MODUL 04 Gejala Transien Tsaqif Alfatan Nugraha (13214036) Asisten: Fajar Bahari Tanggal Percobaan: 26/10/2015 EL2101- Praktikum Rangkaian Elektrik
Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB Abstrak
Pada percobaan rangkaian elektrik modul keempat akan dilakukan percobaan mengenai gejala transien. Gejala transien terjadi pada komponen penyimpan energy seperti pada kapasitor dan konduktor. Gejala ini timbul kareba energy yang diterima atau dilepaskan oleh komponen tersebut tidak berubah seketika (arus pada inductor dan tegangan pada kapasitor). Pada gejala transien suatu fungsi tegangan atau arus bila digambarkan akan mengikuti seperti kurva eksponensial, dimana suatu nilai tegangan atau arus naik atau turun sampai posisi steady-state. Posisi steadystate merupakan posisi dimana tegangan atau arus sudah dalam keadaan mapan atau keadaan konstan. Selanjutnya pada gejala transien respon – respons respons pada komponen yang terjadi ialah respon natural, respon paksa, dan respon lengkap. Gejala transien penting dipelajari untuk melihat seberapa cepat renspons transien bekerja pada suatu komponen. Kecepatan dari respons transien yang bekerja nilainya bergantung terhadap konstanta waktu. Percobaan ini bertujuan agar praktikan dapat mengenali adanya respon natural, respon paksa, dan respon lengkap dari suatu rangkaian, mengukur konstanta waktu pada rangkaian RC, dan yang terakhir ialah memahami pengaruh tegangan transien jika diberi sumber tegangan bebas. Langkah-langkah percobaan yang akan dilkakukan pertama ialah pengumpulan data yang akan digunakan untuk menjawab tujuan percobaan. Kemudian setelah data terkumpulkan maka kemudian disusunlah analisa dan juga kesimpulan mengenai percobaan ini.
Kata Kunci : Gejala transien, Respon-respon transien,dan Konstanta Waktu. 1.
PENDAHULUAN
Pada praktikum kali ini terdapat 5 kali pengumpulan data yang dilakukan. Percobaan yang pertama ialah melihat gejalan transien pada tegangan di kapasitor sebagai fungsi waktu. Rangkaian yang digunakan terdiri dari 2 switch yang bergerak sebagi fungsi waktu, 2 buah resistor, dan 2 buah kapasitor. Kemudian akan dilihat bagaiamana gejala transien yang terjadi di kapasitor pertama dan kapasitor kedua. Percobaan yang kedua pada dasarnya sama dengan percobaan yang pertama. Namun disini kita akan melihat pengaruh dari besar komponen yang digunakan terhadap gejala transien yang
terjadi pada kapasitor. Nilai 2 buah resistor akan diubah menjadi beberapa nilai resistor lainnya dan begitu juga pada nilai kapasitor yang digunakan. Percobaan yang ketiga juga menyerupai dengan percobaan yang pertama. Namun disini kita akn melihat pengaruh gejala transien yang terjadi jika sumber tegangan diberi nilai yang lebih kecil. Sumber tegangan yang tadinya sebesar 5v akan diubah menjadi 4 V dan 2V. Selanjutnya pada percobaan ke-empat rangkaian yang digunakan menyerupai percobaan sebelumnya namun hanya terdapat satu resistor dan akan digunakan induktor yang dipararelkan dengan kapasitor yang kedua. Kemudian kita akan melihat seperti apakah gejala transien yang terjadi. Selanjutnya percobaan yang terakhir ialah mengenai osilasi teredam. Rangkaian yang digunakan menggunakan sebuah sumber tegangan AC, satu Rvar, satu induktor, dan satu kapasitor. Kemudian kita akan mengamati gejala transien yang terjadi pada kapasitor yang mengikuti bentuk osilasi teredam. 2.
