Kuliah - Rangkaian Listrik 2 - Percobaan 1

Praktikum Rangkaian Listrik 2

Percobaan 1

Rangkaian Resonansi Seri

A.    Tujuan

1. Mahasiswa mampu merangkai rangkaian resonansi seri.
2. Mahasiswa mampu menghitung faktor kualitas (Q) dari rangkaian resonansi seri.
3. Mahasiswa mampu menentukan nilai Induktor (L) dan Kapacitor (C) pada rangkaian resonansi seri dalam range frekuensi resonansi 1 kHz sampai dengan 3 kHz.
4. Mahasiswa mampu menentukan frekuensi resonansi dari rangkaian resonansi seri dengan komponen yang telah ditentukan.
5. Mahasiswa mampu memahami penggunaan dan karakteristik dari rangakian resonansi seri.

B.     Landasan Teori

    Resonansi adalah proses bergetarnya 2 atau lebih benda dengan besar frekuensi yang sama dan saling mempengaruhi satu sama lainnya. Resonansi pada umumnya dijumpai pada suatu rangkaian yang memiliki sumber tegangan AC. Berdasarkan jenis bebannya terdapat 3 jenis, yaitu beban Resistor (R), beban Induktor (L) dan beban Kapasitor (C). Peristiwa resonansi seri akan terjadi, ketika suatu sumber tegangan yang memiliki frekuensi tertentu besarnya sama dengan frekuensi rangkaian resonansi seri tersebut. Pada rangkaian seri, resonansi mengenal 3 kondisi, yaitu :

• Ketika f < f_R maka X_L < X_C . Sehingga, V_C > V_L dan rangkaian dalam kondisi kapasitif.
• Ketika f = f_R maka X_L = X_C . Sehingga, V_C = V_L dan rangkaian dalam kondisi resistif.
• Ketika f > f_R maka X_L > X_C . Sehingga, V_C < V_L dan rangkaian dalam kondisi induktif.

Catatan :

X_L merupakan Reaktansi Induktif

X_C merupakan Reaktansi Kapasitif

V_L merupakan tegangan di Induktor

V_C merupakan tegangan di Kapasitor

Suatu rangkaian resonansi seri dalam kondisi beresonansi. Jika, X_L = X_C atau harga reaktansi induktif sama dengan harga reaktansi kapasitif. Pada Gambar 1. merupakan contoh sederhana dari rangkaian resonansi seri dengan beban Resistor (R), Induktor (L) dan Kapasitor (C) terpasang seri pada suatu rangkaian listrik.

Gambar 1. Rangkaian Resonansi Seri.

      Jika frekuensi sumber tegangan diubah-ubah, maka akan terjadi resonansi ketika reaktansi induktif sama dengan reaktansi kapasitif, atau dapat dikatakan bahwa besar reaktansi pada impedansi rangkaian resonansi seri saling meniadakan. Sesuai dengan persaamaan (1) :

                                 (1)

         Sehingga, didapat besar impedansi rangkaiannya sesuai persamaan (2) :

   

                   (2)

         Maka, didapat besar arus maksimum yang mengalir pada rangkaian saat resonansi terjadi sesuai persamaan (3) :

                               (3)

Catatan :

Z  = Impedansi  (Ohm)

R  = Tahanan atau resistansi  (Ohm)

XL  = Reaktansi induktor  (Ohm)

XC  = Reaktansi kapasitor  (Ohm)

E  = Tegangan  (V)

I   = Arus  (A)

        Untuk besar frekuensi resonansi pada rangkaian dapat dirumuskan dari persamaan (4) :

                                                                   
                              

                           (4)

Catatan :

ω  = frekuensi sudut  (rad/s)

L  = nilai Induktansi  (H)

C  = nilai Kapasitansi  (F)

f_R = frekuensi resonansi  (Hz)

Pada rangkaian resonansi seri, jumlah total tegangannya harus sama dengan tegangan sumber. Bila beban terdapat komponen resistor, induktor dan kapasitor. Maka, didapat persamaan (5) :

                        (5)

Vektor tegangan pada resistor sephasa dengan arusnya. Vektor tegangan pada Induktor mendahului vektor arusnya sebesar π/2 radian. Sedangkan, vektor tegangan pada kapasitor tertinggal dari vektor arus sebesar π/2 radian. Sehingga, pada persamaan (5) dapat diturunkan sesuai persamaan (6) :

 (6)

Catatan :

E_R  = Tegangan di Resistor  (V)

E_L  = Tegangan di Induktor  (V)

E_C  = Tegangan di Kapasitor  (V)

