Selasa, 24 November 2015

Laporan Praktikum Elektronika Dasar 1

Rangkaian Seri RLC Arus AC
(E7)

Arda Bayu Apriliawan, Linahtadiya Andiani, Bachtera Indarto
Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl.
Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail:
adha9766@gmail.com

AbstrakTelah dilakukan percobaan yang berjudul “Rangkaian Seri RLC Arus AC (E7)”. Yang bertujuan untuk menganalisis sinyal keluaran dari sumber AC, rangkaian RC seri, RL seri, dan RLC seri pada osiloskop serta menentukan besar nilai tetapan waktu (τ) pada rangkaian RL seri dan RC seri. Dalam percobaan ini menggunakan alat dan bahan seperti osiloskop, generator AC, project board, kabel buaya, resistor 120 Ω, kapasitor 47 mF, dan induktor 1kH. Dari alat dan bahan tersebut dilakukan percobaan yaitu pertama rangkai alat dan bahan, kemudian atur frekuensi, time/dlv, voltase/dlv kemudian amati osiloskop. Dalam percobaan ini dilakukan variasi frekuensi yaitu 100 Hz, 125 Hz, 149,3 Hz , 175 Hz, 200 Hz. Dari hasil percobaan diperoleh Vmax, Vmin, dan Vrms. Dan dari hasil pengamatan osiloskop diperoleh pada rangkaian RC diamati terdapat gejala transien berbentuk diagonal, sedangkan pada rangkaian RL diamati terdapat gejala transien berbentuk vertikal, dan pada rangkaian arus AC diamati sinyal keluaran berbentuk sinusoidal. Dan rangkaian RC diperoleh sinyal keluaran bentuk diagonal. Dan rangkaian RL diperoleh sinyal keluaran bentuk kotak, yaitu garis vertikal dan horizontal.
Kata KunciRangkaian RLC, Gejala Transien, Arus AC

PENDAHULUAN

Dalam kehidupan sehari-hari kita membutuhkan energi listrik untuk menggunakan alat elektronik seperti lampu, TV, radio, bel listrik maupun alat elektronik yang lainnya. Alat elekronik tersebut merupakan salah satu aplikasi dari rangkaian RC,RL, dan RLC.

Rangkaian RC

Elemen-elemen rangkaian adalah hambatan-hambatan yang didalam nya terdapat arus-arus yang tidak berubah dengan waktu. Kapasitor adalah elemen rangkaian, yang akan mengantarkan konsep arus-arus yang berubah terhadap waktu. Didalam waktu dt maka sebuah muatan dq (=i dt ) bergerak melalui setiap penampung rangkaian. Kerja yang dilakukan oleh tempat kedudukan tge tersebut (= a dq)  harus menyamai tenaga yang muncul sebagai tenaga kalor di dalam hambatan selama waktu dt (=i2 R dt) ditambah kenaikan banyaknya tenaga U yang disimpan didalam kapasitor tersebut (= dU = d(q2 / 2C). Didalam bentuk persamaan maka,

ԑ dq = i2 R dt + d (q2 / 2C)                                            (1.1)
atau
ԑ dq = i2 R dt + (q / C) dq                                                                              (1.2)

Dengan membaginya dengan dt maka akan menghasilkan

ԑ dq / dt  = i2 R dt + (q / C) dq/dt                                                 (1.3)
Tetapi dq/dt tak lain dari pada i, sehingga persamaan ini menjadi,
ԑ  = i R + (q / C)

Persamaan ini diperoleh juga dari teorema simpal, sebagaimana metinya, karena teorema simpal diturunkan dari prinip kekekalan tenaga. Dengan memulai dari titik x dan melintasi rangkaian tersebut didalam arah perputaran jarum jam, maka kita mengalami pertambahan potensial sewaktu bergerak melalui tempat kedudukan tge tersebut dan potensi akan berkurang sewaktu melintasi hambatan dan kapasitor tersebut, atau

ԑ - i R -  (q / C) = 0                                                                                         (1.4)
[1]
Karakteristik komponen rangkaian RC yaitu jika saklar S ditutup, maka arus segera mulai mengalir ke dalam rangkaian dan pada kapasitor C mulai terkumpul sejumlah muatan. Selama muatan berkumpul pada kapasitor, arus dari sumber menurun sehingga tegangan kapasitor V sama dengan gerak listrik sumber ԑ dan selanjutnya tidak ada arus yang mengalir.[3]


Gambar 1. Grafik Rangkaian RC

Rangkaian RL

Didalam sebuah rangkaian bersimpul tunggal yang mengandung sebuah hambatan R dan sebuah kapasitor C, maka muatan tidak menimbun dengan segera untuk mencapai nilai keseimbangan akhirnya (= C ԑ ) tetapi mendekati nilai akhir tersebut secara eksponensial yang dirumuskan oleh persamaan,

