Laporan Praktikum 4 Pengaruh Frekuensi T (3)

(1)

PRAKTIKUM IV

PENGARUH FREKUENSI TERHADAP INDUKTOR

YANG DIALIRI ARUS AC

1. TUJUAN

Untuk mempelajari pengaruh frekuensi dan melihat bentuk gelombang keluaran akibat pengaruh frekuensi terhadap induktor yang dialiri arus AC.

2. ALAT DAN BAHAN

Electromagnetism Trainer 12-100 Osiloskop 2 channel

Milliammeter, 0-10 mA AC

Function Generator 4-16 kHz, 20 V pk-pk sine

3. DASAR TEORI

Induktor atau kumparan adalah salah satu komponen pasif elektronika yang dapat menghasilkan magnet jika dialiri arus listrik dan sebaliknya dapat menghasilkan listrik jika diberi medan magnet. Induktor ini biasanya dibuat dengan kawat penghantar tembaga yang dibentuk menjadi lilitan atau kumparan.

AHMAD OKKY SAPUTRA Pengaruh Frekuensi Terhadap Induktor Yang Dialiri Arus AC 03121004071

(2)

Sebelum lebih jauh membahas tentang pengaruh frekuensi terhadap induktor mari kita mengingat terlebih dahulu rumus dari suatu impedansi. Nilai impedansi dapat dihitung dengan rumus :

|Z

|=

V

rms

I

_rms

Impedansi seperti yang kita ketahui terdiri dari nilai resistor, inductor dan

kapasitor, sering kali kita kenal dengan R, X L _{dan X} C _{. Dalam praktikum ini}

lebih kita tekankan pada nilai X L _{atau nilai induktansi dari sebuah inductor.}

Induktansi dapat digolongkan seperti padapenjelasan berikut :

a. Induktansi diri

Induktansi diri merupakan suatu besaran yang menyatakan kemampuan membangkitkan ggl akibat arus yang berubah terhadap waktu. Sedangkan insduktansi diri merupakan induktansi yang dihasilkan oleh arus kumparan menginduksi kumparan itu sendiri. Dasar teori medan elektromagnetik dari induktansi merupakan akibat dari persamaan Maxwell mengenai hukum ggl induksi Faraday. Persamaan maxwell tersebut adalah sebagai berikut.

Kerapatan fluks magnet B yang berubah terhadap waktu dihasilkan oleh arus listrik. Arus listrik yang berubah terhadap waktu ini menghasilkan ggl. Induktansi memiliki satuan H. Hubungan ggl yang muncul akibat perubahan arus dinyatakan dalam persamaan berikut.

(3)

ε : ggl induksi yang muncul pada induktor (Volt) L : induktansi diri (H)

I : arus pada induktor (A)

Komponen atau benda yang memiliki induktansi diri disebut induktor. Induktor layaknya seperti sebuah kapasitor, sama-sama menyimpan energi. Hanya saja induktor menyimpan energi dalam bentuk medan magnet sedangkan kapasitor menyimpan dalam bentuk medan listrik.

b. Induktansi murni yang dicatu tegangan bolak-balik sinusoidal

Sebuah induktor apabila dicatu dengan tegangan bolak-balik sinusoidal maka akan mengalir arus yang tertinggal sebesar 900_{terhadap tegangan. Arus yang terjadi} merupakan arus bolak-balik. Rangkaian ini disebut rangkaian induktif murni. Penyimpanan energi dan pelepasan energi dalam medan magnet pada induktor terjadi secara periodik.

Tegangan sinusoidal dapat dituliskan sebagai berikut

Bila tegangan ini mencatu induktor maka dapat dituliskan sebagai berikut

Arus yang terjadi berbeda fase sebesar 900_{terhadap tegangan.}

(4)

c. Rangkaian induktor dan resistor yang dicatu tegangan bolak-balik sinusoidal

Apabila induktor dan resistor disusun secara seri dan dicatu dengan tegangan bolak-balik sinusoidal maka persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut.

