Modul 4

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

Percobaan ...

1. 1. Tugas Pendahuluan
2. 2. Laporan Akhir

MODUL 4

RLC SERI DAN RLC PARALEL

1. Pendahuluan[Kembali]

Rangkaian RLC, yaitu rangkaian yang terdiri dari kombinasi resistor, inductor, dan kapasitor.Masing-masing komponen ini memiliki pengaruh yang berbeda terhadap arus dan tegangan listrik.

Mempelajari Rangkaian ini dengan memahami perilaku rangkaian RLC ketika dialiri oleh arus bolak-balik (AC). Terdapat 2 Rangkaian RLC, yaitu rangkaian RLC seri dan rangkaian RLC paralel.

Pada rangkaian seri, semua komponen dihubungkan secara Seri dan arus yang mengalir pada tiap-tiap komponen akan Sama. Sedangkan pada rangkaian paralel,tegangan pada setiap komponen akan sama sementara arus total akan menjadi penjumlahan arus pada masing-masing cabang.

Dengan memahami karakteristik RLC seri dan paralel, maka kita bisa menghitung impedansi (hambatan total) rangkaian, menganalisis pergeseran fasa antara arus dan tegangan, serta memahami konsep resonansi yang terjadi pada rangkaian RLC Serta dapat menganalisis berbagai perilaku rangkaian elektronika yang menggunakan komponen ini.

2. Tujuan[Kembali]

1. Dapat mengetahui bagaimana prinsip kerja rangkaian RLC seri dan RLC paralel

2. Dapat membuktikan impedansi (Z) dari sebuah rangkaian RLC seri dan RLC paralel

3. Dapat mempelajari hubungan antara impedansi dengan reaktansi kapasitif, reaktansi induktif, dan sudut fasa pada rangkaian RLC seri dan RLC paralel

4. Dapat membuktikan hubungan antara tegangan (V), tegangan melewati R (VR), dan tegangan melewati C (VC), tegangan melewati L (VL).                                                     

3. Alat dan Bahan[Kembali]

A. Alat

1. Instrument

Multimeter

 

2. Module

 

3. Base Station

 

4. Jumper

Jumper

 

B. Bahan

Resistor

Kapasitor

Induktor

Lampu

4. Dasar Teori[Kembali]

A. Resistor

Resistor merupakan komponen penting dan sering dijumpai dalam sirkuit Elektronik. Boleh dikatakan hampir setiap sirkuit Elektronik pasti ada Resistor. Tetapi banyak diantara kita yang bekerja di perusahaan perakitan Elektronik maupun yang menggunakan peralatan Elektronik tersebut tidak mengetahui cara membaca kode warna ataupun kode angka yang ada ditubuh Resistor itu sendiri.

Seperti yang dikatakan sebelumnya, nilai Resistor yang berbentuk Axial adalah diwakili oleh Warna-warna yang terdapat di tubuh (body) Resistor itu sendiri dalam bentuk Gelang. Umumnya terdapat 4 Gelang di tubuh Resistor, tetapi ada juga yang 5 Gelang.

Gelang warna Emas dan Perak biasanya terletak agak jauh dari gelang warna lainnya sebagai tanda gelang terakhir. Gelang Terakhirnya ini juga merupakan nilai toleransi pada nilai Resistor yang bersangkutan.

Tabel dibawah ini adalah warna-warna yang terdapat di Tubuh Resistor:

 

Tabel Kode Warna Resistor

Perhitungan untuk Resistor dengan 4 Gelang warna:

 

Cara menghitung nilai resistor 4 gelang:

Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-1 (pertama)

Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-2

Masukkan Jumlah nol dari kode warna Gelang ke-3 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10n)

Merupakan Toleransi dari nilai Resistor tersebut

 

Contoh:

Gelang ke 1: Coklat = 1

Gelang ke 2: Hitam = 0

Gelang ke 3: Hijau = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105

Gelang ke 4: Perak = Toleransi 10%

Maka nilai Resistor tersebut adalah 10 * 105 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.

 

Perhitungan untuk Resistor dengan 5 Gelang warna:

 

Cara Menghitung Nilai Resistor 5 Gelang Warna:

Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-1 (pertama)

Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-2

Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-3

Masukkan Jumlah nol dari kode warna Gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10n)

Merupakan Toleransi dari nilai Resistor tersebut

 

Contoh:

Gelang ke 1: Coklat = 1

Gelang ke 2: Hitam = 0

Gelang ke 3: Hijau = 5

Gelang ke 4: Hijau = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105

Gelang ke 5: Perak = Toleransi 10%

Maka nilai Resistor tersebut adalah 105 * 105 = 10.500.000 Ohm atau 10,5 MOhm dengan toleransi 10%.

