1 LITAR AU

RBT 3107 Teknologi Elektrik Dan Elektronik

1

TAJUK 1 LITAR ARUS ULANG-ALIK

SINOPSIS

Modul ini memperkenalkan litar arus ulang-alik (AU) meliputi bentuk

gelombang, mentakrif kemuatan, kearuhan dan galangan, menghitung

kemuatan, kearuhan dan galangan dalam litar siri, selari dan siri selari.

HASIL PEMBELAJARAN

Di akhir unit ini anda akan dapat:

Memberi definisi AU

Mengenal bentuk gelombang sinus

Mengenal pasti kitar, tempoh dan amplitud gelombong

Mentakrif kemuatan dan kearuhan

Mengenal jenis pemuat dan pearuh

Melakar simbol pemuat

Menghitung kemuatan, kearuhan dalam sambungan siri, selari

dan siri-selari

KERANGKA TAJUK-TAJUK

Litar Arus Ulang Alik

Definisi Arus Ulang Alik

Bentuk Gelombang AU

Kemuatan, Kearuhan & Galangan

Menghitung kemuatan, kearuhan dalam sambungan siri, selari dan siri-selari


2

1.1 Definisi Arus Ulang Alik

1.2 Penjanaan AU

Sumber arus ulang alik yang utama ialah penjana AU. Penjana AU terdiri

daripada gelung dawai pengalir yang diputarkan di dalam medan magnet.

Aruhan elektromagnet berlaku apabila pengalir bergerak dalam medan magnet di

mana fluks magnet dipotong oleh pengalir.

Dalam Rajah 1(a) dan Rajah 1 (b), pada pertengahan pertama pusingan,

arus mengalir dari B ke A dan keluar melalui X ke Y, kemudian masuk semula

melalui D ke C. Pada pertengahan kedua pusingan, arus mengalir dari C ke D

dan keluar melalui Y ke X dan kemudian masuk semula melalui A ke B.

Kesimpulannya, dalam pengalir ABCD, arus berubah-ubah haluan pada

setiap setengah pusingan, begitu juga dengan litar luar (R ).

R

U S

C B

A D X

Y

Rajah 1 (a)

R

U S

C B

A D X

Y

Rajah 1 (b)

Arus ulang-alik (AU) ialah arus yang sentiasa berubah-ubah

alirannya mengikut masa dan mengalir di dalam dua keadaan sama

ada pada nilai negatif ataupun nilai positif


3

Rajah 1.2 : Penjana gegelung AU

Rajah 1.3 menunjukkan magnitud dan arah d.g.e teraruh yang dihasilkan

oleh penjana AU bergantung kepada kedudukan sudut putaran gegelung

pengalir. Andaikan pengalir berpusing pada kelajuan yang sama. Apabila

pengalir pada kedudukan 0, ia akan berada selari dengan medan magnet. Oleh

kerana daya gerak elektrik (d.g.e) hanya dijana apabila pengalir memotong

Rajah 1.3 : Magnitud dan arah d.g.e teraruh yang dihasilkan oleh penjana AU

0 90

180 270 360

9

3 4

5

6

7

8 10

11

12 0

1

2

30

60

120 150 210 250 300 330


4

garisan fluks magnet, maka tiada d.g.e yang terjana pada kedudukan 0. Apabila

pengalir sampai pada kedudukan 1, ia akan memotong fluks magnet secara

serong dan d.g.e akan terjana sedikit. D.g.e yang terjana akan terus meningkat

pada kedudukan seterusnya sehinggalah pada kedudukan 3. Pada kedudukan

ini, pengalir akan memotong fluks pada sudut tepat dan d.g.e akan menjadi

maksimum seketika.

Seterusnya, d.g.e yang teraruh akan mula mengurang sehinggalah

menjadi sifar pada kedudukan 6. Keadaan perubahan yang sama akan berlaku

apabila pengalir berpusing pada satu lagi setengah pusingan.

Pada kedudukan 7, 8, 9, 10, 11 pengalir akan memotong uratdaya dalam

arah terbalik, oleh yang demikian d.g.e. akan berbalik walaupun mempunyai nilai

yang sama. Apabila sampai pada kedudukan 12, d.g.e. yang teraruh akan

kembali menjadi sifar seperti kedudukan 6. Dari sini pusingan akan bermula

sekali lagi seperti yang berlaku sebelumnya, bermula dari kedudukan 1 kembali.

