Apa itu Arus Bolak-balik (AC)?

Sebagian besar mahasiswa kelistrikan memulai studi mereka dengan apa yang dikenal sebagai arus searah (DC), yaitu arus listrik yang mengalir dengan arah yang tetap, dan/atau memiliki tegangan dengan polaritas yang tetap.

DC adalah jenis listrik yang dibuat oleh baterai (dengan terminal positif dan negatif tertentu), atau jenis muatan yang dihasilkan dengan menggosokkan jenis bahan tertentu satu sama lain.

Alternating Current vs Direct Current

Meskipun DC berguna dan mudah dipahami, ini bukan satu-satunya "jenis" listrik yang digunakan. Sumber listrik tertentu (terutama generator elektromekanis putar) secara alami menghasilkan tegangan bolak-balik dalam polaritas, bolak-balik positif dan negatif dari waktu ke waktu.

Baik sebagai polaritas peralihan tegangan atau sebagai arus bolak-balik, “jenis” listrik ini dikenal sebagai Arus Bolak-balik (AC):

Langsung vs arus bolak-balik

Simbol umum baterai digunakan sebagai simbol umum untuk sumber tegangan DC apa pun, sedangkan lingkaran dengan garis bergelombang di dalamnya adalah simbol umum untuk sumber tegangan AC apa pun.

Orang mungkin bertanya-tanya mengapa ada orang yang mau repot dengan hal seperti AC. Memang benar bahwa dalam beberapa kasus AC tidak memiliki keunggulan praktis dibandingkan DC.

Dalam aplikasi di mana listrik digunakan untuk menghilangkan energi dalam bentuk panas, polaritas atau arah arus tidak relevan, selama ada cukup tegangan dan arus ke beban untuk menghasilkan panas yang diinginkan (disipasi daya). Namun, dengan AC dimungkinkan untuk membangun generator listrik, motor, dan sistem distribusi daya yang jauh lebih efisien daripada DC, sehingga kami menemukan AC digunakan terutama di seluruh dunia dalam aplikasi daya tinggi.

Untuk menjelaskan detail mengapa demikian, diperlukan sedikit pengetahuan latar belakang tentang AC.

Alternator AC

Jika sebuah mesin dibangun untuk memutar medan magnet di sekitar satu set kumparan kawat stasioner dengan memutar poros, tegangan AC akan dihasilkan melintasi kumparan kawat saat poros itu diputar, sesuai dengan Hukum Faraday tentang induksi elektromagnetik.

Ini adalah prinsip operasi dasar generator AC, juga dikenal sebagai alternator :Gambar di bawah

Operasi alternator

Perhatikan bagaimana polaritas tegangan melintasi kumparan kawat terbalik saat kutub berlawanan dari magnet yang berputar lewat.

Terhubung ke beban, polaritas tegangan bolak-balik ini akan menciptakan arah arus balik di sirkuit. Semakin cepat poros alternator diputar, semakin cepat magnet berputar, menghasilkan tegangan dan arus bolak-balik yang lebih sering berganti arah dalam waktu tertentu.

Meskipun generator DC bekerja dengan prinsip umum induksi elektromagnetik yang sama, konstruksinya tidak sesederhana generator AC.

Dengan generator DC, kumparan kawat dipasang di poros tempat magnet berada pada alternator AC, dan sambungan listrik dibuat ke kumparan pemintal ini melalui “sikat” karbon stasioner yang menghubungi strip tembaga pada poros yang berputar.

Semua ini diperlukan untuk mengalihkan polaritas keluaran kumparan yang berubah ke sirkuit eksternal sehingga sirkuit eksternal melihat polaritas konstan:

Operasi generator DC

Generator yang ditunjukkan di atas akan menghasilkan dua pulsa tegangan per putaran poros, kedua pulsa dalam arah yang sama (polaritas). Agar generator DC menghasilkan konstan tegangan, daripada pulsa tegangan singkat sekali setiap 1/2 putaran, ada beberapa set kumparan yang membuat kontak terputus-putus dengan sikat.

Diagram yang ditunjukkan di atas sedikit lebih sederhana daripada yang akan Anda lihat di kehidupan nyata.

Masalah yang terkait dengan membuat dan memutuskan kontak listrik dengan kumparan bergerak harus jelas (percikan dan panas), terutama jika poros generator berputar dengan kecepatan tinggi. Jika atmosfir di sekitar mesin mengandung uap yang mudah terbakar atau meledak, masalah praktis kontak sikat penghasil percikan menjadi lebih besar.

Generator AC (alternator) tidak memerlukan sikat dan komutator untuk bekerja, sehingga kebal terhadap masalah yang dialami oleh generator DC ini.

Motor AC

Manfaat AC dibandingkan DC terkait dengan desain generator juga tercermin dalam motor listrik.

Sementara motor DC memerlukan penggunaan sikat untuk membuat kontak listrik dengan gulungan kawat yang bergerak, motor AC tidak. Faktanya, desain motor AC dan DC sangat mirip dengan generator (identik untuk tutorial ini), motor AC bergantung pada medan magnet balik yang dihasilkan oleh arus bolak-balik melalui gulungan kawat stasionernya untuk memutar magnet yang berputar. berputar pada porosnya, dan motor DC bergantung pada kontak sikat yang membuat dan memutuskan koneksi untuk membalikkan arus melalui kumparan yang berputar setiap 1/2 putaran (180 derajat).

