Arus bolak-balik

Arus bolak-balik (bahasa Inggris: alternating current atau AC) adalah arus listrik di mana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan arus searah di mana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah (sinosoidal) dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling efisien. Namun dalam aplikasi-aplikasi spesifik yang lain, bentuk gelombang lain pun dapat digunakan, misalnya bentuk gelombang segitiga (triangular wave) atau bentuk gelombang segi empat (square wave).^[1]

Secara umum, penyaluran listrik arus bolak-balik dari sumbernya (misalnya PLN) menuju ke kantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Namun ada pula contoh lain seperti sinyal-sinyal radio atau audio yang disalurkan melalui kabel, yang juga merupakan listrik arus bolak-balik. Di dalam aplikasi-aplikasi ini, tujuan utama yang paling penting adalah pengambilan informasi yang termodulasi atau terkode di dalam sinyal arus bolak-balik tersebut.^[1]

Berkas:3000 Watt 24 volt Inverter with built in charger and transfer switch.jpg

3000 Watt 24 volt Inverter with built in charger and transfer switch.

Asal mula

Pada tahun 1835, Hippolyte Pixii membuat alternator pertama (pembangkit arus bolak balik). Pixii membuat alat tersebut dengan putaran magnet. Namun di era pada saat itu yang berfokus pada pembuatan arus listrik satu arah (DC). Sehingga membuat alat yang dibuat oleh Pixii tersebut menjadi begitu tidak begitu menarik, hingga pada tahun 1882. Pengelolaan arus bolak balik dimulai pada tahun 1882 mengalami perkembangan yang pesat, hal ini ditandai dengan adanya penemuan-penemuan yang bersangkutan dengan listrik dari penemu-penemu ternama seperti Thomas Alva Edison dan Nikola Tesla. Teknologi pembangkit arus listrik bolak balik (AC) mula-mula dibuat pertama kali oleh Sabastian Ferranti dengan Lord Kelvin.Ini termasuk dengan pembuatan transformer mula-mula. ^[2]

Sistem arus listrik bolak balik dibuat di Great Barrington, Massachusetts oleh William Stanley yang didukung oleh Westinghouse. Pada saat itu Nikola Tesla juga memulai penjualan sistem listrik bolak baliknya di New York, tetapi gagal karena new york telah mengadopsi sistem listrik arus searah. Pada tahun 1887 C.S. Bradley membuat generator bolak balik 3 fase yang merupakan alat yang membuat arus listrik bolak balik lebih efisien dan bisa dipakai hingga pada saat ini. Pada tahun 1900 generator bolak balik 3 fase menjadi prinsip dasar sumber tenaga listrik di dunia.^[3]

Thomas Edison Pertama kali melakukan penyaluran tenaga listrik komersil di akhir abad ke 19 menggunakan listrik arus searah. Perkembangan teknologi yang pesat, kemudahan listrik arus bolak-balik dalam transmisi (penyaluran) dan pendistribusian (pembagian) menjadikan arus bolak-balik menjadi pembeda dari arus searah dan juga merupakan konsekouensi dari berkembangnya teknologi yang semakin canggih. ^[3]

Formula

A sine wave, over one cycle (360°). The dashed line represents the Root mean square (RMS) value at about 0.707

Adanya arus bolak balik berarti tegangan listrik tersebut juga bolak balik. Tegangan listrik bolak balik bisa direpresentasikan dengan formula ini:

v(t)=V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin(\omega t)

,

Dimana

$\displaystyle V_{\rm {peak}}$ adalah puncak tegangan listrik (unit: volt),
$\displaystyle \omega$ adalah frekuensi sudut (unit: radians per detik)
Frekuensi sudut bisa disambungkan dengan frekuensi biasa, $\displaystyle f$ (unit = hertz), yang direpresentasikan dengan putrana per detik, dengan menggunakan formula $\displaystyle \omega =2\pi f$ .

$\displaystyle t$ adalah waktu (unit: detik).

