Materi Pelajaran dan Lainnya: FISIKA

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 : V_ef = V / √2 I_ef = 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 V_m disebut amplitudo sumber tegangan bolak balik.

Fungsi sinusoida yaitu sin(ωt) menyatakan fase tegangan sumber dengan sudut fase sebesar ωt. Tegangan berubah dari V_m sampai dengan –V_m 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 I_m 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 v_R(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 i_R(t), sumber tegangan bolak balik v(t) dan tegangan sesaat pada

resistor v_R(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 i_R(t) dengan v_R(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.