Sehingga arus yang dihasilkannya adalah sebagai berikut

Sedangkan tegangan jatuh pada induktor dapat diturunkan dari persamaan arus dengan hubungannya dengan ggl seperti pada persamaan sebelumnya

Bila dinyatakan dalam tegangan efektif

Dimana

f adalah frekuensi tegangan masukan

Dari persamaan tersebut dapat dilihat pengaruh frekuensi terhadap tegangan pada induktor. Semakin besar frekuensi akan menyebabkan semakin besarnya tegangan induktor.

(5)

Frekuensi adalah ukuran jumlah putaran ulang per peristiwa dalam selang

waktu yang diberikan. Untuk memperhitungkan frekuensi, seseorang menetapkan jarak waktu, menghitung jumlah kejadian peristiwa, dan membagi hitungan ini dengan panjang jarak waktu. Hasil perhitungan ini dinyatakan dalam satuan hertz

(Hz) yaitu nama pakar fisika Jerman Heinrich Rudolf Hertz yang menemukan fenomena ini pertama kali. Frekuensi sebesar 1 Hz menyatakan peristiwa yang terjadi satu kali per detik. Secara alternatif, seseorang bisa mengukur waktu antara dua buah kejadian/ peristiwa (dan menyebutnya sebagai periode), lalu memperhitungkan frekuensi (f ) sebagai hasil kebalikan dari periode (T ), seperti nampak dari rumus di bawah ini :

Arus Bolak-Balik pada Induktor

Bilamana sebuah induktor dialiri arus bolak-balik, maka pada induktortersebut akan timbul reaktansi induktif resistansi semu atau disebut jugadengan istilah reaktansi induktansi dengan notasi XL. Besarnya nilai reaktansi induktif tergantung dari besarnya nilai induktansi induktor L(Henry) dan frekuensi (Hz) arus bolak-balik. Gambar dibawah ini memperlihatkanhubungan antara reaktansi induktif terhadap frekuensi arus bolak-balik

Gambar . Hubungan reaktansi induktif terhadap frekuensi

(6)

Besarnya reaktansi induktif berbanding langsung dengan perubahan frekuensi dan nilai induktansi induktor, semakin besar frekuensi arus bolak-balik dan semakin besar nilai induktor, maka semakin besar nilai reaktansi induktif XL pada induktor sebaliknya semakin kecil frekuensi arus bolak-balik dan semakin kecil nilai dari induktansinya, maka semakin kecil nilai reaktansi induktif XL pada induktor tersebut. Hubungan ini dapat ditulis seperti persamaan berikut :

Dasar Teori Tambahan

PENGARUH FREKUENSI TERHADAP INDUKTOR YANG DI ALIRI ARUS AC

Arus bolak balik adalah arus listrik yang berbalik arah dengan frekuensi tetep sehingga disebut arus AC (Alternating Current). Pada listrik arus bolak balik, GGl serta arusnya mempunyai lebih dari satu arah atau arahnya berubah sebagai fungsi waktu. Sumber Arus bolak balik adalah generator Arus bolak balik. Generator Arus bolak balik terdiri atas sebuah kumpuran persigi yang diputar dlam medan magnet.

Arus bolak balik dibedakan antara Arus bolak balik yang mempunyai fungsi atau pola grafik sinusoida dan Arus bolak balik yang non sinusoida seperti pada gambar :

(7)

Sumber arus bolak balik adalah generator arus bolak alik, generator arus bolak balik terdiri atas sebuah kumparan persegi yang diputar dalam medan magnet. Gaya gerak listrik (GGL) yang dihasilkan oleh generator arus bolak balik berubah secara periodic menurut fungsi sinus atau cosinus. GGL sinusoida ini dihasilkan oleh sebuah kumparan yang berputar dengan laju sudut tetap.tegangan yang dihasilkan berupa tegangan sinusoida dengan persamaan sebagai berikut:

Ԑ = NBA ω sin ωt Atau

Ԑ = Ԑm sin ωt

Dengan :

Ԑm = NBA ω = gaya gerak listrik maksimum N = Jumlah lilitan kumparan

A = luas kumparan

B = besarnya induksi magnetic

ω = frekuensi sudut putaran kumparan

Beban listrik dalam rangkaian Arus bolak balik dapat berupa resistor (R), kapasitor (C) dan indictor (L).

