ARUS TRANSIEN
Muhammad Rizal Fahlepy *), Risna Zulwiyati
Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi
2016
LATAR BELAKANG
Listrik yang kita kenal dalam kehidupan sehari-hari, berdasarkan kebergantungannya terhadap waktu dapat dibedakan menjadi dua, yaitu listrik AC dan listrik DC. Listrik AC (Alternating Current) memiliki tegangan maupun kuat arus yang merupakan fungsi periodik terhadap waktu, sedangkan listrik DC (dalam hal ini adalah DC halus) tidak merupakan fungsi waktu. Besarnya amplitudo/beda potensial listrik DC merupakan bilangan yang konstan sepanjang waktu apabila komponen rangkaian tidak berubah nilai.
Rangkaian yang terdiri dari kapasitor-kapasitor dan resistor (dikenal dengan rangkaian R-C) merupakan dasar dari berbagai jenis rangkaian pewaktuan(timing) dan pembentuk pulsa, sehingga rangkaian ini sering ditemukan dalam rangkaian elektronika praktis.
Kapasitor adalah komponen listrik yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik. kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan listrik dinyatakanoleh besaran kapasitas atau kapasitansi (C) didefinisikan sebagai perbandinganantara muatan listrik q yang tersimpan dalam kapasitor dan beda potensial V antarakedua keeping.
Suatu kapasitor ideal adalah suatu komponen yang beda potensial sesaat yang melalui terminal itu hanya bergantung pada harga sesaat dari muatan q yang telahdipindah dari satu terminal ke terminal yang lain melalui rangkaian luar, terminal kemana muatan positif dipindahkan mempunyai potensial yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan terminal asal muatan itu dipindahkan. Arus yang berhubungan dengan ini mengecil dengan waktu sehingga disebut arus transien, yang berarti arus yang hanya timbul sebentar, jadi bukan arus tetap.
Rangkaian listrik (electrical transient) adalah suatu manifestasi keluaran dari keadaan perubahan mendadak di dalam rangkaian lsitrik pada saat suatu saklar (switch) membuka, menutup, atau timbulnya gangguan/ kesalahan (fault) pada system tersebut. Waktu transien umumnya sangat singkat dibandingkan dengan waktu keadaan tunak (steady state).
RUMUSAN MASALAH
- Bagaimana hubungan antara arus dan tegangan terhadap waktu pengisian dan pengosongan kapasitor ?
- Bagaimana hasil analisis grafik pengisian dan pengosongan kapasitor ?
- Bagaimana cara menentukan waktu kapasiitif dan kapasitansi kapasitor berdasarkan kurva arus dan tegangan terhadap waktu ?
TUJUAN PRAKTIKUM
Setelah melakukan percobaan ini diharapkan mahasiswa dapat:
- Memplot kurva arus dan tegangan terhadap waktu pengisian dan pengosongan muatan kapasitor.
- Menginterpretasi grafik pengisian dan pengosongan muatan kapasitor
- Menentukan waktu kapasiitif dan kapasitansi kapasitor berdasarkan kurva arus dan tegangan terhadap waktu
KAJIAN TEORI
Dalam setiap kajian rangkaian RC, fenomena transien dalam proses pengisian dan pengosongan muatan kapasitor menjadi topik utama. Peristiwa pengisian dan pengosongan muatan kapasitor memegang peranan penting dalam elktronika.arus yang berhungan dengan inimengecil terhadap waktu sehingga disebut arus transien, yang berarti arus yang hanya timbul sesaat atau bukan arus konstan. Peristiwa ini digunakan untuk mengubah dan mengolah denyut dalam pesawat televisi, penundaan waktu dan sebagainya (Bakri, Haris dkk, 2015).
Kapasitor merupakan kombinasi dari dua konduktor. Konduktor ini disebut keping. Beda potensial ΔV akan muncul di antara kedua konduktor karena terdapat muatan pada kedua konduktor. Apa yang menyebabkan jumlah muatan yang berbeda pada keping konduktor kapasitor apabila diketahui beda potensialnya? Eksperimen menunjukkan bahwa jumlah muatan Q pada kapasitor secara linier sebanding dengan beda potensial di antara kedua konduktor. Kita dapat mendefinisikan hubungan ini sebagai berikut. Kapasitans C dari kapasitor didefinisikan sebagai perbandingan besar muatan di salah satu konduktor dengan besarnya beda potensial di antara kedua konduktor (Serway, 2010: 310-311).
