Listrik Arus Bolak Balik
Listrik
arus bolak-balik
Listrik
Arus bolak-balik (listrik AC — alternating current) adalah arus listrik dimana
besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan
listrik arus searah dimana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah dengan
waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk
gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling
efisien. Namun dalam aplikasi-aplikasi spesifik yang lain, bentuk gelombang
lain pun dapat digunakan, misalnya bentuk gelombang segitiga (triangular wave)
atau bentuk gelombang segi empat (square wave).
Secara
umum, listrik bolak-balik berarti penyaluran listrik dari sumbernya (misalnya
PLN) ke kantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Namun ada pula contoh lain
seperti sinyal-sinyal radio atau audio yang disalurkan melalui kabel, yang juga
merupakan listrik arus bolak-balik. Di dalam aplikasi-aplikasi ini, tujuan
utama yang paling penting adalah pengambilan informasi yang termodulasi atau
terkode di dalam sinyal arus bolak-balik tersebut.
Karakteristik
arus bolak balik tidak seperti arus searah, dimana besar dan polaritas dari
arus/tegangan selalu tetap sepanjang waktu maka pada arus bolak-balik, besar
dan polaritas dari arus/tegangan berubah-rubah terhadap waktu mengikuti bentuk
fungsi sinus.
Berikut
gambar karakteristrik arus AC.
Karakteristik Arus AC
Dari
karakteristik tersebut maka kita kenal :
- Tegangan/arus
sesaat
- Tegangan/arus
puncak/maksimum
- Tegangan/arus
efektif
Tegangan
Arus
Nilai sesaat
: e = V sin
wt
I = sin t
Nilai maks
: V = V
I = I
Nilai efektif
: Vef = V / √2
Ief = I / √2
Nilai
efektif adalah nilai yang terukur pada alat ukur (Volt meter /Amper meter)
Misalnya
tegangan dirumah : 220 volt atau 380 volt.
Perlu diingat,
pengertian arus dalam listrik adalah muatan positif yang bergerak, disimbolkan
dengan panah biru dalam Gambar 1. Walau sebenarnya yang bergerak adalah
elektron (muatan negatif) yang digambarkan sebagai panah merah dalam Gambar 1.
Dengan demikian kita bisa buat grafik Perubahan Perbedaan Tegangan (V) terhadap
Waktu seperti pada Gambar 1 kanan. Untuk ujung A, perbedaan tegangan tidak
berubah terhadap waktu. Begitu juga dengan ujung B.
Bagaimana
seandainya kutub positif dan kutub negatif dari baterai tersebut berganti-ganti
terhadap waktu? Misalnya pada waktu t1 ujung A adalah positif dan ujung B
adalah negatif. Kemudian pada waktu t2 ujung A adalah negatif dan B adalah
positif. Dan siklus ini terus berlangsung sampai sumber listrik tersebut
dimatikan. Inilah yang disebut arus bolak-balik: kutub sumber listrik
berganti-ganti tiap waktu. Kondisi ini diilustrasikan oleh Gambar 2.
Kalau pergantian
kutub itu terjadi 60 kali dalam satu detik, maka dikatakan frekuensi sumber AC
tersebut adalah 60 Hertz (seperti banyak dipakai di Amerika Serikat). Kalau pergantian
kutub itu terjadi 50 kali dalam satu detik, maka frekuensi sumber AC tersebut
adalah 50 Hertz (seperti banyak dipakai di Eropa dan Asia termasuk di
Indonesia). Tentu sekarang kita paham apa maksud “frekuensi arus PLN adalah 50
Hz”.
Karena perbedaan
tegangan berubah-ubah setiap waktu, maka untuk praktis besarnya perbedaan
tegangan arus bolak-balik dinyatakan dalam rms (root mean square, akar dari
kuadrat rata-rata) perbedaan tegangan maksimum. Ini sebenarnya hanya permainan
statistik, tidak mengandung fenomena fisis yang baru. Harga rms dari perbedaan
tegangan bernilai perbedaan tegangan maksimum dibagi akar dua (garis
putus-putus hitam pada Gambar 2).
