JURNAL PRAKTIKUM ELDAS I ;E-4
1
Rangkaian Seri RLC Arus Bolak-Balik Nofyantika Wulandhari, Wulandhari, Nike Ika Ika Nuzula, Lila Yuwana Yuwana Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] [email protected] Telah — Telah Abstrak
dilakukan percobaan mengenai rangkaian seri RLC arus bolak balik yang bertujuan untuk menentukan karakteristik lampu pijar, menera skala induktor variabel, dan menentukan frekuensi resonansi pada rangkaian RLC arus bolak-balik. Percobaan ini terdapat 3 perlakuan dalam rangkaian yaitu rangkaian lampu pijar dengan menggunakan sumber tegangan AC/DC, rangkaian lampu pijar dan induktor dengan tegangan AC, dan rangkaian RLC dengan tegangan AC. Hasil dari percobaan ini menunjukkan bahwa lampu pijar akan lebih terang jika dihubungkan dengan sumber tegangan AC dari pada tegangan DC, dan pada rangkaian RL diperoleh hasil yang semakin besar skala induktor variabel maka semakin besar pula nilai induktansinya. Pada rangkaian RLC didapatkan frekuensi resonansi sebesar 53.97 mHz. resistor, — resistor, Kata Kunci
induktor, kapasitor, arus AC/DC.
I. PENDAHULUAN ambatan listrik merupakan karakteristik suatu bahan pengantar listrik (konduktor), yang dapat digunakan untuk mengatur besarnya arus listrik yang melewati suatu rangkaian. Apabila ada suatu rangkaian yang menggunakan lampu pijar dengan memberi sumber teganngan AC (Alternating Currunt) dan DC (Dirrect Current), maka sumber tegangan tersebut mempengaruhi redup ataupun terangnya suatu lampu. Pada rangkaian AC, terdapat 3 jenis tahanan yaitu resistor (R), induktor (L), dan kapasitor (C). Ini dikarenakan bentuk arus AC yang sinusoidal, sehingga nilainya selalu berubah terhadap waktu, ada nilai tegangan maksimum, namun yang terukur dalam keseharian adalah nilai tegangan efektif.. Kapasitor dan induktor sangat jarang digunakan sendirian pada rangkaian, biasanya tahanan tersebut dirangkai secara seri atau paralel dengan resistor. Untuk membuktikan hal tersebut, perlu dilakukan percobaan tentang rangkaian seri pararel RLC arus bolak balik yang bertujuan untuk menentukan karakteristik lampu pijar, menera skala induktor variabel, dan menentukan resonansi dari rangkaian seri arus bolak balik.
H
II. DASAR TEORI DASAR TEORI A. RLC Resistor adalah komponen elektronik pasif yang mempunyai sifat menghambat arus listrik. Satuan nilai
dari resistor adalah ohm, biasa disimbolkan Ω. Sedangkan resistor sendiri biasa disimbolkan R. Secara umum besarnya resistansi dari suatu resistor dipengaruhi oleh nilai resistifitas (tahanan jenis) dari bahan, panjang dan luas permukaan dari resistor tersebut. Dengan demikian besarnya resistansi dari suatu resistor dapat dinyatakan dengan :
R=
………………………………………………...(1)
Berdasarkan persamaan (1), maka resistansi suatu resistor dipengaruhi oleh tahan jenis dari bahan resistor tersebut. Bahan yang memiliki nilai tahanan jenis j enis besar b esar bagus untuk isolator sedangkan bahan yang memiliki nilai tahanan jenis jenis yang kecil bagus bagus untuk konduktor. Demikian pula dengan panjang dan besar/luas suatu benda juga mempengaruhi nilai resistansi dari resistor. Sebuah induktor atau reactor adalah sebuahkomponen elektronika pasif (kebanyakan berbentuk to r us ) yang dapat menyimpan energi padamedan magnet yang ditimbulkan ditimbul kan oleh arus list listri rik k yang melintasinya. melintas inya. