Bolak-Balik
A. Arus dan Tegangan Bolak-Balik
B. Resistor, Induktor, dan Kapasitor dalam Rangkaian AC C. Resistor dan Induktor Seri D. Resistor dan Kapasitor Seri E. Rangkaian R-L-C F. Daya pada Rangkaian Arus Sumber: Biology: Explor ing Life, 1994
Standar Kompetensi
Menerapkan konsep kelisrikan dan kemagnetan dalam berbagai penyelesaian masalah dan produk teknologi
Kompetensi Dasar
Mengomunikasikan konsep induk-si Faraday dan arus bolak-balik serta penerapannya
Generator arus bolak-balik akan menghasilkan tegangan dan arus bolak-balik. Generator arus bolak-balik berfungsi mengubah energi kinetik menjadi energi listrik dan meng-hasilkan tegangan listrik bolak-balik.
Tahkah Anda, apakah arus dantegangan bolak-balik itu? Pada bab ini, Anda akan mempelajari lebih dalam mengenai arus dan tegagan bolak-balik. Anda juga akan mempelajari beberapa komponen-komponen listrik, diantaranya resistor,indikator, dan kapasitor, serta rang-kaian yang menggunakan komponen-komponen listrik tersebut.
Bab
4
Bab
A. Arus dan Tegangan Bolak-Balik
Pada bab sebelumnya Anda pernah mempelajari listrik sta-tis yang membahas arus dan tegangan yang selalu memiliki nilai tetap, tidak berubah terhadap waktu yang disebut arus dan tegangan DC (Direct Current). Adapun arus dan tegangan bolak-balik adalah arus dan tegangan yang nilainya selalu berubah terhadap waktu secara periodik. Besaran seperti ini disebut arus dan tegangan bolak-balik atau AC (Alternating Current).
Apabila pada arus searah Anda dapat mengetahui nilai dan tegangannya yang selalu tetap. Maka, pada arus bolak-balik Anda akan dapat mengetahui nilai maksimum yang dihasilkan dan frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh sumbernya.
1. Arus dan Tegangan Sinusoidal
Sumber arus bolak-balik adalah generator arus bolak-balik. Generator arus bolak-balik terdiri dari sebuah kumparan persegipanjang yang diputar dalam medan magnetik ho-mogen. Gaya gerak listrik yang dihasilkan oleh generator berubah secara periodik menurut fungsi sinus atau cosinus. GGL sinusoidal ini dihasilkan oleh sebuah kumparan yang berputar dengan laju sudut tetap.
Tegangan yang dihasilkan berupa tegangan sinusoidal dengan persamaan sebagai berikut.
dapat dituliskan menjadi
dengan Emadalah gaya gerak listrik maksimum =
NBAW
N = jumlah lilitan kumparan A = luas kumparan
B = besarnya induksi magnetik
W = frekuensi sudut putaran kumparan
Bentuk tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh sebuah gaya generator listrik AC dapat ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Grafik yang dihasilkan oleh sumber arus bolak-balik terse-but berbentuk sinusoidal atau dikenal sebagai fungsi sinus waktu. Oleh karena itu, tegangan dan arus bolak-balik yang dihasilkan dapat dituliskan sebagai berikut.
Dari persamaan tegangan dan arus listrik di atas, tegangan dan arus listrik memiliki sudut fase sama, yaitu sebesar
t
W atau karena . Fase dari persamaan
tersebut adalah karena fase ( ) adalah sudut fase ( ) dibagi dengan .
Arus dan tegangan listrik yang memiliki fase sama disebut sefase. Jika antara tegangan dan arus listrik terdapat beda sudut fase sebesar , persamaannya menjadi
dan
Tegangan dan arus listrik memiliki beda fase P atau beda
fase .