Q = C ԑ (1 –e-t/ τC)                                                                                                              (1.5)
Keterlambatan kenaikan muatan tersebut diterangkan oleh konstanta waktu kapasitip (capacitive time constant) τc yang didefinisikan dari
τ c= RC                                                                                                                                              (1.6)
Jika di dalam rangkaian yang sama ini tegangan gerak elekrik baterai ԑ dipindahkan secara tiba-tiba, maka muatan tidak turun menjadi nol dengan segera tetapi akan mendekati nol secara eksponensial, yang dirumuskan oleh persamaan
Q = C ԑ e-t/ τC                                                                                                                      (1.7)
Konstanta waktu τc  yang sama ini menjelaskan penurunan muatan dan juga kenaikan muatan.
Keterlambatan kenaikan (atau penurunan arus yang analog dengan ini terjadi  jika secara tiba-tiba memperkernalkan sebuah tegangan gerak elektrik ԑ ke dalam (ataua memindahkannya dari ) sebuah rangkaian bersimpal tunggal yang mengandung sebuah hambatan R dan sebuah induktor L.[1]
Karakteristik komponen rangkaian RL yaitu sifat rangkaian RL adalah pembagian tegangan vektoris. Arus yang mengalir pada hubungan seri adalah sama besar. Arus nya 90o terhadap teganan induktor (VL) tidak terjadi perbedaan fase antara tegangan jatuh pada resistor (VR) dan arus. Aplikasi rangkaian RL dalam kehidupan sehari-hari yaitu pada Lampu. [3]




Gambar 2. Grafik Rangkaian RL

Rangkaian RLC

Rangkaian RCL ini merupakan rangkaian yang baik dihubungkan dengan pararel ataupun seri, namun rangkaian tersebut harus terdiri dari kapasitor, induktor, dan resistor. Penamanaan RLC sendiri memiliki alasan tersendiri yaitu disebabkan nama yang terjadi symbol listrik biasanya pada kapasitansi, induktansi, dan tahanannya. Rangkaian ini akan beresonansi dengan suatu cara yang sama yaitu sebagai rangkaian LC, bersamaan dengan terbentuknya osilator harmonik.
Karakteristik rangkaian RLC yaitu tegangan DC yang disebut tegangan searah dimana didalam tegangan ini mempunyai polaritas yang sama positif dan negatif. Tegangan AC disebut tegangan bolak balik, mempunyai dua polaritas yang positif serta sebaliknya yang diukur dari netral. Frekuensi 50 H pada tegangan AC.
Pada tiap-tiap osilasi akan menyebabkan sirkuit menjadi mati dari waktu-kewaktu apabila tidak seterusnya dijalani dengan sumber, hal inilah yang mnjadi perbedaan dan terlihat diresistor. Reaksi yang disebut sebagai redaman. Reaksi lainnya berupa resistansi pada jumlah resistor tidak bisa dihindari disiklus yang nyata. Hal yang sama akan tetap terjadi. Kesimpulannya, kenyataanya bahwa sirkuit LC murni ini merupakan sesuatu yang hanya ideal apabila ditetapka secara teoritis.
Aplikasi rangkaian RLC yaitu pada TV dan Radio. Didalam rangkaian listrik yang ada di TV dan Radio terdapat rangkaian RLC.[3]

Karakteristik Rangkaian R, L, C

Karakteristik R yaitu resistansinya dan daya listrik yang dapat diboorkan, desah listrik dan induktansi. Sedangkan Karakteristik L yaitu komponen elektroika pasif (kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Dan karakteristik C yaitu struktur sebuah kapasitor terbentuk dari 2 buah plat metal yang dipisahkan olej suatu bahan dielektrik . menimpan energi  atau muatan listrik didalam medan listrik.[4]

Tetapan Waktu

Tetapan waktu yang disimbolkan dengan τ (tau). Pada rangkaian RC penurunan rumus tetapan waktu yaitu sebagai berikut :
iC + iR = 0                                                                                                                                         (1.8)

 +  = 0                                                                                                                     (1.9)

 +  = 0                                                                                                        (1.10)
 = -dt                                                                                                                         (1.11)

ln v = ln  + ln A                                                                                                 (1.12)

ln  = ln                                                                                                                               (1.13)

v (t) = A e-t/RC                                                                                                         (1.14)

v (t) = V0 e-t/RC                                                                                        (1.15)

jadi, nilai tetapan waktu adalah

τ = R C                                                                                                                             (1.16)