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat didalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Induktor adalah salah satukomponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memprosesarus bolak-balik. Fungsi Induktor berfungsi sebagai penyimpan arus listrik dalam bentuk medan magnet, menahan arus bolak balik/ac, meneruskan/meloloskan arus searah/DC, sebagai penapis ( filter filter ), ), sebagai penalaan (tuning ( tuning ). ). Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian
elektronika dilambangkan dengan huruf “C” adalah suatu
alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan 2 kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011 cm yang artinya luas permukaan kepingan tersebut. Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian yaitu sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain (pada PS = Power Supply), sebagai filter dalam rangkaian PS, sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antenna, untuk menghemat daya listrik pada lampu neon, dan menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar. B. Arus AC/DC Arus AC atau kepanjangan dari Alternating Curren adalah arus yang sifatnya mempunyai dua arah atau lebih di kenal dengan sebutan arus bolak-balik yang tidak memiliki sisi negatif, dan hanya mempunya ground (bumi). Arus AC biasa di gunakan untuk tegangan listrik PLN sebesar misalnya 220 Volt 50 Hezth. Ini adalah tegangan standard untuk Indonesia, beda halnya dengan standard tegangan untuk negara lainnya. Arus AC ini biasanya di dapat dari generator listrik dimana generator listrik ini dapat di operasikan melalu beberapa cara untuk
JURNAL PRAKTIKUM ELDAS I ;E-4 menggerakkannya, seperti PLTU (PEmbangkit Listrik Tenaga Uap), PLTG ( Pembangkit Listrik Tenaga Gas) dan lainnya-lainnya. Banyak hal yang dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik sebagai media untuk penggeraknya, misalnya saja bisa memanfaatkan aliran air di sungai, ataupun aliran air terjun dan sebagainya. Generator listrik ini nantinya tegangantegangan yang di hasilkan akan dikecilkan lagi yang umumnya menggunakan trafo pembagi tegangan. Pada tiang-tiang listrik terdapat beberapa trafo, trafo ini yang nantinya menghasilkan tegangan standard 220 Volt. Arus DC atau kepanjangan dari Direct Curren adalah merupakan arus searah dimana arus ini harus benar-benar searah dan memiliki kutup positif dan negatif atau lebih dikenal lagi plus minusnya simbul + dan simbul -, Arus DC disini benar-benar sudah disearahkan dengan menggukanan rangkaian penyearah seperti adaftor, fungsi penyearah disini dipakai untuk komponen-komponen elektronika seperti: IC, resistor, kapasitor, transistor dan lainnyanya yang semuanya itu menggunakan arus searah. C. Resistansi, Induktansi, Kapasitansi Resistansi adalah perbandingan antara tegangan listrik dari suatu komponen elektronik (misalnya resistor) dengan arus listrikyang melewatinya. Hambatan listrik yang mempunyai satuan Ohm dapat dirumuskan sebagai berikut:
R = ……………………………………………………(2)
Resistansi atau tahanan listrik pada konduktor atau penghantar ditentukan dari panjang penghantar, jenis material penghantar yang menentukan nilai resistivitas penghantar, temperatur penghantar, diameter atau luas penampang penghantar.