Renung sejenak!

Arus ulang alik mempunyai beberapa kebaikan dan keburukan yang jelas.

Nyatakan kebaikan dan keburukan penggunaan arus ulang alik.

Sila layari laman web berikut untuk mendapatkan lebih kefahaman iaitu

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/jva/ac/index.html


5

1.3 Bentuk Gelombang AU

Gelombang AU mempunyai pelbagai bentuk termasuklah gelombang

sinus, gerigi, kompleks dan segi empat seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.4.

Rajah 1.4 Pelbagai Bentuk Gelombang

Rajah 1.5 : Kitaran Lengkap Gelombang Sinus

Gelombang Sinus

Gelombang Gerigi

Gelombang Kompleks

Gelombang Segiempat

1 Kitar

Vp-p

Vpmkd 0.637

0.707

Vm

-Vm

t

Vmin

00 1800

3600

V(t) = Vm sin t


6

Gelombang sinus mengandungi beberapa siri gelombang yang serupa

yang mana dipanggil kitar (cycle). Masa dalam saat untuk satu kitar dipanggil

tempoh (periodic time) manakala bilangan kitar bagi satu saat adalah dipanggil

frekuensi (frequency). Jika T adalah masa seketika dalam saat dan f adalah

ulangan dalam Hertz (c/s), maka f = 1/T atau T = 1/f.

Arus yang terhasil ketika pengalir berada pada suatu ketika tertentu diberi

oleh persamaan gelombang

di mana

v(t) = arus seketika (ampiar)

Vm = voltan maksimum/puncak (volt)

t = sudut fasa berbanding masa(rad/darjah)

T = saat

1.4 Istilah-istilah Arus AU

Terdapat beberapa istilah yang perlu diketahui dan difahami iaitu:

1.4.1 Vp (Voltan puncak)

Merupakan voltan maksimum yang diambil dari Rajah 1.5. Bagi

gelombang AU voltan puncaknya adalah Vm.

1.4.2 Vpp (Voltan puncak ke puncak)

Merupakan nilai yang diambil bermula dari maksimum +ve ke nilai

maksimum ve.

Rajah 1.2 a

Vp = Vm

v(t) = Vm sin t

Vpp = 2Vm


7

1.4.3 Vmin (Voltan purata)

Merupakan nilai purata bagi gelombang sinus di mana nilainya adalah

merupakan nilai purata yang diambil bagi keluasan di bawah garis

gelombang AU. Nilainya adalah merupakan 63.7% daripada nilai

maksimum.

1.4.4 Vpmkd (Voltan punca min kuasa dua)

Merupakan nilai yang terpenting di dalam litar elektrik. Kebanyakan

meter menunjukkan bacaan di dalam nilai pmkd yang sama dengan 70.7%

daripada nilai puncak voltan ulang alik.

Contoh 1.1 :

Kirakan nilai ppgd gelombang voltan di bawah.

Nilai pmkd gelombang voltan = 2

1 Vp

= 0.707 14.14

= 10 Vdc

Vmin = 0.637Vm =

Vpmkd = 0.707Vm =

Vac

14.14V


8

Contoh 1.2 :

Kirakan dan dapatkan Vp, Vp-p, Vppgd, Vpurata dan frekuensi

i) Vp = 30V

ii) Vp-p = 30 2

= 60 Vp-p

iii) Vppgd = Vmax 0.707

= 30 0.707

= 21.21 V

iv) Vpurata = Vmax 0.637

= 30 0.637

= 19.11 V

v) f = t

1

= 05.0

1

= 20 Hz

0.03

0

0.05

t (saat)

V

30

0.05s


9

Contoh 1.3 :

Diberi V = 120 sin (280 + )

Kirakan frekuensi, Vmax, Vpp, Vpurata, Vrms dan voltan pada ketika t = 0.02s &

= 30.

i) Frekuensi, f =

2

= 2

280

= 44.6 Hz

ii) Vmak = 120 V

ii) Vpp = Vp 2

= 120 2

= 240 Vp-p

iv) Vpurata = Vmax 0.637

= 120 0.637

= 76.44 V

v) Vpmkd = Vmax 0.707

= 120 0.707

= 84.84 V

vi) V = 120 sin (280 (0.02) + 30)

= 120 sin (5.6 + 30 180

)

= 120 sin (5.6 + 0.52)

= 120 sin (6.124)