S TUDI PUSTAKA
2.1
GEJALA TRANSIEN
Gejala transien terjadi pada rangkaian ramglaoam yang mengandung komponen penyimpanan energy seperti induktor / kapasitor. Gejala ini timbul karena energy yang diterima atau dilepaskan oleh komponen tersebut tidak dapat berubah seketika (arus pada induktor dan tegangan pada kapasitor). ESPON NATURAL, PAKSA , DAN LENGKAP 2.2 R ESPON
Respon natural ialah respon yang terjadi ketika terdapat sebuah rangkaian dengan komponen penyimpan tegangan dan tanpa sumber eksternal seperti sumber arus dan sumber tegangan.
(Gambar 1. Rangkaian R-C respon natural)
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
1
Vc (t) = Vc(t0) x e – t / RC
7. 8. 9. 10.
τ = Rx c
Respon paksa ialah merupakan respon yang terjadi ketika suatu komponen kapasitor/induktor dengan sumber tegangan bebas telah mencapai keadaan steady state (mapan) Respon lengkap ialah merupakan respon gabungan dari respon natural dan juga respon lengkap ketika terdapat sumer tegangan bebas pada rangkaian mengandung komponen kapasitor/induktor.
3.2
Kabel 4mm – jepit buaya (max. 5 buah) Multimeter digital (1 buah) Generator sinyal (1 buah) Resistor Dekade (1 buah)
L ANGKAH PERCOBAAN
1. Percobaan 1
(Gambar 4. Rangkaian Percobaan 1)
(Gambar 2. Rangkaian R-C dengan sumber tegangan bebas)
Respon lengkap = Respon natural + respon paksa
2.3 K ONSTANTA WAKTU
Kosntanta waktu merupakan besarnya waktu yang dibutuhkan agar nilai tegangan atau arus menjadi 36,8 % dari nilai awalnya. •
1 •
2
Komponen
Nilai
R1
2,2 kΩ
R2
4,7 kΩ
C1
220 nF
C2
470 nF
Buat rangkaian seperti gambar 4 diatas dengan nilai-nilai komponen seperti yang disajikan pada tabel diatas
Sambungkan kapasitor 1 ke channel 1 osiloskop dan kapasitor yang kedua ke channel 2 osiloskop
(Gambar 3. Konstanta waktu)
Pada rangkaian R-C konstanta waktu sama dengan,
•
3
Amati nilai tegangan pada kapasitor C1 dan C2 dan amati gejala transien yang terjadi
τ = R x c (s)
3.
METODOLOGI 3.1 Alat-alat yang digunakan 1. Kit transien (1 buah) 2. Kit Rangkaian RL & RC (1 buah) 3. Osiloskop (1 buah) 4. Kabel BNC – probe jepit (2 buah) 5. Kabel BNC – 4 mm(3 buah) 6. Kabel 4 mm – 4mm (max. 10 buah) Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
2
2. Percobaan 2
1 •Buat rangkaian seperti gambar diatas namun ubah nilai R1, R2, C1, dan C2 dengan nilai yang belum digunakan pada percobaan pertama
1
•
2
3
2
•Amati tegangan pada titik E, dengan pengaturan osiloskop 0,2 Volt/div , 40 µs / div, slope turun, dan eksternal trigger
3
•Amati perubahan tegangan untuk nilai C2 yang berbeda •Analisa data yang diperoleh.
Hubungkan kapasitor 1 ke channel 1 osiloskop dan kapasitor yang kedua ke channel 2 osiloskop
5.
•
•Susun rangkaian seperti gambar 5
Percobaan tambahan
Amati nilai tegangan pada kapasitor C1 dan C2 dan amati gejala transien yang terjadi untuk setiap nilai komponen elektrik yang diubah.
(Gambar 6. Rangkaian percobaan 5)
3. Percobaan 3
1 1
•Buat rangkaian seperti gambar diatas namun ubah nilai sumber tegangan nya menjadi 2 V dan 4 V
•
2 •
3
•
2
•Amati tegangan Vc dengan menghubungkan kapasitor dengan channel 1 osiloskop •Gunakan Rvar sebesar 50 Ω dan amati sinyal Vc
3
•Ubah nilai Rvar menjadi 100 Ω dan 2 kΩ dan amati sinyal c •Catat nilai Rvar yang membuat kondisi critically damped.
