Bentuk Gelombang AC

Ketika alternator menghasilkan tegangan AC, tegangan mengubah polaritas dari waktu ke waktu, tetapi melakukannya dengan cara yang sangat khusus. Ketika digambarkan dari waktu ke waktu, "gelombang" yang dilacak oleh tegangan polaritas bolak-balik ini dari alternator mengambil bentuk yang berbeda, yang dikenal sebagai gelombang sinus :Gambar di bawah

Grafik tegangan AC dari waktu ke waktu (gelombang sinus).

Dalam plot tegangan dari alternator elektromekanis, perubahan dari satu polaritas ke yang lain adalah halus, tingkat tegangan berubah paling cepat pada titik nol ("crossover") dan paling lambat pada puncaknya. Jika kita menggambar grafik fungsi trigonometri “sinus” pada rentang horizontal 0 hingga 360 derajat, kita akan menemukan pola yang sama persis seperti pada Tabel di bawah.

Fungsi “sinus” trigonometri.

Sudut (°) Sin (sudut) Gelombang Sudut (°) Sin (sudut) Gelombang 00.0000zero1800.0000zero150.2588+195-0.2588-300.5000+210-0.5000-450.7071+225-0.7071-600.8660+240-0.8660-750.9659+255-0.9659-901.000+peak270-1.0000-peak1050.9659+285-0.9659-1200.8660 +300-0.8660-1350.7071+315-0,7071-1500.5000+330-0.5000-1650.2588+345-0.2588-1800.0000nol360.0000nol

Alasan mengapa alternator elektromekanis menghasilkan gelombang sinus AC adalah karena fisika operasinya. Tegangan yang dihasilkan oleh kumparan stasioner oleh gerakan magnet yang berputar sebanding dengan laju perubahan fluks magnet tegak lurus terhadap kumparan (Hukum Faraday tentang Induksi Elektromagnetik). Tingkat itu paling besar ketika kutub magnet paling dekat dengan kumparan, dan paling sedikit ketika kutub magnet terjauh dari kumparan. Secara matematis, laju perubahan fluks magnet akibat magnet yang berputar mengikuti fungsi sinus, sehingga tegangan yang dihasilkan oleh kumparan mengikuti fungsi yang sama.

Periode vs Frekuensi

Jika kita mengikuti perubahan tegangan yang dihasilkan oleh kumparan di alternator dari titik manapun pada grafik gelombang sinus ke titik ketika bentuk gelombang mulai berulang, kita akan menandai tepat satu siklus dari gelombang itu. Ini paling mudah ditunjukkan dengan merentangkan jarak antara puncak yang identik, tetapi dapat diukur antara titik-titik yang sesuai pada grafik. Tanda derajat pada sumbu horizontal grafik mewakili domain fungsi sinus trigonometri, dan juga posisi sudut poros alternator dua kutub sederhana kita saat berputar:Gambar di bawah

Tegangan alternator sebagai fungsi posisi poros (waktu).

Karena sumbu horizontal grafik ini dapat menandai perjalanan waktu serta posisi poros dalam derajat, dimensi yang ditandai untuk satu siklus sering diukur dalam satuan waktu, paling sering detik atau pecahan detik. Ketika dinyatakan sebagai pengukuran, ini sering disebut periode gelombang.

Periode gelombang dalam derajat selalu 360, tetapi jumlah waktu yang digunakan oleh satu periode bergantung pada tingkat tegangan yang berosilasi bolak-balik.

Ukuran yang lebih populer untuk menggambarkan laju bolak-balik tegangan AC atau gelombang arus daripada periode adalah laju osilasi bolak-balik itu. Ini disebut frekuensi . Satuan modern untuk frekuensi adalah Hertz (disingkat Hz), yang mewakili jumlah siklus gelombang yang diselesaikan selama satu detik waktu.

Di Amerika Serikat, frekuensi saluran listrik standar adalah 60 Hz, yang berarti bahwa tegangan AC berosilasi pada kecepatan 60 siklus bolak-balik lengkap setiap detik. Di Eropa, di mana frekuensi sistem tenaga adalah 50 Hz, tegangan AC hanya menyelesaikan 50 siklus setiap detik.