= 120 (-0.16)

= -19.5 V


10

1.5 Gelombang Sefasa

Rajah 1.6 : Gelombang Sefasa

Rajah 1.6 menunjukkan gelombang A dan gelombang B adalah sefasa

kerana tidak terdapat perbezaan sudut di antaranya. Kedua-duanya mempunyai

nilai voltan maksimum yang berbeza. Bagi gelombang A, voltan maksimumnya

ialah Vm1 dan gelombang B, voltan maksimumnya Vm2. Oleh itu, kedua-dua

gelombang tersebut boleh dinyatakan dalam bentuk persamaan trigonometri

berikut:

A : v(t) = Vm1 sin t

B : v(t) = Vm2 sin t

Vm2

Vm1

00 1800 3600 t

A

B


11

1.6 Gelombang Tidak Sefasa

Rajah 1.7 : Gelombang Tidak Sefasa

Nilai d.g.e. teraruh dalam ketiga-tiga gelombang yang ditunjukkan dalam

Rajah 1.7 adalah sama (Vm) tetapi masing-masing berada pada nilai maksimum

atau nilai sifar secara serentak. Jarak perbezaan fasa antara ketiga-tiga

gelombang bergantung kepada nilai sudut fasa ( dan ). Gelombang yang

melalui titik sifar (00) diambil sebagai rujukan.

Oleh itu, dapat disimpulkan bahawa;

(a) Gelombang B sebagai rujukan ketiga-tiganya,

(b) Gelombang A mendahului gelombang B dengan ,

(c) Gelombang C menyusuli gelombang B dengan .

Vm

A B C

t

0


12

1.7 Gambar Rajah Vektor/Fasa

Rajah vektor merupakan satu kaedah bergambar dalam menyampaikan

maklumat-maklumat yang terkandung dalam sesuatu gelombang sinus. Caranya

adalah dengan melukis vektor nilai punca min kuasa dua (pmkd) bagi gelombang

tersebut berdasarkan kepada sudut anjakan fasanya.

Rajah 1.8 : Rajah Gelombang

Rajah vektor bagi gelombang dalam Rajah 1.8 adalah seperti yang ditunjukkan

dalam Rajah 1.9. Panjang atau pendek anak panah yang dilukis bergantung

kepada nilai puncak (Vm) setiap gelombang. Nilai voltan, V1 diambil sebagai

rujukan kerana ia bermula dari sifar (00).

V2 = Vm sin (t + 1)

A B C

t

0

2

1

V2 = Vm sin t

V2 = Vm sin (t - 2)


13

Rajah 1.9 : Rajah Vektor/Fasa

00 1800

2700

900

V2

V1

V3

1

2


14

1.8 PEMUAT

Proses menyimpan tenaga dalam kapasitor dikenali sebagai "mengecas",

dan melibatkan cas elektrik yang mempunyai magnitud yang sama, tetapi

kekutuban yang berlawan yang berkumpul di kedua-dua plat masing-masing.

Kapasitor biasanya digunakan dalam litar elektrik dan litar elektronik sebagai alat

storan tenaga. Kapasitor juga digunakan untuk memisahkan antara isyarat

frekuensi tinggi dan rendah. Oleh itu, kapasitor biasanya digunakan sebagai

penapis elektronik.

Rajah 1.8: Jenis-jenis Pemuat

Pemuat atau kapasitor merupakan komponen elektrik atau

elektronik yang mampu menyimpan tenaga di medan elektrik antara

sepasang pengalir (plat).


15

1.8.1 Takrif Pemuat

Satu pemuat mengandungi lapisan bahan penebat yang terapit di antara

dua plat logam. Medan elektrik di dalam pemuat mempunyai banyak kesamaan

dengan medan magnet. Nilai kemuatan pemuat ialah ukuran jumlah cas elektrik

yang boleh distor di dalam peranti. Kemuatan boleh dikira daripada

pengetahuan mengenai matra pemuat dan kebertelusan bahan penebat.

