Teori Dasar Arus Bolak-balik (AC)

Posted on Updated on

Apa itu alternating current (AC) atau arus bolak-balik?

Kebanyakan murid-murid yang belajar listrik (elektro) selalu mengawali pembelajarannya pada materi direct current (DC), dimana listrik yang mengalir memiliki arah yang konstan/tetap, dan memiliki polaritas tegangan yang tetap.  DC adalah salah satu listrik yang dihasilkan oleh baterai (dengan terminal positif dan negatif), atau suatu muatan yang dihasilkan dari hasil gosokan antar benda tertentu.

DC adalah salah satu listrik yang mudah dipelajari dan sangat berguna dalam kehidupan sehari-hari, tetapi DC bukanlah satu-satunya jenis listrik yang dapat digunakan. Sumber listrik tertentu (seperti generator elektro-mekanik putar) secara alamiah dapat menghasilkan tegangan yang polaritasnya dapat berubah-ubah/berganti-ganti, polaritas positif  dan negatifnya saling berkebalikan dalam waktu. Seperti tegangan yang polaritasnya dapat di-switch (ditukar-tukar) positif dan negatifnya. Atau seperti arus yang arah arusnya dapat di-switch (ditukar-tukar) maju atau mundur.  Listrik yang seperti ini disebut dengan arus bolak-balik (alternating current, disingkat AC).

Simbol baterai yang umum digunakan untuk melambangkan suatu sumber tegangan DC, untuk suatu sumber tegangan AC dilambangkan suatu lingkaran dengan garis berbentuk gelombang di dalamnya.

Mungkin aneh, mengapa orang-orang mau “berkompromi” dengan macam listrik seperti AC ini. Benar sekali bahwa dalam beberapa kasus, AC tidak mempunyai keuntungan praktis sama sekali bila dibandingkan DC. Dalam beberapa aplikasi dimana listrik digunakan untuk menyerap energi dalam bentuk panas, polaritas atau arah arus adalah tidak dibutuhkan, selama mampu dihasilkan tegangan dan arus tertentu yang disuplai ke beban untuk meenghasilkan panas yang diinginkan (penyerapan daya). Namun dengan AC, sangat memungkinkan untuk membuat generator listrik, motor, dan sistem distribusi daya yang lebih efisien daripada DC,  sehingga jenis AC adalah yang lebih dominan digunakan dalam dunia aplikasi listrik daya besar. Untuk menjelaskan secara detail mengapa bisa demikian, dibutuhkan sedikit pengetahuan tentang AC.

DC vs AC

Apabila suatu mesin dibuat sedemikian rupa sehingga dapat memutar  medan magnet yang melingkari suatu kumparan kawat yang diam/tetap (stasioner) yang melilit suatu jangkar, tegangan AC akan dihasilkan pada kumparan kawat itu apabila jangkar/angker itu berputar, memanfaatkan hukum Faraday tentang induksi elektromagnet. Ini adalah prinsip operasi dasar pada generator AC, atau dikenal juga dengan nama alternator.

Perhatikan bagaimana polaritas tegangan pada kumparan kawat dapat berubah-ubah , polaritas/kutubnya dapat saling berkebalikan pada magnet yang berputar itu. Dihubungkan ke suatu beban, polaritas tegangan yang berkebalikan ini menghasilkan arus yang arahnya dapat berkebalikan/berubah-ubah  juga (arah arusnya maju dan mundur). Semakin cepat angker alternator itu berputar, semakin cepat medan magnet itu berputar, sehingga  menghasilkan tegangan dan arus bolak-balik yang arahnya berganti-ganti lebih cepat pula.

Generator DC umumnya bekerja dalam prinsip yang sama yaitu memanfaatkan prinsip induksi elektromagnet, tetapi konstruksinya tidak sesederhana seperti pada generator AC. Pada generator DC, kumparan kawatnya dikaitkan pada jangkar yang di sistem AC adalah magnet, sambungan elektris dibuat pada kumparan ini melalui sikat karbon stasioner yang menyentuh potongan tembaga pada jangkar yang berputar. Semua konstruksi ini dibutuhkan untuk membuat output tegangannya memiliki polaritas yang tetap.

Generator pada gambar di atas akan menghasilkan dua pulsa tegangan tiap jangkar satu kali berputar, kedua pulsa tegangan itu memiliki arah yang sama (polaritasnya sama). Agar generator DC menghasilkan tegangan yang konstan, pulsa tegangan hanya dihasilkan sekali tiap setengah kali putaran,  ada beberapa set kumparan yang menyentuh sikat ini beberapa saat (pada periode tertentu saling bersentuhan, kemudian tidak bersentuhan, kemudian bersentuhan lagi,tidak bersentuhan lagi, dan begitu seterusnya). Diagram yang ditunjukkan pada gambar di atas hanyalah menunjukkan konstruksi  sederhananya saja. Dalam kehiupan yang nyata, tentu lebih rumit lagi.

Masalahya, saat kita membuat hubungan “putus-sambung” pada kumparan gerak untuk menghasilkan tegangan DC, kemungkinan dapat menghasilkan panas dan lompatan bunga api/kilatan listrik, khususnya apabila jangkar pada generator bergerak dalam kecepatan penuh. Apabila udara disekitar mesin penghasil listrik itu mengandung gas yang mudah terbakar atau mudah meledak, masalah praktis seperti ini kemungkinan besar terjadi pada kontak sikat dari generator DC (sikat dan komutator adalah penyearah listrik secara mekanik). Sedangkan pada generator AC, masalah seperi ini kecil kemungkinan terjadi karena generator AC tidak menggunakan sikat dan komutator.

