Arus dan Tegangan Listrik Bolak Balik

ARUS BOLAK BALIK

Sebelumnya kita telah mempelajari mengenai listrik arus searah, yaitu arus dan tegangan listrik yang besarnya dapat dianggap tetap dan mengalir dalam satu arah. Arus searah yang juga disebut direct current (DC) contohnya dihasilkan oleh baterai (lihat gambar di atas).

Pada bahan ajar ini akan dibahas mengenai arus bolak-balik atau alternating current (AC), yaitu arus dan tegangan listrik yang besarnya berubah terhadap waktu dan dapat mengalir dalam dua arah. Arus bolak-balik digunakan secara luas untuk penerangan maupun peralatan elektronik seperti televisi, radio, oven microwave, dan lain-lain. Di Indonesia, listrik arus bolak-balik disediakan oleh PLN. Pada bahan ajar ini, Anda juga akan mempelajari beberapa komponen-komponen listrik, diantaranya resistor, induktor, dan kapasitor, serta rangkaian yang menggunakan komponen-komponen listrik tersebut.

GENERATOR

Generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik (mekanik) menjadi energi listrik (lihat gambar di atas). Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar kumparan dalam suatu medan magnetik.

Berdasarkan jenis ggl induksi atau arus listrik induksi yang dihasilkan maka generator dapat dibedakan atas generator arus bolak-balik (AC) dan generator arus searah (DC). Perbedaan generator arus searah dengan generator arus bolak-balik hanyalah pada cincin luncur (cincin kolektor) yang berhubungan dengan kedua ujung kumparan dimana generator AC memiliki dua buah cincin yang masing-masing berhubungan dengan tiap ujung kumparan sedangkan generator DC memiliki sebuah cincin yang terbelah di tengahnya yang disebut cincin belah atau komutator.

Generator AC sederhana terdiri dari sebuah kumparan yang diputar dalam suatu medan magnetik seperti gambar yang ditunjukkan gambar di atas. Untuk melihat bagaimana arus dibangkitkan oleh generator, perhatikan dua sisi vertikal dari kumparan pada gambar tersebut. Agar kumparan berputar berlawanan arah jarum jam maka sisi vertikal kiri harus mengalami gaya F ke depan dan sisi vertikal kanan harus mengalami gaya F ke belakang. Sesuai dengan kaidah telapak tangan untuk gaya magnetik (gaya Lorentz), arus I pada sisi vertikal kiri haruslah ke atas, dan arus I pada sisi vertikal kanan haruslah ke bawah, seperti ditunjukkan pada gambar tersebut. Arah gaya F pada gambar searah dengan arah normal bidang kumparan n. dengan demikian sudut antara arah induksi magnetik B dan arah normal bidang n adalah θ. Dalam generator, perputaran kumparan menyebabkan sudut θ selalu berubah, dan ini menyebabkan fluks magnetik (Ф), yang menerobos bidang kumparan juga berubah. Pada ujung-ujung kawat loop dibangkitkan ggl induksi (ε), yang dapat dihitung dengan persamaan:

ε=-NBA (d cosθ)/dt

Bila loop diputar dengan kecepatan sudut ω maka θ = ωt, dan persamaan di atas dapat ditulis sebagai:

ε=-NBA (d )/dt(cos⁡〖ωt)〗
ε=NBA ω sin⁡ωt

Jika ggl induksi maksimum antara ujung-ujung sikat sama dengan ε_m, maka persamaan di atas dapat ditulis sebagai:

ε=ε_m sin⁡〖ωt=〗 NBA ω sin⁡ωt

Dengan ggl maksimum, ε_m, diberikan oleh:

ε_m=NBAω

Dengan ε = ggl induksi sesaat, ε_m = ggl induksi maksimum, ω = kecepatan sudut putar dari loop dan t = lama loop telah berputar. Nyata bahwa ggl induksi yang dihasilkan pada loop berubah terhadap waktu setiap satu periode T=2π/ω.