Jumlah puncak-ke-puncak tekanan bolak balik direpresentasikan dengan perbedaan antara puncak positif ke puncak negatif. tekanan puncak-ke-puncak bisa ditulis dengan hubungan $V_{\rm {pp}}$ or $V_{\rm {P-P}}$ , yang bernilai $V_{\rm {peak}}-(-V_{\rm {peak}})=2V_{\rm {peak}}$ .

Power

Hubungan antara daya listrik dan tegangan listrik bolak balik bisa direpresentasikan dengan:

P={\frac {v^{2}}{R}}

di mana

R

adalah hambatan muatan.

Dibandingkan dengan menggunakan hubungan, $P$ , Lebih efektif jika menggunakan hasil tengah-tengah (bila mana hasil tengah-tengah bisa didapatkan di manapun). Jadi, daya bolak balik bisa direpresentasikan oleh hasil root mean square (RMS), ditulis dengan $V_{\rm {rms}}$ , menjadi

P_{\rm {time~averaged}}={\frac {{V^{2}}_{\rm {rms}}}{R}}.

Power oscillation: $v(t)=V_{\mathrm {peak} }\sin(\omega t)$; $i(t)={\frac {v(t)}{R}}={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{R}}\sin(\omega t)$; $P(t)=v(t)\ i(t)={\frac {(V_{\mathrm {peak} })^{2}}{R}}\sin ^{2}(\omega t)$

Menggunakan Identitas trigonometri, tenaga osilasi menjadi dua kali lipat frekuensi oleh tekanan listrik.

\sin ^{2}x={\frac {1-\cos 2x}{2}}

Root mean square

Untuk tekanan sinusoidal:

{\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }&={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}[{V_{pk}\sin(\omega t+\phi )]^{2}dt}}}\\&=V_{pk}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}[{1-\cos(2\omega t+2\phi )]dt}}}\\&=V_{pk}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}{dt}}}\\&={\frac {V_{pk}}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}

Faktor

{\sqrt {2}}

adalah faktor crest, yang berbeda di fungsi yang berbeda.

Untuk triangle waveform:

V_{\mathrm {rms} }={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\sqrt {3}}}.

Untuk square waveform:

\displaystyle V_{\mathrm {rms} }=V_{\mathrm {peak} }.

Untuk waveform dasar $v(t)$ dengan period $T$ :

V_{\mathrm {rms} }={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{[v(t)]^{2}dt}}}.

Frekuensi

Frekuensi sistem listrik berbeda-beda di negara yang berbeda, tetapi biasanya berkisar di antara 50-60 hertz. Beberapa negara seperti Jepang mempunyai dua frekuensi listrik yang berbeda yaitu 50 Hz dan 60 Hz, tergantung dengan pembangkit listrik yang dipakai.

Frekuensi yang berkisar antara 50–60 Hz dipilih dengan alasan yang cukup masuk akal. Arus listrik dengan frekuensi rendah membuat pemakai listrik dengan motor elektrik lebih mudah. Terlebih dengan aplikasi yang berhubungan dengan traksi dari komutator, seperti di kasus rel kereta. Namun dengan memakai frekuensi yang rendah, akan terlihat kedipan di lampu yang sangat mengesalkan apalagi di lampu incandescent.

Transformator

Transformator atau trafo adalah alat yang memindahkan tenaga listrik arus bolak balik antar dua lilitan kawat atau lebih melalui induksi elektromagnetik. Prinsip transformator membuat arus bolak balik jauh lebih unggul daripada arus satu arah dalam hal transmisi listrik.

Prinsip kerja

Transformator bekerja berdasarkan prinsip Induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolak-balik (AC) pada lilitan primer menimbulkan fluks magnet yang tidak tersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan (terjadi lompatan listrik) gaya gerak listrik (ggl) dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi baik hampir semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder. Pada kenyataan tidak akan terjadi efisiensi yang sempurna karena energi listrik pada saat fluktuasi berubah menjadi energi panas, yang paling efisien adalah transformator toroidal atau trafo donat.