Pemancar stasiun radio yang menyiarkan pada frekuensi 100 MHz menghasilkan tegangan AC yang berosilasi dengan kecepatan 100 juta siklus setiap detik.

Sebelum kanonisasi unit Hertz, frekuensi hanya dinyatakan sebagai "siklus per detik." Meter dan peralatan elektronik yang lebih tua sering kali memiliki satuan frekuensi "CPS" (Cycles Per Second) alih-alih Hz. Banyak orang percaya bahwa perubahan dari unit yang cukup jelas seperti CPS ke Hertz merupakan langkah mundur dalam kejelasan.

Perubahan serupa terjadi ketika satuan "Celcius" menggantikan satuan "Celcius" untuk pengukuran suhu metrik. Nama Celcius didasarkan pada skala 100 hitungan (“Centi-”) (“-grade”) yang mewakili titik leleh dan titik didih H₂ O, masing-masing.

Nama Celsius, di sisi lain, tidak memberikan petunjuk tentang asal atau arti unit tersebut.

Periode dan frekuensi adalah kebalikan matematis satu sama lain. Artinya, jika gelombang memiliki periode 10 detik, frekuensinya adalah 0,1 Hz, atau 1/10 siklus per detik:

Penggunaan Osiloskop

Alat yang disebut osiloskop , Gambar di bawah, digunakan untuk menampilkan tegangan yang berubah dari waktu ke waktu pada layar grafis. Anda mungkin familiar dengan tampilan EKG atau EKG mesin (elektrokardiograf), yang digunakan oleh dokter untuk membuat grafik osilasi jantung pasien dari waktu ke waktu.

EKG adalah osiloskop tujuan khusus yang dirancang khusus untuk penggunaan medis. Osiloskop tujuan umum memiliki kemampuan untuk menampilkan tegangan dari hampir semua sumber tegangan, diplot sebagai grafik dengan waktu sebagai variabel independen.

Hubungan antara periode dan frekuensi sangat berguna untuk diketahui saat menampilkan bentuk gelombang tegangan atau arus AC pada layar osiloskop. Dengan mengukur periode gelombang pada sumbu horizontal layar osiloskop dan membalas nilai waktu tersebut (dalam detik), Anda dapat menentukan frekuensi dalam Hertz.

Periode waktu gelombang sinus ditampilkan pada osiloskop.

Bagaimana Konsep AC Terkait dengan Suara?

Tegangan dan arus bukanlah satu-satunya variabel fisik yang dapat berubah seiring waktu. Jauh lebih umum untuk pengalaman kita sehari-hari adalah suara , yang tidak lebih dari kompresi dan dekompresi bolak-balik (gelombang tekanan) molekul udara, yang ditafsirkan oleh telinga kita sebagai sensasi fisik. Karena arus bolak-balik adalah fenomena gelombang, ia memiliki banyak sifat dari fenomena gelombang lainnya, seperti suara. Untuk alasan ini, suara (terutama musik terstruktur) memberikan analogi yang sangat baik untuk menghubungkan konsep AC.

Dalam istilah musik, frekuensi setara dengan pitch . Nada rendah seperti yang dihasilkan oleh tuba atau bassoon terdiri dari getaran molekul udara yang relatif lambat (frekuensi rendah). Nada tinggi seperti yang dihasilkan oleh seruling atau peluit terdiri dari jenis getaran yang sama di udara, hanya bergetar pada tingkat yang jauh lebih cepat (frekuensi lebih tinggi). Gambar di bawah adalah tabel yang menunjukkan frekuensi sebenarnya untuk rentang not musik umum.

Catatan Penunjukan Musik Frekuensi (dalam hertz) AA₃ 220.00A tajam (atau B datar)A ^# ₃ atau B ^♭ ₃ 233.08BB₃ 246.94C (tengah)C₄ 261,63C tajam (atau D datar)C ^# ₄ atau D ^♭ ₄ 277.18DD₄ 293.66D tajam (atau E datar)D ^# ₄ atau E ^♭ ₄ 311.13EE₄ 329.63FF₄ 349,23F tajam (atau G datar)F ^# ₄ atau G ^♭ ₄ 369.99GG₄ 392.00G tajam (atau A datar)G ^# ₄ atau A ^♭ ₄ 412.30AA₄ 440.00A tajam (atau B datar)A ^# ₄ atau B ^♭ ₄ 466.16BB₄ 493.88CC₅

523.25

Pengamat yang lihai akan memperhatikan bahwa semua nada di atas meja yang bertuliskan huruf yang sama terkait dengan rasio frekuensi 2:1. Misalnya, frekuensi pertama yang ditunjukkan (ditunjukkan dengan huruf "A") adalah 220 Hz. Nada “A” tertinggi berikutnya memiliki frekuensi 440 Hz—persis dua kali lebih banyak siklus gelombang suara per detik.