Pada rangkaian induktor, berlaku: VL= L
........................................................................ (3)
V = Vm sin ωt…… ....................................................... (4) dengan mensubstitusi kedua persamaan tersebut, maka:
= Vm sin ωt I=∫ sin ωt dt = cos ωt...........................................................(5) Denggan mengunakan trigonometri didapatkan: cos ωt = sin ( – ωt ) = - sin ( ) maka sin ( ) = Im sin ( ) ..........................(6) I= Sehingga Im = ω ..........................................................................(7) L
Sehingga: ω .........................................................................(8)
2
Pada rangkaian kapasitor ini berlaku: Vc = V = Vm sin ω t Dari definisi C diperoleh hubungan bahwa V = Q/C, maka akan diperoleh:
Q = C.Vm.sin ω t Atau
= ωC Vm.cos ωt………………………………..(9) Persamaan Trigonometri: cos ωt = sin (ωt ), maka akan diperoleh : I = ωC Vm. sin (ωt ) = Im sin (ωt )..................(10) Vm = ......................................................................(11) ω Sehingga: X ......................................................................(12) ω I=
C
D. Frekuensi Resonansi Resonansi adalah proses bergetarnya suatu benda dikarenakan ada benda lain yang bergetar, hal ini terjadi karena suatu benda bergetar pada frekuensi yang sama dengan frekuensi benda yang terpengaruhi. Resonansi pada rangkaian AC (Alternating Curren) merupakan keadaan dimana reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif memiliki nilai yang sama (XL = XC ). Reaktansi induktif akan meningkat seiring meningkatnya frekuensi sedangkan reaktansi kapasitif justru sebaliknya, akan menurun jika frekuensi meningkat. Jadi hanya akan ada satu nilai frekuensi dimana keadaan kedua reaktanssi tersebut bernilai sama. Frekuensi resonansi dapat dihitung menggunakan persamaan matematika berikut: XL = XC……………………………………………(13)
L = = = 2f = f
=
√ …………………………………………..(14)
III. METODE Dalam malakukan percobaan mengenai rangakaian seri RLC arus bolak balik ini terdapat 3 perlakuan sesuai dengan tujuannya. Peralatan yang dibutuhkan dalam percobaan ini yaitu berupa sumber tegangan AC/DC, lampu pijar 25 Watt/220 Volt, Induktor variabel dengan menggunakan skala 1-8 cm, kapasitor, miliampeeremeter dan multitester. Adapun perlakuan yang digunakan pada percobaan ini yaitu sebagai berikut :
JURNAL PRAKTIKUM ELDAS I ;E-4 A. Menentukan karakteristik lampu pijar Percobaan pertama ini dilakukan dengan tujuan untuk menentukan karakteristik lampu pijar. Percobaan ini dilakukan dua kali yaitu dengan menggunakan sumber tegangan AC dan sumber tegangan DC. Hal pertama yang perlu dilakukan adalah merangkai peralatan seperti pada gambar (1). Dari gambar dapat dilihat bahwa lampu pijar 25 Watt dihubungkan dengan sumber tegangan AC. Kemudian dari lampu pijar tersebut dipasang paralel dengan voltmeter dan dipasang seri dengan amperemeter. Sumber tegangan AC diatur pada tegangan 5 Volt, 10 Volt, 15 Volt, 20 Volt, dan 25 Volt secara berturut-turut. Percobaan diulangi sebanyak 3kali pada masing-masing besar sumber tegangan dan dicatat besar tegangan lampu pada voltmeter dan arus yang terjadi pada rangkaian tersebut.
3 dipasangkan seri dengan induktor (L) dan kapasitor (C), dan dipasang seri juga dengan amperemeter. Pada induktor dan kapasitor dipasangkan voltmeter secara paralel untuk mengetahui besar tegangan pada LC. Kemudian dihubungkan dengan sumber tegangan AC. Sumber tegangan AC diatur sehingga mendapatkan besar tegangan 100 Volt. Kemudian dihubungkan dengan PLN dan dicatat tegangan pada LC dan juga arus pada rangkaian.