ARUS DAN TEGANGAN BOLAK BALIK

Arus dan tegangan bolak-balik adalah arus dan tegangan yang nilainya selalu berubah terhadap waktu secara periodik. Besaran seperti ini disebut arus dan tegangan bolak-balik atau AC (Alternating Current). Apabila pada arus searah Anda dapat mengetahui nilai dan tegangannya yang selalu tetap. Maka, pada arus bolak-balik Anda akan dapat mengetahui nilai maksimum yang dihasilkan dan frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh sumbernya. Arus dan tegangan listrik bolak-balik berbentuk sinusoida seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1.3 berikut.

Secara matematis, arus dan tegangan listrik bolak-balik tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dimana:
V = tegangan sesaat (V)
I = arus sesaat (A)
Vm = tegangan maksimum (V)
Im = arus maksimum (A)
f = frekuensi (Hz)
T = periode (s)
t = waktu (s)
ωt = sudut fase (radian atau derajat)

Hubungan amplitudo tegangan atau arus bolak-balik dengan sudut fase dapat dinyatakan secara grafik dalam diagram fasor. Fasor adalah suatu vektor yang berputar berlawanan arah putaran jarum jam terhadap titik asal dengan kecepatan sudut ω. Fasor suatu besaran dilukiskan sebagai suatu vektor yang besar sudut putarnya terhadap sumbu horizontal (sumbu x) sama dengan sudut fasenya. Nilai maksimum besaran tersebut adalah sama dengan panjang fasor, sedangkan nilai sesaatnya adalah proyeksi fasor pada sumbu vertikal (sumbu y). Berikut adalah gambar diagram fasor untuk arus dan tegangan yang sudut fasenya sama (sefase) serta gambar fungsi waktu dari arus dan tegangan tersebut.

Sesungguhnya arus dan tegangan bolak-balik bukanlah besaran vektor, melainkan besaran skalar. Penggambaran arus dan tegangan bolak-balik sebagai fasor adalah untuk mempermudah analisis rangkaian arus bolak-balik yang lebih rumit.

NILAI RATA-RATA DAN NILAI EFEKTIF

Nilai rata-rata arus bolak-balik adalah kuat arus bolak-balik yang nilainya setara dengan kuat arus searah untuk memindahkan sejumlah muatan listrik yang sama dalam waktu yang sama. Arus rata-rata dinyatakan dengan:

Sedangkan tegangan rata-rata dinyatakan dengan:

Nilai efektif arus dan tegangan bolak-balik ialah arus dan tegangan bolak-balik yang setara dengan arus dan tegangan searah untuk menghasilkan jumlah kalor yang sama ketika melalui suatu resistor dalam waktu yang sama. Secara matematis, hubungan antara arus dan tegangan efektif dengan arus dan tegangan maksimum dinyatakan dengan:

Contoh Soal

1. Jala-jala listrik di rumah mempunyai tegangan 220 volt. Sebuah alat listrik dengan hambatan 50 ohm dipasang pada jala-jala tersebut. Hitunglah:
a. Nilai efektif dan maksimum tegangan
b. Nilai efektif dan maksimum arus listrik yang mengalir
Penyelesaian:
Tegangan hasil pengukuran adalah nilai efektif, jadi Vef = 220 volt dan R = 50 Ω
a. Vef = 220 volt
Vmax = V_ef √2=220√2 volt

b. Gunakan hukum Ohm untuk menentukan kuat arus.
I_ef=V_ef/R=220/50=4,4 A
I_m=V_m/R=(220√2)/50=22/5 √2 A

2. Sebuah generator AC menghasilkan tegangan sebagai fungsi waktu sebagai berikut: V=200√2 sin⁡〖50t volt.〗 Hitunglah:
a. Tegangan maksimum
b. Tegangan puncak ke puncak
c. Tegangan efektif
d. Frekuensi angular
e. Periode
f. Frekuensi
g. Tegangan pada saat 0,01π sekon
Penyelesaian:
Bandingkan persamaan umum tegangan dengan persamaan yang diketahui:
V=V_m sin⁡ωt volt
V=200√2 sin⁡〖50t volt〗

a. V_m=200√2 volt
b. Tegangan puncak ke puncak sama dengan dua kali tegangan maksimum
Vpp = 2Vm = 2 . 200√2 volt = 400√2 volt
c. V_ef=V_m/√2=(200√2)/√2=200 volt
d. ω=50 rad/s
e. ω=2π/T → T=2π/ω=2π/50=π/25 s
f. f=1/T=1/(π⁄25)=25/π Hz
g. V pada t = 0,01 π sekon:
V=200√2 sin⁡50t=200√2 sin⁡〖50 (0,01π)〗
V=200√2 sin⁡〖0,5π=200√2 sin⁡〖〖90〗^o=〗 〗 200√2 volt

