PRAKTIKUM RANGKAIAN RLC DAN FENOMENA RESONANSI (Oleh : Sumarna, Lab-Elins, Jurdik Fisika FMIPA UNY) E-mail :
[email protected]
1.
TUJUAN Praktikum ini bertujuan untuk menyelidiki terjadinya fenomena resonansi pada
rangkaian RLC, di mana XL dan XC suatu rangkaian dapat dikombinasikan untuk memberikan perlakuan khusus terhadap frekuensi tertentu yang dimasukkan pada rangkaian tersebut.
2.
ALAT Peralatan yang digunakan dalam praktikum ini meliputi Function Generator,
RLC-Box, Multimeter (digital), Amperemeter, dan kabel-kabel penghubung. Function Generator merupakan suatu piranti untuk menghasilkan gelombang atau sinyal dalam berbagai bentuk (sinus, kotak, segitiga), amplitudo dan frekuensi. RLC-Box adalah suatu alat yang berisi komponen resistor (R), induktor (L), dan kapasitor (C) pada berbagai nilai (resistansi, induktansi dan kapasitansi), dan setiap ujung komponen memiliki terminal persambungan. Sedangkan Multimeter digunakan untuk mengukur tegangan, kuat arus, dan resistansi. Jika tersedia, peralatan pada praktikum ini dapat juga dilengkapi dengan CRO (Cathode Ray Oscilloscope) atau Osiloskop untuk melihat gelombang (amplitudo dan frekuensinya) secara cepat.
3.
DASAR TEORI
Reaktansi Induktif Ketika arus bolak-balik (AC) mengalir pada sebuah induktor dengan induktansi L, maka arus tersebut akan mengalami semacam hambatan. Hal ini disebabkan oleh variasi arus itu akan menginduksikan (menghasilkan) tegangan pada ujung-ujung induktor yang polaritasnya berlawanan dengan polaritas tegangan sumber yang terpasang. Kuantisasi dari hambatan yang muncul pada induktor itu dinamakan rekatansi induktif (XL). Untuk 1
gelombang sinus (arus AC yang berbentuk sinusoidal), besar dari reaktansi induktif itu dapat dinyatakan sebagai : XL = L, dengan
L f XL
dengan = 2f
: Induktansi induktor dalam henry (H) : Frekuensi dalam hertz (Hz) : Reaktansi induktif dalam ohm ().
Reaktansi Kapasitif Ketika sebuah kapasitor dimuati atau dikosongkan dengan cara dikenai tegangan yang bervariasi, maka arus AC dapat mengalir. Meskipun tidak ada arus yang melewati dielektrik dalam kapasitor, peristiwa pemuatan dan pengosongan itu menimbulkan arus di dalam rangkaian yang terhubung dengan plat-plat kapasitor. Besar arus AC yang mengalir dalam rangkaian itu mengalami semacam hambatan yang seterusnya dikenal sebagai reaktansi kapasitif (XC). Untuk gelombang sinus (arus AC yang berbentuk sinusoidal), besar dari reaktansi kapasitif itu dapat dinyatakan sebagai : XC =
dengan
C f XC
1 C
dengan = 2f
: Kapasitansi Kapasitor dalam farad (F) : Frekuensi dalam hertz (Hz) : Reaktansi kapasitif dalam ohm ().
Fenomena Resonansi Efek resonanasi pada rangkaian RLC atau LC saja dapat terjadi ketika nilai reaktansi induktif (XL = L) dan nilai rekatansi kapasitif (XC = 1/C) pada rangkaian tersebut sama besar (XL = XC). Aplikasi dari fenomena resonansi sangat luas, utamanya selalu digunakan dalam rangkaian RF (Radio Frequency) untuk menala suatu sinyal pada frekuensi yang dikehendaki. Contohnya adalah penalaan pada pesawat penerima radio, televisi, dan pemancar.
2
Terjadinya efek resonansi dapat dijelaskan sebagai berikut. Nilai reaktansi induktif (XL) pada suatu rangkaian RLC semakin besar ketika frekuensi ( = 2f) diperbesar, sedangkan nilai reaktansi kapasitif (XC) rangkaian tersebut semakin kecil ketika frekuensi diperbesar. Oleh karena sifat yang berlawanan itu, untuk suatu kombinasi LC terdapat sebuah frekuensi yang menyebabkan X L = XC, yakni pada saat salah satu membesar dan yang lainnya mengecil. Keadaan di mana X L = XC disebut sebagai
keadaan resonansi dan rangkaian RLC tersebut dikenal sebagai rangkaian
resonan. Frekuensi yang menyebabkan keadaan resonansi tersebut dinamakan frekuensi resonan (fr). Besar frekuensi resonan itu dapat dihitung dengan formulasi : fr =
1 2 LC
di mana L menyatakan induktansi dalam henry (H), C merupakan kapasitansi dalam farad (F), dan fr adalah frekuensi resonan dalam hertz (Hz). Rangkaian LC yang dalam keadaan resonansi menghasilkan amplitudo tegangan keluaran maksimum bila dibandingkan dengan amplitudo tegangan keluaran lain pada frekuensi di bawah atau di atas frekuensi resonan tersebut. Fenomena tersebut dapat diilustrasikan melalui gambar berikut, di mana rangkaian LC beresonan pada 1 MHz.