Hubungkan kapasitor 1 ke channel 1 osiloskop dan kapasitor yang kedua ke channel 2 osiloskop
Amati nilai tegangan pada kapasitor C1 dan C2 dan amati gejala transien yang terjadi untuk setiap nilaisumber tegangan yang diubah. Bandingkan nilai konstanta waktunya
4. Percobaan 4
•Buatlah rangkaian seperti gambar 6. •Hitung resistansi dalam induktor (RL)
4.
H ASIL & A NALISIS
1.
Percobaan 1
(Gambar 5. Rangkaian percobaan 4)
(Gambar 7. Hasil percobaan 1)
VppC1 (v)
VppC2 (v)
Tc1 (s)
Tc2 (s)
5,68
2,84
20 m
20 m
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
3
Analisa :
Pada percobaan yang pertama terdapat sebuah kit yang mengenai gejala transien dimana terdapat 3 buah switch dan dua buah kapasitor. Rangkaian ini akan mentrasfer tegangan dari sumber kepada 2 buah kapasitor tersebut. Untuk selang waktu yang pertama kapasitor pertama akan diisi hingga penuh. Selanjutnya untuk selang waktu yang kedua energy dari kapastior pertama akan dialihkan ke kapasitor kedua. Ini terlihat dari nilai tegangan kapasitor pertama yang menurun dan kemudian tegangan kapasitor yang bertambah. Selanjutnya kapasitor akan dikosongkan kembali. Perisitiwa ini dapat kita amati seperti pada gambar hasil percobaan diatas. Dimana untuk selang waktu pertama kapasitor pertama akan diisi. Selanjutnya sebagian tegangan dari kapasitor pertama akan dialihkan ke kapasitor kedua dan kemudian akan dikosongkan kembali kedua kapasitor tersebut.
2.
Percobaan 2
Pada percobaan yang kedua besarnya nilai komponen-komponen yang diapakai akan diubah-ubah. Berikut ini merupakan hasil yang didapat dari perubahan nilai masing-masing komponen :
R1 = 1 kΩ
R1 = 4,7 kΩ
(Gambar 9. Hasil percobaan 2 dengan R1 = 4,7 kΩ)
VppC1 (v)
VppC2 (v)
Tc1 (s)
Tc2 (s)
5,36
2,16
20 m
20 m
Analisa : Jika kita lihat pada gambar 9 diatas, percobaan dengan menggunakan R1 = 4,7 kΩ didapat bahwa ketika nilai tegangan dari Vc2 mulai terisi hingga steady state, ditemui bahwa kurva pada tegangan mantapnya lebih datar dibandingkan dengan percobaan yang pertama. Kemudian juga dapat dilihat untuk pengisian Vc1 hingga nilai maksimum didapat kurva yang lebih curam dibandingkan percobaan sebelumnya
R2 = 2,2 kΩ
(Gambar 8. Hasil percobaan kedua dengan R1 = 1kΩ) (Gambar 10. Hasil percobaan 2 dengan R2 = 2,2 kΩ)
VppC1 (v) 5,68
VppC2 (v) 2,8
Tc1 (s) 26,29 m
Tc2 (s) VppC1 (v)
VppC2 (v)
Tc1 (s)
Tc2 (s)
5,6
2,48
20 m
20 m
20 m
Analisa :
Analisa : Pada percobaan dengan R1 = 1 kΩ didapat bahwa nilai tegangan dari Vc1 mengalami steady state yang lebih lama jika dibandingkan dengan percobaan yang pertama.
Kurva yang didapat dengan menggunakan R 2 = 2,2 kΩ menyerupai dengan yang didapat pada percobaan pertama. Kemudian nilai perubahan kurvanya juga lebih stabil karena R1= R2= 2,2 kΩ
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
4
R2 = 10 kΩ
C1 = 470nf
(Gambar 13. Hasil percobaan 2 dengan C1 = 470 nF) (Gambar 11. Hasil percobaan 2 dengan R2 = 10 kΩ)
VppC1 (v)
VppC2 (v)
Tc1 (s)
Tc2 (s)
5,6
2,48
20 m
20 m
VppC1 (v)
VppC2 (v)
Tc1 (s)
Tc2 (s)
5,44
3,12
20 m
20 m
Analisa : Analisa : Kurva yang didapat dari hasil percobaan dengan menggunakan R2 = 10 kΩ menyerupai dengan apa yang didapat pada percobaan pertama.