Contoh-contoh perhitungan lainnya:

Merah, Merah, Merah, Emas → 22 * 10² = 2.200 Ohm atau 2,2 Kilo Ohm dengan 5% toleransi

Kuning, Ungu, Orange, Perak → 47 * 10³ = 47.000 Ohm atau 47 Kilo Ohm dengan 10% toleransi

Cara menghitung Toleransi:

2.200 Ohm dengan Toleransi 5% =

2200 – 5% = 2.090

2200 + 5% = 2.310

ini artinya nilai Resistor tersebut akan berkisar antara 2.090 Ohm ~ 2.310 Ohm

 

B. Kapasitor

Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan dengan huruf "C" adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011 cm2 yang artinya luas permukaan kepingan tersebut. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutub positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan. 

C. Induktor

Induktor adalah komponen pasif yang terdiri dari kumparan kawat yang melingkar pada inti magnetik. Ketika arus listrik mengalir melalui kumparan tersebut, sebuah medan magnet dihasilkan di sekitar induktor. 

Perubahan arus listrik dalam induktor menghasilkan tegangan balik yang dikenal sebagai induktansi. Pengukuran induktansi biasanya dilakukan dalam satuan henry (H).  

D. Rangkaian RLC

Rangkaian RLC adalah rangkaian listrik yang tersusun atas resistor, induktor, dan kapasitor baik secara seri maupun paralel. Rangkaian ini dapat dikatakan rangkaian RLC karena sesuai dengan lambang dari masing masing komponennya yaitu, ketahanan atau hambatan (R), induktor (L), dan kapasitor (C)

        1. RC Seri

Impedansi dari sebuah rangkaian RC seri dapat dihitung menggunakan rumus

Cara lain untuk menghitung impedansi dengan menggunakan hubungan antara segitiga dan sudutnya. Jika dua sisi segitiga yang dilambangkan dengan R dan XC diketahui sisi ketiga atau Z dapat dicari dengan menggunakan sudut phasa dari R dan Z.

Gambar 4.1. Grafik Hubungan Antara R, XC, dan Z

 

Impedansi dapat dicari dengan menggunakan harga θ dan rumus:

Dalam rangkaian RC seri arus meninggalkan tegangan sebesar θ, yang disebut sebagai sudut fasa. Sudut fasa θ antara V dan I sama seperti sudut θ antara Z dan R dalam diagram fasor impedansi pada rangkaian RC. Sudut θ juga sama dengan sudut antara V dan VR.

Nilai dari θ tergantung pada nilai XC, R dan Z yang diberikan oleh persamaaan berikut:

Dalam rangkaian RC seri jatuh tegangan melintasi kapasitor (VC), akan tertinggal dari tegangan jatuh pada tegangan resistor (VR). Arus I adalah sama disemua bagian dari rangkaian RC seri seperti gambar 6.2. Arus digunakan sebagai perbandingan fasor yang menunjukkan VR dan Vc dalam gambar 6.3. Fasor VR adalah tegangan yang melewati C.

Dengan rumus Phitagoras didapatkan:

Kapasitansi terjadi jika dua buah konduktor dipisahkan oleh sebuah nonkonduktor atau dielektrik. Satuan dari kapasitansi adalah Farad. Kapasitor digunakan dalam banyak hal, di antaranya untuk menyimpan tenaga. Kapasitor dapat menyimpan muatan elektron atau Q untuk beberapa saat. Hubungan antara muatan Q dari sebuah kapasitor dengan kapasitansi (C) kapasitor ditunjukkan oleh rumus:

Q = C x V

Dimana:

Q = muatan (Coulombs)

C = kapasitansi (Farad)

V = tegangan (Volt)

Waktu yang dibutuhkan oleh kapasitor untuk mengisi penuh disebut time constant, dinyatakan dalam rumus:

τ = R x C

Dimana:

τ = muatan (Coulombs)

R = resistansi (Ohm)

C = kapasitansi (Farad)

 

