BAB I PENDAHULUAN
1.1 Tujuan percobaan
Mempelajari perilaku (response) response) rangkaian terhadap sinyal atau forced atau forced response, dan
respon
rangkaian
secara
menyeluruh
atau complete
response.Mengadakan response.Mengadakan pengukuran arus serta tegangan pada saat transient ( peralihan, perubahan, transien, transisi ) pada rangkaian RC, RL. RL.
1.2 Teori Dasar
Gejala Transien ada perubahan nilai arus atau ata u tegangan maupun keduanya Sesaat maupun dalam jangka waktu tertentu ( dalam orde mikro detik ) dari kondisi tunaknya ( steady state st ate ). Penyebabanya adalah dapat dari lingkungan atau faktor eksternal seperti petir, dan dapat juga akibat perlakuan terhadap sistem itu sendiri atau faktor internal seperti pensaklaran Gejala transien terjadi pada rangkaian-rangkaian yang mengandung komponen penyimpan energi seperti inductor dan/atau kapasitor. Gejala ini timbul karena energi yang diterima atau dilepaskan oleh komponen tersebut tidak dapat berubah seketika (arus pada induktor dan tegangan pada kapasitor).
1 . Respons Rangkaian a. Respons Paksa ( Forced Response) Response) Arus atau tegangan yang terbentuk karena Arus atau tegangan yang terbentuk karena adanya energi energi yang masuk atau keluar dari sumber tegangan atau sumber arus pada sumber tegangan atau arus pada rangkaian.
b. Rangkaian Respons Natural ( Natural Response) Response) Arus atau tegangan yang yang terbentuk karena Arus atau tegangan yang terbentuk karena adanya energi yang masuk atau keluar dari komponen penyimpan energi
2
kapasitif atau komponen penyimpan energi kapasitif atau induktif pada rangkaian induktif pada rangkaian
c. Respons Lengkap (Complete Response) Merupakan Gabungan dari respon alami dan paksa.
2. KAPASITOR Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron. Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa
1
coulomb
=
6.25
x
1018
elektron.
Kemudian
Michael
Faraday membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki
kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis : ....................................................(1.1)
Q = muatan elektron dalam C (coulombs) C = nilai kapasitansi dalam F ( farad ) V = besar tegangan dalam V (volt ) Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian : 1. Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain (pada PS) 2. Sebagai filter dalam rangkaian PS 3. Sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antenna 4. Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon 5. Menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar 6. Sebagai penyimpan arus sementara.
3. TIPE KAPASITOR Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya.Untuk lebih sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic dan electrochemical .
a. Kapasitor Electrostatic
3
Kapasitor electrostatic adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pF sampai beberapa µF, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi.
b. Kapasitor Electrolytic Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan - di badannya. Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutub positif anoda dan kutub negatif katoda. Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksida dan electrolyte (katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai dielektrik. Dari rumus diketahui besar kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar.
c. Kapasitor Electrochemical Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis ini adalah battery dan accu. Pada kenyataannya battery dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya untuk aplikasi mobil elektrik dan telepon selular.
4. INDUKTOR
4
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 olehinduktansinya, 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 satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses arus bolak-balik. Sebuah
induktor
ideal
memiliki
induktansi,
tetapi
tanpa resistansi atau kapasitansi, 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 didalam inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan. Induktor sering digunakan pada sirkuit analog dan pemroses sinyal. Induktor berpasangan dengan kondensator dan komponen lain membentuk sirkuit tertala. Penggunaan induktor bervariasi dari penggunaan induktor besar pada pencatu daya untuk menghilangkan dengung pencatu daya, hingga induktor kecil yang terpasang pada kabel untuk mencegah interferensi frekuensi radio untuk dprd melalui kabel. Kombinasi induktor-kondensator menjadi rangkaian tala dalam pemancar dan penerima radio. Dua induktor atau lebih yang terkopel secara magnetik membentuk transformator. Induktor digunakan sebagai penyimpan energi pada beberapa pencatu daya moda sakelar. Induktor dienergikan selama waktu tertentu, dan dikuras pada sisa siklus. Perbandingan transfer energi ini menentukan tegangan keluaran. Reaktansi induktif X L ini digunakan bersama semikonduktor aktif untuk menjaga tegangan dengan akurat. Induktor juga digunakan dalam sistem transmisi listrik, yang digunakan untuk mengikangkan paku-paku tegangan yang berasal dari petir, dan
5
juga membatasi arus pensakelaran dan arus kesalahan. Dalam bidang ini, indukutor sering disebut dengan reaktor.Induktor yang memiliki induktansi sangat tinggi dapat disimulasikan dengan menggunakan girator. 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.
