PETUNJUK PRAKTIKUM
RANGKAIAN LISTRIK
JURUSAN S1 & D3 TEKNIK ELEKTRO
LABORATORIUM DASAR TEKNIK ELEKTRO
SEKOLAH TINGGI TEKNIK-PLN
JAKARTA
KAMPUS :
Menara PLN, Jl. Lingkar Luar Barat, Duri Kosambi, Cengkareng
Jakarta Barat 11750
Telp. 021-5440342 - 44. ext 1306
PETUNJUK PRAKTIKUM
RANGKAIAN LISTRIK
Oleh :
IR. TASDIK DARMANA, MT
NOVI GUSTI PAHIYANTI, ST., MT
SIGIT SUKMAJATI, ST., MT
TONY KOERNIAWAN, ST., MT
OKTARIA HANDAYANI, ST., MT
LABORATORIUM DASAR TEKNIK ELEKTRO
SEKOLAH TINGGI TEKNIK-PLN
1. Datang 15 menit sebelum praktikum.
2. Pada saat praktikum memakai pakaian rapih (pakaian berkerah, bersepatu dan menggunakan jas laboratorium).
3. Cover tugas rumah & laporan diketik komputer (berwarna). 4. Membawa kartu praktikum.
5. Mengerjakan tugas rumah.
6. Kartu praktikum hilang, lapor ke koordinator asisten (koordas) masing-masing. 7. Membawa alat tulis, milimeterblock, penggaris dan steples.
8. Nilai tes awal < 50 tidak dapat mengikuti praktikum.
9. Apabila ada alat praktikum yang rusak selama praktikum berlangsung tanggung jawab praktikan.
10.Selama praktikum tidak boleh keluar ruangan. 11.HP di silent.
12.Menjaga kebersihan dan ketertiban.
Apabila praktikan melanggar salah satu peraturan di atas maka asisten, koordinator asisten (koordas) dan dosen Laboratorium Dasar Teknik Elektro berhak mengeluarkan praktikan.
Kepala Laboratorium Dasar Teknik Elektro
Tugas Rumah
Modul 1 Hukum Ohm & Kirchoff Arus & Tegangan
Laporan Praktikum Modul 1 Hukum Ohm & Kirchoff
Arus & Tegangan
Nama : NIM : Kelas : Kelompok : Jurusan : Tgl Praktikum :
Laboratorium Dasar Teknik Elektro STT-PLN Jakarta
2016
Nama : NIM : Kelas : Kelompok : Jurusan : Tgl Praktikum : Asisten :
Berawarna
Laboratorium Dasar Teknik Elektro STT-PLN Jakarta
2016
Contoh Lembar Tugas Rumah dan Laporan :
Format Laporan : 1. Judul
2. Tujuan
3. Alat-alat dan Perlengkapan 4. Teori
5. Cara Kerja 6. Data Pengamatan 7. Tugas Akhir 8. Analisa 9. Kesimpulan 2 cm
2 cm
2 cm
1.5 cm Edho Aditia R
2013-11-059
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 1
MODUL I
HUKUM OHM DAN KIRCHOFF ARUS DAN TEGANGAN
I.
TUJUANa. Memahami secara visual teori teori dasar dalam rangkaian listrik arus searah, khususnya yang berkaitan dengan Hukum Ohm dan Hukum Kirchoff
b. Mengenal lebih jauh hubungan antara tegangan dan arus dalam rangkaian listrik arus searah
II. ALAT & BAHAN
a. Sumber tegangan (power supply) b. Multitester
c. Kabel – kabel penghubung d. Resistor
III. TEORI
a. Hubungan antara arus dan tegangan
Dengan rangkaian seperti gambar 1.1 dibawah ini, berlaku persamaan
V
I
R
Gambar 1.1
V = I.R (Pers 1.1)
Secara matematis, persamaan di atas adalah linier, artinya dengan nilai V dan R yang tertentu akan didapatkan suatu nilai I yang tertentu juga. Dalam prakteknya dijumpai tahanan yang bersifat linier dan non linier, tergantung dari penggunaan dari masing – masing komponen tahanan.
Misalnya :
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 2 PTC = Positif Temperature Coeficient
Photo Resistor = tahanan yang nilai resistansinya tergantung pada cahaya
Gauge Pressure Resistor = tahanan yang nilai resistansinya tergantung pada tekanan / regangan mekanis
Komponen semi konduktor dan gas – gas lampu tabung
b. Hukum Kirchoff
Hukum Kirchoff untuk arus ( Hukum Kirchoff I) adalah :
Jumlah arus yang masuk ke dalam suatu titik pada suatu rangkaian adalah sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik tersebut (berlaku hokum kekekalan muatan).
Dari hokum ini terkandung suatu pengertian bahwa, pada suatu rangkaian (tanpa percabanagn) besarnya arus adlaah sama di mana – mana, jadi :
I1 = I2 + I3 (Pers 1.2)
I1 = I2 + I3 I3 (Pers 1.3)
Hukum Kirchoff untuk tegangan (Hukum Kirchoff II) adalah jumlah beda tegangan pada suatu rangkaian tertutup adalah sama dengan nol.
CD BC
AB V V
V V
V
0(Pers 1.4)
I1
I3
I2
Gambar 1.2
V
R
2Gambar 1.3
R
3R
1I
2I
3I
1V
Gambar 1.4 R1
R2
R3 A
D C
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 3
IV. DAFTAR PUSTAKA
Dorf C. Richard, James A. Svodoba, 1996, Introduction to Electric Circuits, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Singapore
V. TUGAS RUMAH
1. Apa yang dimaksud dengan arus ? 2. Apa yang dimaksud dengan tegangan ? 3. Apa fungsi dari resistor pada percobaan ini ?