Alat Ukur Tegangan dan Arus Bolak-Balik

Tegangan dan arus listrik bolak-balik diukur dengan voltmeter AC dan amperemeter AC (seperti terlihat pada gambar di atas). Dengan menggunakan alat ukur voltmeter atau amperemeter AC besaran yang terukur adalah nilai rms (root mean squere) = akar rata-rata kuadrat arus = ; = rata-rata dari atau nilai efektif dari tegangan atau arus. Secara umum hasil pengukuran tegangn (V) dan arus (I) dapat ditulis sebagai berikut:

I=(Penunjukan jarum)/(Skala maksimum)×Batas ukur maksimum

V=(Penunjukan jarum)/(Skala maksimum)×Batas ukur maksimum

Contoh Soal

Sebuah amperemeter AC digunakan untuk mengukur kuat arus bolak-balik sehingga jarum amperemeter menunjukkan angka seperti pada gambar di atas. Tentukanlah:
a. Nilai efektif
b. Nilai maksimum
c. Nilai rata-rata arus bolak-balik

Penyelesaian:
Kawat rangkaian listrik dihubungkan dengan terminal arus 0 A dan 10 A, artinya batas ukur maksimum amperemeter 10 A. Skala amperemeter adalah 0 sampai dengan 50, sehingga jika jarum amperemeter menunjukkan angka 50 maka hasil pengukuran adalah maksimum, 10 A.
a. Penunjukkan amperemeter adalah nilai efektif sehingga:
I_ef=40/50×10=8 A
b. Nilai maksimum I_m=I_ef √2=8√2 A
c. Nilai rata-rata I_r=(2I_m)/π=(2×8√2)/π=16/π √2 A

Untuk melihat bentuk tegangan atau arus sinusoidal yang dihasilkan oleh sumber bolak-balik dapat digunakan alat ukur osiloskop (Lihat gambar di atas). Sumbu vertikal menunjukkan nilai tegangan atau arus yang dihasilkan oleh sumber bolak-balik dan sumbu horizontalnya menunjukkan waktu. Dari monitor osiloskop dapat ditentukan nilai maksimum dari tegangan atau arus listriknya dan dari sumbu horizontal dapat ditentukan periode atau frekuensi dari sumber bolak-baliknya. Monitor dari sebuah osiloskop terbagi-bagi menjadi baris-baris dan kolom-kolom sehingga membentuk sebuah kotak.

Perhatikan gambar berikut!

Jika sumbu vertikal diatur pada tegangan 2 V/cm, waktu dalam arah horizontal menunjukkan 10 ms/cm dan tiap kotak memiliki ukuran 1 cm × 1 cm. Tentukanlah:
a. tegangan maksimum sumber AC;
b. frekuensi sumber AC.
Penyelesaian:
a. Dari gambar dapat dilihat tegangan dari puncak ke puncak

Jadi, tegangan maksimumnya 4 volt.

b. Periode dari gelombang sinusoidal yang dihasilkan adalah:

Frekuensi getarnya

Jadi besar frekuens sumber AC tersebut adalah 25 Hz.

RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK

Pada dasarnya, komponen-komponen rangkaian listrik menunjukkan karakteristik yang berbeda ketika dihubungkan dengan sumber tegangan searah dan ketika dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik. Karena itu, karakteristik rangkaian arus searah berbeda dengan karakteristik rangkaian arus bolak-balik dan salah satu perbedaan tersebut berkaitan dengan fase antara tegangan dan arus.
Pada umumnya, semua rangkaian listrik mempunyai hambatan, kapasitas, dan induktansi meskipun pada rangkaian tersebut tidak terdapat resistor, kapasitor, dan induktor. Akan tetapi nilai hambatan, kapasitas, dan induktansi tersebut tergantung pada jenis komponen yang terdapat dalam rangkaian, dan mungkin pada keadaan tertentu nilai hambatan, kapasitas, dan induktansi tersebut dapat diabaikan, sedangkan pada keadaan lain mungkin tidak dapat diabaikan. Secara teoritis dapat dianggap bahwa rangkaian listrik terdiri dari rangkaian resistif, rangkaian induktif, dan rangkaian kapasitif

RANGKAIAN RESISTIF
Rangkaian resistif merupakan rangkaian yang hanya terdiri dari sumber tegangan (V) dengan resistor yang mempunyai hambatan R dan nilai kapasitas (C) maupun induktansi (L) rangkaian tersebut diabaikan. Perhatikan sebuah rangkaian arus bolak-balik yang terdiri dari sebuah resistor dan generator AC seperti gambar berikut ini:

Tegangan pada resistor VR sama dengan tegangan generator sehingga untuk rangkaian resistif dapat ditulis:

V_R=V_m sin⁡ωt

I_R=V_m/R sin⁡ωt= I_m sin⁡ωt

Dengan demikian akan berlaku juga hubungan sebagai berikut:

I_m=V_m/R

I_ef=V_ef/R

Karena rangkaian resistif dianggap tidak mempunyai induktansi dan kapasitas, maka rangkaian resistif tidak dipengaruhi oleh perubahan medan magnet di sekitarnya. Berdasarkan hal tersebut, maka pada rangkaian resistif, arus dan tegangan bolak-balik mempunyai fase yang sama atau beda fasenya nol.

RANGKAIAN INDUKTIF
Rangkaian induktif merupakan rangkaian yang hanya terdiri dari sumber tegangan (V) dengan induktor yang mempunyai induktansi L dan nilai-nilai hambatan (R) maupun kapasitas (C) rangkaian tersebut diabaikan, seperti ditunjukkan gambar berikut:

Arus yang mengalir pada rangkaian induktif murni berubah terhadap waktu yang memenuhi persamaan

I=I_m sin⁡〖ωt,〗

sehingga pada induktor terinduksi gaya gerak listrik yang memenuhi persamaan:

ε_ind=-L dI/dt=-L d(I_m sin⁡ωt )/dt

Karena pada rangkaian induktif, hambatan rangkaian (R) dan kapasitasnya (C) diabaikan, maka tidak ada penurunan potensial (IR) pada induktor, sehingga tegangan sumber V sama dengan gaya gerak listrik induksi 〖-ε〗_ind= V_L, yaitu:

V=-ε_ind atau V = VL

V_m sin⁡ωt= L dI/dt → dI=V_m/L sin⁡〖ωt dt〗

∫▒〖dI= ∫▒〖V_m/L sin⁡〖ωt dt〗 〗〗

I=-V_m/ωL cos⁡〖ωt, dimana cos ωt= -〖sin(〗⁡〖ωt-π/2)〗 〗
I=V_m/ωL sin (ωt-π/2)= I_m 〖 sin〗⁡(ωt-π/2)

Jadi pada rangkaian induktif arus listrik mempunyai fase yang berbeda dengan tegangan. Sesuai dengan persamaan I dan V di atas, maka beda fase antara arus dan tegangan pada rangkaian induktif adalah ∅=π/2. Dalam hal ini, pada rangkaian induktif, tegangan (V) mendahului arus (I) dengan beda fase sebesar π/2 atau 90o.
Meskipun pada rangkaian induktif tidak terdapat resistor, tetapi pada rangkaian ini terdapat sebuah besaran yang mempunyai sifat yang sama dengan hambatan listrik, yaitu reaktansi induktif, yang besarnya dapat ditentukan sebagai berikut:

X_L=ωL=2πfL

Dengan:
X_L = reaktansi induktif (Ω)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
f = frekuensi sumber AC (Hz)
L = induktansi induktor (H)

