BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Tujuan Percobaan

Mempelajari perilaku (response) rangkaian terhadap sinyal atau forced

response, dan respon rangkaian secara menyeluruh atau complete respone.

Mengadakan pengukuran arus serta tegangan pada saat transient ( peralihan,

perubahan, transien, transisi ) pada rangkaian RC, RL.

1.2 Teori Dasar

1.2.1 Pengertian Gejala Transien

Gejala transien terjadi pada 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).

1.2.2 Respon Rangkaian

A. Respon Paksa (Forced Response)

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.

B. Respon Natural (Natural Response)

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

C. Respon Lengkap (Complete Response)

Merupakan arus yang mengalir di dalam rangkaian terhadap

penutupan saklar adalah arus total yang di mana arus gabungan antara

natural response dan forced respon

1.2.3 Kapasitor

Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan kapasitor untuk dapat

menampung muatan elektron. Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1

2

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...............................................(1.1)

Keterangan:

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.

1. 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.

A. 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.

B. Kapasitor Electrolytic.

Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang

bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang

3

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.

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.

1.2.4 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.

4

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 XL 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

5

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

Induktor mempunyai jenis lililitan yang berbeda diantaranya:

1) 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.

2) 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.

2. Penggunaan Induktor

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

6

siklus. Perbandingan transfer energi ini menentukan tegangan keluaran.

Reaktansi induktif XL 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.

3. Kontruksi Induktor

Sebuah induktor biasanya dikonstruksi sebagai sebuah lilitan dari bahan

penghantar, biasanya kawat tembaga, digulung pada inti magnet berupa udara

atau bahan feromagnetik.

Bahan inti yang mempunyai permeabilitas magnet yang lebih tinggi dari

udara meningkatkan medan magnet dan menjaganya tetap dekat pada induktor,

sehingga meningkatkan induktansi induktor. Induktor frekuensi rendah dibuat

dengan menggunakan baja laminasi untuk menekan arus eddy.

Ferit lunak biasanya digunakan sebagai inti pada induktor frekuensi tingi,

dikarenakan ferit tidak menyebabkan kerugian daya pada frekuensi tinggi

seperti pada inti besi. Ini dikarenakan ferit mempunyai lengkung histeresis

yang sempit dan resistivitasnya yang tinggi mencegah arus eddy.

Induktor dibuat dengan berbagai bentuk. Sebagian besar dikonstruksi

dengan menggulung kawat tembaga email disekitar bahan inti dengan kaki-kali

kawat terlukts keluar. Beberapa jenis menutup penuh gulungan kawat di dalam

material inti, dinamakan induktor terselubungi.

Beberapa induktor mempunyai inti yang dapat diubah letaknya, yang

memungkinkan pengubahan induktansi. Induktor yang digunakan untuk

menahan frekuensi sangat tinggi biasanya dibuat dengan melilitkan tabung atau

manik-manik ferit pada kabel transmisi.

Induktor kecil dapat dicetak langsung pada papan rangkaian cetak dengan

membuat jalur tembaga berbentuk spiral. Beberapa induktor dapat dibentuk

pada rangkaian terintegrasi menhan menggunakan inti planar. Tetapi

7

bentuknya yang kecil membatasi induktansi. Dan girator dapat menjadi pilihan

alternatif.

1.3 Alat-Alat Yang Digunakan

1. Kit praktikum gejala transien

2. Stopwatch

3. Sumber daya searah (DC)

4. Multimeter

5. Kabel Penghubung

1.4 Prosedur Percobaan

PERCOBAAN 1

Gambar 1.1 Rangkaian percobaan-1

1. Membuat 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.

2. Mempersiapan stopwatch

Ketika saklar dibuka, stopwatch langung dimulai selama durasi 60 detik.

Kemudian mencatat perubahan-perubahan selama 60 detik. Dengan tahap

penulisan 0 detik, 5 detik, 10 detik, 20 detik, 30 detik, 40 detik, 50 detik, 60

detik.

3. Menggambar Grafik VR(t)

Memasanglah 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 menunggu hingga pena menggambarkan grafik

sepanjang kira-kira 2 cm, kemudian saklar S1 tertutup. Menjaga agar pena

8

jangan menyentuh posisi maksimum ( maksimum kanan atau maksimum

atas ) dengan mengatur saklar. Time base ( sec/cm ) sedemikian hingga

diperoleh gambar dengan lengkungan yang cukup baik dan jelas. Kemudian

membuka saklar S1.

4. Menggambar Grafik Vc (t)

Pada keadaan saklar S terbuka. Menghilangkan muatan pada C dengan cara

menghubungkan resistor = 100Ω, posisi saklar sumber pada volt. Menutup

S1 selama beberapa saat. memasanglah ground pada masukan-Y dari

recorder. Sumber V = 5 volt dipersiapkan, sedangkan S1 masih terbuka.

Saklar time base ( sec/cm ) dibuat (on), dan menunggu 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).

memilih kombinasi kedudukan skala Y (mV/cm) dan skala time base

(sec/cm) sehingga diperoleh gambar dengan kelengkungan yang cukup baik

dan jelas. membuka saklar S1.

PERCOBAAN 2

Rangkaian Serupa Dengan Percobaan-1 :

Gambar 1.2 rangkaian percobaan-2

1. 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 = 10kΩ dan V = 2 volt. Saklar S2 kemudian ditutup

untuk beberapa saat ( kira-kira 30 detik ) kemudian dibuka kembali.

Rs = 10 kΩS2

9

2. Dengan cara yang sama percobaan 1, mengukur dengan stpowatch tegangan

Vc (t) dan VR sebagai fungsi t sebelum, pada waktu dan setelah S1 ditutup.

PEROBAAN 3

Buatlah rangkaian sebagai berikut :

Gambar 1.3 Rangkaian Percobaan-3

1. 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.

2. Dengan cara yang sama dengan percobaan 1, mengukur dengan stopwacth,

tegangan VR (t) dan Vc(t) setelah S ditutup.

PERCOBAAN 4

Gambar 1.4 Rangkaian Percobaan-4

Membuatlah rangkaian sebagai berkut :

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

2. Pada rangkaian C1-R2-C2;

Keadaan mula, saklar S2 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

10

( kira-kira 30 detik ). Pada saat t = 0, S1 ditutup dan selanjutnya dibiarkan

tertutup. Carilah i(t), VR(t),VC(t) dan Vc2(t) setelah ditutup.

3. Percobaan Dengan stopwatch 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.