Transformer

Jadi kita tahu bahwa generator AC dan motor AC cenderung lebih sederhana daripada generator DC dan motor DC. Kesederhanaan relatif ini diterjemahkan ke dalam keandalan yang lebih besar dan biaya produksi yang lebih rendah. Tapi apa gunanya AC lagi? Tentunya harus ada lebih dari detail desain generator dan motor! Memang ada.

Ada efek elektromagnetisme yang dikenal sebagai saling induksi , di mana dua atau lebih gulungan kawat ditempatkan sedemikian rupa sehingga perubahan medan magnet yang diciptakan oleh salah satu menginduksi tegangan yang lain. Jika kita memiliki dua kumparan induktif yang saling menguntungkan dan kita memberi energi pada satu kumparan dengan AC, kita akan menciptakan tegangan AC pada kumparan lainnya. Saat digunakan seperti itu, perangkat ini dikenal sebagai transformator :

Transformator “mengubah” tegangan dan arus AC.

Signifikansi mendasar dari sebuah transformator adalah kemampuannya untuk menaikkan atau menurunkan tegangan dari koil bertenaga ke koil tidak bertenaga. Tegangan AC yang diinduksi pada kumparan tanpa daya (“sekunder”) sama dengan tegangan AC pada kumparan bertenaga (“primer”) dikalikan dengan rasio putaran kumparan sekunder terhadap putaran kumparan primer.

Jika kumparan sekunder memberi daya pada beban, arus yang melalui kumparan sekunder adalah kebalikannya:arus kumparan primer dikalikan dengan rasio lilitan primer dan sekunder. Hubungan ini memiliki analogi mekanis yang sangat dekat, menggunakan torsi dan kecepatan untuk masing-masing mewakili tegangan dan arus:

Kereta roda gigi perkalian kecepatan menurunkan torsi dan mempercepat. Trafo penurun tegangan menurunkan tegangan dan menaikkan arus.

Jika perbandingan lilitan dibalik sehingga lilitan primer memiliki lilitan yang lebih sedikit daripada lilitan sekunder, transformator “menaikkan” tegangan dari tingkat sumber ke tingkat yang lebih tinggi pada beban:

Kereta roda gigi pengurang kecepatan menaikkan dan menurunkan kecepatan. Trafo step-up menaikkan tegangan dan menurunkan arus.

Kemampuan transformator untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC dengan mudah memberikan AC keuntungan yang tak tertandingi oleh DC dalam bidang distribusi daya pada gambar di bawah ini.

Saat mentransmisikan daya listrik jarak jauh, jauh lebih efisien untuk melakukannya dengan tegangan yang dinaikkan dan arus yang diturunkan (kawat berdiameter lebih kecil dengan rugi daya resistif yang lebih kecil), kemudian turunkan tegangan dan arus kembali untuk industri, bisnis, atau penggunaan konsumen.

Transformer memungkinkan transmisi energi listrik tegangan tinggi jarak jauh yang efisien.

Teknologi trafo membuat distribusi tenaga listrik jarak jauh menjadi praktis. Tanpa kemampuan untuk menaikkan dan menurunkan tegangan secara efisien, akan sangat mahal untuk membangun sistem tenaga untuk apa pun kecuali penggunaan jarak dekat (paling banyak dalam beberapa mil).

Berguna seperti transformator, mereka hanya bekerja dengan AC, bukan DC. Karena fenomena induktansi timbal balik bergantung pada perubahan medan magnet, dan arus searah (DC) hanya dapat menghasilkan medan magnet yang stabil, transformator tidak akan bekerja dengan arus searah.

Tentu saja, arus searah dapat diinterupsi (berdenyut) melalui belitan primer transformator untuk menciptakan medan magnet yang berubah (seperti yang dilakukan dalam sistem pengapian otomotif untuk menghasilkan daya busi tegangan tinggi dari baterai DC tegangan rendah), tetapi DC berdenyut tidak jauh berbeda dengan AC.

Mungkin lebih dari alasan lainnya, inilah mengapa AC menemukan aplikasi yang begitu luas dalam sistem tenaga.

TINJAUAN:

• DC adalah singkatan dari “Arus Langsung”, yang berarti tegangan atau arus yang masing-masing mempertahankan polaritas atau arah konstan, dari waktu ke waktu.
• AC adalah singkatan dari “Alternating Current”, yang berarti tegangan atau arus yang mengubah polaritas atau arah, secara berurutan, dari waktu ke waktu.
• Generator elektromekanis AC, yang dikenal sebagai alternator , memiliki konstruksi yang lebih sederhana daripada generator elektromekanis DC.
• Desain motor AC dan DC mengikuti prinsip desain generator masing-masing dengan sangat dekat.
• Sebuah transformator adalah sepasang kumparan induktif yang digunakan untuk mengalirkan daya AC dari satu kumparan ke kumparan lainnya. Seringkali, jumlah lilitan di setiap kumparan diatur untuk membuat kenaikan atau penurunan tegangan dari kumparan bertenaga (primer) ke kumparan tidak bertenaga (sekunder).
• Tegangan sekunder =Tegangan primer (belitan sekunder / belitan primer)
• Arus sekunder =Arus primer (belitan primer / belitan sekunder)

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Catu Daya AC-DC Dasar
• Lembar Kerja Transformer Step-up, Step-down, dan Isolasi