Laporan Praktikum 4 Pengaruh Frekuensi T (2)

(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 pas if 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.

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

(2)

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.

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

(3)

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

(4)

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

(5)

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

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

(6)

Gambar . Hubungan reaktansi induktif terhadap frekuensi

(7)

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)

(9)

Analisa arus AC pada induktor

(10)

tegangan pada induktor,analisa tegangan dan arus ac pada induktor Dari grafik analisa arus bolak-balik (AC) pada induktor diatas terlihat bahwa tegangan AC (v) yang dilewatkan pada suatu induktor mendahului (leading) 900 dari pada arus AC (i) yang dilewatkan pada sebuah induktor (L). KOndisi ini berkebalikan dengan karakteristik arus listrik bolak-balik (AC) yang diberikan pada sebuah kapasitor. Semoga artikel “Analisa Arus AC Pada Induktor” yang sedikit ini dapat memberikan informasi dan manfaat. (Dikutip dari : http://elektronika-dasar.web.id/teori-elektronika/analisa-arus-ac-pada-induktor/ di palembang 14 september 2015)

Induktor

(11)

Tentu masih ingat juga percobaan dua utas kawat tembaga paralel yang keduanya diberi arus listrik. Jika arah arusnya berlawanan, kedua kawat tembaga tersebut saling menjauh. Tetapi jika arah arusnya sama ternyata keduanya berdekatan saling tarik-menarik. Hal ini terjadi karena adanya induksi medan listrik. Dikenal medan listrik dengan simbol B dan satuannya Tesla (T). Besar akumulasi medan listrik B pada suatu luas area A tertentu didefinisikan sebagai besar magnetic flux. Simbol yang biasa digunakan untuk menunjukkan besar magnetic flux ini adalah F dan satuannya Weber (Wb = T.m2_{). Secara matematis besarnya adalah :}

Medan Flux

Lalu bagaimana jika kawat tembaga itu dililitkan membentuk koil atau kumparan. Jika kumparan tersebut dialiri listrik maka tiap lilitan akan saling menginduksi satu dengan yang lainnya. Medan listrik yang terbentuk akan segaris dan saling menguatkan. Komponen yang seperti inilah yang dikenal dengan induktor selenoid. Dari buku fisika dan teori medan magnet, dibuktikan bahwa induktor adalah komponen yang dapat menyimpan energi magnetik. Energi ini direpresentasikan dengan adanya tegangan emf (electromotive force) jika induktor dialiri listrik. Secara matematis tegangan emf ditulis :

(12)

Jika dibandingkan dengan rumus hukum Ohm V=RI, maka kelihatan ada kesamaan rumus. Jika R disebut resistansi dari resistor dan V adalah besar tegangan jepit jika resistor dialiri listrik sebesar I. Maka L adalah induktansi dari induktor dan E adalah tegangan yang timbul jika induktor di aliri listrik. Tegangan emf di sini adalah respon terhadap perubahan arus fungsi dari waktu terlihat dari rumus di/dt. Sedangkan bilangan negatif sesuai dengan hukum Lenz yang mengatakan efek induksi cenderung melawan perubahan yang menyebabkannya.

Hubungan antara emf dan arus inilah yang disebut dengan induktansi, dan satuan yang digunakan adalah (H) Henry.

Induktor disebut self-induced

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

Induktansi

(13)

Fungsi utama dari induktor di dalam suatu rangkaian adalah untuk melawan fluktuasi arus yang melewatinya. Aplikasinya pada rangkaian dc salah satunya adalah untuk menghasilkan tegangan dc yang konstan terhadap fluktuasi beban arus. Pada aplikasi rangkaian ac, salah satu gunanya adalah bisa untuk meredam perubahan fluktuasi arus yang tidak dinginkan. Akan lebih banyak lagi fungsi dari induktor yang bisa diaplikasikan pada rangkaian filter, tuner dan sebagainya.

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 :

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.

