GEJALA TRANSIEN

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Tujuan percobaan  

Mempelajari perilaku (response) rangkaian terhadap 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 inductor 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).

Respons Rangkaian

Respons Paksa (Forced Response)

Arus atau tegangan yang terbentuk karena  Arus atau tegangan yang terbentuk karena adanya energi yang masuk atau keluar dari  sumber tegangan atau sumber arus pada  sumber tegangan atau arus pada rangkaian.

Rangkaian Respons Natural (Natural Response)

Arus atau tegangan yang terbentuk karena  Arus atau tegangan yang terbentuk karena adanya energi yang masuk atau keluar dari komponen penyimpan energi kapasitif atau  komponen penyimpan energi kapasitif atau induktif pada rangkaian induktif pada rangkaian

Respons Lengkap (Complete Response)

Merupakan Gabungan dari respon alami dan paksa.

KAPASITOR

Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron. Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael    Faraday  membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis : 

Q = C x V

Q = muatan elektron dalam C (coulombs)

C = nilai kapasitansi dalam F (farad) 

V = besar tegangan dalam  V (volt) 

Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian :

1.  Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain    (pada PS)

2.  Sebagai filter dalam rangkaian PS

3.  Sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antenna

4.  Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon

5.  Menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar

6. Sebagai penyimpan arus sementara.

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.  

Kapasitor Electrostatic

Kapasitor  electrostatic  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.

Kapasitor Electrolytic 

Kelompok kapasitor electrolytic 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. Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui  proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas.  

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 diketahui besar kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar.

 

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.  

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 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 X_L ini digunakan bersama semikonduktor aktif untuk menjaga tegangan dengan akurat. Induktor juga digunakan dalam sistem transmisi listrik, yang digunakan untuk mengikangkan paku-paku tegangan yang berasal dari petir, dan juga membatasi arus pensakelaran dan arus kesalahan. Dalam bidang ini, indukutor sering disebut dengan reaktor.Induktor yang memiliki induktansi sangat tinggi dapat disimulasikan dengan menggunakan girator.

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.

Jenis-jenis lilitan

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.

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. Pada lilitan toroid, medan magnet ditahan pada lilitan. Ini menyebabkan lebih sedikit radiasi magnetik dari lilitan, dan kekebalan dari medan magnet eksternal.

Induktansi Induktor

Induktor selenoida dengan inti (core)

L : induktansi dalam H (Henry)

m : permeability inti (core)

m_o : permeability udara vakum

m_o = 4p x 10^-7

N : jumlah lilitan induktor

A : luas penampang induktor (m²)

l : panjang induktor (m)

Inilah rumus untuk menghitung nilai induktansi dari sebuah induktor. Tentu saja rumus ini bisa dibolak-balik untuk menghitung jumlah lilitan induktor jika nilai induktansinya sudah ditentukan.

1.3 Alat-alat yang digunakan

1. Kit praktikum gejala transien

2. Pencatat atau Recorder X-Y

3. Sumber daya searah (DC)

4. Multimeter

5. Kabel Penghubung

1.4 PROSEDUR PERCOBAAN

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.

c.    Menggambar Grafik V_R(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 S_1.

PERCOBAAN 2

Rangkaian Serupa Dengan Percobaan 1 :

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 R_s = 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 V_R sebagai fungsi t sebelum, pada waktu dan setelah S₁ ditutup.

PEROBAAN 3

Buatlah rangkaian sebagai berikut :

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 V_R (t) dan V_c(t) setelah S ditutup.

PERCOBAAN 4

Buatlah rangkaian sebagai berkut :

a.    V = 5 volt  R₁ = 100Ω  C₁ = 2200µf  R₂ = 10 KΩ C₂ = 1000 µF

b.     Pada rangkaian C₁-R₂-C_2.

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), V_R(t),V_C(t) dan Vc₂(t) setelah ditutup.

c.    Percobaan

Dengan recorder X-Y tegangan V_R(t) sebelum, pada waktu, dan setelah S­₂ ditutup. Ukurlah dengan multimeter tegangan Vc₁ dan Vc₂ dalam keadaan mantap ( steady state ), setelah S₂ ditutup.