Gambar 3 Rangkaian RLC IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 1 Rangkaian lampu pijar dengan sumber tegangan AC/DC Pada percobaan dengan sumber tegangan DC dilakukan dengan cara yang sama seperti diatas, hanya saja pada sumber tegangan AC digantikan dengan sumber tegangan DC. B. Menera Skala Induktor Variabel Percobaan dengan perlakuan kedua ini dilakukan dengan tujuan untuk menera skala induktor variabel. Hal pertaman yang harus dilakukan yaitu merangkai peralatan sesuai dengan gambar (2). Dari gambar tersebut terlihat bahwa lampu pijar dipasangkan seri dengan induktor dan amperemeter. Pada lampu pijar juga dipasangkan paralel dengan voltmeter yang berfungsi untuk mengetahui tegangan pada lampu pijar. Begitu juga pada induktor yang dipasang paralel dengan voltmeter untuk mengetahui tegangan pada induktor. Dan rangkaian tersebuit dihubungkan dengan sumber tegangan AC. Sumber tegangan AC ini diatur sebesar 100 Volt. Kemudian pada induktor variabel diatur dengan skala 1-8 cm yang rasio kenaikanya sebesar 1cm. Setiap penggunaan skala dilakukan sebanyak 3kali dan dicatat tegangan pada resistor, induktor, dan besar arus pada rangkaian.
Gambar 2 Rangkaian lampu pijar dan induktor C. Menentukan frekuensi resonansi pada rangkaian seri arus bolak balik Percobaan dengan perlakuan ketiga ini dilakukan dengan tujuan untuk menentukan frekuensi resonansi pada rangkaian seri arus bolak-balik. Hal pertama yang harus dilakukan yaitu merangkai peralatan sesuai dengan gambar (3). Dari gambar tersebut terlihat bahwa lampu pijar
Setelah dilakukan percobaan mengenai rangkaian seri RLC arus bolak balik, maka didapatkan data hasil percobaan sebagai berikut : Tabel 1 Menentukan karakteristik lampu pijar dengan tegangan sumber AC VAC VLampu I (mA) R Lampu (kΩ) (Volt) (Volt) 5
8.0
3.0
0.375
5
8.0
3.0
0.375
5
8.0
3.0
0.375
10
12.5
7.7
0.616
10
12.5
7.7
0.616
10
12.5
7.7
0.616
15
8.0
9.0
1.125
15
8.0
9.0
1.125
15
8.0
9.0
1.125
20
10.0
13.0
1.300
20
10.0
13.0
1.300
20
10.0
13.0
1.300
25
12.0
17.5
1.458
25
12.0
17.5
1.458
25
12.0
17.5
1.458
R rata-rata= 0.975 Dengan menggunakan persamaan (2), maka didapatkan nilai resistor berdasarkan tabel diatas sehingga diperoleh resistor rata-rata sebesar 0.975 kΩ. Tabel diatas menunjukkan bahwa semakin besar tegangan pada lampu maka semakin besar pula nilai resistansi sehingga tegangan lampu dapat dikatakan berbanding lurus dengan resistansinya. Tabel 2 Menentukan karakteristik lampu pijar dengan tegangan sumber DC VDC VLampu I (mA) R Lampu (kΩ) (Volt) (Volt) 5
8.6
4.3
0.500
5
8.6
4.3
0.500
5
8.6
4.3
0.500
JURNAL PRAKTIKUM ELDAS I ;E-4
4 dilihat pada grafik maka grafik antara skala induktor dan reaktansi induktif berbanding lurus (linear).
