Rangkaian Arus Bolak Balik AC dan Contoh Soal

GuruOnlinee.com – Halo sobat cerdas, dalam artikel ini kita akan membahas tentang Rangkaian Arus Bolak Balik. Apa sih itu Rangkaian Arus Bolak Balik? Bagaimana cara menjawab soal-soal Fisika terkait Rangkaian Arus Bolak Balik? Untuk mengetahuinya, yuk simak penjelasan berikut!

Arus bolak-balik atau Alternating Current (AC) merupakan arus dan tegangan listrik yang besarnya berubah terhadap waktu dan mengalir dalam dua arah, atau secara lebih sederhana, Arus Bolak Balik adalah arus listrik yang nilai dan arahnya berubah-ubah terhadap satuan waktu.

Listrik sendiri terdiri dari dua jenis yaitu: Listrik arus bolak balik AC dan listrik Searah DC (Direct Current). Arus listrik AC berbeda dengan Arus listrik DC. Arus listrik DC merupakan sebuah bentuk arus dan tegangan yang mengalir pada rangkaian listrik dalam satu arah saja.

Sebelum membahas lebih jauh tentang Rangkaian Arus Bolak Balik AC, kita perlu memahami secara jelas terlebih dahulu mengenai perbedaan arus AC dan DC. Perhatikan gambar berikut:

Penjelasan selanjutnya akan berfokus pada Rangkaian Arus Bolak Balik AC.

Rangkaian arus bolak-balik terdiri dari beberapa jenis yaitu rangkaian resistor, induktor, dan kapasitor. Selain itu juga ada rangkaian yang disebut Rangkaian RLC, yaitu rangkaian yang menggabungkan ketiga komponen elektronika diatas yaitu resistor, induktor dan kapasitor.

1. Rangkaian Resistor

Resistor adalah komponen elektronika yang berfungsi untuk menghambat arus listrik. Resistor yang dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik akan mengalirkan arus bolak balik, apabila dihubungkan antara resistor dan sumber tegangan maka disebut rangkaian resistor. Rangkaian resistor memiliki fungsi untuk menurunkan potensial listrik, atau sebagai pembatas arus yang masuk, pada saat dibatasi, arus dan tegangan pada rangkaian tersebut akan mempunyai fase.

Sebuah resistor akan dialiri arus bolak-balik ketika dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik. Fungsi rangkaian resistor dalam arus bolak-balik ialah untuk menurunkan potensial listrik dalam rangkaian, atau sebagai pembatas arus listrik yang masuk. Nah jika sudah dibatasi, arus dan tegangan dalam rangkaian resistor mempunyai fase yang sama saat terhubung dengan sumber tegangan bolak-balik. Berikut gambar rangkaian resistor dan gambar grafik hubungan arus dan tegangan pada rangkaian resistor:

Berdasarkan grafik di atas, bahwa arus dan tegangan sefase pada rangkaian resistor, artinya pada saat arus mencapai nilai maximum maka pada waktu yang sama tegangan juga mencapai nilai maximum.

Sebuah resistor jika dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, maka besar tegangannya pada resistor akan sama dengan tegangan sumbernya. 

Berikut rumus tegangan resistor dan arus yang mengalir melalui resistor.

a) Tegangan pada Resistor

Berikut rumus tegangan pada resistor dengan sumber listrik berasal dari tegangan bolak balik:

b) Arus yang mengalir pada Resistor

Berikut rumus kuat arus pada resistor dengan sumber listrik berasal dari tegangan bolak balik:

t : Waktu (s)

2. Rangkaian Induktor

Sebuah induktor yang dirangkai dan dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik akan memiliki hambatan yang disebut reaktansi induktif. Reaktansi induktif merupakan hambatan yang dihasilkan oleh induktor dalam suatu rangkaian listrik. Hambatan tersebut bergantung pada frekuensi sudut arus, dan induktansi diri induktor. Secara singkat, dapat dirumuskan sebagai:

dimana:

X_L : Reaktansi induktif (Ω atau ohm)

ω : Kecepatan sudut (rad/s)

L : Induktansi Induktor (H atau Henry)

Berikut gambar rangkaian induktor dan gambar grafik hubungan arus dan tegangan pada rangkaian induktor:

Berdasarkan grafik diatas, bahwa besar tegangan pada induktor adalah nol saat arus induktornya maksimum, begitupun sebaliknya yakni ketika tegangan induktor bernilai maksimum maka saat itu arus induktornya bernilai nol. Artinya tegangan pada induktor mencapai nilai maksimum lebih cepat seperempat periode daripada saat arus mencapai maksimumnya.