Keuntungan AC dari pada DC tidak hanya pada generator listrik, tetapi juga pada motor listrik. Motor DC membutuhkan sikat yang dihubungkan dengan kumparan kawat yang bergerak, tetapi motor AC tidak. Pada kenyataannya, motor AC ataupun DC didisain dalam bentuk yang hampir sama seperti  bentuk generatornya. Motor AC menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah yaitu dengan cara mengalirkan arus bolak-balik pada kumparan stasionernya sehingga menghasilkan medan putar di sekitar jangkarnya. Motor DC  menggunakan kontak sikat untuk menyambung dan memutus sambungan sehingga dapat membalikkan arus yang mengaliri kumparan putar setiap ½ kali putaran (180 derajat).

Jadi,kita tahu bahwa motor dan genarator AC lebih sederhana dari pada motor dan generator DC. Kesederhanaan pada konstruksi AC membuat kemampuannya lebih baik dan harganya lebih murah untuk dibuat. Lalu, apakah Cuma itu saja kelebihan AC dari pada DC? Tentu saja tidak. Ada suatu efek pada elektromagnet yang dikenal dengan nama induksi bersama (mutual induction), dimana dua atau lebih kumparan kawat yang diletakkan saling berdekatan apabila medan magnet diantaranya nilainya berubah-ubah, maka tegangan akan diinduksikan (“disalurkan”) dari kumparan bertegangan menuju kumparan lainnya.  Jadi, apabila kita mengalirkan listrik AC (nilai arus dan tegangannya berubah-ubah) pada salah satu kumparan ini, maka akan menghasilkan suatu medan magnet yang nilainya berubah-ubah. Medan magnet yang berubah-ubah ini, membuat kumparan yang dialiri listrik AC ini akan mampu menginduksikan (menyalurkan) listrik menuju kumparan lainnya (yang letaknya berdekatan). Alat seperti ini disebut dengan transformer/trafo. Tentu saja, trafo hanya bekerja dalam “mode” AC. Trafo tidak mungkin bisa bekerja pada “mode” DC.

Kemapuan utama dari trafo ini adalah kemampuannya dalam menaikkan dan menurunkan tegangan dari kumparan yang tidak “bernergi” menuju kumparan yang “tidak bernergi”. Tegangan AC diinduksikan menuju kumparan yang “tidak berenergi” atau disebut kumparan sekunder yang besar tegangannya sama dengan hasil kali antara tegangan pada kumparan primer dikalikan rasio jumlah lilitan kumparan sekunder dengan primer. Apabila kumparan yang sekunder digunakan untuk menyuplai daya ke sebuah beban, akan muncul arus bolak-balik yang mengaliri kumparan, besarnya adalah : nilai arus pada kumparan primer dikalikan dengan rasio jumlah lilitan kumparan primer terhadap kumparan sekunder. Hubungan ini bisa dianalogikan/mirip dengan sistem gear mekanik, torsi menunjukkan tegangan, dan kecepatan menunjukkan arus. Seperti ditunjukkan pada gambar ini:


Apabila jumlah lilitan pada kumparan primer lebih sedikit dari pada jumlah lilitan pada kumparan sekunder, maka trafo tersebut dapat menaikkan tegangan dari suatu sumber menjadi bertegangan lebih tinggi pada kumparan sekunder yang terhubung dengan beban:

Kemampuan trafo untuk menaikkan dan menurunkan tegangan AC menjadi keuntungan tersendiri dari pada sistem DC dalam bidang sistem pendistribusian daya. Ketika daya  listrik dikirim/ditransmisikan dalam jarak yang jauh, proses pengiriman ini jauh lebih efisien apabila tegangannya dinaikkan dan arusnya diturunkan (kawat dengan diameter kecil memiliki rugi-rugi daya resistif yang lebih sedikit), lalu tegangan ini diturunkan kembali saat akan digunakan pada tempat-tempat industri, bisnis, atau para konsumen.

Teknologi transformer berhasil membuat range daya listrik yang besar untuk digunakan pada sistem distribusi. Tanpa kemampuan untuk meng-efisien-kan (dengan cara menaik dan menurunkan tegangan) ini, mungkin akan menghabiskan banyak biaya untuk mengkonstruksi sistem distribusi daya listrik.

Trafo sangatlah berguna, tetapi mereka hanya bekerja dalam AC, bukan DC. Karena fenomena induksi bersama (mutual induction) yang terjadi akibat perubahan nilai medan megnet, apabila kita menggunakan DC (nilai arus dan tegangannya konstan), maka nilai medan magnet yang dihasilkan, nilainya tetap/konstan/tidak berubah-ubah.

Baca juga :

Bentuk Gelombang Arus bolak-balik (AC)

Menghitung Magnitudo Arus bolak-balik (AC)

Perhitungan pada rangkaian AC sederhana (resistif)

Beda Fase AC

Teori arus bolak-balik (AC) pada gelombang radio

About these ads

One thought on “Teori Dasar Arus Bolak-balik (AC)

Berikan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s