Stopkontak di rumahmu tidak mengalirkan arus searah seperti baterai: tegangannya bergetar naik-turun 50 kali tiap detik. Dari situ muncul fenomena menarik: kumparan dan kapasitor "menghambat" arus dengan cara yang bergantung pada frekuensi, arus bisa tertinggal atau mendahului tegangan, dan radio bisa memilih satu stasiun saja lewat resonansi. Modul ini membedahnya, lalu menguji pemahamanmu lewat kuis berpembahasan.
Setelah mempelajari modul ini, kamu diharapkan mampu:
Sumber AC (misalnya generator PLN) menghasilkan tegangan yang berubah sinusoidal terhadap waktu dan arusnya bolak-balik arah.
Pada resistor murni, arus dan tegangan sefase (puncak dan nol terjadi bersamaan). Hukum Ohm berlaku untuk nilai maksimum maupun efektif.
Induktor (kumparan) menimbulkan GGL induksi diri yang menentang perubahan arus. Pada AC arus selalu berubah sehingga induktor terus "menghambat", dan makin cepat perubahan (frekuensi tinggi), makin besar hambatannya.
Kapasitor tidak dilewati arus melewati dielektriknya, tetapi muatan terus diisi dan dikosongkan bergantian mengikuti tegangan AC sehingga di rangkaian luar tetap mengalir arus bolak-balik. Pada frekuensi tinggi pengisian sangat cepat sehingga arus mudah mengalir; pada DC kapasitor memutus arus.
| Resistor | Induktor | Kapasitor | |
|---|---|---|---|
| Hambatan/reaktansi | R (tetap) | XL = 2πfL (naik dengan f) | XC = 1/(2πfC) (turun dengan f) |
| Beda fase arus terhadap tegangan | 0° (sefase) | tertinggal 90° | mendahului 90° |
| Daya rata-rata | VefIef | nol (energi bolak-balik disimpan) | nol (energi bolak-balik disimpan) |
Pada rangkaian seri, arus yang sama mengalir melalui R, L, dan C, sedangkan tegangan di tiap komponen berbeda fase. Tegangan dijumlahkan sebagai vektor (fasor), bukan sebagai bilangan biasa.
Karena XL naik dan XC turun terhadap frekuensi, ada satu frekuensi tempat keduanya sama besar sehingga saling meniadakan.
Karena arus dan tegangan dapat berbeda fase, tidak semua daya "terpakai". Hanya komponen resistif yang mengubah energi menjadi kalor atau kerja; L dan C hanya menyimpan lalu mengembalikan energi.
Kapasitor mudah dilewati frekuensi tinggi dan menghambat frekuensi rendah. Pada rangkaian RC dengan keluaran diambil di kapasitor, sinyal frekuensi rendah lolos sedangkan frekuensi tinggi teredam: ini penyaring lolos rendah (low-pass filter).
Sumber AC 220 V efektif. Pilih komponen, ubah frekuensi dan nilainya. Kurva tegangan dan arus digambar dengan amplitudo dinormalkan agar beda fasenya terlihat. Tanda ● bergerak (animasi diperlambat).
Grafik reaktansi induktif XL (naik lurus) dan reaktansi kapasitif XC (turun melengkung) terhadap frekuensi. Titik potong keduanya adalah frekuensi resonansi f0.
Ubah R, L, C, frekuensi, dan tegangan sumber. Perhatikan bagaimana VL dan VC saling berlawanan arah (atas dan bawah) dan resultannya membentuk sudut fase φ terhadap arus.
Arus pada rangkaian seri R-L-C mencapai maksimum di f0. Kecilkan R untuk melihat puncak yang makin runcing (Q besar), seperti pada tuner radio.
Beban bersifat resistor R seri dengan reaktansi bersih X = XL − XC (positif = induktif, seperti motor). Lihat seberapa besar daya nyata dibandingkan daya semu, lalu hitung kapasitor paralel (pada 50 Hz) yang membuat faktor daya menjadi 1.
Sinyal masuk memiliki amplitudo 1 (satuan bebas). Geser frekuensi uji (skala logaritmik, 10 Hz sampai 100 kHz) dan lihat bagian sinyal yang lolos. Frekuensi potong fc ditandai garis putus-putus.
Antena menerima ribuan sinyal dari banyak stasiun sekaligus. Rangkaian tala (L dan C, biasanya C variabel) diatur agar f0 sama dengan frekuensi stasiun yang diinginkan; arus pada frekuensi itu jauh lebih besar daripada frekuensi lain. Memutar tombol tala berarti mengubah C (atau L) untuk menggeser f0. Contoh: FM 100 MHz dan AM 1000 kHz ditalakan dengan nilai LC yang berbeda.
Pada speaker tiga arah, crossover memakai kapasitor dan induktor: tweeter diberi penyaring lolos tinggi (kapasitor seri menghalangi bass), woofer diberi penyaring lolos rendah (induktor seri menghalangi nada tinggi). Prinsip yang sama dipakai di charger (membuang riak AC), equalizer, dan peredam derau.
Pemancar membangkitkan arus AC berfrekuensi tinggi pada kumparan yang diresonansikan dengan kapasitor agar arusnya besar dan efisien. Penerima ber-kumparan serupa ikut ditala ke frekuensi yang sama sehingga energi berpindah efektif lewat medan magnet.
| Topik | Rumus |
|---|---|
| Nilai efektif | Vef = Vm/√2; Ief = Im/√2 |
| Frekuensi | ω = 2πf = 2π/T |
| Reaktansi induktif | XL = ωL = 2πfL (arus tertinggal 90°) |
| Reaktansi kapasitif | XC = 1/(ωC) = 1/(2πfC) (arus mendahului 90°) |
| Impedansi seri RLC | Z = √[R² + (XL − XC)²]; I = V/Z |
| Sudut fase | tan φ = (XL − XC)/R; cos φ = R/Z |
| Resonansi | f0 = 1/(2π√(LC)); Z = R; Imaks = V/R |
| Faktor kualitas | Q = ω0L/R; B = f0/Q |
| Daya | P = VefIef cos φ = I²R; S = VI; Q = VI sin φ |
| Penyaring RC | fc = 1/(2πRC) |
Ada 12 soal. Pilih jawabanmu, lalu pembahasan langsung muncul.