Telah kita ketahui bahwa suatu kapasitor terbuat dari dua pelat konduktor yang dipisahkan oleh suatu isolator atau dielektrik. Jika luas pelat = A, jarak antara pelat = d, dan permitivitas dielektrik = ∈, maka nilai kapasitansinya
C = (∈A)/d (1)
Jika kapasitor dengan kapasitansi C dihubungkan dengan suatu sumber tegangan V, maka setelah beberapa waktu, di dalam kapasitor akan terkumpul muatan sebanyak
q = CV (2)
Setelah nilai muatan ini tercapai, dikatakan kapasitor sudah terisi penuh. Isi muatan akan tetap tersimpan dalam kapasitor selama tak ada kebocoran muatan yang mengalir dari pelat kapasitor yang satu ke yang lain. Jika saklar dihubungkan kapasitor C tidaklah langsung terisi penuh, akan tetapi memerlukan waktu (Sutrisno, 1986: 10-11).
Pengisian Muatan Pada Kapasitor
Gambar 1 memperlihatkan sebuah rangkaian dasar RC yang dapat digunakan untuk mengkaji proses pengisian dan pengosongan muatan pada kapasitor.
Gambar 1. Rangkaian RC
Saklar terbuka pada awalnya, lalu ditutup ke posisi S1 pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positif kapasitor. Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal Kirchhoff memberikan
(3)Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat : I = + dQ/dt, yang selanjutnya disubstitusi ke dalam Pers. (3) menghasilkan :
(4)dengan sedikit matematika untuk memisahkan antara besaran Q dan t, diperoleh :
(5)di mana Qf = C Vf adalah muatan akhir yang dapat pula dinyatakan dalam tegangan,
(6)di mana V(t) adalah tegangan pada suatu saat dalam kapasitor dan Vf adalah tegangan maksimum atau akhir pada ujung-ujung kapasitor sedangkan disebut konstanta waktu kapasitif, = RC, adalah waktu yang dibutuhkan muatan untuk bertambah dari nilai awalnya.
Arus diperoleh dengan mendiferensialkan Persamaan (5)
(7)
Gambar 2. (a) Plot tegangan pada kapasitor terhadap waktu untuk rangkaian pengosongan
(b) Plot arus terhadap waktu untuk rangkaian pengisian. (Haris dan Saleh, 2016)
Pelepasan Muatan Pada Kapasitor
Dengan rangkaian seperti pada Gambar 3, setelah kapasitor terisi penuh oleh muatan, saklar kemudian dibuka untuk mencegah muatan mengalir ke resistor. Beda potensial pada kapasitor mula-mula V0 = Q0/C, dengan C adalah kapasitansi. Karena tidak ada arus ketika saklar terbuka, tidak ada beda potensial pada resistor.Saklar ditutup ke posisi S2 pada waktu t = 0. Karena kini terdapat beda potensial pada resistor, maka ada arus yang melewati resistor. Arus mula-mula adalah
(8)Arus ini disebabkan oleh aliran muatan dari plat positif kapasitor ke plat negatif kapasitor melalui resistor. Setelah beberapa waktu, muatan pada kapasitor berkurang. Karena muatan pada kapasitor berkurang, dengan mengambil arah arus searah jarum jam sebagai positif, besar arus sama dengan laju pengurangan muatan. jika Q adalah muatan pada kapasitor pada suatu waktu, arus pada waktu tersebut adalah
(9)Aturan loop Kirchhoff memberikan :
(10)di mana Q dan I merupakan fungsi waktu dan dihubungkan oleh Persamaan (9) Substitusi – dQ / dt untuk I dalam Persamaan (10), diperoleh
(11)
Atau
(12)di mana thau adalah konstanta waktu kapasitif, thau = RC, yaitu waktu yang dibutuhkan oleh muatan untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya. Arus bisa diperoleh dengan mendiferensialkan Persamaan (12) :
(13)
(14)Gambar 3 (a) dan (b) menunjukkan kurva pengosongan muatan pada kapasitor dalam rangkaian RC sebagai fungsi waktu.
Gambar 3. (a) Plot tegangan pada kapasitor sebagai fungsi waktu untuk proses pelepasan muatan. (b) Plot arus terhadap waktu untuk proses pelepasan muatan. (Haris dan Saleh, 2016)
METODE PERCOBAAN
Alat dan Bahan
a. Komutator (double trew switch) 1 buahb. Elco (Kapasitor Elektrolit) 1 buah
c. Resistor 1 buah
d. Stopwatch 1 buah
e. Power Supply 0-12 Vdc 1 buah
f. Voltmeter 0-50 Vdc 1 buah
g. Amperemeter 0-1 Adc 1 buah
h. Kabel Penghubung 10 buah
Identifikasi Variabel
a. Variabel kontrol : Hambatan (R), Kapasitansi kapasitor (C), dan Tegangan sumber (Vs)b. Variabel manipulasi : Waktu (s)
c. Variabel respon : Tegangan transien (Vc), arus transien (I)
Definisi Operasional Variabel
a. Hambatan (R) adalah nilai hambatan yang tertera pada resistor yang digunakan pada rangkaian, di mana nilainya dihitung berdasarkan kode warna, satuannya adalah ohm (Ω).b. Kapasitansi kapasitor (C) adalah nilai yang tertera pada kapasitor elektrolit, satuannya adalah mikrofarad (µF).
