Saat mempelajari arus bolak-balik, kita dapat memahaminya dengan rangkaian arus bolak-balik sederhana.
Perlu diingat bahwa rangkaian AC sebagian besar akan menggunakan bentuk gelombang sinusoidal dalam analisis dan perhitungannya.
Sebelum itu, kita perlu memastikan bahwa kita memiliki gagasan yang jelas tentang apa yang membedakan rangkaian AC dari rangkaian DC.
Teori Dasar Rangkaian Arus Bolak-balik
Rangkaian Arus Searah atau DC disuplai oleh tegangan DC sehingga arusnya hanya akan mengalir dalam satu arah, dari polaritas positif ke negatif. Rangkaian ini akan disuplai oleh sumber tegangan konstan.
Dalam teori rangkaian arus bolak-balik, rangkaian AC disuplai oleh tegangan AC sehingga arusnya akan mengalir dari positif ke negatif, kemudian dari polaritas negatif ke positif, seperti yang kita pahami dalam Bentuk Gelombang Sinusoidal.
Amplitudo rangkaian AC akan berosilasi antara nilai positif, nol, dan nilai negatif. Tegangan dan arus yang berosilasi ini diulang dalam interval waktu tertentu. Ada berbagai bentuk gelombang dalam rangkaian AC tetapi kita akan mempelajari bentuk gelombang sinusoidal karena merupakan yang paling umum.
Sekarang kita akan membuat Rangkaian Bolak-balik sederhana, yang terdiri dari sumber tegangan AC dan sebuah resistor. Perhatikan diagram rangkaian arus bolak-balik di bawah ini yang terdiri dari sumber tegangan AC dan sebuah resistor.
Ilustrasi di atas memberi tahu kita arah arus dalam rangkaian arus bolak-balik. Untuk waktu tertentu, arus akan mengalir dari polaritas positif ke negatif dan kemudian akan mengalir dari polaritas negatif ke positif. Ini akan berulang dari waktu ke waktu, membentuk bentuk gelombang osilasi.
Karena bebannya hanya resistif, tegangan dan arus akan memiliki fase yang sama tetapi amplitudonya berbeda (tergantung pada bebannya). Ceritanya akan berbeda jika rangkaiannya memiliki beban induktif dan/atau kapasitif. Kita akan mempelajarinya nanti.
Biasanya, kita menggunakan kedua persamaan ini untuk merepresentasikan tegangan dan arus AC
Bentuk gelombang akan berulang setelah satu periode, atau setiap waktu internal T = 2π/⍵ tercapai. Setengah dari periode (0 – T/2), tegangan dan arus akan memiliki nilai positif kemudian memiliki nilai negatif untuk paruh kedua periode (T/2 – T).
Rangkaian Arus Bolak-balik
Seperti yang disebutkan di atas, rangkaian AC dapat bersifat resistif, induktif, kapasitif, atau kombinasi dua atau tiga di antaranya. Tidak seperti rangkaian DC di mana induktif dan kapasitif tidak mempengaruhi bentuk gelombangnya, beban induktif dan kapasitif akan memengaruhi rangkaian AC.
Arus mungkin tidak memiliki fase, bentuk, atau frekuensi yang sama dengan tegangan.
Amati bentuk gelombang sinusoidal di bawah ini untuk mewakili arus bolak-balik.
Dari bentuk gelombang di atas, kita akan menemukan berbagai variabel seperti:
- Amplitudo
- Frekuensi (f)
- Periode (T)
- Bentuk gelombang
- Siklus
- Fase
- Dll.
Ketika tegangan dan arus mencapai amplitudo maksimumnya secara bersamaan, kita dapat menyimpulkan bahwa tegangan dan arus berada dalam fase yang sama.
Tidak hanya itu, saat menghitung rangkaian AC kita akan menggunakan nilai RMS (Root Mean Square) agar lebih mudah. Saat menggunakan ini, Hukum Ohm juga dapat digunakan.
Jadi Hukum Ohm adalah
Apa perbedaan antara resistansi (R) dan impedansi (Z)?
Resistansi menahan arus searah (DC) dan arus bolak-balik (AC), sedangkan impedansi hanya menahan aliran arus bolak-balik. Inilah perbedaan utama antara impedansi dan resistansi.
Sekarang kita akan mempelajari bagaimana induktif dan kapasitif memengaruhi rangkaian AC.