4. Sebutkan langkah – langkah dalam pembacaan sebuah resistor (4 gelang dan 5 gelang) ?
5. Apa bunyi hukum Ohm ?
VI. PERCOBAAN
6.1 Hubungkan Arus dan Tegangan
V
A
R
Gambar 1.5
a. Buat rangkaian seperti pada gambar 1.5 dengan suatu R sembarang (sebut R1) pada breadboard
b. Pada posisi tegangan sumber variable = 0, hidupkan sumber tegangan.
c. Naikan tegangan secara bertahap dari 0 samapai dengan 10 Volt (sepuluh tahap) dan amati besarnya arus yang mengalir pada setiap tahap kenaikan tegangan.
d. Turunkan kembali tegangan sumber dan matikan.
e. Ulangi percobaan a sampai dengan d diatas dengan tahanan yang berbeda (R2 dan kemudian R3).
f. Catat nilai tahanan yang saudara gunakan berdasarkan kode warna dari masing – masing tahanan.
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 4 h. Bandingkan hasil perhitungan tersebut dengan nilai tahanan yang didapat dari kode
warna.
6.2 Hukum Kirchoff untuk Arus
V
Gambar 1.6
A
1A
2A
3R
1R
2R
3a. Buat rangkaian seperti pada gambar 1.6
b. Gunakan tegangan tetap 5 V dan tahanan R1, R2 dan R3 sembarang.
c. Sebelum sumber tegangan dinyalakan periksa rangkaian percobaannya sekali lagi dan pastikan selector multimeter sudah berada pada posisi yang benar (multimeter sebagai amperemeter)
d. Nyalakan sumber tegangan, amati dan catat arus yang mengalir pada semua cabang (A1, A2 dan A3) serta tegangan sumber.
e. Matikan sumber tegangan dan catat nilai tahanan yang digunakan (R1, R2 dan R3). f. Ulangi percobaan a sampai dengan e dengan konfigurasi nilai tahanan yang
berbeda (gunakan 5 konfigurasi).
6.3 Hukum Kirchoff untuk Tegangan
V
Gambar 1.7
R1 R2
R3
V1 V2 V
3
a. Buat rangkaian seperti gambar 1.7 dibawah ini
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 5 c. Sebelum sumber tegangan dinyalakan periksa rangkaian percobaannya sekali lagi dan pastikan selector multimeter sudah berada pada posisi yang benar (multimeter sebagai voltmeter)
d. Nyalakan sumber tegangan, amati dan catat arus yang mengalir pada semua cabang (A1, A2 dan A3) serta tegangan sumber.
e. Matikan sumber tegangan dan catat nilai tahanan yang digunakan (R1, R2 dan R3). f. Ulangi percobaan a sampai dengan e dengan konfigurasi nilai tahanan yang
berbeda (gunakan 5 konfigurasi).
g. Buat analisa dan kesimpulan dari hasil percobaan anda.
VII. DATA PENGAMATAN
1. Hubungan Arus dan Tegangan
R (Ω) V (Volt) I (mA) R (Ω) V (Volt) I (mA)
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
8 8
9 9
10 10
2. Hukum Kirchoff untuk Arus
V (Volt) R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω) I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) 5
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 6
3. Hukum Kirchoff untuk Tegangan
V (Volt) R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω) V1 (Volt) V2 (Volt) V3 (Volt) I (mA) 5
5 5
VIII. TUGAS AKHIR DAN PERTANYAAN
1. Dari percobaan 6.1 untuk masing – masing harga R yang telah ditentukan, hitunglah arus yang mengalir pada rangkaian ?
2. Berapakah kesalahan relative arus dari percobaan 6.1 ?
3. Dari percobaan 6.2 hitunglah arus yang mengalir pada masing – masing harga R ? 4. Berapakah kesalahan relative arus dari percobaan 6.2 ?
5. Dari percobaan 6.3 hitunglah tegangan yang mengalir pada masing – masing harga R ?
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 7
MODUL II
RANGKAIAN PENGGANTI
I. TUJUAN
a. Memahami konsep rangkaian pengganti dari satu rangkaian yang terdiri dari sekumpulan tahanan seri dan pararel
b. Memahami secara visual penerapan dari teori superposisi
c. Memahami suatu metode analisa rangkaian yang berfungsi untuk menyederhanakan rangkaian yang kompleks / rumit menjadi rangkaian ekivalen yang sederhana yaitu dengan menggunakan teorema thevenin
II. ALAT & BAHAN
a. Tahanan (resistor) dengan nilai yang ditentukan b. DC power supply
c. Multitester
d. Kabel – kabel penghubung
III. TEORI
a. Rangakaian Delta (∆) dan Rangkaian Wye (Y)
A
B
C
R1 R2
R3
Gambar 2.1 Rangkaian Delta
RC R
B
RA
A
B
C
Gambar 2.2 Rangkaian Wye
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 8 3 2 1 3 1. R R R R R Rc (Pers 2.3)
Sedangkan transformasi dari Wye ke delta diperoleh dari persamaan :
b c b c a b a R R R R R R R
R1 ( . )( . )( . )
(Pers 2.4) c c b c a b a R R R R R R R
R2 ( . )( . )( . )
(Pers 2.5) a c b c a b a R R R R R R R
R3 ( . )( . )( . )
(Pers 2.5)
b. Teori Superposisi
Prinsip dasar teori superposisi adalah pengaruh semua sumber tegangan/arus pada suatu titik / cabang dalam suatu rangkaian listrik adalah sama dengan jumlah aljabar dari pengaruh masing – masing sumber tegangan / arus yang bekerja sendiri – sendiri secara individu. Perhatikan gambar berikut !
