Daya pada Listrik AC

Daya pada Arus Listrik Bolak – Balik.

Kita mengenal persamaan untuk daya pada listrik arus searah adalah

Persamaan tersebut tetap berlaku pada arus listrik bolak balik apabila tegangan dan arus listrik sefasa.

Gambar 1. Gelombang sefasa. Pertemuan gelombang arus dan tegangan di titik yang sama. Selalu terjadi pada beban resitif.

Gambar 2. Diagram fasor Beban resitif. Tidak terjadi pergeseran fasa.

Ini akan terjadi hanya jika beban yang dipasangkan hanya berupa beban resitif. Namun bagaimana jika beban merupakan beban resistif dan reaktif? Tentu saja penggabungan resistansi dengan reaktansi induktif maupun kapasitif akan mengakibatkan pergeseran fasa antara arus dan tegangan.

Gambar 3. Gelombang Arus dengan tegangan pada beban dengan reaktansi  induktif.

Gambar 4. Diagram fasor pada reaktansi induktif. Terlihat tegangan mendahului arusnya sejauh 90°.

Gambar 5. Gelombang Tegangan dan arus listrik pada Beban kapasitif.

Gambar 6. Diagram Fasor reaktansi kapasitif. Arus selalu mendahului tegangan.

Karena pergeseran fasa ini, hasil perkalian antara V . I tidak akan menghasilkan daya nyata (P dalam satuan watt). Karakteristik ini menyebabkan kita mengenal istilah segitiga daya dan faktor daya.

========================================================================

Segitiga Daya

Ada tiga macam daya, yakni :

• Daya aktif / Daya Nyata (P) watt, merupakan daya yang diserap oleh beban resistif.

• Daya reaktif (Q) VAr ,Volt Amper reaktif, adalah daya yang diserap oleh beban reaktif.

• Daya Semu / Daya Nampak (S) VA, merupakan daya yang diserap oleh beban resitif dan reaktif (R, X_{L ,} X_C)

Ini didapat dari :

Pada gambar, terlihat I mengalami pergeseran fasa terhadap V sebesar θ. V merupakan tegangan sumber sedangkan I di sini merupakan arus yang terukur.

Arus resitif (yang mengalir pada beban beban resitif) selalu memiliki sifat sefasa dengan tegangannya (tidak membentuk sudut). Sehingga P = V . I cos θ

Arus reaktif (yang mengalir pada beban beban reaktif, misalnya kapasitor atau induktor) selalu tidak sefasa dengan tegangannya, melainkan selalu membentuk sudut 90° dengan tegangannya, tertinggal (lagging) jika beban induktif dan mendahului (leading) jika beban kapasitif. Demikian dimuatlah pada segitiga daya, harga daya reaktif adalah Q = V . I sin θ

Daya semu merupakan tegangan yang dikalikan dengan pengukuran arus listrik secara langsung, yang menyatakan penyerapan arus listrik secara keseluruhan.

Semakin kecil sudutnya akan membuat harga cos θ semakin besar (trigonometri, cos 0° = 1) dan membuat semakin besarnya harga P karena persamaan di atas. Jadi cos θ sering disebut faktor daya.

Rectifier atau Rangkaian Penyearah Gelombang

Dalam ilmu elektronika kita mengenal yang namanya rectifier. Rectifier adalah istilah untuk rangkaian penyearah gelombang. Apa itu rangkaian penyearah gelombang? Rangkaian ini berfungsi untuk mengubah gelombang tegangan AC menjadi tegangan DC. Tegangan AC atau listrik bolak balik (alternating current) memiliki bentuk gelombang sinusoidal, yakni satu periode gelombangnya terdiri dari satu bukit dan satu lembah. Pada gambar berikut, satu periode gelombang adalah pada 0 - 2π.

Bukit dan lembah ini merepresentasikan gelombang listrik AC yang selalu berubah – ubah seiring dengan pergantian interval waktu. Selain besarnya yang berubah – ubah, arahnya juga berubah, yakni yang semula bukit kemudian diikuti lembah dan bukit lagi, begitu seterusnya. Pada rangkaian, sumber tegangan AC akan memiliki arah pulsa positif dan negatif yang berubah ubah. Berikut disajikan ilustrasi gelombang dan rangkaiannya.

Gelombang listrik DC (direct current) memiliki bentuk yang rata (tidak bergelombang). Inilah yang membedakan listrik AC dan DC. Bentuknya yang rata ini menunjukkan besar tegangan listrik maupun arus listrik yang dihasilkan sumber DC selalu sama besar dan memiliki arah yang tetap. Ketetapannya inilah yang memberikan listrik DC sebuah ketetapan arah pulsa listrik, berupa polaritas.