Pada keadaan ini, arus yang mengalir pada rangkaian mencapai nilai maksimum. Hal ini menandakan bahwa rangkaian resonansi seri memiliki impedansi yang sangat rendah pada kondisi resonansi, bahkan pada rangkaian ideal nilai impedansi rangkaian resonansi seri akan sama dengan nol atau 0. Pada rangkaian resonansi dikenal dengan istilah faktor Q yang merupakan ukuran dari seberapa baiknya rangkaian resonansi tersebut. Nilai faktor Q yang tinggi menyebabkan rangkaian resonansi seri memiliki bandwith atau lebar frekuensi yang sempit. Begitu pula, sebaliknya. Sehingga, didapat persamaan (7) dan (8) :

                                (7)

                        (8)

Catatan :

Q = faktor kualitas

f_R = frekuensi resonansi  (Hz)

Bw = lebar pita frekuensi  (Hz)

∆f  = selisih antara frekuensi tertinggi dengan frekuensi terendah  (Hz)

Dari persamaan (7), faktor Q bisa didapat dengan perbandingan tegangan yang jatuh dibeban dengan tegangan sumber rangkaian sebagai berikut :

            (9)

Maka, didapat persamaan (10)  :

                        (10)

                                                         

Rangkaian resonansi seri ini dapat diaplikasikan sebagai rangkaian filter, karena fungsinya adalah meloloskan gelombang arus atau tegangan yang memiliki frekuensi sama dengan desain frekuensi yang dikehendaki pada rangkaian resonansi seri. Untuk pengaplikasiannya biasa digunakan sebagai filter pada jaringan transmisi. Dimaan filter yang digunakan termasuk filter pastif dengan menggunakan komponen pasif resistor (R), induktor (L) dan kapasitor (C). Dengan arus maksimum yang tinggi, perlu diperhatikan bahwa pemasangan rangkaian resonansi seri sebagai filter harus menyesuaikan Kuat Hantar Arus dari penampang kawat yang digunakan. Dengan besar disesuaikan dengan arus maksimum saat terjadi resonansi pada rangkaian resonansi seri. Pada Gambar 2. Merupakan kurva karakteristik rangkaian resonansi seri dengan kecenderungan lebar pita frekuensi yang dimiliki sempit atau kecil.

Gambar 2. Kurva Karakteristik Rangkaian Resonansi Seri.

C.    Rangkaian Percobaan
      1.      Rangkaian Percobaan Pengukuran Arus

Gambar 3. Rangkaian Percobaan Pengukuran Arus.

      2.      Rangkaian Percobaan Pengukuran Faktor Kualitas (Q)

Gambar 4. Rangkaian Percobaan Pengukuran Faktor Kualitas (Q).

D.    Peralatan dan Bahan

1. Voltmeter Digital  (2 buah)
2. Function Generation  (1 buah)
3. Kabel Power  (3 buah)
4. Decade Resistor Box  (1 buah)
5. Decade Induktor Box  (1 buah)
6. Decade Kapasitor Box  (1 buah)
7. Kabel Konektor  (8 buah)
8. Probe Voltmeter Digital  (2 buah)
9. Probe Function Generation  (1 buah)

E.     Langkah-Langkah Percobaan
a.      Untuk Percobaan Pengukuran Arus

1.  Atur E = 1 Volt konstant dari Function Generato
2. Ukur V_R untuk setiap perubahan f dari 100 Hz sampai dengan 3 kHz dengan step 100 Hz. Catat hasil pengukuran pada tabel.
3. Hitung arus yang mengalir pada rangkaian, kemudian plot karakteristik resonansi seri, dengan persamaan dibawah.
4. Dari kurva, maka dapat ditentukan frekuensi resonansinya. Catat nilai frekuensi resonansi dari gambar tersebut.

b.      Untuk Percobaan Pengukuran Q

1. Atur E = 1 Volt konstant dari Function Generator
2. Atur Decade Induktor Box dengan harga induktansi sebesar 50 mH (konstant).
3. Hitunglah harga Kapasitansi rangkaian resonansi seri dengan frekuensi resonansi yang beragam mulai dari 1 kHz sampai dengan 5 kHz dengan step 1 kHz.
4. Ukur V_L dan V_C untuk setiap perubahan kapasitansi kapasitor yang didesain sesuai frekuensi resonansi. Catat hasil pengukuran pada tabel.
5. Hitung faktor kualitas (Q) dengan persamaan dibawah

Catatan:

F.     Data-Data Hasil Percobaan

• Percobaan Pengukuran Arus

    Catatan : data ke-11 sampai dengan ke-31 dilakukan uji coba dengan tahapan 200 Hz untuk mempersingkat waktu pengujian.

    Dimana, f merupakan frekuensi resonansi dari desain rangkaian resonansi seri yang diuji coba.