(14)

Induktansi Induktor

Induktor selenoida dengan inti (core) L : induktansi dalam H (Henry) m : permeability inti (core) mo : permeability udara vakum mo= 4p x 10-7

N : jumlah lilitan induktor

(15)

Toroida

Jika jari-jari toroid adalah r, yaitu jari-jari lingkar luar dikurang jari-jari lingkar dalam. Maka panjang induktor efektif adalah kira-kira :

Keliling lingkaran toroida Dengan demikian untuk toroida besar induktansi L adalah :

Induktansi Toroida

Salah satu keuntungan induktor berbentuk toroid, dapat induktor dengan induktansi yang lebih besar dan dimensi yang relatif lebih kecil dibandingkan dengan induktor berbentuk silinder. Juga karena toroid umumnya menggunakan inti (core) yang melingkar, maka medan induksinya tertutup dan relatif tidak menginduksi komponen lain yang berdekatan di dalam satu pcb.

(16)

Induktansi merupakan sifat sebuah rangkaian listrik atau komponen yang menyebabkan timbulnya ggl di dalam rangkaian sebagai akibat perubahan arus yang melewati rangkaian (self inductance) atau akibat perubahan arus yang melewati rangkaian tetangga yang dihubungkan secara magnetis (induktansi bersama atau mutual inductance). Pada kedua keadaan tersebut, perubahan arus berarti ada perubahan medan magnetik, yang kemudian menghasilkan ggl. Apabila sebuah kumparan dialiri arus, di dalam kumparan tersebut akan timbul medan magnetik. Selanjutnya, apabila arus yang mengalir besarnya berubahubah terhadap waktu akan menghasilkan fluks magnetik yang berubah terhadap waktu. Perubahan fluks magnetik ini dapat menginduksi rangkaian itu sendiri, sehingga di dalamnya timbul ggl induksi. Ggl induksi yang diakibatkan oleh perubahan fluks magnetik sendiri dinamakan ggl induksi diri.

Induktansi Diri (Gaya Gerak Listrik (GGL) Induksi Pada Kumparan

Apabila arus berubah melewati suatu kumparan atau solenoida, terjadi perubahan fluks magnetik di dalam kumparan yang akan menginduksi ggl pada arah yang berlawanan.

Gambar 1. Macam-macam Kumparan. [1]

(17)

disimpulkan bahwa ggl induksi ε sebanding dengan laju perubahan arus yang dirumuskan :

dengan I merupakan arus sesaat, dan tanda negatif menunjukkan bahwa ggl yang dihasilkan berlawanan dengan perubahan arus. Konstanta kesebandingan L disebut induktansi diri atau induktansi kumparan, yang memiliki satuan henry (H), yang didefinisikan sebagai satuan untuk menyatakan besarnya induktansi suatu rangkaian tertutup yang menghasilkan ggl satu volt bila arus listrik di dalam rangkaian berubah secara seragam dengan laju satu ampere per detik.

Induktansi Bersama

Apabila dua kumparan saling berdekatan, seperti pada Gambar 4, maka sebuah arus tetap I di dalam sebuah kumparan akan menghasilkan sebuah fluks magnetik Φ yang mengitari kumparan lainnya, dan menginduksi ggl pada kumparan tersebut.

Gambar 4. Perubahan arus di salah satu kumparan akan menginduksi arus pada kumparan yang lain.

(18)

Dengan M adalah konstanta pembanding yang disebut induktansi bersama. Nilai M tergantung pada ukuran kumparan, jumlah lilitan, dan jarak pisahnya.

Induktansi bersama mempunyai satuan henry (H), untuk mengenang fisikawan asal AS, Joseph Henry (1797 - 1878). Pada situasi yang berbeda, jika perubahan arus kumparan 2 menginduksi ggl pada kumparan 1, maka konstanta pembanding akan bernilai sama, yaitu:

(19)

5. DATA HASIL PERCOBAAN

 Dengan frekuensi 10 Hz

Tegangan (V) I (terukur) Z (terukur) Z (terhitung)

5 0,4662 A 10,7250Ω

(20)

 Dengan frekuensi 14 Hz

5 0,4328 A 11,5526Ω

(21)

(22)

(23)

Z_terukur= V

6.2 Mencari Z_terhitung

 Untuk F = 10 Hz dan L = 0,1 H

Z_terhitung=2× π × f × L

(24)