Rangkaian Arus Bolak-balik Sederhana dengan Resistor (R)
Resistor memberikan resistansi, yang merupakan komponen listrik pasif dengan fungsi utama untuk membatasi aliran arus listrik. Resistor diukur dalam Ohm (Ω). Rangkaian AC yang murni resistif tidak akan memiliki bentuk gelombang arus yang terdistorsi dibandingkan dengan tegangannya.
Meskipun kawat konduktor dapat dianggap sebagai induktif, ia dapat diabaikan karena nilainya akan sangat kecil dibandingkan dengan resistor. Resistor digunakan untuk mengendalikan, mengatur, dan mengendalikan arus listrik.
Nilai resistansi akan tetap konstan berapa pun frekuensinya, tidak seperti induktor dan kapasitor.
Terakhir, rangkaian AC yang murni resistif akan memiliki tegangan dan arus yang sefase.
Rangkaian Arus Bolak-balik Sederhana dengan Resistor dan Induktor (RL)
Induktor menghasilkan induktansi, yaitu komponen yang mampu menyimpan dan melepaskan listrik dalam bentuk medan magnet. Rangkaian AC yang bersifat induktif akan memiliki bentuk gelombang arus yang terdistorsi dibandingkan dengan tegangannya.
Dalam rangkaian AC dengan beban RL, GGL balik (gaya gerak listrik) akan dihasilkan dalam induktor (karena induktor berupa kumparan). Diperlukan waktu untuk mengisi penuh induktor dengan medan magnet.
Reaktansi induktif dan induktansi memiliki hubungan seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Dimana:
XL = reaktansi induktif, diukur dalam Ohm (Ω)
f = frekuensi, diukur dalam Hertz (Hz)
L = induktansi, diukur dalam Henry (H)
Ketika rangkaian bersifat induktif, tegangan mendahului arus.
Rangkaian Arus Bolak-balik Sederhana dengan Resistor dan Kapasitor (RC)
Kapasitor menyediakan kapasitansi, yaitu komponen yang mampu menyimpan dan melepaskan listrik dalam bentuk muatan listrik. Rangkaian AC yang bersifat kapasitif akan memiliki bentuk gelombang arus yang terdistorsi dibandingkan dengan tegangannya.
Nilai kapasitansi akan dipengaruhi oleh frekuensi. Reaktansi kapasitif dan kapasitansi memiliki hubungan seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Dimana:
XC = reaktansi kapasitif, diukur dalam Ohm (Ω)
f = frekuensi, diukur dalam Hertz (Hz)
C = kapasitif, diukur dalam Farad (F)
Jika rangkaian bersifat kapasitif, tegangan akan tertinggal dari arus.
Rangkaian Arus Bolak-balik Sederhana dengan Resistor, Induktor, dan Kapasitor (RLC)
Rangkaian AC jenis ini memiliki beban resistif, induktif, dan kapasitif. Ketiganya dapat dihubungkan secara seri, paralel, atau kombinasi dari ketiganya. Karena ketiganya digabungkan, kita mendapatkan kelebihan dan kekurangannya. Rangkaian AC ini akan memiliki bentuk gelombang arus yang terdistorsi dibandingkan dengan tegangannya.
Rangkaian ini memiliki sebuah resistor dengan karakteristik resistif, sebuah induktor yang berfungsi seperti kumparan, dan sebuah kapasitor yang memberikan kapasitansi pada rangkaian.
Analisis Rangkaian Arus Bolak-balik
Analisis rangkaian arus bolak-balik terdiri dari tegangan, arus, impedansi, fasor, dan daya rata-rata.
Untuk memudahkan analisis kita, kita dapat menggunakan rumus rangkaian AC tambahan di bawah ini. Untuk saat ini, cobalah mengingat semua persamaan yang tercantum di sini untuk melanjutkan ke penerapannya nanti.
Impedansi
Sudut fase rangkaian AC (rangkaian RLC)
Daya rata-rata yang dihamburkan oleh resistansi
Perlu diingat, menganalisis rangkaian AC tidak semudah menggunakan rumus yang sudah diketahui. Menghitung tegangan dan arus akan memerlukan analisis steady-state, phasor, dan beberapa teori lanjutan seperti deret Fourier. Ini adalah salah satu kelemahan arus bolak-balik, diperlukan teknik lanjutan untuk menganalisisnya.
Selain itu, tentu saja kita tidak dapat mengoperasikan perangkat listrik jika harus disuplai oleh tegangan DC, seperti baterai.
Kita akan mempelajarinya nanti.