Bagaimana cara mengubah listrik AC menjadi DC? Kita akan mempelajari rangkaian rectifier berikut. Ada banyak jenisnya. Kita mengenal beberapa diantaranya, yaitu penyearah setengah gelombang, penyearah gelombang penuh dengan sistim Bridge dan Center Tap.

1. Penyearah Setengah Gelombang

Penyearah setengah gelombang secara sederhana menggunakan satu buah dioda. Dioda dirangkai secara seri dengan resistor. Rangkaiannya dapat dilihat seperti berikut.

Dengan menggunakan metode setengah gelombang ini, akan didapat keadaan gelombang output berupa setengah dari gelombang input. Satu gelombang penuh terdiri dari satu buah bukit dan satu lembah. Gelombang input yang diteruskan hanyalah bukitnya saja (pada interval 0 – π), sementara gelombang lembah pada interval selanjutnya (π - 2π) tidak diteruskan atau bernilai off.

Prinsip kerjanya tidak jauh jauh dari cara kerja dioda. Dioda menganut prinsip forward bias dan reverse bias yang bergantung dari bagian elektroda mana yang mendapat pulsa positif sumber tegangan. Dioda memiliki dua elektroda, yakni anoda dan katoda.

Ketika elektroda anoda, yang kemudian kita sebut sebagai anoda saja, mendapat pulsa positif dari sumber tegangan, maka dioda akan berada pada kondisi forward bias. Forward bias berarti dioda mengalirkan arus listrik sehingga terbaca sebuah gelombang listrik.

Namun, ketika katoda yang mendapat pulsa positif maka tidak akan terjadi arus listrik yang mengalir ke rangkaian. Katoda bersifat menyekat listrik. Ini disebut dengan kondisi reverse bias yang menyebabkan dioda seperti kawat terputus. Tidak ada listrik yang mengalir. Maka tidak akan terbentuk gelombang pada osiloskop.

Ketika pada interval 0 – π, anoda mendapat pulsa positif dari sumber tegangan sehingga arus mengalir dan terbentuklah satu gelombang bukit. Pada interval selanjutnya, yakni π - 2π terjadi perubahan arah pulsa listrik AC yang menyebabkan katoda yang mendapatkan pulsa positif sehingga arus tidak mengalir ke rangkaian dan tidak membentuk gelombang (off).

Keadaan ini yang secara berulang – ulang menghasilkan listrik berbentuk bukit dengan gap-nya.

2.  Penyearah Gelombang Penuh

Gelombang penuh berarti gelombang pada satu periode penuh yang terdiri atas satu bukit dan satu lembah. Penyearah gelombang penuh menghasilkan output berupa gelombang-gelombang bukit. Gambarnya seperti berikut:

Gelombang output ini tentunya sudah tidak membentuk lembah lagi, hanya saja untuk menjadi gelombang DC, kita harus menambahkan filter pada rangkaian untuk meratakan ripple tegangan. Untuk ripple dan filter ini akan dijelaskan pada bagian selanjutnya. Untuk saat ini, marilah kita membahas dua sistim penyearah gelombang penuh, yakni menggunakan metode bridge dan center tap.

a. Penyearah Sistem Bridge

Metode bridge menggunakan empat buah dioda dan sumber listriknya hanya menggunakan trafo biasa. Susunan dioda ini bertujuan agar resistor atau beban kelistrikan mendapat arah pulsa listrik yang sama untuk setiap perubahan arah pulsa pada sumber AC.

Bisa diilustrasikan semisal pada interval 0 – π , pulsa positif bergerak ke atas. Maka dioda yang bekerja pada forward bias adalah D1. Untuk memberikan nol ke sumber tegangan bisa melalui D3.

Saat interval pada π - 2π , maka pulsa positif akan dilayani oleh D2 dan D4. Ini menyebabkan resistor atau rangkaian selalu mendapat pulsa positif di tempat yang sama. Oleh karenanya, rangkaian selalu mendapat tegangan (tidak terjadi off). Bentuk gelombang yang dihasilkan seperti penjelasan penyearah gelombang penuh di atas.

b. Penyearah dengan Sistim Center Tap

Sistim ini menggunakan trafo center tap. Kita hanya menggunakan 2 buah dioda. Trafo center tap terdiri atas dua lilitan yang terdapat terminal CT pada tengah – tengahnya. Sama saja, sistem ini juga akan menghasilkan gelombang seperti sistem bridge.

Ketika pada saat pulsa positif bergerak ke atas, maka D1 akan melayani-nya dan menuju terminal A pada resistor.

Ketika pulsa listrik bergerak ke bawah, maka D2 yang akan melayani-nya dan tetap mengarah menuju terminal A pada resistor.

Terminal A selalu mendapat pulsa positif sehingga terbentuk gelombang bukit tanpa gap. Terminal B dihubungkan ke CT sebagai nol.

Sekian penjelasan mengenai sistem penyearah gelombang. Semoga bermanfaat!