Z_terhitung=6,28Ω

Z_terhitung=2×3,14×12Hz ×0,1H

Z_terhitung=2×3,14×14Hz ×0,1H

(25)

7. ANALISA HASIL PERCOBAAN

Dalam praktikum yang telah di lakukan yaitu tentang pengaruh frekuensi terhadap induktor yang di aliri arus ac , disini kami sebagai praktikan bertujuan untuk mengukur besar arus , dan impedansi serta bentuk gelombang keluaran akibat pengaruh frekuensi terhadap induktor yang dialiri arus ac , hal ini dilakukan dengan bantuan aplikasi livewire dengan komponen osiloskop , ampere meter , induktor dan multimeter digital .

(26)

Hz dan 16 Hz serta induktor sebesar 0,1 H yang telah didapatkan dari nim setiap praktikan bahwa dapat kami ketahui bahwa semakin besar tegangan yang digunakan maka arus terukur yang akan di dapat akan mengalami suatu penaikan nilai akan tetapi impedansi mengalami suatu penurunan akan tetapi nilai yang didapat lebih besar dari arus yang didapat. Hal ini terjadi karena semakin besar tengangan yang di gunakan maka akan semakin kecil impedansi yang terukur yang akan di dapat apabila nilai tersebut mengalami suatu penaikan maka terjadinya human eror dalam melakukan suatu percobaan atau dalam suatu pengambilan data. Namun dalam perhitungan untuk mencari impedansi terhitung nilainya mengalami kenaikan dengan tengangan yang telah di tentukan hal ini terjadi disebabkan adanya pengaruh frekuensi yang digunakan pada suatu rangkaian ujicoba. Induktor mempengaruhi suatu gelombang yang di hasilkan yaitu dengan semakin kecil induktor yang digunakan maka semakin panjak jarak gelombang untuk mencapai satu perioda dalam satu gelombang dan sebaliknya. Hal ini terjadi karena induktor di dalam suatu rangkaian adalah untuk melawan fluktuasi arus yang melewatinya.

8. KESIMPULAN

1. Semakin tinggi nilai tegangan yang di gunakan maka semakin besar juga nilai arus yang akan di dapatkan dengan kata lain arus berbanding lurus terhadap tegangan.

2. Semakin tinggi frekuensi yang digunakan maka semakin cepat suatu gelombang untuk mencapai satu perioda.

(27)

4. Semakin kecil induktansi yang digunakan maka semakin panjak jarak gelombang untuk mencapai satu perioda dalam satu gelombang dan sebaliknya.

5. Semakin tinggi tegangan dan arus yang di dapat maka pada impedansi terukur akan mengalami suatu pengecilan nilai.

9. TUGAS

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 ?

(28)

5. Dik : seutas kawat : 2×10−7

Ω m , panjang=500m , 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.

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.

(29)

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 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 :

(30)

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 :

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)

(31)

μ o= 4p x 10-7

N : jumlah lilitan induktor

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

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.

(32)

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.

(33)

Korps Asisten Laboratorium Fenomena Medan Elektromagnetik 2015. Modul Praktikum Fenomena Medan Elektromagnetik, Indralaya : Jurusan Teknik Elektro,Universitas sriwijaya.

. induktor , (https://cnt121.wordpress.com/2007/11/14/induktor/,

Di akses di Palembang pada tanggal 14 september 2015 di palembang).

. Pengertian induktansi diri dan induktansi bersama,( http

: //perpustaka an cyber. blogspot.com/2013/04/pengertian-induktansi-diri-dan-induktansi-bersama-conto h-soal-induktor-jawaban-gaya-gerak-listrik-ggl-kumparan-solenoida-toroida-energi-penerapan.html , Di akses pada tanggal 14 september 2015 di palembang).

. analisa arus ac pada induktor , http://elektronika-dasar.web.id

/teori-elektronika/analisa-arus-ac-pada-induktor/, Di akses pada tanggal 14 september 2015 di palembang).

(34)

1. Untuk frekuensi 10 Hz

2. Untuk frekuensi 12 Hz

(35)

4. Un tuk

frekuensi 16 Hz

Lampiran Livewire

(36)

6 Volt dengan Frekuensi 10 Hz

(37)