Pada Arus AC diukur dengan amperemeter AC, besaran yang terukur merupakan nilai rms (root mean square) atau nilai afektif dari arus,untuk melihat bentuk arus.untuk melihat bentuk arus sinusoidal yang dihasilkan oleh sumber bolak balik, dapat digunakan osiloskop. Monitor sebuah osiloskop terbagi-bagi menjadi baris-baris dan kolom-kolom sehingga membentuk sebuah kotak seperti pada gambar :

(8)

Dari gambar diatas sumbu vertikal menunjukkan nilai tegangan atau arus yang dihasilkan oleh sumber bolak balik dan sumbu horizontal menunjukkan waktu.

B. Harga Efektif (Root-mean-square) dan Harga Rata-Rata (average)

Pada listrik arus bolak ballik besarnya GGL ( ),Ԑ beda potensial (V) dan arus (I) selalu berubah sebagai fungsi wkatu. Untuk itu perlu suatu besaran yang bersifat tetap, tidak digunakan harga efektif dan harga rata-rata, baik untuk GGl, beda potensial maupun arus.

Alat ukur amperemeter AC dan volt meter AC dapat mengukur nilai efektif dari arus dan tegangan bolak balik.nilai efektif arus dan tegangan bolak balik adalah kuat arus dan tegangan yang dianggap setara dengan arus dan tegangan searah yang menghasilkan jumlah energy yang sama ketika melalu suatu pengantar dalam waktu yang sama. Besarnya arus efektifyang mengalir pada sebuah rangakain seperti pada gambar Dibawah dapat dihitung dengan cara sebagai berikut.

(9)

See more at: h ttp://nary-junary.blogspot.co.id/2014/11/arus-bolak-balik.html#sthash.4cYL22ss.dpuf

Sebuah induktor atau reaktor adalah sebuah komponen elektronika pasif

(kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi pada medan magnetyang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk

menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk

menjadikumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat di dalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Induktor adalah salah satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya

berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memprosesarus bolak-balik. Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi tanpa resistansi ataukapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Sebuah induktor pada kenyataanya merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena resistivitas kawat, dan beberapa

kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya di dalam inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan.

(10)

http://sucirahmadhani-tugas.blogspot.co.id/2012/02/5-artikel-tentang-induktor.html

R dan L Dihubung Paralel Dialiri Arus Bolak-Balik

Rangkaian yang diperlihatkan pada gambar di bawah mempunyai sifat bahwa tegangan yang mengalir pada setiap elemen adalah sama, tetapi besarnya arus total adalah merupakan jumlah pasor dari tiap-tiap elemen/cabang (Hukum Kirchoff Arus).

It

IR IL

R L

(a) (b)

Gambar Tahanan Murni (R) dan Induktor Murni (L) Dihubung Paralel

Besar arus total adalah : It =

IR + IL

= (IR + j0) + (0 - jIL) = IR - jIL

Gambar b dapat dicari besarnya faktor daya (cos ) dan sudut pergeseran fasa ( ), yaitu cos = IR / It  dan = arc cos IR / It

Besarnya impedansi Z adalah : R . XL Z =

---R2 + XL 2

R dan C Dihubung Paralel Dialiri Arus Bolak-Balik

(11)

Rangkaian R dan C yang dihubung paralel mempunyai sifat yang sama dengan R dan L dihubung paralel, yaitu tegangan pada setiap elemen adalah sama dan besarnya arus total juga merupakan jumlah dari pasor pada tiap-tiap elemen/cabang (perhatikan gambar di bawah).