Penurunan rumus tetapan waktu pada rangkaian RL yaitu sebagai berikut

VL + VR = 0                                                                                                               (1.17)

L  + IR = 0                                                                                                (1.18)

 +  I = 0                                                                                                   (1.19)

 = -  dt                                                                      (1.20)

ln  = -                                                                                                   (1.21)

i(t) = Io e-Rt/L                                                                                                                                                 (1.22)

jadi,  nilai tetapan waktu adalah

τ = L/R                                                                                                                                               (1.23)
[2]
Perhitungan nilai tetapan waktu rangkaian RC yaitu dengan nilai kapasitor 47 mH dan resistor 120 Ω maka diperoleh
τ = 120 x 0,047
   = 5,64
Sedangkan pada perhitungan nilai tetapan waktu rangkaian RL yaitu dengan nilai resistor 120 Ω dan induktor 1 kH maka diperoleh
τ = L/R               = 1000/120 = 8,33

METODE

Pada percobaan Rangkaian Seri RLC Arus AC diperlukan alat dan bahan diantaranya yaitu generator AC, project board, osiloskop, resistor 120 , kapasitor 47 mF, induktor 1 kH dan kabel buaya.
Langkah-langkah dalam melakukan percobaan yaitu

Percobaan Rangkaian RC

Dipersiapkan alat dan bahan, kemudian komponen dirangkai seperti pada gambar 1 dengan menggunakan resistor 120 Ω dan kapasitor 47 mF . Lalu rangkaian dihubungkan dengan sinyal generator, kemudian frekuensi sinyal diatur dengan memasukkan variasi frekuensi yaitu 100  Hz,  125 Hz, 149.3 Hz, 175 Hz dan 200 Hz dengan amplitudo 2 Volt. Lalu dihubungkan sinyal masukan ke channel 1 osiloskop dan untuk sinyal keluaraan pada channel 2. Ukur besar Vmax dan Vmin pada masing-masing sinyal yaitu sinyal masuk dan sinyal keluar. Serta ukur pula Vrms. Kemudian dihitung tetapan sinyal keluaran pada persamaan 1.15 dan buatlah satu tampilan sinyal masukan san keluaran pada osiloskop.



Gambar 3. Percobaan Rangkaian RC

Percobaan Rangkaian RL

Dipersiapkan alat dan bahan, kemudian komponen dirangkai seperti pada gambar 1 dengan menggunakan resistor 120 Ω dan induktor 1 kH . Lalu rangkaian dihubungkan dengan sinyal generator, kemudian frekuensi sinyal diatur dengan memasukkan variasi frekuensi yaitu 100  Hz,  125 Hz, 149.3 Hz, 175 Hz dan 200 Hz dengan amplitudo 2 Volt. Lalu dihubungkan sinyal masukan ke channel 1 osiloskop dan untuk sinyal keluaraan pada channel 2. Ukur besar Vmax dan Vmin pada masing-masing sinyal yaitu sinyal masuk dan sinyal keluar. Serta ukur pula Vrms. Kemudian dihitung tetapan sinyal keluaran dengan menggunakan persamaan 1.23 dan buatlah satu tampilan sinyal masukan san keluaran pada osiloskop.

Gambar 4. Percobaan Rangkaian RL

Percobaan Rangkaian RLC

Dipersiapkan alat dan bahan, kemudian komponen dirangkai seperti pada gambar 1 dengan menggunakan resistor 120 Ω, kapasitor 47 mF dan induktor 1 kH . Lalu rangkaian dihubungkan dengan sinyal generator, kemudian frekuensi sinyal diatur dengan memasukkan variasi frekuensi yaitu 100  Hz,  125 Hz, 148.3 Hz, 175 Hz dan 200 Hz dengan amplitudo 2 Volt. Lalu dihubungkan sinyal masukan ke channel 1 osiloskop dan untuk sinyal keluaraan pada channel 2. Ukur besar Vmax dan Vmin pada masing-masing sinyal yaitu sinyal masuk dan sinyal keluar. Serta ukur pula Vrms. Kemudian dihitung tetapan sinyal keluaran dan buatlah satu tampilan sinyal masukan san keluaran pada osiloskop.



Gambar 5. Percobaan Rangkaian RLC

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dan berikut ini adalah hasil pengamatan keluaran sinyal pada osiloskop. Pada percobaan rangkaian RL, RC, dan RLC dengan menggunakan frekuensi 100 Hz dengan nilai time/dlv 5 ms/dlv dan voltase/dlv 2 Volt/dlv. Maka diperoleh sebagai berikut.