• Percobaan Pengukuran Faktor Kualitas (Q)

            Jika, L = 50 mH (konstant). Maka didapat :

• Saat f dikehendaki sebesar 1 kHz :

• Saat f dikehendaki sebesar 2 kHz :

• Saat f dikehendaki sebesar 3 kHz :

• Saat f dikehendaki sebesar 4 kHz :

• Saat f dikehendaki sebesar 5 kHz :

           Perhitungan Q :

• Saat f dikehendaki sebesar 1 kHz :

• Saat f dikehendaki sebesar 2 kHz :

• Saat f dikehendaki sebesar 3 kHz :

• Saat f dikehendaki sebesar 4 kHz :

• Saat f dikehendaki sebesar 5 kHz :

G.    Analisa
         Pada percobaan kali ini, praktika mengamati karakteristik dari rangkaian resonansi seri. Pada dasarnya, rangkaian resonansi seri mimiliki beban Resistor (R), Induktor (L) dan Kapasitor (C). Dimana, beban tersebut dirangkai seri dengan suatu sumber tegangan. Dalam rangkaian resonansi seri memiliki tiga kondisi, yaitu:

1. Ketika X_L < X_C , maka V_L < V_C .Sehingga, impedansi beban pada rangkaian bersifat kapasitif dengan fase arus beban mendahului sejauh 90˚ terhadap fase tegangannya.
2. Ketika X_L = X_C , maka V_L = V_C .Sehingga, impedansi beban pada rangkaian bersifat resistif dengan fase arus beban sama dengan fase tegangannya.
3. Ketika X_L > X_C , maka V_L > V_C .Sehingga, impedansi beban pada rangkaian bersifat kapasitif dengan fase arus beban tertinggal sejauh 90˚ terhadap fase tegangannya.

Pada rangkaian resonansi seri, dikatakan kondisi rangkaian dalam keadaan beresonansi. Ketika, impedansi beban bersifat resistif dengan X_L = X_C dan V_L = V_C . Jika demikian, dapat dikatakan besar reaktansi pada impedansi beban sama dengan 0 atau saling meniadakan. Karena beban dirangkai seri, arus beban dimasing-masing beban besarnya sama dengan arus total yang mengalir pada rangkaian. Sehingga, berlaku hukum Ohm sebagai berikut :