R1
R2
R3
E1 E2 E3
IR2
Gambar 2.3
Nilai IR2 = IR21 + IR22 + IR23
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 9
R1
R2
R3
E1
IR21
Gambar 2.4. E2 dan E3 tidak bekerja
R1
R2
R3
E2
IR22
Gambar 2.5. E1 dan E3 tidak bekerja
R1
R2
R3
E3
IR23
Gambar 2.6. E1 dan E2 tidak bekerja
c. Teorema Thevenin
Teorema ini menyatakan bahwa setiap rangkaian tahanan dan terminal dan sumber – sumber tegangan dapat digantikan dengan suatu rangkaian sederhana yang terdiri dari satu tahanan, disebut RTh (R Thevenin) dari satu sumber tagangan, disebut sebgai VTh (V Thevenin). Dengan teorema ini, arus beban R1, pada rangkaian ekivalen akan sama dengan arus beban pada rangkaian aslinya. Persyaratan yan harus dipenuhi :
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 10 Tegangan RTh adalah tegangan yan dilihat dari terminal – terminal beban dengan sumber tegangan dihilangkan
R1
R2 RL
V
Gambar 2.7
V R R
R VTh
2 1
2
(Pers 2.6)
2 1
2 1.
R R
R R RTh
(Pers 2.7)
RTh
RL VTh
Gambar 3.0
R2 V
VTh R1
Gambar 2.8
R2 R
Th R1
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 11
IV. DAFTAR PUSTAKA
Dorf C. Richard, James A. Svodoba, 1996, Introduction to Electric Circuits, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Singapore
V. TUGAS RUMAH
1. Sebutkan dan jelaskan metode – metode dalam menganalisa rangkaian listrik ? (minimal 3)
2. Gambarkan rangkaian dari masing – masing metode ! sebutkan dan jelaskan langkah – langkahnya !
3. Apa yang dimaksud dengan metode pembagi tegangan? dan tuliskan penurunan rumusnya
4. Apa yang dimaksud dengan metode pembagi arus? dan tuliskan penurunan rumusnya
VI. PERCOBAAN
6.1 Transformasi Wye - Delta
A
R
1R
2R
3R
4R
5R
6Gambar 3.1
A
R
P5 V
Gambar 3.2
Rangkaian Pengganti :
a. Buat rangkaian seperti gambar 3.1 (tentukan sendiri nilai R1 sampai dengan R6 dan catat nilai tahanannya masing – masing)
b. Beri tegangan sebesar 5 V dan catat arus yang mengalir.
c. Dengan metode transformasi wye – delta hitung tahapan pengganti rangkaian tersebut dan pilih tahanan yang nilainya sama / mendekati hasil perhitungan.
d. Buat rangkaian seperti gambar 3.2
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 12
1.2Rangkaian Superposisi
R2
E1=12 V
Gambar 3.3
R1
A
E1=6 V
E3=9 V
R3
R2
E1=12 V
Gambar 3.4
A
IR21
R1 R3
R2
Gambar 3.5 A
E1=6 V
R3
R1
IR22
R2
Gambar 3.6 R1
A
E3=9 V
R3
IR23
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 13 c. Hitung secara matematis arus yang seharusnya mengalir pada R2 dan bandingkan
dengan b
d. Buat rangkaian seperti gambar 3.4 e. Ukur arus yang mengalir pada R2
f. Ukur d dan e dengan rangkaian seperti gambar 3.5 dan 3.6
g. Jumlahkan ketiga hasil pengukuran arus pada e tersebut dan bandingkan dengan a dan c
h. Ulangi percobaan a sampai dengan d dengan konfigurasi R1, R2 dan R3 yang berbeda
1.3Teorema Thevenin
A
9 V
R
1R
2R
3Gambar 3.7
A
V
ThR
1R
3Gambar 3.8
a. Buat rangkaian seperti gambar 3.7 tentukan sendiri nilai R1, R2 dan R3 (R3 sebagai beban)
b. Beri tegangan 9 Volt dan catat arus yang mengalir pada R3
c. Hitung VTh dan RTh untuk rangkaian 3.7 di atas dan buatlah rangkaian seperti gambar 3.8 berdasarkan data yang diperoleh
d. Catat arus yang mengalir pada R3 e. Bandingkan hasil pengukuran b dan d
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 14
II. DATA PENGAMATAN 1. Transformasi Wye - Delta
E (Volt) R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω) R4(Ω) R5(Ω) R6(Ω) I (mA) 5
5 5
E (Volt) Rp(Ω) I (mA) 5
5 5
2. Rangkaian Superposisi
E1 (Volt) E2 (Volt) E3 (Volt) R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω) IR2 (mA)
12 6 9
12
6
9
E1 (Volt) E2 (Volt) E3 (Volt) R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω) IR2 (mA)
12 6 9
12
6
9
E1 (Volt) E2 (Volt) E3 (Volt) R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω) IR2 (mA)
12 6 9
12
6
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 15
3. Teorema Thevenin
E1 (Volt) R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω) IR3 (mA) 9
9 9
VTh (Volt) RTh(Ω) R3(Ω) IR3 (mA)
III. TUGAS DAN PERTANYAAN
1. Hitung secara matematis nilai tahanan pengganti (Rp) untuk pecobaan 6.1? 2. Hitung secara matematis nilai arus yang mengalir pada rangkaian percobaan 6.1? 3. Bandingkan nilai arus sesuai hasil percobaan dan nilai arus sesuai hasil perhitungan
soal no 2 di atas ?
4. Hitung besarnya arus IR2 yang mengalir pada rangkaian untuk percobaan 6.2?
5. Bandingkan hasil masing – masing nilai IR2 yang anda peroleh dari percobaan dan hasil perhitungan no 4 di atas?
6. Berapakah nilai RTh dari percobaan 6.3 ? 7. Berapakah nilai ITh dari percobaan 6.3 ?
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 16
MODUL III
RANGKAIAN ARUS BOLAK BALIK
I. TUJUAN
a. Mempelajari karakteristik tegangan dan arus pada sistem arus bolak – balik b. Mengamati penerapan hukum Kirchoff pada sistem arus bolak balik
II. ALAT & BAHAN
e. Tahanan (resistor) dengan nilai yang ditentukan f. DC power supply
g. Multitester
h. Kabel – kabel penghubung
III. TEORI
Sudut fase tegangan dan arus :
Pada sistem arus searah tidak dikenal adanya perbedaan sudut fase antara arus dan tegangan. Tetapi pada arus bolak balik, arus dan tegangan mempunyai sudut fase (terhadap suatu referensi). Namun demikian, dalam diagram vektor ataupun perhitungan, adakalanya perlu disebutkan fase mana yang menjadi referensi.