Hubungan primer-sekunder

Rumus untuk fluks magnet yang ditimbulkan lilitan primer adalah $\delta \phi =\epsilon \times \delta \,t$ dan rumus untuk ggl. induksi yang terjadi di lilitan sekunder adalah $\epsilon =N{\frac {\delta \phi }{\delta \,t}}$ .

Karena kedua kumparan dihubungkan dengan fluks yang sama, maka ${\frac {\delta \phi }{\delta \,t}}={\frac {V_{p}}{N_{p}}}={\frac {V_{s}}{N_{s}}}$

Dengan menyusun ulang persamaan akan didapat ${\frac {V_{p}}{V_{s}}}={\frac {N_{p}}{N_{s}}}$ . Dari rumus-rumus di atas, didapat pula: $V_{p}\,I_{p}=V_{s}\,I_{s}$

Dengan kata lain, hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder.

Kerugian dalam transformator

Perhitungan di atas hanya berlaku apabila kopling primer-sekunder sempurna dan tidak ada kerugian, tetapi dalam praktik terjadi beberapa kerugian yaitu

Kerugian tembaga. Kerugian $I^{2}\,R$ dalam lilitan tembaga yang disebabkan oleh resistansi tembaga dan arus listrik yang mengalirinya.
Kerugian kopling. Kerugian yang terjadi karena kopling primer-sekunder tidak sempurna, sehingga tidak semua fluks magnet yang diinduksikan primer memotong lilitan sekunder. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan secara berlapis-lapis antara primer dan sekunder.
Kerugian kapasitas liar. Kerugian yang disebabkan oleh kapasitas liar yang terdapat pada lilitan-lilitan transformator. Kerugian ini sangat memengaruhi efisiensi transformator untuk frekuensi tinggi. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan primer dan sekunder secara semi-acak (bank winding)
Kerugian histeresis. Kerugian yang terjadi ketika arus primer AC berbalik arah. Disebabkan karena inti transformator tidak dapat mengubah arah fluks magnetnya dengan seketika. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggunakan material inti reluktansi rendah.
Kerugian efek kulit. Sebagaimana konduktor lain yang dialiri arus bolak-balik, arus cenderung untuk mengalir pada permukaan konduktor. Hal ini memperbesar kerugian kapasitas dan juga menambah resistansi relatif lilitan. Kerugian ini dapat dikurang dengan menggunakan kawat Litz, yaitu kawat yang terdiri dari beberapa kawat kecil yang saling terisolasi. Untuk frekuensi radio digunakan kawat geronggong atau lembaran tipis tembaga sebagai ganti kawat biasa.
Kerugian arus Eddy. Kerugian yang disebabkan oleh ggl masukan yang menimbulkan arus dalam inti magnet yang melawan perubahan fluks magnet yang membangkitkan ggl. Karena adanya fluks magnet yang berubah-ubah, terjadi tolakan fluks magnet pada material inti. Kerugian ini berkurang kalau digunakan inti berlapis-lapis.

Motor AC

Motor arus bolak balik menggunakan arus listrik yang memiliki prinsip kerja yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Bagian dasar dari motor listrik ini yaitu: "stator" dan" rotor". Komponen listrik berputar untuk memutar asmotor disebut rotor, dan komponen yang merupakan tempat dimana rotor berputar disebut stator. Kecapatan yang sulit dikendalikan menjadi salah satu kelemahan dan merupakan pembeda dari motor DC. Untuk mengatasi kelemahan dan kerugian motor AC yang sulit dikendalikan pada saat berputar, maka motor AC dilengkapi sebuah penggerak yang bernama frekuensi variabel yang berfungsi untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Salah satu keunggulan dari motor AC adalah Motor yang paling popular di industri karena kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah (harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).^[4]