Gambar 6. Sinyal keluaran rangkaian RC pada frekuensi 100Hz


Gambar 7. Sinyal keluaran rangkaian RL pada frekuensi 100 Hz


Gambar 8. Sinyal keluaran rangkaian RLC pada frekuensi 100 Hz

Dari sinyal keluaran yang diperoleh dari osiloskop maka diperoleh Vmax, Vmin, Vrms sebagai berikut.

Tabel 1. Hasil percobaan rangkaian RC dengan menggunakan R=120 Ω, dan C=47 mF
No
Frekuensi (Hz)
Vmax (V)
Vmin (V)
Vrms (V)
1
100
1,360
-1,520
1,030
2
125
1,280
-1,360
1,007
3
149.8
1,200
-1,360
1,004
4
175
1,200
-1,360
1,001
5
200
1,200
-1,280
0,9989

Tabel 2. Hasil percobaan rangkaian RL dengan menggunakan R=120 dan L=1 kH
No
Frekuensi (Hz)
Vmax (V)
Vmin (V)
Vrms (V)
1
100
8,480
-2,720
1,046
2
125
7,040
-1,160
1,075
3
149.3
4,720
-5,360
1,050
4
175
5,280
-4,240
1,058
5
200
8,320
-8,160
1,089

Tabel 3. Hasil percobaan rangkaian RLC dengan menggunakan R=120 Ω, C=47 mF dan L=1 kH
No
Frekuensi (Hz)
Vmax (V)
Vmin (V)
Vrms (V)
1
100
2,800
-2,080
1,101
2
125
6,680
-8,080
1,079
3
148.3
8,240
-7,840
1,114
4
175
6,880
-6,720
1,075
5
200
8,240
-8,160
1,079

Dari hasil data pada tabel 1. Yaitu pada rangkaian RC. Terdapat penurunan pada Vmax ketika semakin besar frekuensi yang diberikan. Namun ketika frkuensi semakin besar maka Vmin hampir setabil di setiap frekuensi yang berbeda. Dan Vrms semakin kecil ketika frekuensi semakin besar.
Dari hasil data pada tabel 2. Yaitu rangkaian RL. Diperoleh Vmax, Vmin, dan Vrms yang tidak stabil di setiap frekuensi yang berbeda. Pada frekuensi 100 Hz nilai Vmax 8,480 V sedangkan pada frekuensi 125 Hz nilai Vmax 7,040 V dan kembali naik nilai Vmax pada frekuensi 175 Hz. Hal ini bisa terjadi karena kurang tepat pengontrolan dan pengamatan saat pengambilan data. Dan Pada tabel 3. Juga terdapat ketidakstabilan pada Vmax nya. Namun paa Vrms dan Vmin hampir sama tiap frekuensinya.
Pada rangkaian RC terlihat di osiloskop terdapat gejala transien. Gejala transien terjadi pada rangkaian –rangkaian yang mengandung komponen penyimpan energi atau biasa disebut gejala peralihan. Pada rangkaian RC gejala transien terjadi secara garis diagonal. Sedangkan pada Rangkaian RL gejala transien berbentuk vertikal.
Dan pada rangkaian arus AC diamati sinyal keluaran berbentuk sinusoidal. Dan rangkaian RC diperoleh sinyal keluaran bentuk diagonal. Dan rangkaian RL diperoleh sinyal keluaran bentuk kotak, yaitu garis vertikal dan horizontal.
Dari Percobaan yang telah dilakuakan diperoleh nilai tetapan waktu dari rangkaian seri RL yang dihitung dengan persamaan 1. 16 diperoleh sebesar 8,33. Nilai tetapan waktu dari rangkaian seri RC yang dihitung dengan persamaan 1.23 diperoleh sebesar 0,00564.

KESIMPULAN

Adapun kesimpulan yang di dapat dari percobaan Rangkaian Seri RLC Arus AC yaitu pada rangkaian RC, RL, dan RLC terdapat gejala transier, diperoleh grafik sinusoidal dan diperoleh nilai tetapan waktu. Gejala transier pada tiap rangkaian berbeda-beda yaitu gejala transier pada rangkaian RL yaitu kearah vertikal sedangkan gejala transier pada rangkaian RC yaitu kearah diagonal. Dan gejala transier rangkaian RLC yaitu ke arah vertikal dan diagonal. Dan nilai tetapan waktu rangkaian seri RL adalah 8,33, sementara tetapan waktu rangkaian seri RC sebesar 0,00564.


DAFTAR PUSTAKA

[1]Halliday, Resnick. 1977. “Fisika jilid 2 edisi ke-3”. Jakarta:Erlangga
[2]Charles K.Alexander, Matthew N. O.
      Sadiku,”Fundamental of Electric Circuit”.New York:
      McGraw-Hill Companies, 2009
[4] www.karakteristik-R-L-C/blog.com