10
12.8
9.0
0.703
10
12.6
9.0
0.714
10
12.6
9.0
0.714
15
12.5
15.2
1.216
15
12.5
15.2
1.216
15
12.5
15.2
1.216
20
19.0
20.4
1.074
1
99.9
2.2
18.373
20
19.0
20.4
1.074
2
99.8
2.4
18.373
20
19.0
20.4
1.074
3
99.7
2.4
18.373
25
20.0
24.3
1.215
4
99.7
2.4
18.373
25
20.0
24.3
1.215
5
99.7
2.4
18.027
25
20.0
24.3
1.215
6
99.6
2.4
24.498
7
99.5
2.4
27.560
8
99.3
2.4
30.622
Tabel 4 Menentukan resonansi arus bolak balik, V = 100 Volt Skala Induktor VLC (Volt) I (mA) L (kH) (cm)
R rata-rata= 0.943 Sama halnya dengan tabel 2 ini yang menunjukkan perbandingan lurus antara tegangan lampu dengan nilai resistansinya. Namun jika dilihat dengan hasil data pada tabel 1, maka nilai tegangan lampu pada arus AC lebih kecil dengan tegangan lampu pada arus DC. Hal ini menimbulkan nyala lampu yang lebih terang pada sumber tegangan AC dari pada sumber tegangan DC. Tabel 3 Menera skala induktor variabel, V AC = 100 Volt Skala VLampu VL Induktor I (mA) XL (Ω) (Volt) (Volt) (cm) 1
52
0.30
52
5.769
2
52.5
0.30
52
5.769
3
53
0.30
52
5.769
4
53
0.30
52
5.769
5
53
0.30
53
5.660
6
53
0.40
52
7.692
7
53
0.45
52
8.654
8
53
0.50
52
9.615 5.769
Grafik antara Skala Induktor (cm) dan XL (Ω) 15
y = 0.5596x + 4.3189 R² = 0.7432
) 10 Ω ( L
X
5 Series1
0 0
5 Skala Induktor (cm)
10 Linear (Series1)
Percobaan ini bertujuan untuk menera skala induktor variabel. Percobaan ini menghasilkan data sesuai tabel 3. Tabel tersebut menunjukkan bahwa semakin besar skala variabel, maka semakin besar pula nilai induktansinya. Pada tabel 3 didapatkan nilai reaktansi (X L) denga menggunakan persamaan (7). Hal ini disebabkan karena jika skaala induktor semakin besar maka akan terjadi gerak magnet yang menghasilkan semakin besar pula medan magnetnya sehingga tegangan yang timbul juga semakin besar. Jika
21.775
Grafik antara V LC (Volt) dan VLC (Volt) y = -0.0334x + 100.38 R² = 0.8326 Series1
100
) t l o V ( 99.5 C L
V
99 0
20
40
Linear (Series1)
L (kH)
Pada percobaan rangkaian RLC arus bolak-balik ini bertujuan untuk menentukan frekuensi resonansi. Data yang dihasilkan menunjukkan bahwa induktansi berbanding lurus dengan tegangan pada komponen induktor dan kapasitor. Dengan menggunakan persamaan (14), maka dihasilkan frekuensi resonansi sebesar 53.97 mHz. V. KESIMPULAN Dari percobaan mengenai rangkaian seri RLC arus bolak balik, dapat disimpulkan bahwa: lampu pijar akan lebih terang jika dihubungkan dengan sumber tegangan AC dari pada tegangan DC semakin besar skala induktor variabel maka semakin besar pula nilai induktansinya sehingga skala induktor dan induktansi berbanding lurus. nilai frekuensi resonansi sebesar 53.97 mHz. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Nike Ika Nuzula selaku asisten praktikum rangkaian seri RLC arus bolak-balik yang mau mengarahkan pada saat praktikum kami. Dan terima kasih kepada teman-teman atas kerjasamanya dalam melakukan praktikum ini sehingga dapat terselesaikannya laporan praktikum ini.
JURNAL PRAKTIKUM ELDAS I ;E-4
5
DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
Halliday, David. 1988. Fisika.Erlangga : Jakarta Sutanto. 1994. Rangkaian Elektronika Fak.Teknik UI:Jakarta
[3] [4]
Sutrisno.1985. Elektronika. ITB : Bandung William H. Hayt, Jr. “Rangkaian Listrik. Edisi Keenam Jilid 1”. 2005.
[5]
Erlangga. Jakarta. http://januar-anas.blogspot.com/2009/10/tugas-dde-kapasitor.html
(Analog).