Bila sudut tegangan sumber dijadikan referensi, maka sudut fase arusnya tergantung dari jenis beban yang dicatu.
Beban resistif murni :
I V
V I
ωt
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 17 Beban induktif :
V
I
θ
V
I
ωt
Gambar 3.4 Bentuk Gelombang
θ
Gambar 3.3 Diagram Fasor
Beban induktif membuat fase arusnya tertinggal 900 terhadap fase tegangan Beban kapasitif :
V I
θ
V I
ωt
Gambar 3.6 Betuk Gelombang
θ
Gambar 3.5 Diagram Fasor
Beban kapasitif membuat fase arusnya mendahului 900 terhadap fase tegangan
Hukum Kirchoff Pada Sistem Arus Bolak Balik
Hukum Kirchoff tetap berlaku juga pada sistem arus bolak balik, yang perlu diperhatikan adlaah penjumlahan dari komponen – komponen arus / tegangan harus memperhatikan sudut fase dari masing – masing komponen tersebut (tidak bias dijumlahkan secara langsung). Perhatikan ilustrasi dibawah ini :
Seri Resistor, Induktor dan Kapasitor
Komponen resistor, induktor dan kapasitor apabila dirangkai secara seri dan dihubungkan dengan tegangan arus bolak balik dapat digambarkan sebagai berikut :
VR VL VC
L C
R
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 18 Besaran – besaran yang dapat dihitung pada rangkaian seri R – L – C adalah sebagai berikut :
1. Tegangan pada rangkaian
C C L L R X I V X I V R I V . . . (Pers 3.1) Tegangan totalnya adalah :
2 2 2
C L
R V V
V
V
(Pers 3.2)
2. Hambatan pada rangkaian :
2 2 ) ( 1 , C L C L X X R Z C X L X (Pers 3.3) 3. Diagram fasor pada rangkaian R – L – C adalah :
R X X V V V
Tang L C
R C
L
(Pers 3.4) θ VL VC VR θ XL XC VR
Gambar 3.8 Gambar 3.9
Resonansi rangkaian LC atau RLC
Untuk nilai tegangan maksimum Vm tetap, maka nilai maksimum
Z V I m
m mencapai nilai terbesar ketika impedansi z mencapai nilai terkecil, yaitu Z = R. Terjadinya nilai
m
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 19 LC f LC f LC LC C L X X r es r es r es C L 1 . 2 1 1 2 1 1 1 2 (Pers 3.5) Dimana :
fres = frekuensi resonansi (Hertz) L = induktan diri induktor (Henry) C = kapasitansi dari kapasitor (Farad)
IV. DAFTAR PUSTAKA
Dorf C. Richard, James A. Svodoba, 1996, Introduction to Electric Circuits, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Singapore
V. TUGAS RUMAH
1. Apa yang dimaksud dengan sudut fase ?
2. Apa yang anda ketahui tentang arus searah dan bagaimana bentuk gelombangnya ? 3. Apa yang anda ketahui tentang arus bolak – balik dan bagaimana bentuk
gelombangnya ?
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 20
VI. PERCOBAAN
6.1Karakteristik Arus dan Tegangan Arus Bolak Balik Pada Komponen R, L dan C
V A
VS
A B
C R
L
Gambar 3.10
V A
VS
A B
C R
C
Gambar 3.11
V A
VS
A B
C R
C L
Gambar 3.12
a. Buat rangkaian seperti gambar 3.10
b. Atur tegangan sumber VS sampai bernilai 2 Volt rms
c. Tampilkan bentuk gelombang tegangan VS pada kanal 1 dengan menghubungkan oscilloscope pada titik A – C
d. Tampilkan bentuk gelombang arus pada kanal 2, dengan cara menghubungkan probe pada titik A – B, kemudian bentuk gelombang tegangan Vr dengan menghubungkan probe pada titik B – C
e. Catat penunjukan Amperemeter dan Voltmeter, serta gambar bentuk – bentuk gelombang pada point c dan d di atas
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 21
6.2Karakteristik Arus dan Tegangan Arus Bolak Balik Pada Beban / Impedansi
A
VS
A B
C R
C L
Gambar 3.13
VR VL V
C
a. Buat rangkaian seperti gambar 3.13 di atas. Tentukan sendiri nilai R, L dan C yang digunakan. Hitung nilai impedansinya
b. Atur tegangan sumber VS sampai bernilai 2 rms, catat besar tegangan VR, VL dan VC
c. Tampilkan bentuk gelombang VS pada kanal 1, kemudian tampilkan pada kanal 2 gelombang teganagn VR, VL dan VC
d. Dari masing – masing bentuk gelombang tersebut tentukan sudut fasenya, dan gambarkan bentuk gelombangnya
e. Gambar diagram vektor tegangan dan ambil kesimpulan apakah beban tersebut lead atau lag
f. Ulangi percobaan diatas dengan konfigurasi R, L dan C yang berbeda ( 3 konfigurasi)
6.3Hukum Kirchoff Untuk Arus
VS
AR
AL AC
A
C R
L
Gambar 3.14
a. Buat rangkaian seperti gambar 3.14 di atas
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 22 c. Tampilkan bentuk gelombang VS pad akanal 1, bentuk – bentuk gelombang arus dan kemudian bentuk – bentuk gelombang tegnagn pada masing – masing cabang pada kanal 2 secara bergantian dan gambarkan dalam satu koordinat
d. Tentukan sudut fase dari gelombang arus di atas dan gambarkan diagram vektornya (vektor VS sebagai referensi)
VII. DATA PENGAMATAN
1. Karakteristik Arus dan Tegangan Arus Bolak Balik Pada Komponen R, L dan C
Gambar 3.10
