Gejala transien teori
description
Transcript of Gejala transien teori
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Tujuan Percobaan
Mempelajari perilaku (response) rangkaian terhadap sinyal elektrik;
respons alami atau natural response, respon dengan sinyal atau forced
response, dan respon rangkaian secara menyeluruh atau complete response.
Mengadakan pengukuran arus serta tegangan pada saat transient (peralihan,
perubahan, transien, transisi ) pada rangkaian RC, RL.
1.2. Teori Dasar
Gejala transien terjadi pada rangkaian-rangkaian yang mengandung
komponen penyimpan energi seperti induktor dan/atau kapasitor. Gejala ini
timbul karena energi yang diterima atau dilepaskan oleh komponen tersebut
tidak dapat berubah seketika (arus pada induktor dan tegangan pada kapasitor).
A. Respons Rangkaian
1. Respons Paksa (Forced Response)
Arus atau tegangan yang terbentuk karena Arus atau tegangan yang
terbentuk karena adanya energi yang masuk atau keluar dari adanya energi
yang masuk atau keluar dari sumber tegangan atau sumber arus pada sumber
tegangan atau sumber arus pada rangkaian
2. Rangkaian Respons Natural (Natural Response)
Arus atau tegangan yang terbentuk karena Arus atau tegangan yang
terbentuk karena adanya energi yang masuk atau keluar dari adanya energi
yang masuk atau keluar dari komponen penyimpan energi kapasitif atau
komponen penyimpan energi kapasitif atau induktif pada rangkaian induktif
pada rangkaian
3. Respons Lengkap (Complete Response)
Gabungan respons natural dan respon paksa.
B. Kapasitor
Kondensator atau sering disebut sebagai kapasitor adalah suatu alat
yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara
2
mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator
memiliki satuan yang disebut Farad dari nama Michael Faraday. Kondensator
juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai
hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia
pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan
kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding
komponen lainnya. Kondensator diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua
kutub yaitu positif dan negatif serta memiliki cairan elektrolit dan biasanya
berbentuk tabung.
Sedangkan jenis yang satunya lagi kebanyakan nilai kapasitasnya lebih
rendah, tidak mempunyai kutub positif atau negatif pada kakinya, kebanyakan
berbentuk bulat pipih berwarna coklat, merah, hijau dan lainnya seperti tablet
atau kancing baju.
Namun kebiasaan dan kondisi serta artikulasi bahasa setiap negara
tergantung pada masyarakat yang lebih sering menyebutkannya. Kini kebiasaan
orang tersebut hanya menyebutkan salah satu nama yang paling dominan
digunakan atau lebih sering didengar. Pada masa kini, kondensator sering
disebut kapasitor (capacitor) ataupun sebaliknya yang pada ilmu elektronika
disingkat dengan huruf (C).
1. Fungsi Kapasitor
Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian :
a. Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain
(pada PS)
b. Sebagai filter dalam rangkaian PS
c. Sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antenna
d. Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon
e. Menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar
2. Tipe Kapasitor
Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan
dielektriknya. Untuk lebih sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu
kapasitor electrostatic, electrolytic dan electrochemical.
3
a. Kapasitor Electrostatik
Kapasitor electrostatik adalah kelompok kapasitor yang dibuat
dengan bahan dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika
adalah bahan yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang
kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pF sampai beberapa µF, yang
biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi.
Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan-bahan material
seperti polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal dengan sebutan
mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan
lainnya. Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang
untuk kapasitor dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor
kelompok ini adalah non-polar.
b. Kapasitor Electrolytik
Kelompok kapasitor electrolytik terdiri dari kapasitor-kapasitor yang
bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang
termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan - di
badannya. Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses
pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutub positif anoda
dan kutub negatif katoda. Telah lama diketahui beberapa metal seperti
tantalum, aluminium, magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc)
permukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida
(oxide film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti
pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup ke dalam larutan
elektrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan
electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte
terlepas dan mengoksidasi permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan
Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada
permukaannya.
Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-
oksida dan electrolyte (katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-
metal-oksida sebagai dielektrik. Dari rumus (2) diketahui besar kapasitansi
4
berbanding terbalik dengan tebal dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat
tipis, sehingga dengan demikian dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya
cukup besar.
c. Kapasitor Electrochemical
Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk
kapasitor jenis ini adalah battery dan accu. Pada kenyataannya battery dan accu
adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan
arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga
masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun
kecil dan ringan, misalnya untuk aplikasi mobil elektrik dan telepon selular.