Amplitudo tegangan keluaran terbesar untuk fr = 1 MHz
10 kHz Rangkain resonan pada 1 MHz
100 kHz 1 MHz 2 MHz
Amplitudo tegangan keluaran untuk frekuensi lain lebih kecil
3 MHz
Amplitudo tegangan masukan sama
Meskipun kepada rangkaian resonan itu dimasukkan banyak gelombang dengan amplitudo tegangan sama tetapi dengan frekuensi yang berbeda-beda, efek resonansi pada rangkaian tersebut hanya terjadi pada frekuensi 1 MHz. Pada frekuensi 1 MHz itu
3
amplitudo tegangan keluarannya terbesar bila dibandingkan dengan amplitudo tegangan keluaran untuk frekuensi yang lainnya.
Rangkaian Resonan Seri
A
T
R
S
L
C
B
VL VR
VC
4.
LANGKAH PERCOBAAN
Susunlah rangkaian seperti gambar berikut : S
mA
L
R
T
VL
U
VR
VS
Dengan frekuensi sumber sinyal yang divariasi antara 100 Hz hingga 10 kHz, ukurlah tegangan antara ujung-ujung : a. Induktor (VL) atau antara titik-titik S dan T, b. Resistor (VR) atau antara titik-titik T dan U, c. Sumber sinyal (VS) atau antara titik-titik S dan U, Jika mungkin, ukur pula kuat arus (mA) yang mengalir dalam rangkaian itu untuk setiap harga frekuensi tersebut ! Hasil pengukurannya masukkan ke dalam tabel pencatatan data seperti berikut :
4
No. 1. 2. 3.
Frekuensi 100 Hz 200 Hz 400 Hz 600 Hz Dst. 10.000 Hz
VL
VR
VS
Arus
Susunlah rangkaian seperti gambar berikut :
C
S
T
VC
mA
VS
R
U
VR
Dengan frekuensi sumber sinyal yang divariasi antara 10 Hz hingga 10 kHz, ukurlah tegangan antara ujung-ujung : a. Kapasitor (VC) atau antara titik-titik S dan T, b. Resistor (VR) atau antara titik-titik T dan U, c. Sumber sinyal (VS) atau antara titik-titik S dan U, Jika mungkin, ukur pula kuat arus (mA) yang mengalir dalam rangkaian itu untuk setiap harga frekuensi tersebut ! Hasil pengukurannya masukkan ke dalam tabel pencatatan data seperti berikut :
No. 1. 2. 3.
Frekuensi 10 Hz 100 Hz 500 Hz 1000 Hz Dst. 10 kHz
VC
VR
Susunlah rangkaian seperti berikut :
5
VS
Arus
L
S
mA
C
T
VL
U
VC
VS
Dengan frekuensi sumber sinyal yang divariasi antara 100 Hz hingga 10 kHz, ukurlah tegangan antara ujung-ujung : a. Induktor (VL) atau antara titik-titik S dan T, b. Kapasitor (VC) atau antara titik-titik T dan U, c. Sumber sinyal (VS) atau antara titik-titik S dan U, d. Pada frekuensi berapa VL = VC , carilah hingga ditemukan keadaan, frekuensi tersebut tidak harus terletak di dalam interval frekuensi di atas ! Jika mungkin, ukur pula kuat arus (mA) yang mengalir dalam rangkaian itu untuk setiap harga frekuensi tersebut ! Hasil pengukurannya masukkan ke dalam tabel pencatatan data seperti berikut :
No. 1. 2. 3.
Frekuensi 100 Hz 200 Hz 400 Hz 600 Hz Dst. 10 kHz
VL
VC
VS
Pada frekuensi . . . . . . . dicapai keadaan VL = VC. Susunlah rangkaian seperti berikut :
A
mA
R
L
S
VR
VL VS
6
T C VC
B
Arus
Dengan frekuensi sumber sinyal yang divariasi antara 100 Hz hingga 10 kHz, ukurlah tegangan antara ujung-ujung : a. Resistor (VR) atau antara titik-titik A dan S, b. Induktor (VL) atau antara titik-titik S dan T, c. Kapasitor (VC) atau antara titik-titik T dan B, d. Sumber sinyal (VS) atau antara titik-titik A dan B, e. Pada frekuensi berapa VL = VC , carilah hingga ditemukan, frekuensi tersebut tidak harus terletak di dalam interval frekuensi di atas ! Jika mungkin, ukur pula kuat arus (mA) yang mengalir dalam rangkaian itu untuk setiap harga frekuensi tersebut ! Hasil pengukurannya masukkan ke dalam tabel pencatatan data seperti berikut :
No. 1. 2. 3.
Frekuensi 100 Hz 200 Hz 400 Hz 600 Hz Dst. 10 kHz
VR
VL
VC
VS
Arus
Pada frekuensi . . . . . . . dicapai keadaan VL = VC. Susunlah rangkaian seperti berikut : C S
T L
mA VS
Dengan frekuensi sumber sinyal yang divariasi antara 0 Hz hingga 10 kHz, ukurlah : a. Tegangan (VS-T) antara titik-titik S dan T, b. Kuat arus I (mA),
7
c. Pada frekuensi berapa
kuat arus (mA) paling kecil, carilah hingga ditemukan,
frekuensi tersebut tidak harus terletak di dalam interval frekuensi di atas !
Jika mungkin, ukur pula kuat arus (mA) yang mengalir dalam rangkaian itu untuk setiap harga frekuensi tersebut ! Hasil pengukurannya masukkan ke dalam tabel pencatatan data seperti berikut :
No. 1. 2. 3.
Frekuensi 100 Hz 200 Hz 400 Hz 600 Hz Dst. 10 kHz
VS-T
Arus
Pada frekuensi . . . . . . . dicapai keadaan kuat arus (mA) paling kecil.
8