2. RLC Seri

Impedansi pada Rangkaian RLC Seri

Reaktansi pada rangkaian AC tergantung pada frekuensi sumber. Perubahan nilai reaktansi dipengaruhi oleh perubahan frekuensi. Dimana arus dan tegangan yang melintasi reaktansi tidak berada dalam satu fasa. Untuk induktansi murni (R = 0), tegangan mendahului arus yang melalui induktansi sebesar 90 ̊. Untuk kapasitansi murni, arus mendahului tegangan sebesar 90 ̊. Induktor dan resistor yang terhubung seri pada rangkaian tergantung pada frekuensi dan ukuran dari induktor. Dalam rangkaian RL seri, arus tertinggal dari tegangan sebesar kurang lebih 90 ̊. Ketika kapasitor terhubung seri dengan resistor, reaktansi dari kapasitor dan resistansi resistor secara bersamaan akan mempengaruhi arus AC. Pengaruh dari kapasitor juga ditentukan oleh ukuran dan frekuensinya. Pada rangkaian RC seri, arus AC mendahului tegangan sebesar kurang lebih 90 ̊. Ini bisa dilihat dari karakteristik induktansi dan kapasitansi yang mempunyai efek berlawanan baik arus maupun tegangan dalam rangkaian AC. Dalam rangkaian, diagram fasor menunjukkan XL lebih besar dari XC.

Impedansi pada rangkaian RLC seri bisa dihitung dengan rumus:

 

Sedangkan impedansi juga dapat dihitung dengan menggunakan sudut.

Dalam percobaan ini akan dibuktikan bahwa impedansi Z yang diberikan oleh rumus:

Dimana X adalah selisih antara XL – XC.

Rumus di atas memperlihatkan bahwa jika XL = XC, maka impedansi rangkaian akan mencapai nilai minimum (yaitu dengan harga R). Sedangkan I akan mencapai nilai maksimum. Pada percobaan ini kita akan melihat pengaruh dari perubahan frekuensi apabila di variasikan di sekitar fR.Pada rangkaian RLC seri yang dilakukan sebelumnya kita telah dapatkan bahwa selama frekuensi dari tegangan sumber dinaikkan pada selang fR, maka XL akan ikut naik sedangkan XC akan turun. Di sisni rangkaian berprilaku seperti sebuah induktasi dimana X akan naik selama f dinaikkan. Dan sewaktu frekuensi di turunkan dari harga fR, XC akan naik sedangkan XL akan turun. Dan disini rangkaian akan berprilaku seperti kapasitansi dengan X akan naik selama frekuensi diturunkan.

Frekuensi Resonansi RLC Seri

 

Dalam gambar, tegangan V dihasilkan dari generator AC yang frekuensi dan tegangan keluarannya diatur secara manual. Untuk frekuensi dan tegangan V tertentu, arus akan dihasilkan pada rangkaian yang diberikan oleh persamaan berikut:

Dimana Z adalah impedansi pada rangkaian.

Tegangan jatuh melintasi R, L dan C akan diberikan oleh IR, IXL, dan IXC. Jika frekuensi generator diubah dengan V tetap, arus dan tegangan jatuh melintasi R, L dan C akan berubah. Frekuensi ini adalah fR, yang lebih dikenal dengan frekuensi resonansi, dimana:

XL = XC

Frekuensi resonansi bisa dihitung dengan rumus:

XL = 2π fL

Dan Ketika XL = XC, maka f = fR. Jadi,

XC =1/ 2π fC

2π fRL =1/ 2π fRC

Sehingga didapatkan,

3. RLC Paralel

Impedansi pada Rangkaian RLC Paralel

Pada rangkaian RLC paralel, masing masing R, L dan C mempunyai tegangan yang sama, V. Sedang arus yang lewat R adalah IR, L adalah IL dan C adalah Ic. Perhitungan untuk besar arus pada masing masing beban:

jalannya fase arus dan tegangan serta diagram fasornya seperti berikut :

Fase IR akan dengan V, fase IC akan mendahului fasa V sebesar 90 derajat sedangkan fase IL akan ketinggalan 90 derajat dari fase V.

I adalah resultan dari IR, IL dan IC yang dapat dihitung dengan rumus:

Karena V adalah sama, maka diagram fasor bisa juga dinyatakan untuk impedansi sebagai berikut:

Pada frekuensi rendah, nilai impedansi kecil dan arus besar Ketika frekuensi bertambah impedansi akan bertambah sedang arus akan mengecil. Tepat pada frekuensi resonansi, impedansi akan maksimum (sebesar R) dan arus akan minimum (sebesar Vt / R). Ketika frekuensi naik lagi, impedansi akan menurun lagi sedang arus akan membesar lagi. Fase juga kan berubah dari mendekati -90 derjat pada frekuensi rendah,kemudian akan mengecil mendekati 0 derajat. Tepat pada frekeunsi resonansi, besar fase adalah 0 derjat Fase kemudian akan naik ke mendekati 90 derajat ketika frekuensi naik lagi.