It

C

(a) (b)

Gambar Tahanan Murni (R) dan Kapasitor Murni (C) Dihubung Paralel

Besarnya arus total adalah : It =

IR + IC

= (IR + j0) + (0 + jIC) = IR + jIC

Gambar b dapat dicari besarnya faktor daya (cos ) dan sudut pergeseran fasa ( ), yaitu cos = IR / It  dan = arc cos IR / It

Besarnya impedansi Z adalah : R . XC

IR IC

(12)

R2 + XC 2

staff.uny.ac.id/sites/default/.../Labsheet%20Rangkaian%20Listrik-8_0.pd

(13)

4. PROSEDUR PERCOBAAN

1. Periksalah kelayakan dan kelengkapan alat sebelum menggunakan alat-alat tesebut untuk praktikum.

2. Mulailah dengan merangkai Electromagnetism Trainer 12-100 terlebih dahulu. Rangkilah dengan menggunakan jumper (kabel penghubung) yang tersedia sehingga rangkaian pada papan ET 12-100 sesuai dengan petunjuk gambar yang tertera pada praktiku ini.

3. Setelah jumper telah selesai dirangkai diatas ET 12-100, maka pastikan kembali apakah rangkain yang dipasang dalam keadaan benar.

4. Hidupkan osiloskop dengan menggunakan channel yang berfungsi dengan baik untuk melihat hasil bentuk gelombang. Letakkan pengait (steak) dan jumper osiloskop ke posisi sesuai dengan gambar.

5. Lakukan hal yang sama terhadap Function Generator 4-16 kHz, 20 V pk-pk sine. Setelah rangkain sudah benar, maka alat bisa dihidupkan secara bersama.

6. Kemudian aturlah Vpk-pk di Function Generator 4-16 kHz, 20 V pk-pk sine sesuai dengan nilai yang telah ditentukan pada tabel dibawah ini.

7. Lakukan pengamatan terhadap bentuk gelombang yang didapat pada osiloskop dan lihat apa pengaruh yang terjadi selama frekuensi yang yang digunakan berbeda-beda.

8. Setelah percobaan selesai dilakukan, maka matikan alat-alat percobaan sesuai dengan prosedur dari asisten yang mengajar.

(14)

Gambar 4.1. Diagram Rangkaian

(15)

5.Data Hasil Percobaan

(16)

Frekuensi 16 hz

(17)

z terukur ¿ V

(18)

8.Analisa

Pada praktikum kali ini tanggal 15 september kami membahas tentang pengaruh frekuensi terhadap inductor yang di aliri oleh arus AC.Sebelum memulai praktikum kita pada kali ini kita lebih baik mengetahui tujuaan dari praktikum kali ini antara lain untuk melihat pengaruh frekuensi dalam bentuk gelombang, alat dan bahan yang di persiapkan untuk praktikum kita kali ini adalah livewire, dengan menggunankan live wire ini kita akan menggunakan rangkaian tertutup.dalam rangkaian tersebut kita gunakan komponen komponen antara lain siganal generator,ampermeter,osiloskop,dan digital multimeter untuk praktikum kita kali ini kami memberkan tegangan yang di naikkkan secara konstan antara lain 5volt,6volt,7volt,8volt,9volt.Begitu juga dengan frekuensiyang kita berikan yang kita naikkan secara konstanjuga,10z,12hz,14hz,16hz.

Dan dari data hasil percobaan yang kami dapatkan dengan menggunkan software livewire untuk frekuensi 10hz,mendapatkan ARUS TERUKUR dengan tegangan 5v=9,36vot,6v=10,95,7v=10,35,8v=15,75,9v=15,18,sedangkan untuk menghitung Z terukurnya kita gunakan rumus perbandingan antara tegangan dengan I terukur,untuk mendapatkan nilai I terukur itu sendiri kita dapatkan dari tegangan puncak yang dapat kita lihat dari osiloskop di mana kita akan mengambil gelombang pertama,tegangan akan berbanding lurus dengan I terukurnya,apabila tegangan naik maka nilai I terukur juga naik,dari tabel z terhitung nya juga dapat kita lihat pada

(19)

frekuensi 10hz=314,12hz=376,8,14hz=439,6,dari data yang kita dapat kan bahwa apabila frekuensi kita naikkan maka nilai dari Z terukur juga naik,namun nilai untuk frekuensi akan berbanding terbalik dengan Z terukur karena Z terukur yang kita dapatkan itu merupakan perbandingan tegangan dengan I terukur.Sehingga nilai yang kita dapatkan akan bebanding terbalik.