RANGKAIAN KAPASITIF
Rangkaian kapasitif adalah rangkaian yang hanya terdiri dari sumber tegangan (V) dengan kapasitor yang mempunyai kapasitas C dan nilai-nilai hambatan (R) dan induktansi (L) rangkaian tersebut diabaikan, seperti ditunjukkan gambar berikut ini:

Pada rangkaian kapasitif murni, tegangan yang dipasang pada kapasitor berubah terhadap waktu sesuai dengan persamaan

V=V_m sin⁡〖ωt,〗

sehingga muatan yang tersimpan pada kapasitor memenuhi persamaan berikut:

Q=CV=C(V_m sin⁡ωt )=CV_m sin⁡ωt

Sehingga arus listrik pada kapasitor ditentukan sebagai berikut:

I=dQ/dt=d(CV_m sin⁡ωt )/dt

I=ωC V_m cos⁡ωt

I=ωC V_m sin⁡〖(ωt+π/2)= I_m 〗 sin⁡(ωt+π/2)

Sesuai dengan persamaan I dan V di atas, maka pada rangkaian kapasitif, arus mempunyai beda fase sebesar ∅=π/2 dengan tegangan. Dalam hal ini, arus mendahului tegangan dengan beda fase sebesar π/2 atau 90o.
Seperti juga pada rangkaian induktif, maka pada rangkaian kapasitif terdapat sebuah besaran reaktansi yang disebut reaktansi kapasitif dan besarnya dapat ditentukan sebagai berikut:

X_C=1/ωC=1/2πfC

Dengan:
X_C = reaktansi kapasitif (Ω)
C = kapasitas kapasitor (F)

Contoh Soal

Sebuah rangkaian arus bolak-balik yang bersifat induktif murni terdiri dari induktor dengan induktansi L = 25 mH dan sumber tegangan AC dengan tegangan efektif 150 V. berapakah:
a. Reaktansi induktifnya
b. Kuat arus efektif rangkaian jika frekuensi sumber 50 Hz.

Penyelesaian:
a. X_L=ωL=2πfL=2π(50)(25×〖10〗^(-3) )=7,85 Ω
b. I_ef=V_ef/X_L =150/7,85=19,1 A

2. Sebuah kapasitor 8 μF dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan AC yang tegangan efektifnya 150 V dan frekuensinya f = 50 Hz. Berapakah:
a. Reaktansi kapasitif
b. Arus efektif di dalam rangkaian

Penyelesaian:
a. X_C=1/ωC=1/2πfC=1/(2π(50)(8×〖10〗^(-6)))=397,89 Ω
b. I_ef=V_ef/X_C =150/397,89=0,38 A

RANGKAIAN SERI R-L-C

Pada kegiatan belajar sebelumnya telah dibahas bagaimana pengaruh resistor, induktor, dan kapasitor yang dihubungkan secara terpisah dengan sebuah sumber arus bolak-balik I=I_m sin⁡ωt. Sekarang akan ditinjau, apa yang akan terjadi jika ketiga elemen tersebut dihubungkan secara seri, yang sering disebut rangkaian seri RLC seperti gambar di atas.

HUBUNGAN VR, VL, VC, DAN V PADA RANGKAIAN SERI RLC

Untuk menentukan hubungan VR, VL, dan VC digunakan diagram fasor. Perhatikan bahwa karena ketiga elemen berhubungan seri, maka arus yang mengalir melalui semua elemen sama besar, yaitu I=I_m sin⁡ωt. Dengan kata lain arus bolak-balik di semua titik pada rangkaian seri RLC memiliki nilai maksimum dan fase yang sama. Akan tetapi tegangan pada masing-masing elemen akan memiliki nilai dan fase yang berbeda.

Tegangan pada resistor VR sefase dengan arus I

Tegangan pada induktor VL mendahului arus π/2 rad atau 90o

Tegangan pada kapasitor tertinggal dari arus π/2 rad atau 90o

dengan demikian dapat ditulis:
V_R=I_m R sin⁡ωt= V_mR sin⁡ωt
V_L=I_m X_L 〖sin 〗⁡〖(ωt〗+〖90〗^o)= V_mL sin⁡〖 (ωt〗+〖90〗^o)
V_C=I_m X_C sin⁡〖 (ωt〗-〖90〗^o)= V_mC sin⁡〖 (ωt〗-〖90〗^o)

Jika ditetapkan sudut ωt pada sumbu x, maka diagram fasor untuk arus I, tegangan VR, VL, dan VC akan tampak seperti gambar berikut.