Pemuat menggunakan unit Farad (F). Pemuat yang mempunyai nilai kemuatan

1 farad bermaksud pemuat tersebut berupaya menyimpan 1 coulomb cas elektrik

pada lapisan dielektrik apabila voltan sebanyak 1 volt diberikan kepada tamatan

pemuat tersebut

Pemuat ialah komponen yang menyimpan cas elektrik. Pada asasnya,

pemuat terdiri daripada dua plat logam atau 2 pengalir yang selari dan

dipisahkan oleh penebat yang dipanggil dielektrik. Dielektrik ini boleh terdiri

daripada udara, kertas, mika, polister atau elektrolitik

Perubahan nilai kemuatan adalah mengikut luas permukaan berkesan plat

pengalir dan jarak antara dua plat serta jenis dielektrik seperti yang ditunjukkan

melalui perkaitan berikut:

dengan, C = kemuatan (F)

d = jarak di antara plat pengalair (m)

r = pemalar dielektrik (m)

o = pemalar ketelusan ruang bebas

Pemuat jenis seramik mempunyai nilai kemuatan yang tinggi kerana

bahan seramik mempunyai pemalar dielektrik yang tinggi.

C = roA d


16

Rajah 1.9 : Pemuat Seramik

1.8.2 Jenis-jenis Pemuat

Pemuat boleh dibahagikan kepada dua kumpulan iaitu pemuat tetap dan

pemuat boleh ubah.

(a) Pemuat Tetap

Simbol bagi pemuat tetap

Pemuat tetap ialah pemuat yang mempunyai nilai kemuatan yang tetap.

Pemuat tetap terbahagi kepada dua jenis iaitu berkutub dan tidak

berkutub. Pemuat berkutub hanya sesuai untuk litar arus terus. Kekutuban

pemuat perlu disambung dengan betul bagi mengelakkan pemuat daripada rosak

atau meletup. Jenis pemuat tetap ialah pemuat kertas, pemuat mika, pemuat

seramik atau pemuat elektrolitik. Apabila memilih pemuat, faktor yang perlu

diambil kira ialah nilai kemuatan, had terima, voltan kerja dan bocoran.


17

1) Nilai kemuatan boleh dibaca dengan menggunakan kod bercetak atau

kod warna.

2) Had terima ialah nilai kelegaan bagi nilai sebenar sesuatu pemuat.

Pemuat biasanya mempunyai had terima sebanyak lebih kurang

10%.

3) Voltan kerja merupakan voltan AT dan voltan AU (puncak) yang boleh

dikenakan sebelum penebatan dielektrik pecah. Voltan kerja biasanya

ditandakan pada pemuat dengan huruf WV. (Jika voltan kerja bagi

sebuah pemuat dilampaui, maka penebatan dielektrik akan pecah

dan plat pemuat akan dilitar pintaskan. Apabila menggunakan pemuat

hendaklah pastikan bahawa voltan kerja pemuat lebih tinggi daripada

voltan maksimum di dalam litar.

(b) Pemuat boleh ubah

Simbol bagi pemuat boleh ubah Pemuat boleh ubah mempunyai nilai kemuatan yang boleh diubah

mengikut keperluan litar. Kemuatan bagi sesebuah pemuat boleh ubah boleh

diubah sama ada dengan melaraskan luas permukaan plat yang berkesan atau

jarak antara plat.

Berikut merupakan contoh-contoh pemuat boleh ubah serta cara mengubah

kemuatannya:


18

(i) Perapi atau Praset.

Bagi kemuatan perapi seramik, ia diubah dengan melaraskan aci bagi

mengubah luas permukaan di antara plat. Dielektrik yang digunakan sebagai

penebat ialah seramik yang diletakkan diantara plat. Manakala, untuk pemuat

perapi mika, kemuatannya diubah dengan melaraskan skru bagi mengawal jarak

di antaraplat. Plat pemuat dipisahkan oleh dielektrik mika. Kedua-duajenis

pemuat ini dinamakan pemuat perapi kerana ia digunakan bagi merapi litar

(Pelarasan yang kecil) supaya mempunyai jumlah kemuatan yang tepat.

Kemuatan maksimum pemuat perapi ialah 100pF.

(ii) Pemuat berputar (trimmer)

Kemuatan pemuat diubah dengan melaraskan aci bagi mengubah luas

permukaan berkesan di antara tindihan plat pegun dipisahkan oleh dielektrik

udara. Pemuat berputar yang lebih kecil biasanya menggunakan dielektrik

saput plastik nipis di antara plat. Nilai maksimum untuk pemuat berputar ialah

500pF. Ia digunakan dalam litar talaan radio.

1.8.3 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KEMUATAN

Kemuatan adalah bergantung kepada :

(a) Jarak antara plat.