V (Volt) R(Ω) L (mH) I (mA)
2
Beda Fasa
VS - VR VS - VL
Gambar bentuk gelombangnya
Gambar 3.11
V (Volt) R(Ω) C (µF) I (mA)
2
Beda Fasa
VS - VR VS– VC
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 23
Gambar 3.12
V (Volt) R(Ω) L (mH) C (µF) I (mA)
2
Beda Fasa
VS - VR VS - VL VS– VC
Gambar bentuk gelombangnya
2. Karakteristik Arus dan Tegangan Arus Bolak Balik Pada Beban / Impedansi
V (Volt) R(Ω) L (mH) C (µF) I (mA) VR (Volt) VL (Volt) VC (Volt) 2
Beda Fasa
VS - VR VS - VL VS– VC
Gambar bentuk gelombangnya
3. Hukum Kirchoff Untuk Arus
V (Volt) R(Ω) L (mH) C (µF) I (mA) IR (mA) IL (mA) IC (mA) 2
Beda Fasa
VS - VR VS - VL VS– VC
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 24
VIII TUGAS DAN PERTANYAAN
1. Hitung beda fasa antara VS dan VR pada percobaan 5.1, VS dengan I dan Vr dengan I secara grafis (dengan melalui bentuk gelombang oscilloscope), serta bandingkan dengan hasil perhitungan secara matematis dengan menggunakan nilai komponen yang anda gunakan
2. Gambarkan diagram vektor dari percobaan 5.1
3. Dari masing – masing bentuk gelombang pada percobaan 5.2, tentukan sudut fasenya serta gambar bentuk gelombangnya
4. Gambar diagram vektor tegangan pada percobaan 5.2 dan tentukan apakah beban tersebut lead atau lag
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 25
MODUL IV
RANGKAIAN TRANSIENT
I. TUJUAN
a. Memahami pengertian konstanta waktu secara visual
b. Mencari konstanta waktu dari rangkaian RC dan RL yang dicatu dengan sumber daya arus searah
II. ALAT & BAHAN
a. Sumber tegangan b. Multitester
c. Induktor d. Kapasitor
e. Kabel penghubung f. Stopwatch
III. TEORI
3.1 Rangkaian RC
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 26
C R S
E +
-Gambar 4.1 Saklar S sudah lama terbuka
C R S
E +
-Gambar 4.2 Saklar S baru saja tertutup
t = 0 i = E/R VC = 0
VC
+
- C
R E +
-Gambar 4.3 Saklar S sudah lama tertutup
t = >> i = 0 VC = E
VC
+ -S
Kondisi peralihannya sebagai berikut :
Pada saat t = 0, saklar ditutup dan arus mulai mengalir. Besar aliran arus merupakan fungsi dari waktu, nilai tahanan R dan kapasitansi C. Besar tegangan pada kapasitor C terhadap waktu mengikuti persamaan :
) 1
( t/RC c E e V
(Pers 4.1) Bentuk gelombangnya :
tk t
VCK
E VC
Gambar 4.4
Dimana VCK = besar tegangan kapasitor pada konstanta waktu = ± 0,8 E tK = konstanta waktu
Sedangkan besarnya arus pengisian yang mengalir adalah : RC t C e R V I /
(Pers 4.2)
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 27 C
R E +
-Gambar 4.5 Saklar S sudah lama pada posisi 1
i = 0 VC = E
VC + -1 2 C R E +
-Gambar 4.6 Saklar S baru sesaat dipindahkan dari posisi 1 ke posisi 2
VC + -1 2 S S C R E +
-Gambar 4.7 Saklar S sudah lama pada posisi 2
VC = E i = 0
VC + -1 2 S
Kondisi peralihan yang terjadi adalah sebagai berikut :
Sesaat setelah saklar dipindahkan dari posisi 1 k e posisi 2, terjadi aliran arus / pelepasan muatan kapasitor melalui rangkaian tertutup dengan melewati pelawan / tahanan R. tegangan kapasitor turun secara eksponensial dengan kecepatan penurunan yang merupakan fungsi dari waktu, nilai R dan C.
Besar tegangan kapasitor mengikuti persamaan : RC
t C C V e V (0) /
(Pers 4.3) Sedangkan arus pelepasan muatan kapasitor kurang lebih sama dengan arus pengisiannya. Bentuk gelombang tegangan kapasitor sesuai persamaan di atas adalah : RC t C e R V I (0) /
(Pers 4.4)
E VC
t Gambar 4.8
3.2 Rangkaian RL
Baik kapasitor maupun induktor, kedua – duanya mempunyai kemampuan untuk menyimpan energy. Pada kapasitor, energy disimpan dalam bentuk akumulasi muatan listrik. Sedangkan ada induktor, energy disimpan dalam bentuk medan magnet.
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 28 peralihan pada rangkaian RC (gambar 4.1, 4.2, 4.3 dan gambar 4.5, 4.6, 4.7), hanya saja kalau pada rangkaian RC yang menjadi titik perhatian adalah perubahan tegangan pada kapasitor C, sedangkan pada rangkaian RL adalah aliran arusnya. Kondisi peralihan pada rangkaian RL mengikuti persamaan :
) 1
( e (R/L)t R
E I
(Pers 4.5) Yang berlaku untuk gambar 4.9, dan
t L R e R E I ( / )
(Pers 4.6)
Yang berlaku untuk gambar 4.10
R E +
-Gambar 4.9 Pada saat t = 0, saklar S ditutup ke posisi 1
1 2 S L + -VL R E +
-Gambar 4.10 Pada saat t = 0, saklar S dipindah posisinya
(dari 1 ke 2) 1 2 S L + -VL
Pada gambar 4.9, arus tidak bisa secara langsung mengikuti hokum Ohm karena adanya perlawanan dari induktor (berupa tegangan induksi sebesar
dt di L )
Pada gambar 4.10, energy electromagnet yang tersimpan pada induktor dapat diubah kembali menjadi energy listrik, sehingga terjadi aliran arus.