Sesuai dengan hukum Kirchoff, tegangan antara ujung-ujung rangkaian seri RLC, yaitu VAB = V adalah jumlah fasor antara VR, VL, dan VC. penjumlahan fasor tersebut menghasilkan besar tegangan total, yaitu:

V=√(V_R^2+(V_L-V_C )^2 )

Tampak jelas pada gambar bahwa beda sudut fase antara arus dan tegangan θ memenuhi hubungan:

tan⁡〖θ=(V_L-V_C)/V_R 〗

IMPEDANSI RANGKAIAN SERI R-L-C

Pada rangkaian DC umumnya hanya akan ditemukan satu macam hambatan yaitu resistor murni R, nilai hambatan total dari beberapa resistor yang terhubung secara seri adalah penjumlahan secara aljabar (skalar) masing-masing hambatan tersebut. Pada rangkaian AC, terdapat resistor, induktor, dan kapasitor dalam rangkaian. Efek hambatan total yang dihasilkan oleh R, XL, dan XC dalam rangkaian AC disebut impedansi (Z). Nilai Z tidak dapat dihitung dengan penjumlahan aljabar (skalar) seperti pada arus searah. Untuk menentukan nilai Z digunakan persamaan berikut:
V=√(V_R^2+(V_L-V_C )^2 )
IZ=√((IR)_^2+(〖IX〗_L-〖IX〗_C )^2 )
IZ=I√((R)_^2+(X_L-X_C )^2 )
Z=√((R)_^2+(X_L-X_C )^2 )

Beda sudut fase antara kuat arus I dengan tegangan V adalah:

tan⁡〖θ=(V_L-V_C)/V_R 〗=(〖IX〗_L-〖IX〗_C)/IR

tan⁡〖θ=(X_L-X_C)/R〗

Dengan menggunakan kedua persamaan di atas dapat dibuat diagram fasor untuk impedansi seperti tampak pada gambar berikut.

Contoh Soal

Rangkaian R-L-C seri dengan R = 80 ohm, XL = 100 ohm, dan Xc =40 ohm. Rangkaian ini dihubungkan dengan tegangan bolak-balik dengan tegangan efektif 220 V. Tentukanlah:
a. impedansi rangkaian;
b. arus efektif yang mengalir pada rangkaian;
c. tegangan efektif antara ujung-ujung induktor.

Penyelesaian:
a. Impedansi rangkaian

b. Arus efektif pada seluruh rangkaian

c. Tegangan efektif antara ujung-ujung induktor

RESONANSI PADA RANGKAIAN R-L-C

Resonansi pada rangkaian seri R-L-C terjadi ketika XL = XC. Keadaan ini menyebabkan impedansi rangkaian Z memiliki harga minimum yang bernilai sama dengan hambatan murni R. Adapun arus dalam rangkaian menjadi maksimum. Garis singgung antara kurva Z dan garis linear R merupakan titik terjadinya frekuensi resonansi. Di titik tersebut besaran Z bernilai minimum. Perhatikan gambar berikut.

Saat terjadinya resonansi,

Oleh karena , maka diperoleh frekuensi resonansi

Rangkaian resonansi dapat dijumpai pada rangkaian penala.

Caranya dengan mengubah-ubah frekeunsi melalui kondensator variabel. Jika frekuensinya sesuai, frekuensi gelombang radio akan di tangkap.

Contoh Soal
Pada frekuensi berapakah sebuah rangkaian R-L-C seri yang dihubungkan bertegangan bolak-balik akan beresonansi. Apabila R = 80 ohm, L = 1 henry, dan C = 1 F?
Penyelesaian:
Diketahui
R = 80 ohm
L = 1 henry
C = 1 F = 10-6 F
Ditanyakan: f = …?
Jawab:
Frekuensi resonansi terjadi jika:

DAYA PADA ARUS LISTRIK BOLAK-BALIK

Induktor dan kapasitor yang terpasang pada rangkaian arus bolak-balik membutuhkan tambahan energi listrik. Daya yang diserap dalam rangkaian resistif (Z) besarnya adalah

   

TRANSFORMATOR

Apakah transformator itu? Dalam kehidupan sehari-hari tentunya kamu sering mendengar atau mungkin telah menggunakan transformator. Transformator adalah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan bolak-balik (AC) dari satu nilai tertentu menjadi nilai yang diinginkan.

