PERCOBAAN I

A. JUDUL : RANGKAIAN R, L, C .

B. TUJUAN : Mahasiswa dapat menyelidiki beda phase pada rangkaian dengan beban R,

beban L, dan beban C .

C. TEORI SINGKAT.

DASAR LISTRIK BOLAK-BALIK (AC)

AC atau Alternating Current merupakan arus yang terjadi pada gelombang dengan

frekuensi sebanyak 50 kali dalam 1 detik atau HZ pada simbolnya. Arus AC secara umum

banyak digunakan dalam bidang perkantoran, industri, bangunan, toko dan perumahan.

Arus AC bisa ditentukan jumlah besar daya atau skala yang diinginkan, namun hal itu

tergantung dengan seberapa MCB atau Miniature Circuit Breaker yang dikeluarkan untuk

digunakan. Arus AC dapat dibesarkan tingkat tegangannya dengan menggunakan alat yang

disebut transformator step up, jika voltase naik maka pada ampere (i) akan turun dan begitu

juga sebaliknya.

A. Tegangan dan Arus Listrik Bolak-Balik

Suatu bentuk gelombang tegangan listrik bolak – balik dapat di gambarkan seperti

gambar dibawah ini.

Gambar 1. Bentuk Gelombang Tegangan Listrik Bolak-Balik. Pesamaan tegangan sesaat :

v = Vmsin 2πft = Vmsin [2 πT ]t = Vm sin ωt

Dimana :

v = Tegangan sesaat ( Volt )

Vm = Tegangan Maksimum ( Volt )

f = Frekuensi = 1T (Hz)

T = Periode = waktu untuk satu gelombang ( s )

ω = kecepatan sudut = 2πf = 2πT = radian perdetik

Frekuensi dalam listrik AC merupakan banyaknya gelombang yang terjadi dalam satu detik.

Jika waktu yang diperlukan oleh satu gelombang disebut periode (T) maka :

f = 1T atau T = 1

f

jika generator mempunyai P kutub dan berputar sebanyak N kali dalam satu menit, maka

frekuensi mempunyai persamaan :

f = PN120

dimana :

P = Jumlah kutub generator

N = Jumlah putaran permenit (rpm)

B. Sudut Fase dan Beda Fase

Dalam rangkaian listrik arus bolak- balik sudut fase dan beda fase akan memberikan

informasi tentang tegangan dan arus. Sedangkan beda fase antara tegangan dan arus pada

listrik arus bolak-balik memberikan informasi tentang sifat beban dan penyerapan daya atau

energi listrik. Dengan mengetahui beda fase antara tegangan dan arus dapat diketaui sifat

beban apakah resistif, induktif atau kapasitif.

C. Tegangan Efektif dan Arus Efektif

Tegangan listrik arus bolak – balik yang diukur dengan multimeter menunjukan

tegangan efektif. Nilai tegangan dana rusefektif pada arusbolak – balik menunjukan gejala

yang sama seperti panas yang timbul jika dilewati arus searah :

Tegangan Efektif = Tegangan Maksimum

√2

= 0,707 tegangan maksimum

Ief = I maksimum

√2

= 0,707 I maksimum

D. Respon Elemen

1. Resistor dalam arus bolak – balik

Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan ohm saja

(resistance), seperti elemen pemanas (heating element) dan lampu pijar. Beban jenis ini hanya

mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai faktor daya sama dengan satu. Tegangan dan

arus sefasa. Rangkaian yang terdiri dari sebuah sumber tegangan bolak – balik dan sebuah

resistor seperti Gambar 2 di bawah.

Persamaan tegangan sumber

v = Vm Sin ωt

Persamaan tegangan pada Resistor R

v = i.R

dimana :

v = tegangan sesaat ( V )

i = arus sesaat ( A )

R = resistansi ( Ω )

Sehingga :

i = Vmsin ωt

R

i = Vm sin ωt

Pada beban resistor murni tegangan dan arus mempunyai fasa sama (sefase).

Daya sesaat ( p )

P = vi = Vm Sin ωt .ImSin ωt

= VmIm Sin2 ωt

= Vmℑ

2 ( 1 – cos 2ωt )

= Vmℑ

2−Vm ℑcos 2ωt

2

Untuk satu gelombang nilai rata – rata :

Vmℑ2 cos 2ωt = 0

Atau

P = Vmℑ

2 = Vm√2

× ℑ√2

dimana :