IV DAFTAR PUSTAKA
Dorf C. Richard, James A. Svodoba, 1996, Introduction to Electric Circuits, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Singapore
V TUGAS RUMAH
1. Apa yang dimaksud dengan rangkaian transient ?
2. Jelaskan cara kerja kapasitor dan induktor pad arangkaian transient dan sertakan gambarnya?
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 29
VI. PERCOBAAN 6.1 Rangkaian RC
C
V
C+
-E
+
-S
V
A
R
Gambar 4.11
C
V
C+
-E
+
-S
V
A
R
Gambar 4.12
6.1.1 Mengukur Total Waktu Pengisian
a. Buat rangkaian seperti pada gambar 4.11
b. Pilih nilai R dan C yang besar misalkan (R = 100 KΩ, C =100 βF)
c. Pastikan besar tegangan sumber (ukur dengan voltmeter), kemudian siapkan alat ukur (stopwatch)
d. Pada t – 0, masukan saklar s dan catat waktu yang diperlukan sampai VC bernilai sama dengan tegangan sumber.
6.1.2 Membuat Kurva Pengisian Muatan
a. Ulangi prosedur percobaan 6.1.1 a dan c
b. Pada saat t = 0, masukan saklar s dan perhatikan jalannya jarum stopwatch c. Pada nilai t1 (misalkan 0,5 detik) matikan saklar
d. Ukur tegangan VC kemudian buang muatan C
e. Ulangi prosedur 6.1.2 b, c dan d untuk waktu yang berbeda (1, 1.5, 2 dst) sampai t = total waktu pengisian yang didapatkan dari percobaan 6.1.1
f. Ulangi prosedur 6.1.1 dan 6.1.2 untuk nilai RC yang berbeda (total 3 nilai)
6.1.3 Mengukur Waktu Pelepasan Muatan
a. Buatlah rangkaian seperti gambar 4.1.2
b. Masukan saklar S pada posisi 1 dan tunggu beberapa saata sampai VC = V
c. Pada t = 0 pindah ke posisi 2 dan amati waktu yang diperlukan sampai VC benar – benar bernilai = 0 Volt
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 30
6.2 Rangkaian RL
6 V + -S
A
R
Gambar 4.14
L 6 V +
-S
A
R
Gambar 4.13
L
6.2.1 Mengukur Waktu Kondisi Mantap Pengijeksian Tegangan
a. Buat rangkaian seperti gambar 4.1.3 b. Pilih nilai R yang kecil (sekitar (100 Ω)
c. Pada t =0, masukan saklar s dan amati waktu yang diperlukan sampai arus menjadi stabil (tidak mengalami kenaikan lagi)
d. Ulangi percobaan 6.2.1 a dan b untuk nilai R yang berbeda (3 nilai)
6.2.2 Mengukur Waktu Kondisi Mantap Pelepasan Tegangan
a. Buat rangkaian seperti gambar 4.1.4 b. Pilih nilai R yang kecil (sekitar (100 Ω)
c. Masukan saklar S pad aposisi 1 dan tunggu beberapa saat sampai arus tidak mengalami kenaikan lagi
d. Pada t = 0, pindah S ke posisi 2 dan amati waktu yang diperlukan sampai arus benar – benar menjadi 0
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 31
VII. DATA PENGAMATAN
1. Rangkaian RC
a. Total Waktu Pengisian
R (Ω) C (μF) t (detik) VC E
b. Kurva Pengisian dan Pelepasan Muatan
R (Ω) C (μF) Pengisian Pelepasan E
t (detik) VC t (detik) VC
2. Rangkaian RL
Total Waktu Pengisian Tegangan
R (Ω) L (mH) Pengisian Pelepasan E
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 32
VIII. TUGAS & PERTANYAAN
1. Turunkan persamaan – persamaan kondisi transient, baik untuk tegangan dan arusnya (untuk rangkaian RC dan rangkaian RL)
2. Dari data pengamatan waktu dan tegangan yang saudara peroleh dari percobaan 6.1, buatlah gelombang tegangan pengisian dan pelepasan muatan kapasitor. Secara grafis tentukan konstanta waktu masing – masing rangkaian
3. Hitung konstanta waktu dari masing – masing rangkaian di atas secara matematis dan bandingkan dengan hasil soal no 2
4. Secara matematis, hitung waktu kondisi stabil yang diperlukan oleh rangkaian RL pada percobaan 6.2
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 33
MODUL V
RANGKAIAN RESONANSI
I. TUJUAN
a. Mengamati pengauh frekuensi sumber daya arus bolak balik terhadap nilai resistansi dan reaktansi (induktif & kapasitif) rangkaian R, L dan C
b. Mencari frekuensi resonansi pada peristiwa resonansi arus dan tegangan
II. ALAT & BAHAN
a. Sumber tegangan arus bolak balik b. Fungtion Generator
c. Multitester d. Resistor e. Induktor f. Kapasitor
g. Kabel penghubung
III. TEORI
3.1 Pengaruh Sistem Arus Bolak Balik 3.1.1 Terhadap Resistor
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 34
f
Gambar 5.1 Kerapatan Arus Pada Suatu Penghantar
Sebagai akibatnya, sesuai persamaan :
A l R
(Pers 5.1)
Dimana R adalah nilai resistansi, ρ adalah tahanan jenis dan A adalah luas penampang. Maka nilai resistansi akan naik sesuai dengan frekuensi sumber (karena mengecilnya nilai A). Efek ini dikenal dengan sebutan efek kulit (skin effect).