Transformator atau trafo terdiri dari pasangan kumparan primer dan sekunder yang terpisah dan dililitkan pada inti besi lunak. Kumparan primer berfungsi sebagai input dan kumparan sekunder berfungsi sebagai output. Prinsip dasar cara kerja transformator adalah hukum induksi Faraday. Kumparan primer dihubungkan ke suatu sumber arus bolak-balik yang besar arus listriknya senantiasa berubah terhadap waktu. Arus pada kumparan primer ini bekerja seolah-oleh mengalirkan atau memutuskan arus searah secara berulang-ulang sehingga terjadi perubahan garis-garis gaya magnet yang memotong kumparan sekunder. Akibatnya, timbul GGL induksi dalam kumparan sekunder yang berfungsi sebagai output dengan mengalirkan arus listrik induksi. Dengan menentukan jumlah lilitan yang
sesuai untuk tiap kumparan, dapat dihasilkan GGL kumparan sekunder yang berbeda dengan GGL pada kumparan primer.
Hubungan antara tegangan dengan jumlah lilitan kumparan pada sebuah transformator dapat ditulis secara matematis sebagai berikut.

dengan:
Vs = tegangan sekunder (volt)
Vp = tegangan primer (volt)
Ns = lilitan sekunder (lilitan)
Np = lilitan primer (lilitan)

Persamaan Trafo untuk Transformator Ideal

Apakah jumlah energi yang masuk sama dengan jumlah energi yang keluar? Menurut hukum kekekalan energi, apabila transformator itu adalah transformator ideal maka jumlah energi yang masuk ke dalam sebuah transformator sama dengan jumlah energi yang keluar dari transformator itu. Akibatnya, daya listrik yang ada pada kumparan primer (Pp) adalah sama dengan daya listrik yang ada pada kumparan sekunder (Ps). Dengan demikian, secara matematis dapat ditulis:

Efisiensi Transformator

Inti transformator terbuat dari pelat-pelat besi. Ketika suatu tegangan bolak-balik dihubungkan pada transformator maka akan dihasilkan garis-garis gaya magnet yang selalu berubah. Hal ini dapat menyebabkan timbulnya arus pusat pada inti tarnsformator. Inti transformator terbuat dari besi yang bersifat sebagai penghantar yang memiliki hambatan listrik sehingga timbul kehilangan energi dalam bentuk kalor. Selain itu, kumparan primer dan sekunder yang terbuat dari kawat tembaga dan bersifat sebagai penghantar dengan nilai hambatan listrik tertentu juga menimbulkan kehilangan energi dalam bentuk kalor. Dalam transformator selalu timbul kalor sehingga energi listrik yang keluar dari transformator selalu lebih kecil daripada energi listrik yang masuk ke transformator. Sebagian energi listrik itu berubah menjadi kalor. Keadaan ini merupakan sesuatu yang tidak dapat dihindarkan.
Efisiensi transformator didefinisikan sebagai perbandingan antara daya listrik yang keluar dari transformator dengan daya listrik yang masuk ke transformator.

Transformator adalah alat atau mesin yang sangat efisien. Efisiensi transformator dapat mencapai 99%.

Soal dan Pembahasan

Sahabat fisoontal, untuk lebih memahami materi fisika serta untuk mempersiapkan diri untuk menghadapi UAS, UN, SBMPTN, berikut akan diberikan contoh soal beserta tips dan trik pembahasannya. Bagaimana sudah siap? Ayo kita mulai!

Materi: Arus dan Tegangan Listrik Bolak balik

 

 

 

 

 

 

 

Sumber : https://fisikakontekstual.com/materi-arus-dan-tegangan-listrik-bolak-balik/