5. JENIS-JENIS LILITAN
a. Lilitan ferit sarang madu Lilitan sarang madu dililit dengan cara bersilangan untuk mengurangi efek kapasitansi terdistribusi. Ini sering digunakan pada rangkaian tala pada penerima radio dalam jangkah gelombang menengah dan gelombang panjang. Karena konstruksinya, induktansi tinggi dapat dicapai dengan bentuk yang kecil.
b. Lilitan inti toroid Sebuah lilitan sederhana yang dililit dengan bentuk silinder menciptakan medan magnet eksternal dengan kutub utara-selatan. Sebuah lilitan toroid dapat dibuat dari lilitan silinder dengan menghubungkannya menjadi berbentuk donat, sehingga menyatukan kutub utara dan selatan. Pada lilitan toroid, medan magnet ditahan pada lilitan. Ini menyebabkan lebih sedikit radiasi magnetik dari lilitan, dan kekebalan dari medan magnet eksternal.
6
Arus Transien pada Rangkaian RC
Gambar 1.1 Terjadinya arus transien pada rangkaian RC
Gambar 1.1 menjelaskan proses pemuatan dan pelucutan muatan pada sebuah kapasitor. Jika mula-mula saklar berada pada posisi 1 dalam waktu yang relatif lama maka kapasitor akan termuati sebesar V volt. Pada keadaan ini kita catat sebagai t = 0. Saat saklar dipindah ke posisi 2, muatan kapasitor mulai dilucuti (discharge) sehingga tegangan pada kapasitor tersebut mulai menurun. Saat tegangan pada kapasitor mulai menurun, energi yang tersimpan akan dilepas menjadi panas melalui resistor. Karena tegangan pada kapasitor adalah sama dengan tegangan pada resistor maka arus yang lewat rangkaian juga akan menurun. Proses ini terus
berlangsung sampai seluruh muatan terlucuti atau
tegangan dan arus menjadi nol sehingga rangkaian dalam keadaan stabil ( steady state). Untuk menentukan persamaan tegangan dan arus saat muatan kapasitor dilucuti dapat digunakan hk Kirchhoff tentang arus sebagai berikut. i (t) + i C R(t) = 0 ……....…...........................…(1.2)
7
1.3 Alat-alat yang digunakan
1. Kit praktikum gejala transien 2. Pencatat atau Recorder X-Y 3. Sumber daya searah (DC) 4. Multimeter 5. Kabel Penghubung 1.4
Prosedur Percobaan PERCOBAAN 1 VR
S c a
b
V
Vc C
d
Gambar 1.2 Rangkaian Percobaan 1
a. Buatlah rangkaian seperti diatas sebagai berikut : V = 5 Volt R = 10 kΩ C = 1000µF Keadaan mula, saklar S1 terbuka, C tidak bermuatan ( bagaimana caranya agar dapat diperoleh keadaan ini ?). Pada t = 0, saklar S1 kemudian ditutup dan selanjutnya dibiarkan tertutup.
b. Persiapan Recorder X-Y Saklar fungsi Y pada posisi tetap ; saklar skala Y pada posisi 1000 mV/cm. Saklar fungsi X pada posisi time base ( sec/cem ) dengan tombol pada posisi, kira-kira, ½ konstanta waktu.
c. Menggambar Grafik VR (t) Pasanglah a-b pada masukan-Y dari rekorder. Sumber V = 5 Volt dipersiapkan dan S1 masih terbuka. Saklar time base ( sec/cm ) dibuat menyala (on). Dan tunggulah hingga pena menggambarkan grafik
8
sepanjang kira-kira 2 cm, kemudian saklar S 1 tertutup. Jagalah agar pena jangan menyentuh posisi maksimum ( maksimum kanan atau maksimum atas ) dengan mengatur saklar. Time base ( sec/cm ) sedemikian hingga siperoleh gambar dengan lengkungan yang cukup baik dan jelas. Kemudian bukalah saklar S 1.
d. Menggambar Grafik Vc (t) Pada keadaan saklar S terbuka. Hilangkan muatan pada C dengan cara menghubungkan resistor = 100Ω, posisi saklar sumber pada volt. Tutuplah S1 selama beberapa saat. Pasanglah ground pada masukan-Y dari recorder. Sumber V = 5 volt dipersiapkan, sedangkan S 1 masih terbuka.