c. Tegangan sumber (Vs) adalah angka yang menunjukkan nilai beda potensial sumber atau power supply yang diukur menggunakan voltmeter dengan satuan volt (V).
d. Waktu (s) adalah selisih waktu yang ditetapkan pada saat melakukan pengisian dan pengosongan pada kapasitor untuk mengukur tegangan dan arus transiennya, diukur menggunakan stopwatch dengan satuan sekon (s).
e. Tegangan transien adalah beda potensial arus yang mengalir pada kapasitor dari kaki positifnya ke kaki negatifnya pada setiap selang waktu yang ditentukan, diukur menggunakan voltmeter dengan satuan volt (V).
f. Arus transien adalah besarnya kuat arus yang mengalir pada kapasitor pada setiap selang waktu yang ditentukan, diukur dengan menggunakan amperemeter dengan satuan miliampere (mA).
e. Tegangan transien adalah beda potensial arus yang mengalir pada kapasitor dari kaki positifnya ke kaki negatifnya pada setiap selang waktu yang ditentukan, diukur menggunakan voltmeter dengan satuan volt (V).
f. Arus transien adalah besarnya kuat arus yang mengalir pada kapasitor pada setiap selang waktu yang ditentukan, diukur dengan menggunakan amperemeter dengan satuan miliampere (mA).
Prosedur Kerja
Memperhatikan powersupply. Pilih keluaran DC yang variabel atau tegangan dapat diubah dengan bebas. Memperhatikan voltmeter dan ammeter yang akan digunakan, mengatur agar dapat mengukur tegangan hingga 12 volt. Perhatikan pula polaritas voltmeter dan ammeter jangan sampai terbalik. Catat hambatan dalamnya (jika ada).
Menyusun alat seperti pada gambar di atas tetapi tanpa kapasitor. Menutup saklar dan atur tegangan masukan kemudian membuka kembali saklar setelah mengatur tegangan masukannya. Hingga voltmeter menunjukkan 12 volt. Mengosongkan muatan kapasitor dengan cara menghubung singkat kedua kaki kapasitor selama beberapa detik. Memasang kapasitor pada tempatnya sesuai dengan polaritasnya. Menutup saklar K (komutator) ke posisi A serentak dengan menekan tombol stopwatch dan catat tegangan dan arus yang terbaca tepat pada saat t = 0, melanjutkan pengukuran untuk setiap selang waktu 10 detik. Mengarahkan komutator ke posisi B untuk melakukan proses pengosongan kapasitor dan catat tegangan dan arus yang terbaca setiap rentang waktu 10 detik.
HASIL PENGAMATAN
ANALISIS DATA DAN GRAFIK
Untuk hasil analisis data dan grafik hasil praktikum elektronika dasar unit Arus Transien, silahkan download di sini pdf
PEMBAHASAN
Percobaan kali ini berjudul arus transien. Adapun tujuan dari percobaan ini adalah memplot kurva arus dan tegangan terhadap waktu pengisian dan pengosongan muatan pada kapasitor, menginterprestasikan grafik pengisian dan pengosongan muatan kapasitor, serta menentukan tetapan waktu kapasitif dan kapasitansi kapasitor berdasarkan kurva arus dan tegangan terhadap waktu.
Menurut teori arus transien merupakan arus yang mengecil terhadap terhadap waktu yang berarti semakin lama waktu yang digunakan, maka arus akan semakin kecil. Peristiwa ini biasa terjadi pada peristiwa pengisian dan pengosongan kapasitor.
Pada percobaan arus transien, terdapat tiga kegiatan yang dimana setiap kegiatan terdiri atas pengisian dan pengosongan muatan kapasitor. Peristiwa pengisian dan pengosongan muatan kapasitor memegang peranan penting dalam elektronika. Peristiwa ini digunakan untuk mengubah denyut, mengolah denyut dalam pesawat televisi, penundaan waktu, menghasilkan pengapitan tegangan, dan lain-lain.
Hasil percobaan dapat dilihat melalui tabel maupun grafik hubungan antara tegangan dan waktu yang terdapat di bagian sebelumnya. Dari grafik tersebut telah menunjukkan bahwa tegangan berbanding lurus dengan waktu, maksudnya semakin banyak waktu yang kita gunakan maka semakin besar dan semakin meningkat tegangan pada kapasitor tersebut. Begitupun dengan arus dapat kita lihat melalui grafik hubungan antara arus dengan waktu, sehingga dalam grafik tersbut menunjukkaan bahwa arus berbanding terbalik dengan waktu, maksudnya jika semakin banyak waktu yang digunakan dalam percobaan tersebut, maka arusnya akan menjadi semakin kecil. Hal ini sesuai dengan teori yang ada, dimana berdasarkan teori arus transien adalah arus yang mengecil terhadap waktu.