C. Induktor
Sebuah induktor atau reaktor adalah sebuah komponen elektronika
pasif (kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi pada medan
magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan
induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam
satuan Henry. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang
dibentuk menjadi kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang
kuat didalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Induktor adalah
salah satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang
arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk
memproses arus bolak-balik.
Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi tanpa resistansi atau
kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Sebuah induktor pada kenyataanya
merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena resistivitas
kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat menjadi
sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada
resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya didalam inti
karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas
karena penjenuhan. Induktor sering digunakan pada sirkuit analog dan pemroses
sinyal. Induktor berpasangan dengan kondensator dan komponen lain
5
membentuk sirkuit tertala. Penggunaan induktor bervariasi dari penggunaan
induktor besar pada pencatu daya untuk menghilangkan dengung pencatu daya,
hingga induktor kecil yang terpasang pada kabel untuk mencegah interferensi
frekuensi radio untuk dprd melalui kabel. Kombinasi induktor-kondensator
menjadi rangkaian tala dalam pemancar dan penerima radio. Dua induktor atau
lebih yang terkopel secara magnetik membentuk transformator.
Induktor digunakan sebagai penyimpan energi pada beberapa pencatu
daya moda sakelar. Induktor dienergikan selama waktu tertentu, dan dikuras
pada sisa siklus. Perbandingan transfer energi ini menentukan tegangan
keluaran. Reaktansi induktif XL ini digunakan bersama semikonduktor aktif
untuk menjaga tegangan dengan akurat.
Fungsi utama dari induktor di dalam suatu rangkaian adalah untuk
melawan fluktuasi arus yang melewatinya. Aplikasinya pada rangkaian dc salah
satunya adalah untuk menghasilkan tegangan dc yang konstan terhadap
fluktuasi beban arus. Pada aplikasi rangkaian ac, salah satu gunanya adalah bisa
untuk meredam perubahan fluktuasi arus yang tidak dinginkan. Akan lebih
banyak lagi fungsi dari induktor yang bisa diaplikasikan pada rangkaian filter,
tuner dan sebagainya.
1. Jenis-jenis lilitan
a. Lilitan ferit sarang madu
Lilitan sarang madu dililit dengan cara bersilangan untuk mengurangi
efek kapasitansi terdistribusi. Ini sering digunakan pada rangkaian tala pada
penerima radio dalam jangkah gelombang menengah dan gelombang
panjang. Karena konstruksinya, induktansi tinggi dapat dicapai dengan
bentuk yang kecil.
b. Lilitan inti toroid
Sebuah lilitan sederhana yang dililit dengan bentuk silinder
menciptakan medan magnet eksternal dengan kutub utara-selatan. Sebuah
lilitan toroid dapat dibuat dari lilitan silinder dengan menghubungkannya
menjadi berbentuk donat, sehingga menyatukan kutub utara dan selatan.
6
Pada lilitan toroid, medan magnet ditahan pada lilitan. Ini menyebabkan
lebih sedikit radiasi magnetik dari lilitan, dan Induktansi Induktor
2. Aplikasi Gejala Transien
a. Sistem Kendali
b. Umpan Balik (feedback)
1.3 Alat-alat yang digunakan
2. Kit praktikum gejala transien
3. Pencatat atau Recorder X-Y
4. Sumber daya searah (DC)
5. Multimeter
6. Kabel Penghubung
1.4 Prosedur Percobaan
A. Percobaan 1
Gambar 1.1 Rangkaian Percobaan 1
a. Buatlah rangkaian seperti diatas sebagai berikut :
V = 5 Volt R = 10 kΩ C = 1000µF
Keadaan mula, saklar S1 terbuka, C tidak bermuatan ( bagaimana caranya agar
dapat diperoleh keadaan ini ?). Pada t = 0, saklar S1 kemudian ditutup dan
selanjutnya dibiarkan tertutup.
b. Persiapan Recorder X-Y
Saklar fungsi Y pada posisi tetap ; saklar skala Y pada posisi 1000 mV/cm.
Saklar fungsi X pada posisi time base ( sec/cem ) dengan tombol pada posisi,
kira-kira, ½ konstanta waktu.
