Arus listrik yang ditemui dalam kehidupan sehari-hari dibedakan menjadi dua jenis yakni arus listrik searah dan arus bolak balik. Arus listrik bolak balik adalah jenis arus listrik yang dialirkan oleh PLN ke konsumen seperti rumah-rumah, perkantoran, pabrik dan sebagainya.
Pengertian Arus Bolak Balik
Arus bolak balik atau alternating current (AC) adalah jenis arus listrik yang nilai sesaatnya selalu berubah-ubah secara kontinu atau periodik dari nilai yang negatif ke nilai positif. Nilai negatif arus listrik bolak balik adalah nilai yang menunjukkan arah terbalik.
Konsep arus dan tegangan bolak balik berhubungan erat dengan materi Hukum Faraday yang mana perubahan fluks magnetik yang dikelilingi oleh kumparah akan menimbulkan ggl induksi di ujung-ujung kumparan tersebut.
Kawat penghantar kemudian dihubungkan ke setiap ujung kumparan hingga mengalir arus listrik di penghantar tersebut. Kinerja generator menggunakan prinsip hukum Faraday yang menghasilkan tenaga dan arus listrik sinus soidal, yakni besar nilai arus dan tegangan mengikuti fungsi sinus.
Fungsi sinus adalah fungsi yang paling sesuai digunakan untuk menggambarkan nilai pada arus listrik bolak balik. Oleh karena itu arus serta tegangan bolak balik bisa dilukiskan menggunakan gelombang sinusoidal atau juga sering dinyatakan dengan diagram fasor.
Besarnya arus serta tegangan bolak balik (AC) dituliskan menggunakan persamaan di bawah ini:
I = Imax sin (ωt + 90⁰)
V = Vmax sin ωt
Pada persamaan di atas, ωt + 90⁰ dan ωt adalah sudut fase yang juga bisa dituliskan menggunakan lambang ϴ. Sementara beda fase merupakan besar selisih sudut fase antara gelombang arus dan tegangan bolak balik.
Berdasarkan persamaan di atas, antara tegangan dan kuat arus listrik terdapat beda fase sebesar 90⁰. Arus listrik bolak balik mendahului tegangan dengan beda fase sebesar 90⁰.
Untuk menggambarkan tegangan dan kuat arus listrik bolak balik menggunakan diagram fasor seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Rangkaian Arus Bolak Balik
Rangkaian arus bolak balik terdiri dari rangkaian kapasitor, rangkaian inductor dan rangkaian resistor.
Rangkaian Resistor
Rangkaian resistor atau hambatan pada arus listrik bolak balik (AC) berguna sebagai pembatas arus listrik yang masuk di rangkaian.
Rangkaian resistor juga berguna untuk menurunkan potensial listrik pada rangkaian sehingga antara tegangan dan arus hambatan terhadap arus dan tegangan sumber tidak mengalami perubahan fase.
Oleh karena itu resistor atau hambatan yang dialiri oleh arus bolak balik atau alternating current (AC) menghasilkan nilai arus dan tegangan sefase.
Nilai hambatan pada rangkaian listrik tetap dan disebut sebagai reaktansi resistif. Sifat resistor yang tetap ini juga berlaku ketika resistor dialiri arus searah yakni direct current (DC).
Besarnya kuat arus yang melalui hambatan tertentu bisa dihitung menggunakan hukum Ohm sebagai berikut:
Rangkaian Induktor
Rangkaian induktor yang dihubungkan ke sumber tegangan bolak balik AC ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Besar tegangan pada ujung-ujung inductor sama dengan sumber listrik bolak balik. Sehingga rumus menghitung arus inductor adalah:
Keterangan:
Rangkaian Kapasitor
Pada suatu rangkaian arus bolak balik AC yang memiliki kapasitor, maka berlaku sifat arus dan tegangan terdapat beda fase, yang mana besar arus akan mendahului tegangan dengan besar beda sudut fasenya adalah
Untuk menunjukkan besar arus listrik yang melewati kapasitor pada rangkaian arus bolak balik bisa dinyatakan menggunakan laju perpindahan muatan listrik di komponen kapasitor berikut:
Nilai 1/ωC identik dengan hambatan yang dikenal sebagai reaktansi kapasitif yang dilambangkan dengan tanda Xc.
Rumus Arus Bolak Balik
Untuk menunjukkan besar kuat arus dan juga tegangan arus bolak-balik yang memenuhi fungsi sinus menggunakan rumus di bawah ini:
I = Imax sin ωt
V = Vmax sin ωt
Keterangan:
Vmax = tegangan maksimum
Imax = arus listrik maksimum
ωt = sudut fase biasa ditulis dengan lambang ϴ
- Rumus Nilai Efektif dan Nilai Maksimum Tegangan dan Arus Bolak Balik
Nilai yang ada pada persamaan di atas merupakan nilai maksimum. Namun pengukuran menggunakan alat ukur menghasilkan nilai tersendiri yang digunakan dalam kerja komponen listrik. Nilai yang diukur pada alat ukur ini disebut nilai efektif.
Hubungan antara nilai efektif dan nilai maksimum dituliskan dalam persamaan di bawah ini:
Keterangan:
Ief = kuat arus efektif (A)
Vef = tegangan efektif (V)
- Rumus Nilai Rata-Rata Arus Bolak Balik
Nilai rata-rata arus bolak balik adalah besar arus bolak balik yang nilainya setara terhadap arus searah untuk mengalirkan sejumlah muatan listrik yang sama pada suatu penghantar yang sama dan waktu yang sama.
Hubungan nilai tegangan dan arus bolak balik terhadap nilai tegangan dan arus maksimum dinyatakan menggunakan persamaan di bawah ini:
Keterangan:
Ix = Arus rata-rata
Imax = Arus maksimum
𝞹 = konstanta phi 3,14 atau 22/7
Contoh Soal Arus Bolak Balik
- Soal 1
Suatu rangkaian arus listrik bolak balik (AC), persamaan antara tegangan dan juga arus listrik dinyatakan menggunakan persamaan V = Vmax sin (ωt – 60⁰) dan I = Imax sin ωt. Jelaskan maksud dari persamaan arus dan tegangan listrik tersebut?
Jawab:
Nilai sudut fase tegangan adalah ωt – 60⁰ dan sudut fase arus adalah ωt. Maka pada rangkaian di atas terdapat beda fase sebesar 60⁰ yang mana arus mendahului tegangan dengan beda fase sebesar 60⁰.
- Soal 2
Diketahui suatu resistor sebesar 10 Ω dihubungkan terhadap sumber tegangan bolak balik sebesar V = 15 sin ωt. Tentukan
a. kuat arus bolak balik maksimum yang melewati resistor
b. Kuat arus efektif yang melewati resistor.
Jawab:
a. Berdasarkan persamaan tersebut diketahui bahwa nilai tegangan maksimum Vmax = 15 Volt, sehingga
b. Kuat arus efektif Ief
Ief = 0,707 Imax = 0,707 x 1,5 A = 1,0605 A
Aliran arus bolak balik tegangan bolak balik umumnya dihasilkan oleh generator dari berbagai sumber daya pembangkit tenaga listrik baik tenaga diesel, tenaga uap, tenaga air, dan tenaga panas bumi. Arus listrik bolak balik adalah arus listrik yang arah geraknya selalu berubah-ubah secara periodik atau kontinu.