Kemuatan di antara plat berkadar songsang dengan jarak di antara kedua-

dua platnya.

(b) Luas permukaan plat.

Kedua-dua permukaan plat hendaklah diperluaskan untuk mendapatkan

nilai kemuatan yang tinggi. Kemuatan di antara dua plat berkadar terus dengan

luasnya.

C 1 S

C A


19

(c) Bahan dielektrik yang digunakan.

Kemuatan bergantung kepada bahan dielektrik yang digunakan iaitu

ketelusan di antara dua plat.

(d) Ketebalan dielektrik

1.8.4 Jenis Sambungan Pemuat

Terdapat tiga jenis sambungan pemuat iaitu siri, selari dan siri-selari. Kaedah

penghitungan nilai kemuatan pemuat, C dalam sambungan tersebut adalah

seperti ditunjukkan dalam Jadual 1.1.


20

Jadual 1.1 Jenis Sambungan Pemuat

Jenis Sambungan

Litar Skematik Jumlah Kemuatan, Cj Catatan

Siri

Jumlah kemuatan tiga pemuat siri

Jumlah kemuatan bagi dua pemuat sambungan siri

Jumlah kemuatan sebanyak n pemuat sambungan siri,

Jumlah kemuatan bagi n pemuat yang sama disambungan siri,

C1 C2 C3

Cj


21

Selari

Jumlah kemuatan bagi tiga pemuat sambungan selari

Jumlah kemuatan bagi n pemuat sambungan selari

Jumlah kemuatan bagi n pemuat yang sama disambung selari

Siri-selari

(a) Litar siri-selari diringkaskan menjadi litar siri.

Cj

C1

C3

C2

C1 dan C2 adalah selari

CA

C3

C2

C1

+

LITAR SIRI-SELARI LITAR SIRI CA C3

Cj


22

Siri-selari

Petua Mengitung Jumlah Kemuatan

Kaedah penghitungan jumlah kemuatan bagi pemuat siri adalah sama seperti penghitungan R selari. Mengapakah

begitu? Bolehkah anda fikirkan sejenak bagaimana penghitungannya begitu? Apakah kaitannya penghitungannya dengan

binaan pemuat. Fikirkan sejenak.

CB

C3

CB

C3

Cj

LITAR SIRI-SELARI LITAR SELARI

CB dan C3 selari

C1 dan C2 sesisiri

C1

C2

Cj = C3 + CB


23

Contoh 1.4

Merujuk Rajah 1.10 (a), (b) dan (c) namakan jenis sambungan dan hitung jumlah

kemuatan bagi setiap litar.

(a) (b) (c)

Rajah 1.10 Sambungan Litar Sambungan RC

Penyelesaian:

(a) Jenis sambungan litar siri.

Jumlah kemuatan,

=

F +

F +

F

= 15 + 30 + 10

150 F

16F

Cj 1.5F

22F

16F

16F

2F 2F

Cj

10 F 5 F 15 F

Cj


24

1.9 PEARUH

1.9.1 TAKRIF PEARUH

.

Pearuh menghasilkan kearuhan. Kearuhan adalah arus yang dialirkan

melalui satu pengalir, satu medan magnet kecil terbina mengelilingi pengalir itu.

Sekiranya pengalir ini berbentuk gelung, medan magnet akan membantu satu

sama lain, menjadikannya lebih kuat. Untuk menguatkan lagi medan magnet,

satu teras boleh ditambah. Prinsip gegelung pengalir dikenali sebagai kearuhan.

Pearuh dibuat daripada gegelung dawai dengan satu bahan teras seperti udara,

besi dan bahan ferit. Setiap bahan tersebut mempunyai ciri-ciri tertentu untuk

mendapatkan nilai kearuhan. Unit ukuran kearuhan ialah Henry (H). Peraruh

diwakili oleh L.

1.9.2 JENIS-JENIS PEARUH

Pearuh boleh dibahagikan kepada dua kumpulan iaitu pearuh tetap dan

pearuh bolehubah.

(a) Pearuh Tetap

Pearuh tetap digunakan bagi litar yang memerlukan nilai kearuhan yang

tidak berubah. Empat jenis pearuh tetap ialah teras udara, teras besi, teras besi

serbuk dan teras ferit.