Kurva yang didapat dari hasil percobaan dengan menggunakan C1 = 470 nF menyerupai dengan percobaan yang pertama. Namun nilai maksimum ketika VC2 terisi nilainya lebih besar jika dibandingkan pada percobaan pertama.
C1 = 100nF
C2 = 220 nF
(Gambar 12. Hasil percobaan 2 dengan C1 = 100 nF)
VppC1 (v)
VppC2 (v)
Tc1 (s)
Tc2 (s)
5,6
1,84
20 m
20 m
(Gambar 14. Hasil percobaan 2 dengan C2 = 220nF)
Analisa : Kurva yang didapat dari hasil percobaan dengan menggunakan C1 = 100 nF menyerupai dengan percobaan yang pertama. Namun nilai maksimum ketika VC2 terisi nilainya lebih kecil jika dibandingkan pada percobaan pertama. Kemudian ketika VC1 awal nya terisi terlihat bahwa kurvanya lebih curam jika dibandingkan dengan percobaan pertama.
VppC1 (v)
VppC2 (v)
Tc1 (s)
Tc2 (s)
5,6
3,84
20 m
20 m
Analisa : Kurva yang didapat dari hasil percobaan dengan menggunakan C2 = 470 nF menyerupai dengan percobaan yang pertama. Namun nilai maksimum ketika VC2 terisi nilainya lebih besar jika dibandingkan pada percobaan pertama.
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
5
C2 = 100nF
Vs = 2V
(Gambar 15. Hasil percobaan 2 dengan C2 = 220nF)
VppC1 (v)
VppC2 (v)
Tc1 (s)
Tc2 (s)
5,6
3,84
20 m
20 m
(Gambar 17. Hasil percobaan 2 dengan Vs = 4 V)
Analisa : Kurva yang didapat dari hasil percobaan dengan menggunakan C2 = 470 nF menyerupai dengan percobaan yang pertama. Namun nilai maksimum ketika VC2 terisi nilainya lebih kecil jika dibandingkan pada percobaan pertama.
3.
Percobaan 3
Pada percobaan 3 kita akan melihat pengaruh besarnya sumber tegangan bebas yang diberikan pada gejala transien yang didapat, sehingga nilai sumber tegangannya kan diubah-ubah. Berikut ini hasil percobaannya : Vs = 4V
VppC1 (v)
VppC2 (v)
τc1 (s)
τc2 (s)
2,56
0,92
2,4 ms
4 ms
Analisa : Kurva yang didapat dari hasil percobaan dengan menggunakan Vs = 4 V. menyerupai dengan percobaan yang pertama. Namun nilai maksimum Vc1 dan Vc2 besarnmya akan lebih kecil dibandingkan dengan percobaan pertama.Nilai konstanta waktunya ditunjukan pada table diatas. Perubahan besarnya sumber tegangan seharusnya tidak mengubah besar konstanta waktunya. Karena pada table hasil percobaan ini didapat nilai konstanta waktu yang cukup berbeda dengan perccobaan dengan Vs = 2V didapat bahwa terdapat kesalahan pada percobaan ini.
4.
Percobaan 4
C2 = 220 nF
(Gambar 16. Hasil percobaan 2 dengan Vs = 4 V)
VppC1 (v)
VppC2 (v)
τc1 (s)
(Gambar 18. Hasil percobaan 2 dengan C2 = 220 nF)
τc2 (s)
VppE = 472 mV 4,56
1,58
4 ms
3,2 ms
Analisa : Kurva yang didapat dari hasil percobaan dengan menggunakan Vs = 4 V. menyerupai dengan percobaan yang pertama. Namun nilai maksimum Vc1 dan Vc2 besarnmya akan lebih kecil dibandingkan dengan percobaan pertama.Nilai konstanta waktunya ditunjukan pada table diatas.