Saklar time base ( seec/cm ) dibuat (on), dan tunggulah beberapa saat sampai pena menggambarkan grafik sepanjang kira-kira 2 cm, kemudian barulah saklar S1 ditutup. Pena akan menggambarkan grafik Vc (t) yang diinginkan. Sebelum pena mencapai posisi maksimum ( maksimum kanan atau maksimum atas ), ubahlah time base ( sec/cm ) ke (off).
Pilihlah kombinasi kedudukan skala Y (mV/cm) dan skala time base (sec/cm) sehingga diperoleh gambar dengan kelengkungan yang cukup baik dan jelas. Bukalah saklar S1.
PERCOBAAN 2 Rangkaian Serupa Dengan Percobaan 1 :
9
Rs= 100Ω
S
C
V1 = 2V V
Gambar 1.3 Rangkaian Percobaan 2
a. Keadaan mula, saklar S1 terbuka, kapasitor C mula-mula tidak bermuatan dengan Vc (t) = 2 volt. Cara memberi tegangan mula-mula pada C adalah dengan memasang R s = 100Ω dan V = 2 volt. Saklar S 2 kemudian ditutup untuk beberapa saat ( kira-kira 30 detik ) kemudian dibuka kembali.
b. Dengan cara yang sama percobaan 1, ukurkah dengan recorder X-Y tegangan Vc (t) dan V R sebagai fungsi t sebelum, pada waktu dan setelah S1 ditutup.
PEROBAAN 3 Buatlah rangkaian sebagai berikut :
R1 S1
V S2
R3
C V
R2
Gambar 1.4 Rangkaian Percobaan 3
Vc
10
a. V = 5 volt R 1 = R 2 = 20KΩ R 3 = 10 KΩ C = 2200 µF Keadaan mula, saklar S 1 teerbuka, kapasitor C mula-mula tidak bermuatan (pastikan keadaan ini ). Pada saat t = 0, saklar S 1 ditutup dan selanjutnya dibiarkan tertutup.
b. Dengan cara yang sama dengan percobaan 1, ukurlah dengan recorder XY, tegangan V R (t) dan V c(t) setelah S ditutup.
PERCOBAAN 4 Buatlah rangkaian sebagai berkut :
R1
V
S1
S2
R3
Vc1 V
C2 C1
Vc3
Gambar 1.5 Rangkaian Percobaan 4
a. V = 5 volt R 1 = 100Ω C1 = 2200µf R 2 = 10 KΩ C 2 = 1000 µF
b.
Pada rangkaian C1-R 2-C2. Keadaan mula, saklar S 1 terbuka, tegangan mula pada C 1 = V0 dan C2 = 0 ( tidak mempunyai tegangan mula ). Rangkaian V – S1 – R 1 digunakan untuk memberikan tegangan mulai pada C 1. Dengan cara menutup S 1 sebentar ( kira-kira 30 detik ). Pada saat t = 0, S 2 ditutup dan selanjutnya dibiarkan tertutup. Carilah i(t), V R (t),VC(t) dan Vc2(t) setelah ditutup.
11
c. Percobaan Dengan recorder X-Y tegangan V R (t) sebelum, pada waktu, dan setelah S 2 ditutup. Ukurlah dengan multimeter tegangan Vc 1 dan Vc2 dalam keadaan mantap ( steady state ), setelah S2 ditutup. V = 5 Volt R = 10 kΩ C = 1000µF Keadaan mula, saklar S1 terbuka, C tidak bermuatan ( bagaimana caranya agar dapat diperoleh keadaan ini ?). Pada t = 0, saklar S1 kemudian ditutup dan selanjutnya dibiarkan tertutup.