Konstanta waktu kapasitif adalah waktu yang dibutuhkan muatan untuk bertambah dari nilai awalnya. Pada proses kedua yaitu pengosongan muatan pada kapasitor, dilakukan dua pengukuran yaitu pengukuran arus, dan tegangan dimana variabel manipulasinya yaitu waktu. Berdasarkan hasil pengamatan yang disajikan dalam bentuk tabel maupun grafik, dapat dilihat bahwa hubungan tegangan terhadap waktu yaitu berbanding terbalik, maksudnya semakin banyak waktu yang digunakan, maka tegangannya semakin kecil. Sedangkan hubungan antara arus terhadap waktu yaitu berbanding lurus, maksudnya semakin banyak waktu yang dibutuhkan, maka nilai arusnya meningkat (dari negatif (-) ke nol (0)). Hal ini tidak sesuai dengan teori, dimana teori menyatakan bahwa pada pengosongan muatan kapasitor, “nilai tegangan dan kuat arus seharusnya menunjukkan penurunan yang semakin lambat” (dikutip dari penuntun praktikum elektronika dasar 1, hal. 26).
Pada kegiatan pengosongan ini, cara memperoleh nilai konstanta waktu kapasitif pada grafik hubungan tegangan terhadap waktu yaitu dengan menarik garis pada titik y dari hasil kali tegangan maksimum dengan 0,63 ke sumbu x, penunjukan sumbu x tersebut adalah waktu kapasitif, adapun nilai konstanta waktu kapasitif pengisian kapasitor yang diperoleh untuk kapasitor 2200 µF yaitu 22,50 s, 18 s, dan 23 s, sedangkan untuk pengisiannya yaitu 16,75 s, 21,75 s, 16,75 s. Adapun cara memperoleh konstanta waktu kapasitif pada grafik hubungan arus dengan waktu yaitu menarik garis y dari hasil perkalian arus maksimum dengan 0,37 kesumbu x. Untuk persen diff dari proses pengosongan pada masing-masing kapasitor berturut-turut adalah 27%, 20% dan 26,58%.
Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa nilai konstanta waktu kapasitif yang diperoleh melalui grafik ada yang hamper sama dengan teori, tetapi ada juga yang berbeda dengan teori. Adanya perbedaan tersebut dikarena kurang telitinya praktikan dalam pengambilan data, ataupun disebabkan kurangnya ketelitian alat.
KESIMPULAN
1. Dari hasil pengamatan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa, Pada saat pengisian muatan pada kapasitor, arus yang terdapat pada kapasitor mengecil dan tegangan meningkat terhadap waktu. Sehingga grafik yang ditunjukkan pada hubungan tegangan terhadap waktu yaitu grafik berbanding lurus. Sedangkan grafik antara hubungan arus terhadap waktu menunjukkan grafik yang berbanding terbalik.
2. Pada pengosongan muatan kapasitor, arus yang terdapat pada kapasitor meningkat (dari negatif ke nol) dan tegangannya mengecil terhadap waktu. Sehingga grafik yang ditunjukkan pada hubungan arus terhadap waktu yaitu grafik berbanding lurus dan grafik yang menunjukkan hubungan tegangan terhadap waktu merupakan grafik yang berbanding terbalik.
3. Adapaun cara menentukan Tetapan waktu kapasitif berdasarkan kurva yang telah kami peroleh yaitu dengan dengan menarik garis dari sumbu y dari hasil perkalian tegangan maksimum dengan 0,63 dan arus maksimum dengan 0,37. Untuk proses pengisian dan pada proses pengosongan untuk tegangan maksimum dan arus maksimum dikalikan dengan 0,37 kemudian dihubungkan kesumbu x. adapun nilai kapasitansi kapasitor tertera pada badan kapasitor yang digunakan.
Daftar Pustaka
Bakri, Abdul Haris, M. Agus Martawijaya, dan Muh.Saleh. 2015. Dasar-Dasar Elektronika. Sulawesi Tengah: Edukasi Mitra Grafika.
Bakri, Abdul Haris, Muh. Saleh, 2016. Penuntun Praktikum Elektronika Dasar 1. Laboratorium Fisika FMIPA UNM Unit Elektronika & Instrumentasi.
Serway, Raymond A. dan John W. Jewett. 2010. FISIKA-untuk Sains dan Teknik Buku 2 Edisi 6. Jakarta: Salemba Teknika.
Sutrisno. 1986. Elektronika: Teori dan Penerapannya.Bandung: Penerbit IT