Motor induksi

Sistem kelistrikan modern dimulai ketika motor induksi menggunakan arus bolak-balik. Penggunaan arus bolak-balik pada motor induksi dilakukan pertama kali oleh Nikola Tesla.^[5] Arus bolak-balik menjadi penggerak dari rotor pada motor arus bolak-balik. Rotor terletak di bagian dalam motor dan merupakan bagian yang dapat berputar. Perpuataran rotor terjadi karena adanya torsi yang bekerja pada porosnya. Torsi dihasilkan oleh medan magnet yang berputar akibat arus bolak-balik.^[6]

Motor listrik arus bolak balik telah digunakan pada peralatan listrik rumah tangga seperti mesin cuci, kipas angin, dan penyejuk udara. Di dalam proses kontrol gerak pada industri, motor induksi merupakan motor listrik yang paling umum digunakan. Motor induksi arus bolak-balik memiliki desain yang sederhana dengan tingkat pemeliharaan yang rendah. Sumber tegangan listrik untuk melakukan kerja pada motor listrik dapat diperoleh secara langsung melalui sumber listrik arus bolak-balik yang tersedia di dalam instalasi listrik bangunan.^[7]

Motor sinkron

Motor sinkron merupakan salah satu bagian dari motor AC dimana prinsip kerjanya jika kumparan stator atau armatur mendapatkan tegangan sumber bolak-balik (AC) 3 phasa, maka pada kumparan stator timbul fluks magnet putar. Kumparan stator menimbulkan gaya gerak listrik (GGL) jika fluks magnet putar ini setiap saat akan memotong kumparan. Fluks putar yang dihasilkan oleh arus bolak-balik tidak seluruhnya tercakup oleh kumparan stator. Dengan perkataan lain, pada kumparan stator timbul fluks bocor dan dinyatakan dengan hambatan armatur (Ram) dan reaktansi armatur (Xam). Kumparan rotor terletak antara kutub-kutub magnit KU dan KS yang juga mempunyai fluks magnet. Kedua fluks magnet tersebut akan saling berinteraksi dan mengakibatkan rotor berputar dengan kecepatan putar rotor sinkron dengan kecepatan putar stator.^[6]

Satuan pengukuran

Satuan pengukuran arus listrik yang digunakan secara internasional adalah Ampere. Standar satuan ini pertama kali ditetapkan pada tahun 1893 bersama dengan satuan Ohm dan satuan Volt. Hasil akhir dari pertemuan internasional tersebut adalah penetapan nilai dari satuan Amper internasional. Amper internasional dijelaskan sebagai jumlah arus listrik secara konstan yang mampu melalui Iarutan perak nitrat dalam air yang sesuai dengan spesifikasi standar. Pengendapan perak dilakukan dalam kecepatan 0,001118 gram per detik. Pada tanggal 1 Januari 1948 ditetapkan sebuah standar baru yang menjadi standar absolut hingga saat ini. Dalam standar absolut ditetapkan bahwa satu Amper internasional sama dengan nilai dari 0,99835 amper absolut.^[8]

Sumber

Generator arus bolak-balik

Arus bolak-balik dapat dihasilkan menggunakan generator listrik dengan frekuensi rendah. Frekuensi pembangkitan listrik arus bolak-balik tidak lebih dari 1 kHz. Prinsip pembangkitan arus bolak-balik dilakukan dengan memanfaatkan prinsip elektromagnetisme. Dua kutub medan magnet ditempatkan pada sebuah kumparan dengan liltan konduktor . Medan magnet dan kuat arus listrik bolak-balik yang dihasilkan didasarkan pada luas permukaan kumparan.^[9]

Bentuk

Gelombang sinus

Gelombang sinus merupakan bentuk arus bolak-balik yang paling sederhana. Arus berbentuk gelombang sinus dihasilkan oleh beragam jenis pembangkit listrik yang menggunakan turbin sebagai penggerak rotor generatornya. Jenis pembangkit ini diantaranya ialah pembangkit listrik tenaga air, pembangkit listrik tenaga uap batu bara, pembangkit listrik tenaga angin, dan pembangkit listrik tenaga nuklir.^[10]