3.1.2 Terhadap Induktor
Pada sistem arus searah (kondisi mantap), induktor tidak memberikan pengaruh apapun selain adanya resistansi dari lilitan kawatnya (yang kadang-kadang sering diabaikan karena nilainya yang kecil). Namun pada sistem arus bolak balik, terdapat perlawanan lain yang disebut dengan induktif (XL).
L f
XL 2 (Pers 5.2)
Dimana XL adalah resistansi induktif (Ω), f adalah frekuensi (Hz) dan L adalah induktansi (Henry). Nilai resistansi berubah – ubah tergantung dari frekuensi sumber. Bila ZL adalahimpedansi, maka pada sistem arus bolak balik induktor akan memberikan impedansi sebesar :
L L
L R jX
Z (Pers 5.3)
Dimana XL adalah resistansi induktif murni (selanjutnya disebut reaktansi saja) dan RL adalah nilai resistansi murni murni dari induktor. Selanjutnya :
L L
L R X
Z 2
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 35
AC VS
I
L
Gambar 5.2 Rangkaian Semula
AC VS I
Lmurni
Gambar 5.3 Rangkaian Ideal VL
VR
RL
Dari gambar 5.3, dapat dituliskan persamaan tegangannya :
Z I V X I V R I V s L L L R (Pers 5.5) Diagram vektor ditunjukan pada gambar 5.4 di bawah
VL
VR VS
Φ
Gambar 5.4 Diagram Vektor Rangkaian Induktif
3.1.3. Terhadap Kapasitansi
Pada sistem arus searah (kondisi mantap), aliran arus ditahan oleh kapasitor, sedangkan pada sistem arus bolak balik arus dihantarkan dengan suatu perlawanan (disebut dengan reaktansi kapasitif).
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 36
3.2 Frekuensi Resonansi
Kita sudah mempelajari bahwa nilai reaktansi berubah terhadap perubahan frekuensi. Pada rangkaian yang mengandung induktor dan kapasitor (baik seri maupun pararel) dapat terjadi suatu kondisi dimana nilai XC = XL yang disebut dengan resoanansi.
3.2.1 Resonansi Tegangan (Resonansi Seri)
Pada rangkaian seri RLC dapat terjadi resonansi yang disebut resonansi tegangan.
AC VS C
L
Gambar 5.5 Rangkaian Seri LC
AC V S VL VR RL C L VC
Diagram vektor dari gambar 5.5 dapat digambarkan sebagai berikut :
I VL
VL-VC
VR
V XC
XL - XC
R XL
I VR
VC
VL
Gambar 5.6 Gambar 5.7 Gambar 5.8
Gambar 5.8 menunjukan diagram vektor tegangan pada saat terjadi resonansi. Dari persamaan impedansi :
2 2
) (XL XC R
Z
(Pers 5.7) Maka dengan XL = XC, nilai impedansi pada saat resonansi hanya ditentukan oleh nilai perlawanan / resistansi induktor saja. Nilai absolut tegangan jatuh pada XL dan XC masing – masing akan melebihi nilai tegangan sumber dan arus akan mencapai maksimum.
Secara matematis, frekuensi resonansi ditentukan oleh persamaan;
LC f
2
1
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 37
3.2.2 Resonansi Arus (Resonansi Pararel)
Resonansi arus dapat terjadi pada rangkaian LC pararel :
C
L
AC
V
SC
L
AC
V
SV
LV
RR
LV
CGambar 5.9
Kondisi yang berlaku pada resonansi arus sama dengan tegangan yaitu:
LC f
dan X XL C
2
1 0
(Pers 5.9)
Yang berbeda adalah akibatnya. Pada resonansi arus impedansi rangkaian menjadi besar sekali sehingga arus rangkaian mencapai nilai minimum, walaupun demikian, arus pada cabang bernilai besar dengan IL = IC namun berlawanan fase. Diagram vektornya ditunjukan di bawah ini.
I
XLV
RV
LV
XLI
XLI
CV
I
I
CV
I
LGambar 5.10 Diagram
Tegangan Induktor
Gambar 5.11
Diagram Arus
Gambar 5.12 Kondisi
Resonansi Ideal
IV DAFTAR PUSTAKA
Dorf C. Richard, James A. Svodoba, 1996, Introduction to Electric Circuits, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Singapore
V TUGAS RUMAH
1. Apa syarat terjadinya rangkaian resonansi dan jelaskan ?
2. Apa pengaruhnya bila frekuensi dinaikan dan diturunkan pada L, R dan C?
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 38
C R
L
4. Tuliskan turunan rumus frekuensi resonansi dari rangkaian berikut ini, dan cari nilai Z ?
R L C
VI. PERCOBAAN 6.1 Pengaruh Frekuensi 6.1.1 Terhadap Resistansi
AC
V
SA
V
R
Gambar 5.13
a. Buatlah rangkaian seperti pada gambar 5.13. pilihlah sendiri besarnya nilai tahanan yang akan anda gunakan, ukur terlebih dahulu nilai resistansinya dengan mulitester serta catat kode warnanya.
b. Atur sumber tegangan arus bolak balik sampai mencapai 3 Volt dan selama percobaan berlangsung harus selalu dipertahankan tetap.
c. Atur frekuensi sumber 50 Hz, 100 Hz, 2 KHz kemudian 4 KHz. Amati dan catat besar arus dan tegangan pada setiap kedudukan frekuensi tersebut.