P = V I watt

V = Tegangan Efektif

I = Arus Efektif

2. Induktor murni ( L ) dalam arus bolak – balik

Beban induktif (L) yaitu beban yang terdiri dari kumparat kawat yang dililitkan pada

suatu inti, seperti coil, transformator, dan solenoida. Beban ini dapat mengakibatkan

pergeseran fasa (phase shift) pada arus sehingga bersifat lagging. Hal ini disebabkan oleh

energi yang tersimpan berupa medan magnetis akan mengakibatkan fasa arus bergeser

menjadi tertinggal terhadap tegangan. Beban jenis ini menyerap daya aktif dan daya

reaktif.Bila tegangan bolak – balik dipasang pada inductor murni seperti Gambar 3 di bawah,

maka inductor menghasilkan ggl yang melawan sumber yang besarnya

Tegangan Sumber

v = Vm Sin ωt

sehingga

VmSin ω t = Ldidt

di = VmL sin ωtdt

i = VmL ∫ sinωt

i = VmωL ( -cosωt )

i = VmωL sin ( ωt -

π2 )

Arus sesaat ( i ) maksimum Im = VmωL jika sin( ωt -

π2 ) mempunyai nilai 1 maka

persamaan arus pada Induktor menjadi :

I = Imsin ( ωt - π2 )

Arus ketinggalan dengan sudut π2 atau 90.

Daya Sesaat

Bentuk gelombang tegangan dan arus pada inductor dapat dilihat dalam Gambar 4 berikut ini.

P = v i

= Vm Im Sin ωt Sin ( ωt - π2 )

dimana :

p = daya sesaat

V = Vm Sin ωt

Daya untuk seluruh siklus

P = - Vmℑ

2 ∫0

2 π

sin ωt dt=0

Dari persamaan di atas dapat dijelaskan bahwa induktor murni tidak menyerap daya listrik

hanya menyimpan energi listrik sesaat dalam jumlah terbatas.

3. Kapasitor murni ( C )dalam arus bolak – balik.

Beban kapasitif (C) yaitu beban yang memiliki kemampuan kapasitansi atau

kemampuan untuk menyimpan energi yang berasal dari pengisian elektrik (electrical

discharge) pada suatu sirkuit. Komponen ini dapat menyebabkan arus leading terhadap

tegangan. Beban jenis ini menyerap daya aktif dan mengeluarkan daya reaktif.Rangkaian

yang terdiri dari sebuah sumber tegangan bolak – balik dan sebuah kapasitor seperti Gambar

5 di bawah.

Tegangan sumber mempunyai persamaan

v = Vm Sin ωt

Muatan pada kapasitor

q = Cv

q = Muatanpada plat kapasitor

C = Kapasitansikapasitor

V = Beda potensial/tegangan

PersamaanArus

i = dqdt =

dCvdt

= dCv Vm sin ωt

dt

= ωC Vm cosωt

= Vm

1/ωC sin ( ωt + π2 )

i = Im sin ( ωt + π2 )

Dari persamaan tersebut terlihat bahwa arus mendahului tegangan dengan sudut π2 atau 90

Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa kapasitor tidak menyerap daya listrik

Karakteristik tegangan dan arus dari ketiga elemen pasif tersebut dapat dilihat dalamTabel

berikut .

Tabel Karakteristik tegangan dan arus R, L, dan C

D. ALAT DAN BAHAN

NO Nama Alat/Bahan Jumlah Spesifikasi

1. Sumber Tegangan AC 1 220 volt

2. Amperemeter AC 1 ( 0 – 5 ) A

3. Voltmeter AC 250 V 1 Analog

4. Cos φ meter 1 Digital

220 V

220 V

I = 0,32 A

1,8 H

I = 0,5 A

VR

230 V700 Ω

VL 232,5 V

5. Resistor Variabel ( R ) 2 ( 500 + 200 ) Ω

6. L ( Ballast ) 20 Watt 1 1,48 H

7. Kapasitor ( C ) 1 4,5 μF

8. Kabel Penghubung 4

E. GAMBAR RANGKAIAN PERCOBAAN

a. Beban R murni

b. Beban L murni

c. Beban C murni

220 V 4,5 μF VC

235 V

I = 0,31A

Gambar rangkaian percobaan.

F. LANGKAH PERCOBAAN

1. Siapkan seluruh alat dan bahan yang di butuhkan.

2. Ukur dan atur 2 resistor variabel dengan multimeter sebesar 700 Ω.

3. Buatlah rangkaian seperti gambar a. beban R murni dengan R = 700 Ω.

4. Kemudian beri sumber tegangan AC 220 Volt.

5. Amati Amperemeter, Cos φ meter dan Voltmeter , kemudian catat hasil pengukuran

ke dalam tabel data.

6. Matikan sumber tegangan AC dan gantilah beban R dengan beban L.

7. Kemudian beri sumber tegangan AC 220 Volt.

8. Amati Amperemeter, Cos φ meter dan Voltmeter , kemudian catat hasil pengukuran

ke dalam tabel data.

9. Ulangi langkah 7 dan 8 untuk beban C.

G. TABEL DATA

Beban Arus ( I ) Tegangan ( V ) Sudut θ Cos φ

R 0,32 A 230 V - 0,4 0,99

L 0,5 A 232,5 V 76,2 0,23

C 0,31 A 235 V - 89,1 0,016