Rasio 2:1 yang sama berlaku untuk nada A pertama (233,08 Hz) dan nada A berikutnya (466,16 Hz), dan untuk semua pasangan nada yang ditemukan dalam tabel.

Terdengar, dua nada yang frekuensinya persis dua kali lipat terdengar sangat mirip. Kesamaan suara ini dikenali secara musikal, rentang terpendek pada tangga nada musik yang memisahkan pasangan nada semacam itu disebut oktaf . Mengikuti aturan ini, nada “A” tertinggi berikutnya (satu oktaf di atas 440 Hz) akan menjadi 880 Hz, nada “A” terendah berikutnya (satu oktaf di bawah 220 Hz) adalah 110 Hz.

Tampilan keyboard piano membantu menempatkan skala ini ke dalam perspektif:Gambar di bawah

Satu oktaf ditampilkan pada keyboard musik.

Seperti yang Anda lihat, satu oktaf sama dengan tujuh jarak senilai tuts putih pada keyboard piano. Mnemonic musik yang familiar (doe-ray-mee-fah-so-lah-tee)—ya, pola yang sama diabadikan dalam lagu Rodgers dan Hammerstein yang aneh yang dinyanyikan dalam The Sound of Music—meliputi satu oktaf dari C ke C.

Bentuk Gelombang Bergantian Lainnya

Sementara alternator elektromekanis dan banyak fenomena fisik lainnya secara alami menghasilkan gelombang sinus, ini bukan satu-satunya jenis gelombang bolak-balik yang ada. “Bentuk gelombang” AC lainnya biasanya diproduksi dalam sirkuit elektronik. Berikut adalah beberapa contoh bentuk gelombang dan sebutan umum mereka pada gambar di bawah.

Beberapa bentuk gelombang umum (bentuk gelombang).

Bentuk gelombang ini bukanlah satu-satunya jenis bentuk gelombang yang ada. Mereka hanyalah beberapa yang cukup umum untuk diberi nama yang berbeda. Bahkan di sirkuit yang seharusnya memanifestasikan bentuk gelombang tegangan/arus "murni" sinus, persegi, segitiga, atau gigi gergaji, hasil yang sebenarnya sering kali merupakan versi distorsi dari bentuk gelombang yang dimaksud.

Beberapa bentuk gelombang sangat kompleks sehingga tidak dapat diklasifikasi sebagai "tipe" tertentu (termasuk bentuk gelombang yang terkait dengan berbagai jenis alat musik). Secara umum, setiap bentuk gelombang yang sangat mirip dengan gelombang sinus sempurna disebut sinusoidal , apa pun yang berbeda diberi label sebagai non-sinusoidal .

Karena bentuk gelombang tegangan atau arus AC sangat penting untuk pengaruhnya dalam rangkaian, kita perlu menyadari fakta bahwa gelombang AC datang dalam berbagai bentuk.

TINJAUAN:

• AC yang dihasilkan oleh alternator elektromekanis mengikuti bentuk grafik gelombang sinus.
• Satu siklus gelombang adalah satu evolusi lengkap dari bentuknya sampai pada titik di mana ia siap untuk mengulangi dirinya sendiri.
• Periode gelombang adalah jumlah waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan satu siklus.
• Frekuensi adalah jumlah siklus lengkap yang diselesaikan gelombang dalam waktu tertentu. Biasanya diukur dalam Hertz (Hz), 1 Hz sama dengan satu siklus gelombang lengkap per detik.
• Frekuensi =1/(periode dalam detik)

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Bentuk Gelombang AC
• Lembar Kerja Operasi Oscilloscope Dasar