gelombang, yaitu 25 V – 10 V = 15 V.



Gambar 13. Bentuk gelombang pada V1 dan I(R1) rangkaian 2 Gambar 13 menunjukan bentuk dari gelombang padaa V1 dan juga I(R1). Disana terlihat bahwa arah



Gambar 14. Gelombang pada I(c1) rangkaian 2 Pada gambar 14 terlihat bahwa gelombang arus pada c1 sedikit mendahului gelombang V1. Ini juga merupakan pengaruh dari adanya kapasitor pada rangkaian, yang mana kapasitor akan menyerap daya aktif dan mengeluarkan daya pasif. V. KESIMPULAN Arus AC berubah-ubah terhadap waktu, ada banyak gelombang yang menunjukan arus listrik AC. Apabila menggunakan PULSE maka gelombang yang dihasilakan berbentu kotak-kotak dan tidak bolak-balik (berupa sinyal digital on dan off). Jika menggunakan SINE saat run, maka akan muncul gelombang sinusoidal yang bolak-balik. Rangkaian listrik memiliki banyak komponen dan setiap komponen punya peran masing-masing sesuai dengan apa yang dihadapi. Kapasitor dapat menyerap energi dalam bentuk muatan listrik, dan berperan sebaggai sumber tegangan saat sumber tegangan V1 off atau mati. Kapasitor pada rangkaian menyebabkan bentuk gelombang V1 berbeda dengan bentuk grlombang V2 serta menyebabkan arus mendahului tegangan. ketika V1 on maka c1 menyerap energi, saat V1 off maka capasitor menggantikan V1, kapasitor menyerap daya aktif dan mengeluarkan daya reaktif.dan kapasitor dimanfaatkan



untuk menekan biaya pemakaian listrik. Karena dapat meningkatkan efisiensi faktor daya. DAFTAR PUSTAKA [1] Sudaryatno Sudirham, Analisis Rangkaian Listrik, 2012th ed. Bandung, Jawa Barat, Indonesia: Darpublic, 2012. [2] Asran, BAHAN AJAR RANGKAIAN LISTRIK I. Reuleut, Aceh, Indonesia: FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MALIKUSSALEH JURUSAN TEKNIK ELEKTRO, 2014. [3] MOHAMAD RAMDHANI, RANGKAIAN LISTRIK (Revisi), Revisi ed. Bandung, Indonesia: Jurusan Teknik Elektro Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung, 2005. [4] Charles K Alexander and Matthew N. O. Sadiku, Fundamentals of Electric Circuits, 4th ed., Lora Neyens, Ed. New York, Amerika: McGraw-Hill, 2009. [5] Mikrajuddin Abdullah, Fisika Dasar II. Bandung, Indonesia: Institut Teknologi Bandung, 2017. [6] Henry Ananta, Fachry Azharuddin Noor, and Said Sunardiyo, "Pengaruh Penambahan Kapasitor Terhadap Tegangan, Arus, Faktor Daya, dan Daya Aktif pada Beban Listrik di Minimarket," Jurnal Teknik Elektro, vol. 9, pp. 66-68, Juli 2017.