Berikut rumus tegangan dan arus yang mengalir pada induktor:

a) Tegangan pada Induktor

Berikut rumus tegangan pada induktor dengan sumber listrik berasal dari tegangan bolak balik:

b) Arus yang mengalir pada Induktor

Berikut rumus kuat arus pada induktor dengan sumber listrik berasal dari tegangan bolak balik:

t : Waktu (s)

3. Rangkaian Kapasitor

Kapasitor merupakan komponen elektronika yang dapat menyimpan energi dalam bentuk muatan listrik ketika dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maupun tegangan searah. Kapasitor yang dialiri arus bolak-balik akan timbul resistansi semu atau biasa juga disebut dengan reaktansi kapasitif. Besar nilai reaktansi kapasitif bergantung pada besarnya nilai kapasitansi kapasitor dan frekuensi sudut arus, berikut rumusk Reaktansi Kapasitif sebagai:

Keterangan:

X_C : Reaktansi kapasitif (Ω atau ohm)

ω : Kecepatan sudut (rad/s)

C : Kapasistansi Kapasitor (F atau Farad)

Berikut gambar rangkaian kapasitor dan gambar grafik hubungan arus dan tegangan pada rangkaian kapasitor:

Berdasarkan grafik di atas, bahwa arus pada kapasitor maksimum saat tegangan kapasitor bernilai nol, begitupun sebaliknya yakni arus pada kapasitor bernilai nol saat tegangan kapasitor bernilai maksimum. Artinya, arus mencapai nilai maksimumnya seperempat periode lebih cepat daripada tegangannya saat mencapai nilai maksimumnya. Rumus tegangan dan arus yang mengalir pada kapasitor seperti berikut:

Berikut rumus tegangan dan arus yang mengalir pada kapasitor:

a) Tegangan pada Kapasitor

Berikut rumus tegangan pada kapasitor dengan sumber listrik berasal dari tegangan bolak balik:

b) Arus yang mengalir pada Kapasitor

Berikut rumus kuat arus pada Kapasitor dengan sumber listrik berasal dari tegangan bolak balik:

t : Waktu (s)

4. Rangkaian R-L-C

Rangkaian RLC adalah rangkaian yang menggunakan 3 jenis komponen elektronika yaitu , resistor, induktor dan kapasitor. Baik dihubungkan secara seri maupun paralel, ketiga komponen utama tersebut harus ada pada sebuah rangkaian RLC.

Rangkaian RLC berfungsi untuk menyalakan TV, menerima gelombang radio, sistem komunikasi dan pemrosesan sinyal. RLC juga digunakan untuk menyediakan pembesaran tegangan dan pemanasan induksi.

Berikut gambar rangkaian RLC secara seri:

Ketiga komponen elektronika pada gambar diatas masing-masing memiliki hambatan sehingga jumlah total hambatan dari ketiga komponen tersebut disebut dengan Impedansi.

Berikut rumus Impedansi pada rangkaian RLC secara seri:

Sedangkan rumus Impedansi pada rangkaian RLC secara paralel:

Keterangan

Z : Impedansi (Ω atau ohm)

R : Hambatan resistor (Ω atau ohm)

X_L : Reaktansi induktif (Ω atau ohm)

X_C : Reaktansi kapasitif (Ω atau ohm)

Contoh Soal

Berapakah nilai impedansi dari rangkaian R-L-C seri dengan besar masing-masing 15 ohm; 0,2 H, dan 2,5.10⁻⁴ F dipasang pada sumber tegangan 120 V ,200 rad/s?

Z = . . . ?

Rumus :

tentukan X_L dan X_C terlebih dahulu:

untuk X_L :

untuk X_C :

maka nilai impedansinya:

Demikianlah pembahasan kita terkait Rangkaian Arus Bolak Balik. Terima kasih, semoga bermanfaat.

Baca juga : Kapasitor

Untuk memahami fisika lebih dalam, yuk baca berbagai materi fisika SMA pada halaman website ini dengan mengklik: Materi Fisika SMA.