Coba Anda perhatikan beda sudut fase antara V dan i, nilai V dan i pada saat yang sama , misalnya pada saat Q =
Gambar 6.1
a. Grafik sinosoida dari tegan-gan listrik bolak-balik. b. Grafik sinosoida dari arus
listrik bolak-balik
Gambar 4.2
Grafik arus dan tegangan sinu-soida. Anda dapat mengetahui benda sudut fasedengan mem-perhartikan nilai i dan v pada saat yang sama
V -90o -45o -45o 90o 135o 180o 125o 250o 315o 360o 405o 450o 0 3T 4 5T 4 T 4 T 2 T i 0 Vm -Vm 2 2 3 3 2 3 0 im -im 2 2 3 3 2 3 t
0. Pada saat = 0, V sudah mencapai nilai maksimum, se-dangkan i baru mulai beralih dari nol menuju nilai positif. Ini berarti, V telah mendahului i sebesar 90o.
Selain menggunakan sudut fase,sumbu horizontal juga dapat dianggap sebagai sumbu waktu (t). Pada saat t = 0, V telah mencapai maksimum dan i akan mencapai maksimum pada saat t = T/4. V mendahului i dengan ¼ periode (T/4) karena satu periode sama dengan 360o atau sehingga beda sudut fasenya menjadi 360o/4 = 90o = /2.
2. Diagram Fasor
Untuk menganalisis tegangan atau arus bolak-balik di-gunakan diagram fasor. Kata ‘fasor’ berasal adri bahas Inggris “phasor” yang disingkat dari kata-kata “phase vektor” ayangartinya vektor fase. Fasor adalah sebuah gambar anak panah yang digunakan untuk menyatakan tegangan atau arus bolak-balik.
Sebagai contoh,
dengan = fasor tegangan, = arus fasor, dan = yang menyatakan sudut fase dan arah fasor. atau
menyatakan besarnya (panjang vektor) fasor tersebut. Proyeksi nilai V atau i pada sumbu vertikal adalah untuk menentukan nilai tegangan atau arus listrik dan sumbu horizontal diukur dalam satuan derajat atau radian ( = 360o).
1. Alat Ukur Tegangan dan Arus
Bolak-Balik
Tegangan lsitrik searah diukur dengan voltmeter DC dan arus searah diukur dengan amperemeter DC. Adapun tegangan dan arus listrik bolak-balik diukur dengan volt-meter C dan amperevolt-meter AC . Dengan menggunakan alat ukur voltmeter atau amperemeter AC besaran yang terukur adalah nilai rms (root mean squere) = akar rata-Gambar 4.2
a. Fesor untuk teganganV b. Fasor untuk arus i
= 90o = 0 0 Vm sin Vm = 90o = 0 0 Vm sin Vm
rata kuadrat arus = i2 ; = rata-rata dari atau nilai efektif dari tegangan atau arus.
Gambar 4.2 a. Voletmeter b. Ampermeter
Untuk melihat bentuk tegangan atau arus sinusoidal yang dihasilkan oleh sumber bolak-balik dapat digunakan alat ukur osiloskop. Sumbu vertikal menunjukkan nilai tegangan atau arus yang dihasilkan oleh sumber bolak-balik dan sumbu horizontalnya menunjukkan waktu. Dari monitor osiloskop dapat ditentukan nilai maksimum dari tegangan atau arus listriknya da dari sumbu horizontal dapat ditentukan periode atau frekuensi dari sumber bolak-baliknya. Monitor dari sebuah osiloskop terbagi-bagi men-jadi baris-baris dan kolom-kolom sehingga membentuk sebuah kotak.
Perhatikan gambar berikut!
Jika sumbu vertikal diatur pada tegangan 2 V/cm, waktu dalam arah horizontal menunjukkan 10 ms/cm dan tiap kotak memiliki ukuran 1 cm × 1 cm. Tentukanlah: a. tegangan maksimum sumber AC;
b. frekuensi sumber AC. Penyelesaian:
a. Dari gambar dapat dilihat tegangan dari puncak ke puncak
Jadi, tegangan maksimumnya 4 volt.
Gambar 4.2
Bentuk sinoseida pada layar osiloskop