          Jika resistansi nilainya mendekati 0. Maka dapat dipastikan arus yang mengalir pada rangkaian resonansi seri mendekati tak hingga atau (∞). Tujuan dari penerapan rangkaian resonansi seri adalah untuk melewatkan arus beban yang mempunyai frekuensi tertentu. Sehingga, rangkaian resonansi seri bisa dikatakan sebagai rangkaian filter pasif, karena menggunakan komponen pasif (R,L dan C). Pada percobaan pertama, arus maksimum didapat sebesar 6,6 mA yang terletak pada frekuensi resonansi 1 kHz. Jika dilihat terdapat kecenderungan bahwa pada rangkaian resonansi seri memiliki karakteristik seolah-olah memblokir jalan arus mengalir pada rangkaian dengan penerapan pemasangan induktor dan kapasitor yang besar reaktansinya saling meniadakan. Semakin jauh frekeunsi yang diinjeksikan melalui pemberian suplai tegangan dengan desain frekuensi resonansi yang dikehendaki pada rangkaian uji coba menyebabkan impedansi rangkaian semakin besar. Semakin besarnya impedansi rangkaian diakibatkan oleh harga reaktansi pada rangkaian resonansi seri tidak sama dengan nol. Hal ini menyebabkan arus yang mengalir semakin kecil. Jika harga reaktansi rangkaian mendekati tak hingga atau (∞). Maka dapat dipastikan arus yang mengalir mendekati 0 atau dapat dikatakan rangkaian resonansi seri memblokir jalan aliran arus pada rangkaian tersebut. Selain itu, pada rangkaian resonansi seri memiliki lebar pita frekuensi yang kecil. Hal ini disebabkan karena dengan terjadinya sedikit perubahan frekuensi pada suplai tegangan dapat menyebabkan perubahan yang signifikan terhadap besar impedansi rangkaian yang menyebabkan arus pada rangkaian turun secara signifikan. Dibuktikan dengan data percobaan pengukuran arus untuk data ke-6 dengan f sebesar 0,6 kHz didapat pengukuran arus sebesar 2,9 mA dan data ke- 12 dengan f sebesar 1,4 kHz didapat pengukurang arus sebesar 3,8 mA. Hanya dengan perubahan frekuensi -/+ 0,4 kHz saja dapat menyebabkan penurunan arus total sebesar -/+ 3,25 mA. Karakteristik ini akan terlihat jelas saat data uji coba disajikan dalam kurva karakteristik. Penerapan rangkaian resonansi seri untuk filter pasif sejatinya tidak akan konstant pada 1 frekuensi resonansi. Karena pada dasarnya gangguan kualitas daya memiliki berbagai gelombang tegangan dengan besar frekuensi yang beragam. Oleh karena itu, rangkaian resonansi seri dalam pengaplikasiaanya sebagai filter harus fleksibel, terkhusus dalam pengaturan frekuensi resonansinya. Oleh karena itu pada percobaan ini dilakukan pengujian pengukuran faktor kualitas, dimana desain rangkaian resonansi seri diuji dengan frekuensi resonansi yang beragam. Dengan pemberlakuan beragamnya frekuensi resonansi, menyebabkan harga induktor atau kapasitor salah-satu atau keduanya harus berubah-ubah menyesuaikan harga frekuensi resonansinya. Penerapan yang paling bagus adalah merubah harga kapasitansi pada kapasitor dengan penambahan atau pengurangan kapasitor yang dipasang paralel. Penerapan pada induktor kurang cocok dikarenakan mengharuskan pemasangannya seri terhadap rangkaian untuk memperbesar atau memperkecil nilai induktansi. Salah-satu karakteristik desain rangkaian resonansi yang handal adalah dapat dilihat dari faktor kualitas mendekati 1 yang mengisyaratkan bahwa jatuh tegangan pada induktor sama dengan jatuh tegangan pada kapasitor di rangkaian resonansi seri. Jika jatuh tegangan dari induktor dan kapasitor sama, menandakan bahwa harga reaktansi keduanya mendekati sama dan akan saling meniadakan. Terkadang dalam desain rangkaian resonansi seri yang aplikatif untuk menetukan nilai kapasitornya dihadapkan pada permasalahan ketidakpresisian sesuai dengan perencanaan desain. Dikarenakan keterbatasan jenis kapasitor dengan besar kapasitansi yang ada dipasaran. Faktor lain yang harus diperhatikan adalah jarak pemasangan rangkaian resonansi seri. Dianjurkan untuk pemasangan jarak pendek, karena rangkaian resonansi seri memiliki karakteristik arus maksimum yang besar. Semakin besar arus yang mengalir pada rangkaian akan menyebabkan pemanasan yang berlebih pada sepanjang kawat penampang rangkaian, karenakan adanya rugi-rugi daya. Hal ini berpotensi untuk merusak isolasi kabel dan short circuit pada rangkaian. Untuk itu hendaknya dalam pemasangan rangkaian resonansi seri untuk jaringan transmisi jarak jauh memperhatikan luas penampang kabel yang besarnya disesuikan dengan kuat hantar arus dan arus maksimum yang terukur saat terjadi resonansi.

H.    Kesimpulan
        Berdasarkan data-data yang didapat dan pengamatan yang dilakuka oleh praktikan dapat disimpulkan bahwa :

1. Keadaan resonansi seri akan terpenuhin jika X_L = X_C maka V_L = V_C . Sehingga, harga reaktansi rangkaian sama dengan 0 dan arus yang mengalir bernilai maksimum.
2. Harga resistansi pada rangkaian resonansi seri cenderung rendah untuk menghindari jatuh tegangan yang besar pada rangkaian.
3. Dalam mendesain rangkaian resonansi seri yang aplikatif, dapat memvariasikan harga kapasitansi pada rangkaian resonansi seri dengan pemasangan kapasitor secara paralel dan perlu diperhatikan KHA kawat penampang yang digunakan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Kazuo, Tsutsumi. Son, Kuswadi d.k.k. Rangkaian Listrik. JICA, Politeknik Elektronika Surabaya, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Maret 1993.
2. Abdul. Rangkian Resonansi Seri. https://abdulelektro.blogspot.com/2019/06/rangkaian-resonansi-seri.html. Oktober 2019.

✌ Selamat membaca & semoga bermanfaat ilmunya ✌


    Bagi kalian yang ingin tanya-tanya seputar materi atau modul-modul pembelajaran di Jurusan D4 Teknik Elektro Industri atau 'Ingin Memesan Jasa Joki Tugas ke Admin ...... Boleh Banget 😊'. Silahkan, hubungi saya lewat Email atau WhatsApp di menu "Contact Me". Sebelum memesan, bisa pastikan dulu lihat profile Curriculum Vitae (CV) saya, ~klik link ini!~.

💻Kode G-Drive: "kenapabelajarilmu@blogspoot.com"

• 👉Download File Word Rangkaian Resonansi Seri.

📚Lihat Laporan Lainnya