JURNAL PRAKTIKUM ELDAS I ;E-4
6
RALAT
25
Tabel 1 Ralat arus pada sumber tegangan AC VAC I (mA) I-I’ (I-I’)2 (Volt)
17.5
7.46
V’=10.0 Ralat Mutlak : =
√
55.652 361.596
∑
5
8.0
-2.1
4.41
5
8.0
-2.1
4.41
5
8.0
-2.1
4.41
10
12.5
2.4
5.76
10
12.5
2.4
5.76
10
12.5
2.4
5.76
15
8.0
-2.1
4.41
15
8.0
-2.1
4.41
15
8.0
-2.1
4.41
20
10.0
-0.1
0.01
20
10.0
-0.1
0.01
20
10.0
-0.1
0.01
25
12.0
1.9
3.61
5
8.6
-5.953
35.442
25
12.0
1.9
3.61
5
8.6
-5.953
35.442
25
12.0
1.9
3.61
5
8.6
-5.953
35.442
54.60
10
12.8
-1.753
3.074
10
12.6
-1.953
3.815
10
12.6
-1.953
3.815
15
12.5
-2.053
4.216
15
12.5
-2.053
4.216
15
12.5
-2.053
4.216
20
19.0
4.447
19.773
20
19.0
4.447
19.773
20
19.0
4.447
19.773
25
20.0
5.447
29.667
25
20.0
5.447
29.667
25
20.0
5.447
29.667
I’=10.1 Ralat Mutlak : = =
√
∑
= 0.035
x 100 % = x 100%
Ralat Nisbi : I =
= 0.348%
Keseksamaan : K = 100%-I = 100% - 0.348% = 99.652% Tabel 2 Ralat tegangan lampu pada sumber tegangan AC VAC VLampu V-V’ (V-V’)2 (Volt) (Volt)
=
= 0.091
x 100 % x 100% =
Ralat Nisbi : I =
= 0.902%
Keseksamaan : K = 100%-I = 100% - 0.902% = 99.098% Tabel 3 Ralat arus pada sumber tegangan DC VDC I (mA) I-I’ (I-I’)2 (Volt)
I’=14.6 Ralat Mutlak : =
√
∑
277.997
5
3.0
-7.04
49.562
5
3.0
-7.04
49.562
5
3.0
-7.04
49.562
10
7.7
-2.34
5.476
10
7.7
-2.34
5.476
10
7.7
-2.34
5.476
15
9.0
-1.04
1.082
15
9.0
-1.04
1.082
15
9.0
-1.04
1.082
20
13.0
2.96
8.762
20
13.0
2.96
8.762
20
13.0
2.96
8.762
25
17.5
7.46
55.652
5
4.3
-10.34
106.916
25
17.5
7.46
55.652
5
4.3
-10.34
106.916
5
4.3
-10.34
106.916
=
= 0.079
x 100 % x 100% =
Ralat Nisbi : I =
= 0.546%
Keseksamaan : K = 100%-I = 100% - 0.546% = 99.454% Tabel 4 Ralat tegangan lampu pada sumber tegangan DC VDC VLampu V-V’ (V-V’)2 (Volt) (Volt)
JURNAL PRAKTIKUM ELDAS I ;E-4
7
10
9.0
-5.64
31.810
10
9.0
-5.64
31.810
10
9.0
-5.64
31.810
15
15.2
0.56
0.314
15
15.2
0.56
0.314
15
15.2
0.56
0.314
20
20.4
5.76
33.178
20
20.4
5.76
33.178
20
20.4
5.76
33.178
25
24.3
9.66
93.316
25
24.3
9.66
93.316
25
24.3
9.66
93.316
V’ =14.6 Ralat Mutlak : = =
√
∑
796.596
= 0.134
x 100 % = x 100%
Ralat Nisbi : I =
= 0.918%
Keseksamaan : K = 100%-I = 100% - 0.918% = 99.082% TAMBAHAN Pada kapasitor tertera 100N 104J , cara membacanya yaitu kapasitor memiliki nilai kapasitansi sebesar 4.10 -4 Farad Besar frekuensi tegangan PLN adalah 50 Hz