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
6
C2 = 100 nF
Rvar = 50Ω
(Gambar 19. Hasil percobaan 2 dengan C2 = 0 nF)
VppE = 360 mV
C2 = 470 nF (Gambar 21. Hasil percobaan 5 dengan Rvar = 50Ω)
Rvar = 100Ω
(Gambar 20. Hasil percobaan 2 dengan C2 = 220 nF)
VppE = 608 mV
Analisa : Pada percobaan yang keempat sebuah induktor akan dipararelkan dengan sebuah kapasitor dan kemudian kita akan melihat tegangan pada titik yang dipararelkan tersebut. Kurva yang diperoleh pada percobaan ini berbeda dengan percobaan yang pertama. Pada kurva diatas didapat bahwa tegangan pertama-tama akan mulai terisi dan akan dikosongkan kembali. Hal ini sesua dengan sifat kapasitor dan induktor yang saling menghilangkan. Kemudian jika nilai kapasitor yang digunakan diubah-ubah besarnya, hal ini akan menyebabkan kemiringan kurva yang didapat akan berubah-ubah. Selain itu besarnya nilai Vmaks yang diperoleh juga berbeda tergantung nilai kapasitansi yang dipakai. Semakin besar nilai kapasitansinya maka akan semakin besar nilai tegangan puncak yang diperoleh.
5.
Pada percobaan kali ini kita akan megamati bentuk osilasi teredam dengan menggunakan rangkaian yang diberikan sumber tegangan AC, induktor, kapasitor, dan Rvar yang nilainya bisa diubah-ubah. Berikut ini hasil percobaan yang didapat.
Rgensin = 50 Ω
Rvar = 2 kΩ
(Gambar 23. Hasil percobaan 5 dengan Rvar = 2 kΩ)
Analisa :
Percobaan 5
RL = 53,6 Ω
(Gambar 22. Hasil percobaan 5 dengan Rvar = 100Ω)
Rangkaian yang digunakan merupakan rangkaian seri R-L-C dengan menggunakan sumber tegangan AC. Sehingga ini merupakan rangkaian dengan orde 2 yang merupakan bentuk rangkaian osilasi. Namun nilai osilasinya merupakan osilasi yang teredam sesuai dengan sifat kapasitor dan induktor pada umumnya yang menyimpan energy. Faktor peredamnya bergantung pada nilai masing-masing komponen yang digunakan. Semakin besar nilai komponen yang digunakan maka akan semakin cepat juga osilasinya untuk
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
7
teredam atau mungkin bisa mencapai fase critically damped.
5.
K ESIMPULAN
Dari beberapa langkah percobaan yang telah kami lakukan, kami dapat menyimpulkan poin-poin penting dalam proses pengerjaan percobaan ini, yakni :
Pada suatu rangkaian yang terdapat komponen penyimpan energi maka akan terjadi sebuah gejala transien. Gejala transien merupakan meningkat atau menurunnya nilai tegangan atau arus dalam selang waktu tertentu hingga mencapai keadaan mapan (steady state)
Pada gejala transien terdapat respon natural, respon paksa, dan respon lengkap. Respon natural ialah keadaan dimana tidak terdapat sumber tegangan pada keadaan bebas. Respon paksa ialah respon yang terjadi ketika sudah mencapai keadaan mapan. Sedangkan respon lengkap ialah penjumlahan dari respon natural dan respon paksa.
Suatu pola gejala transien pada suatu komponen nilainya akan dipengaruhi dari besarnya komponen.
Gejala transien yang terjadi sangat dipengaruhi oleh konstanta waktu dari rangkaian tersebut. Semakin kecil respon konstanta waktunya maka akan semakin cepat suatu respon gejala transien akan terjadi.
Pada suatu rangkaian orde dua maka akan terjadi peristiwa osilasi yang teredam. Contohnya rangkaian orde dua ialah rangkaian seri R-L-C.
D AFTAR PUSTAKA
[1]
Hutabarat, Mervin T., Petunjuk Praktikum Rangkaian Elektrik, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2015
[2]
Sadiku, Matthew O., Fundamentals of Electric Circuits , Mc Graw Hill, New York, 2013.
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
8