7
c. Menggambar Grafik VR(t)
Pasanglah a-b pada masukan-Y dari rekorder. Sumber V = 5 Volt dipersiapkan
dan S1 masih terbuka. Saklar time base ( sec/cm ) dibuat menyala (on). Dan
tunggulah hingga pena menggambarkan grafik sepanjang kira-kira 2 cm,
kemudian saklar S1 tertutup. Jagalah agar pena jangan menyentuh posisi
maksimum ( maksimum kanan atau maksimum atas ) dengan mengatur saklar.
Time base ( sec/cm ) sedemikian hingga siperoleh gambar dengan lengkungan
yang cukup baik dan jelas. Kemudian bukalah saklar S1.
d. Menggambar Grafik Vc (t)
Pada keadaan saklar S terbuka. Hilangkan muatan pada C dengan cara
menghubungkan resistor = 100Ω, posisi saklar sumber pada volt. Tutuplah S1
selama beberapa saat. Pasanglah ground pada masukan-Y dari recorder.
Sumber V = 5 volt dipersiapkan, sedangkan S1 masih terbuka.
Saklar time base ( seec/cm ) dibuat (on), dan tunggulah beberapa saat sampai
pena menggambarkan grafik sepanjang kira-kira 2 cm, kemudian barulah
saklar S1 ditutup. Pena akan menggambarkan grafik Vc (t) yang diinginkan.
Sebelum pena mencapai posisi maksimum ( maksimum kanan atau maksimum
atas ), ubahlah time base ( sec/cm ) ke (off).
Pilihlah kombinasi kedudukan skala Y (mV/cm) dan skala time base (sec/cm)
sehingga diperoleh gambar dengan kelengkungan yang cukup baik dan jelas.
Bukalah saklar S1.
B. Percobaan 2
Rangkaian Serupa Dengan Percobaan 1 :
Gambar 1.2 Rangkaian Percobaan 2
8
a. Keadaan mula, saklar S1 terbuka, kapasitor C mula-mula tidak bermuatan
dengan Vc (t) = 2 volt. Cara memberi tegangan mula-mula pada C adalah
dengan memasang Rs = 100Ω dan V = 2 volt. Saklar S2 kemudian ditutup untuk
beberapa saat ( kira-kira 30 detik ) kemudian dibuka kembali.
b. Dengan cara yang sama percobaan 1, ukurkah dengan recorder X-Y tegangan
Vc (t) dan VR sebagai fungsi t sebelum, pada waktu dan setelah S1 ditutup.
C. Percobaan 3
Buatlah rangkaian sebagai berikut :
Gambar 1.3 Rangkaian Percobaan 3
a. V = 5 volt R1 = R2 = 20KΩ R3 = 10 KΩ C = 2200 µF
Keadaan mula, saklar S1 teerbuka, kapasitor C mula-mula tidak bermuatan
(pastikan keadaan ini ). Pada saat t = 0, saklar S1 ditutup dan selanjutnya
dibiarkan tertutup.
b. Dengan cara yang sama dengan percobaan 1, ukurlah dengan recorder X-Y,
tegangan VR (t) dan Vc(t) setelah S ditutup.
D. Percobaan 4
Buatlah rangkaian sebagai berkut :
Gambar 1.4 Rangkaian Percobaan 4
9
a. V = 5 volt R1 = 100Ω C1 = 2200µf R2 = 10 KΩ C2 = 1000 µF
b. Pada rangkaian C1-R2-C2.
Keadaan mula, saklar S1 terbuka, tegangan mula pada C1 = V0 dan C2 = 0
( tidak mempunyai tegangan mula ). Rangkaian V – S1 – R1 digunakan untuk
memberikan tegangan mulai pada C1. Dengan cara menutup S1 sebentar
kira.kira 30 detik ). Pada saat t = 0, S2 ditutup dan selanjutnya dibiarkan
tertutup. Carilah i(t), VR(t),VC(t) dan Vc2(t) setelah ditutup.
c. Percobaan
Dengan recorder X-Y tegangan VR(t) sebelum, pada waktu, dan setelah S2
ditutup. Ukurlah dengan multimeter tegangan Vc1 dan Vc2 dalam keadaan
mantap ( steady state ), setelah S2 ditutup.
V = 5 Volt R = 10 kΩ C = 1000µF
Keadaan mula, saklar S1 terbuka, C tidak bermuatan ( bagaimana caranya agar
dapat diperoleh keadaan ini ?). Pada t = 0, saklar S1 kemudian ditutup dan
selanjutnya dibiarkan tertutup.