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 39
6.1.2 Terhadap Reaktansi Induktif
a. Buat rangkaian seperti pada gambar 5.13. komponen R diganti dengan L (1mH)
b. Ukur tahanan induktor tersebut dengan multitester dan catat hasilnya.
c. Atur frekuensi sumber pada nilai 50 Hz dan naikan sumber tegangan perlahan-lahan sampai arus mencapai 25 mA. Catat nilai tegangan pada kondisi ini. d. Naikan frekuensi menjadi 500 Hz, kemudian 5KHz dan 10 KHz. Selama
perubahan frekuensi tersebut berlangsung, besar tegangan sumber dipertahankan tetap. Catat besar arus yang mengalir (perhatikan batas skala arus dan kemampuan arus maksimum indukor).
e. Ulangi percobaan a sampai d dengan nilai induktansi yang berbeda (pararelkan induktor yang sudah terpasang dengan 1 buah induktor yang sejenis)
6.1.3 Terhadap Reaktansi Kapasitif
a. Buat rangkaian percobaan seperti gambar 5.13, komponen R diganti dengan kapasitor non polar (tentukan sendiri nilainya)
b. Atur frekuensi sumber pada nilai 50 Hz dan naikan sumber tegangan perlahan-lahan sampai arus mencapai 25 mA. Catat nilai tegangan pada kondisi ini. c. Naikan frekuensi menjadi 500 Hz, kemudian 5KHz dan 10 KHz. Selama
perubahan frekuensi tersebut berlangsung, besar tegangan sumber dipertahankan tetap. Catat besar arus yang mengalir (perhatikan batas skala maksimum amperemeter).
d. Ulangi percobaan a sampai dengan c dengan kapasitor yang berbeda (3 buah kapasitor)
6.2 Rangkaian Resonansi Tegangan
AC
V
SR
LC
L
V
RV
CV
LA
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 40 a. Buat rangkaian seperti gambar 5.14. Tentukan sendiri nilai kapasitornya,
sedangkan induktornya adalah 1 mH/100 mA.
b. Atur tegangan sumbersebesar 3 Volt, kemudian carilah frekuensi resonansi dari rangkaian tersebut dengan cara merubah frekuensi sumber. Catat frekuensi resonansinya, arus yang mengalir, serta tegangan pada L dan C. perhatikan arus maksimal L.
c. Ubah kedudukan frekuensi beberapa nilai di atas dan di bawah frekuensi resonansi (masing – masing 10 nilai) secara bertahap. Pada setiap kedudukan frekuensi catat besar arus yang mengalir serta tegangan pada kapasitor dan induktor. Ingat, selama perubahan frekuensi dilakukan tegangan sumber harus dijaga tetap.
6.3 Rangkaian Resonansi Arus
A
AC
V
SA
C
A
L
Gambar 5.15
R
a. Buat rangkaian seperti gambar 5.15. gunakan kapasitor dan induktor yang sama dengan yang digunakan pada percobaan 5.2.
b. Atur tegangan sumbersebesar 3 Volt, kemudian carilah frekuensi resonansi dari rangkaian tersebut dengan cara merubah frekuensi sumber. Catat frekuensi resonansinya, arus total, arus cabang yang mengalir pada saat resonansi terjadi. Perhatikan kapasitas arus maksimum induktor.
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 41
VII. DATA PENGAMATAN 1. Pengaruh Frekuensi
Terhadap R
VS f (Hz)
R = 470 Ω R = 1 KΩ R = 2.2 KΩ
I (mA) V I (mA) V I (mA) V
3
50 100 2000 4000
Terhadap L
VS f (Hz)
L = 2.5 mH L = 1.25 mH
I (mA) V I (mA) V
3
50 100 2000 4000
Catatan : Induktor dipararel
Terhadap C
VS f (Hz)
C = 8 µF C = 10 µF C = 47 µF
I (mA) V I (mA) V I (mA) V
3
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 42
2. Resonansi Tegangan
VS R (Ω) L (mH) F (Hz) I (mA) VR VL VC
3 470 2.5 8
3. Resonansi Arus
VS R (Ω) L (mH) F (Hz) I (mA) VR VL VC
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 43
VIII. TUGAS & PERTANYAAN
1. Hitung nilai R dari percobaan 6.1.1 Pengaruh frekuensi terhadap resistansi dengan menggunakan hukum Ohm dan bandingkan dengan nilai yag diperoleh dari pengukuran langsung ataupun dari kode warnanya. Jika terjadi perbedaan berikan alasannya ?
2. Hitung besar reaktansi induktif dari percobaan 6.1.2 pada masing – masing frekuensi
3. Buat kurva reaktansi dari percobaan 6.1.2 sebagai fungsi dari frekuensi
4. Hitung besar reaktansi kapasitif dari percobaan 6.1.3 pada masing – masing frekuensi
5. Buat kurva reaktansi dari percobaan 6.1.3 sebagai fungsi dari frekuensi
6. Hitung frekuensi resonansi dari percobaan 6.2 secara matematis. Bandingkan dengan hasil data pengamatan anda !
7. Hitung impedansi rangkaian dari percobaan 6.2 pada masing – masing frekuensi (dengan menggunakan hukum Ohm). Buat kurva impedansi vs arus!
PETUNJUK PRAKTIKUM RANGKAIAN LISTRIK 44 10.Hitung frekuensi resonansi dari percobaan 6.3 secara matematis. Bandingkan
dengan hasil data pengamatan anda !
11.Hitung impedansi rangkaian dari percobaan 6.3 pada masing – masing frekuensi (dengan menggunakan hukum Ohm). Buat kurva impedansi vs arus!
12.Hitung impedansi rangkaian dari percobaab 6.3 secara matematis berdasarkan nilai – nilai kapasitor, induktor dan frekuensi. Buat kurva impedansi vs arus! 13.Bandingkan jawaban no 11 dan no 12, beri penjelasan!
14.Hitung lebar kanal (band width) dari rangkaian LC dalam percobaan anda (baik rangkaian seri maupun pararel)
15.Bagaimana sifat impedansi rangkaian LC seri di bawah frekuensi resonansi dan bagaimana jika di atas frekuensi resonansi?