9.Kesimpulan

1.Frekuensi berbanding lurus dengan z terhitung

2.Tegangan akan berbanding lurus dengan I terukur

3.Frekuensi akan berbanding terbalik dengan z terukur

4.Kenaikan yang kita dapatkan di I terukur akan naik namun tidak konstan

5.Z terukur bebanding lurus dengan frekuensi

6.Pada praktikum kita kali ini kita mendapatkan hasil yang kurang memauaskan di karena kan keterbatasan alat.

(20)

9.Tugas dan Jawaban

1. Mengapa indonesia memakai standar frekuensi kelistrikan sebesar 50 Hz ? 2. Buktikan jika L=μ0μrAN

2

l

3. Gambarkan induktor secara manual lengkap dengan sumber AC, arah AC , arah medan magnet , dan fluks magnetnya dan tentukan dimana kutub utara dan selatan pada batang besinya ?

4. Apa yang dimaksud dengan reluktansi , fluks bocor , ampere turn ? 5. Dik : seutas kawat : 2×10−7_{Ω m} _, _panjang₌₅₀₀_m _,

luar penampang=250mm2 _{kemudian dibuat kumparan dengan} _X

L=10Ω berapa impedansinya ?

Penyelesaian :

1. Pada abad 19, berbagai macam frekuensi listrik AC digunakan di Amerika Serikat untuk keperluan yang berbeda. Saat itu, frekuensi yang paling lazim dipakai adalah 60 Hz. Alasannya sederhana, lampu pijar yang diproduksi oleh Westinghouse (sebuah perusahaan listrik terkemuka di Amerika saat itu),bekerja secara maksimal pada frekunsi 60 Hz. Berhubung Westinghouse adalah penguasa pasar, maka frekuensi yang digunakannya pun menjadi acuan bagi pabrikan lainnya.

(21)

Sementara itu, di Eropa, sebuah perusahaan li strik Jerman bernama AEG (anak perusahaan yang didirikan Edison di Jerman) memonopoli pasar di negaranya. Perusahaan ini menggunakan frekuensi 50 Hz. Perlahan namun pasti, angka ini pun menyebar ke seluruh Benua Eropa dan menjadi standar di sana.

Inggris Raya sedikit berbeda. Sampai dengan Perang Dunia II, berbagai frekuensi yang berbeda masih tetap digunakan. Setelah perang usai, barulah Inggris menggunakan angka 50 Hz sebagai standar di negaranya.

Nah, untuk Indonesia, berhubung selama 350 tahun lamanya menjadi koloni Belanda, maka standar yang digunakannya pun mengacu ke sana (Eropa). Itulah sebabnya listrik di negara kita menggunakan frekuensi 50 Hz dan bukan 60 Hz.

Jadi, penentuan angka 60 Hz maupun 50 Hz ini tidak ada kaitannya dengan sistem metrik manapun. Penentuan angka tersebut justru dipengaruhi oleh sejarah dan penguasaan pasar oleh perusahaan besar bernama Westinghouse di Amerika Serikat dan AEG di Jerman pada abad 19. Jika saja mereka bukanlah pemain utama pada saat itu, mungkin standar yang kita gunakan saat ini bisa berbeda.