Bicara tentang
kestabilan, tentu arus searah lebih stabil (lihat grafik perubahan perbedaan
tegangan terhadap waktu untuk masing-masing jenis arus). Dan umumnya alat-alat
elektronik beroperasi dengan arus searah. Hal ini boleh menjadi pertanyaan:
kenapa kita memakai arus bolak-balik sebagai sumber listrik utama?
Jawabannya adalah
dipengaruhi faktor ekonomi: membuat sumber arus bolak-balik (generator) jauh
lebih murah daripada sumber arus searah. Untuk menjadikan arus bolak-balik
menjadi searah tidaklah begitu sulit, walau hasilnya tidak sestabil arus dari
baterai tapi harga kestabilan ini dikompensasi sangat baik oleh biaya pengadaan
sumber listrik.
Induktor Dalam
Rangkaian Arus Bolak Balik
Fisika Kelas 2
> Listrik Arus Bolak Balik (AC)
• Reaktansi
Induktff : hambatan induktor pada rangkaian arus
bolak-balik.
XL = w > L =
2pf.L
• Tegangan dan
Arus pada Induktor :
V = Vm sin wt
I = Im
sin(wt-90°)
Jadi beda fase
dalam rangkaian induktif 90° (arus ketinggalan 90° dari tegangan)
Pada gambar
terlihat :
- beda fase I dan
VL ialah 90°
(tegangan
mendahului arus)
- beda fase I dan
V ialah 45°
(tegangan
mendahului arus)
Arus bolak-balik
(AC) adalah sejenis arus yang mempunyai arah bolak-balik karena sumber arus
listrik menghasilkan voltase bolak-balik karena sumber arus listrik
menghasilkan voltase bolak-balik (voltase alternating). Sistem kelistrikan pada
kendaraan bermotor menggunakan arus searah, listriknya berasal dari arus
bolak-balik dengan menggunakan ”inverter”. Pada kendaraan bermotor yang memakai
generator AC (alternator) memerlukan perubahan arus bolak-balik itu jika
alternator sesuai digunakan pada kendaraan bermotor tersebut.
A. Sumber Tegangan Listrik Arus Bolak-Balik
Hukum Faraday menyatakan apabila fluks
magnetik berubah maka dapat dihasilkan suatu gaya gerak listrik (GGL) induksi.
Jika suatu koil diputar pada ruang yang terdapat medan magnet, maka dihasilkan
gaya gerak listrik induksi yang berubah dengan waktu secara sinusoida, yang
dikenal sebagai arus bolak balik (ac). Prinsip kerja putaran koil inilah yang
digunakan dalam sumber tegangan arus bolak balik (ac) atau dikenal dengan istilah
generator arus bolak balik (ac).
Gambar
1.Simbol untuk sumber tegangan bolak balik adalah
menyatakan bahwa tegangan berubah
sinusoida terhadap waktu.
Simbol
untuk sumber tegangan bolak balik dinyatakan dalam Gambar 1, yang secara
matermatis dinyatakan dalam rumus berikut :
Keterangan
:
nilai
maksimum Vm disebut amplitudo sumber tegangan bolak balik.
Fungsi
sinusoida yaitu sin(ωt) menyatakan fase tegangan sumber dengan sudut
fase sebesar ωt. Tegangan berubah dari
Vm sampai dengan –Vm
karena fungsi sinus berubah dari 1 ke
–1. Grafik tegangan sebagai fungsi waktu ditunjukkan dalam Gambar 2
sebagai berikut:
Gambar 2.Grafik
sumber tegangan sinusoida dengan amplitudo V0.