Bahaya

Arus bolak-balik dengan nilai hingga 10 Ampere tidak dapat membahayakan manusia selama tidak menyentuh dan mengalir ke tubuh. Sebaliknya, arus bolak-balik dengan rentang antara 10 hingga 100 rniliAmpere dan memiliki frekuensi rendah dapat menyebabkan kematian jika bersentuhan langsung dengan tubuh manusia. Ambang batas frekuenasi yang tidak membahayakan tubuh manusia ialah 10⁵ Hz. Panas yang dihasilkan oleh arus listrik bolak-balik juga dapat menembus sedalam beberapa milimeter ke permukaan kulit dan merusaknya. Arus bolak-balik dengan frekuensi tinggi dapat menghasilkan panas yang dapat merusak organ tubuh yang paling dalam.^[11]

Referensi

^ ^a ^b Ponto 2018, hlm. 51.
^ Ponto 2018, hlm. 51-52.
^ ^a ^b Ponto 2018, hlm. 52.
^ Bagia dan Parsa 2018, hlm. 5.
^ Elshabrina (2016). Buku Pintar Tokoh Penemu Paling Hebat di Dunia. Yoyakarta: Cemerlang Publishing. hlm. 88.
^ ^a ^b Bagia dan Parsa 2018, hlm. 29.
^ Bagia dan Parsa 2018, hlm. 28.
^ Poerwanto, Hidayati, J., dan Anizar (2012). Instrumen dan Alat Ukur. Yogyakarta: Graha Ilmu. hlm. 7. ISBN 978-979-756-360-8.
^ Gertshen, Kneser dan Vogel 1996, hlm. 176.
^ Abdullah 2017, hlm. 483-484.
^ Gertshen, Kneser dan Vogel 1996, hlm. 193.

Daftar pustaka

Abdullah, Mikrajuddin (2017). Fisika Dasar II (PDF). Bandung: Institut Teknologi Bandung.
Bagia, I. N., dan Parsa, I. M. (2018). Motor-motor Listrik (PDF). Bandung: CV. Rasi Terbit. Gertshen, C., Kneser, H.O., dan Vogel, H. (1996). Fisika: Listrik Magnet dan Optik (PDF). Jakarta: Pusat Pembinaan dan Pengembangan Bahasa. ISBN 979-459-693-0.
Ponto, Hantje (2018). Dasar Teknik Listrik (PDF). Sleman: Deepublish. ISBN 978-623-7022-93-0.

Bacaan lebih lanjut

Willam A. Meyers, History and Reflections on the Way Things Were: Mill Creek Power Plant – Making History with AC, IEEE Power Engineering Review, February 1997, pp. 22–24

[FOOTNOTEPonto201851-1] Ponto 2018, hlm. 51.

[FOOTNOTEPonto201851-52-2] Ponto 2018, hlm. 51-52.

[FOOTNOTEPonto201852-3] Ponto 2018, hlm. 52.

[FOOTNOTEBagia_dan_Parsa20185-4] Bagia dan Parsa 2018, hlm. 5.

[5] Elshabrina (2016). Buku Pintar Tokoh Penemu Paling Hebat di Dunia. Yoyakarta: Cemerlang Publishing. hlm. 88.

[FOOTNOTEBagia_dan_Parsa201829-6] Bagia dan Parsa 2018, hlm. 29.

[FOOTNOTEBagia_dan_Parsa201828-7] Bagia dan Parsa 2018, hlm. 28.

[8] Poerwanto, Hidayati, J., dan Anizar (2012). Instrumen dan Alat Ukur. Yogyakarta: Graha Ilmu. hlm. 7. ISBN 978-979-756-360-8.

[FOOTNOTEGertshen,_Kneser_dan_Vogel1996176-9] Gertshen, Kneser dan Vogel 1996, hlm. 176.

[FOOTNOTEAbdullah2017483-484-10] Abdullah 2017, hlm. 483-484.

[FOOTNOTEGertshen,_Kneser_dan_Vogel1996193-11] Gertshen, Kneser dan Vogel 1996, hlm. 193.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]