2. Arus listrik yang melewati kabel, jalur-jalur pcb dalam suatu rangkain berpotensi untuk menghasilkan medan induksi. Ini yang sering menjadi pertimbangan dalam

(22)

mendesain pcb supaya bebas dari efek induktansi terutama jika multilayer. Tegangan emf akan menjadi penting saat perubahan arusnya fluktuatif. Efek emf menjadi signifikan pada sebuah induktor, karena perubahan arus yang melewati tiap lilitan akan saling menginduksi. Ini yang dimaksud dengan self-induced. Secara matematis induktansi pada suatu induktor dengan jumlah lilitan sebanyak N adalah akumulasi flux magnet untuk tiap arus yang melewatinya :

Dari pemahaman fisika, elektron yang bergerak akan menimbulkan medan elektrik di sekitarnya. Berbagai bentuk kumparan, persegi empat, setegah lingkaran ataupun lingkaran penuh, jika dialiri listrik akan menghasilkan medan listrik yang berbeda. Penampang induktor biasanya berbentuk lingkaran, sehingga diketahui besar medan listrik di titik tengah lingkaran adalah :

Medan Listrik

Jika dikembangkan, n adalah jumlah lilitan N relatif terhadap panjang induktor l. Secara matematis ditulis :

(23)

Lilitan per-meter

Lalu i adalah besar arus melewati induktor tersebut. Ada simbol m yang dinamakan permeability dan mo yang disebut permeability udara vakum. Besar permeability m

tergantung dari bahan inti (core) dari induktor. Untuk induktor tanpa inti (air winding) m = 1.

Jika rumus-rumus di atas di subsitusikan maka rumus induktansi (rumus 3) dapat ditulis menjadi :

L : induktansi dalam H (Henry)

μ_r : permeability inti (core) μ o : permeability udara vakum

μ o = 4p x 10-7

N : jumlah lilitan induktor

A : luas penampang induktor (m2₎ l : panjang induktor (m)

(24)

Inilah rumus untuk menghitung nilai induktansi dari sebuah induktor. Tentu saja rumus ini bisa dibolak-balik untuk menghitung jumlah lilitan induktor jika nilai induktansinya sudah ditentukan.

3.

4.

1. Reluktansi (R)= Perlawanan terhadap fluks medan magnet melalui volume yang diberikan dari ruang atau bahan.

2. Fluks bocor adalah kondisi kebocoran fluks yang terjadi karena ada beberapa fluks yang tidak menembus inti besi dan hanya melewati salah satu kumparan transformator saja. Fluks yang bocor ini akan menghasilkan induktansi diri pada lilitan primer dan sekunder sehingga akan berpengaruh terhadap nilai daya yang disuplai dari sisi primer ke sisi sekunder transformator.

3. Ampere turn atau Gaya gerak magnet (ggm) adalah perbedaan potensial magnet yang cenderung menggerakkan fluks disekitar cincin toroidal.

(25)

5. Diketahui : ρ=2×10−7

l=500m

A=250m m2

=250×10−6_m2

R=?

Jawaban : R=ρ× l A

R=2×10−7

× 500 250×10−6

R=2×10−7_×₂_×₁₀−6

R=4×10−1_{atau R}

=0,4Ω

(26)

DAFTAR PUSTAKA

Korps Asisten Laboratorium Fenomena Medan Elektromagnetik. 2015. Modul praktikum Medan Elektromagnetik. Indralaya : Universitas Sriwijaya.

_____. 2000. Jendela IPTEK Elektronika. Jakarta : Penerbit Erlangga.

_______.2008.induktansi AC (http://jokowidodo.wordpress.com /2008 /01/10/ induktansi AC diakses pada tanggal 13 september 2015).

______.2011.elektro.studentjournal.ub.ac.id/indexphp/teub/article/download/105/73( diakses pada tanggal 13 september 2015).

_______.2014 arus bolak balik ( http://nary-junary.blogspot.co.id/2014/11/arus-bolak-balik.html#sthash.sKTJEiza.dpuf di akses pada tanggal 13 september 2015)

(27)

11.LAMPIRAN

Lampiran grafik

frekuensi 10hz dan L 5

frekunsi 12hz dan L 5

(28)

(29)

Lampiran Gambar

Tegangan= 5v,Frekuensi=10hz

(30)

(31)

(32)