Karena
tegangan tersebut memenuhi fungsi sinus maka nilai tegangan pada saat t
dan saat
t + T adalah tepat sama, sehingga T disebut periode.
Frekuensi f didefinisikan sebagai
f = 1/T dengan satuan
s–1 atau hertz (Hz). Sedangkan frekuensi sudut adalah ω = 2πf. Untuk
memudahkan pembacaan maka huruf kecil digunakan menyatakan besaran yang
berubah
terhadap waktu, sebaliknya huruf kapital untuk besaran yang konstan.
Apabila
sumber tegangan dihubungkan dengan rangkaian RLC maka energi yang
diberikan akan habis dalam resistor. Setelah bekerja selama rentang waktu
peralihan, arus AC akan mengalir dalam rangkaian dan memberikan tanggapan
kepada sumber tegangan. Arus dalam rangkaian inilah yang dirumuskan
sebagai
yang juga
berosilasi dengan frekuensi yang sama dengan sumber
tegangan,
namun dengan amplitudo arus Im serta memiliki beda fase
yang
bergantung frekuensi sumber.
Contoh soal
:
Suatu
sumber tegangan bolak-balik mempunyai harga tegangan sebagai fungsi waktu
sebgai berikut :
V = 100 sin 100t volt. Hitung :
a) Tegangan
maksimum
b) Tegangan
puncak ke puncak
c) Tegangan
efektif
d) Frekuensi
anguler
e) Periode
f)
Frekuensi
Penyelesaian
:
Samakan
persamaan sinusoidal tegangan ac dengan tegangan sinusoidal yang di ketahui :
V = Vm sin t Vm = 100 volt
V = 100 sin 100 t = 100 rad/s
a) Tegangan
maksimum Vm = 100 volt
b) Tegangan
puncak ke puncak Vpp sama dengan 2 kali tegangan maksimum
Vpp =
2 Vm = 2 (100 volt) = 200 volt
c) Tegangan
efektif Veff di hitung dengan persamaan
Veff = = =
100 volt
d) Frekuensi
anguler = 100
rad/s
e) Periode T
di hitung dari frekuensi anguler
= T =
= = s
f)
Frekuensi f adalah kebalikan periode
:
f = = = Hz
B. Tanggapan Resistor Pada Arus Listrik Bolak-Balik
Sebelum
meninjau rangkaian R, L, dan C dalam berbagai variasi
sambungan
rumit berikut akan ditinjau lebih dahulu rangkaian tunggal
yang hanya
ada satu elemen yaitu salah satu diantara resistor, induktor
atau
kapasitor yang dihubungkan dengan sumber tegangan sinusoida.
Tinjau
resistor R yang dihubungkan dengan generator arus bolak balik
(ac)
seperti :
Hukum kedua
Kirchhoff untuk rangkaian resistor dalam sumber
tegangan
bolak balik seperti :
bila v(t) adalah tegangan pada
sumber tegangan bolak balik dan vR(t)
adalah
tegangan sesaat pada kedua ujung resistor sehingga :
arus sesaat
pada resistor adalah :
sedangkan
arus maksimum pada resistor adalah :
Tampak
bahwa arus sesaat pada resistor iR(t), sumber tegangan
bolak balik v(t) dan tegangan sesaat pada
resistor vR(t)
adalah sefase satu sama lain, artinya ketiganya mencapai maksimum dan minimum
dalam waktu yang sama. Fase arus pada resistor sama dengan fase sumber tegangan
bolak balik yaitu sesuai dengan fungsi sin(ωt).
Hubungan
antara iR(t) dengan
vR(t) dapat juga dinyatakan dengan diagram
fasor. Suatu fasor adalah vektor yang berputar dengan arah kebalikan arah jarum
jam dengan kecepatan sudut ω. Panjang vektor merupakan amplitudo, sedangkan
proyeksi vektor pada sumbu vertikalnya merupakan nilai sesaat dari besaran yang
berubah terhadap waktu tersebut.