Simbol bagi pemuat tetap

Pearuh ialah komponen yang mempunyai sifat menentang

sebarang perubahan pengaliran arus


25

(i) Pearuh teras udara

Simbol bagi pemuat teras udara

Pearuh teras udara biasanya mempunyai nilai aruhan mikro henry atau

kurang. Oleh kerana nilai kearuhannya rendah, ia biasanya digunakan pada

frekuensi yang tinggi. Contohnya, pearuh ini digunakan sebagai pencekik

frekuensi radio bagi menghalang arus frekuensi radio (frekuensi tinggi) daripada

melalui laluan tertentu dalam litar.

(ii) Pearuh teras besi

Simbol bagi pemuat teras besi

Teras besi yang digunakan ialah teras besi berlapis yang bersalut penebat

nipis. Nilai kearuhan pearuh teras besi adalah daripada beberapa mili henry

hingga beberapa henry. Pearuh teras besi digunakan sebagai penapis frekuensi

rendah dalam litar bekalan kuasa. Ia juga digunakan sebagai pencekik dalam

litar lampu pendaflour

(iii) Pearuh teras serbuk besi dan teras ferit.

Simbol bagi pemuat teras serbuk besi/teras ferit


26

Teras serbuk besi dihasilkan dengan menampakkan serbuk besi yang

diselaputi oleh penebat. Teras ferit pula dibuat daripada bahan magnet bukan

pengalir. Dengan menggunakan teras serbuk besi atau teras besi ferit, nilai

kearuhan akan lebih tinggi dan saiz pearuh dapat dikecilkan. Pearuh teras besi

serbuk dan teras ferit mempunyai tiga bentuk iaitu solenoid, toroid dan teras pot.

Jenis solenoid mempunyai nilai kearuhan 1 mikro henry atau kurang manakala

toroid dan teras pot pula mempunyai nilai kearuhan di antara beberapa mikro

henry hingga beberapa milihenry. Pearuh teras besi serbuk dan teras ferit

biasanya digunakan di dalam litar talaan radio

(b) Pearuh Boleh Ubah

Simbol bagi pemuat boleh ubah

Kearuhan bagi pearuh boleh ubah akan bertambah apabila teras

digerakkan ke dalam belitan dan akan berkurangan apabila digerakkan keluar

belitan. Teras yang biasa digunakan ialah teras ferit dan teras besi serbuk.

Terdapat beberapa bentuk pearuh boleh ubah iaitu antaranya ialah pearuh yang

menggunakan skru logam(tembaga) bagi melaraskan kedudukan teras itu sendiri

mempunyai bebenang untuk pelarasan teras. Bagi pearuh boleh ubah

berperisai, ia dipasangkan pada papan litar bercetak. Kelebihannya ialah perisai

logam dapat mengelakkan komponen berhampiran daripada gangguan yang

dihasilkan oleh pearuh.


27

1.9.4 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI ARUHAN

Kekuatan arus teraruh (induced current) bergantung kepada ;

1) Bilangan lilitan(winding) dalam gelung.

2) Ketelapan bandingan (jenis teras).

3) Luas muka keratan rentas.

4) Arus yang mengalir

5) Panjang laluan fluks magnet.

6) Jumlah fluks.

7) Kekuatan magnet

8) Kecepatan magnet itu ditujah ke dalam gelung


28

1.9.5 Jenis sambungan pearuh

Jenis Sambungan Litar Skematik Kaedah Penghitungan Jumlah Kearuhan, Lj

SIRI

Jumlah kearuhan bagi tiga pearuh disambung siri

Jumlah kearuhan bagi n pearuh disambung siri

SELARI

umlah kearuhan bagi tiga pearuh disambung selari

Jumlah kearuhan bagi n pearuh disambung siri

Jumlah kemuatan bagi n pemuat yang sama disambungan siri,

L2 L1 L3

Lj

Lj

L1

L2

L3


29

SIRI-SELARI

(a) Litar siri-selari diringkaskan menjadi litar siri

LITAR SIRI-SELARI LITAR SIRII

L1 dan L2 selari

L2

LA

L1 L3

LA dan L3 selari

Lj

LA L3


30

SIRI-SELARI

(b) Litar siri-selari diringkaskan menjadi litar selari

LITAR SIRI-SELARI

L3

LB

L1 L2

L1 dan L2 siri

LITAR SELARI

L1 dan L2 selari

Lj

L3

LB


31

!.10 JENIS LITAR AU

Litar AU ialah litar yang menggunakan punca voltan arus ulang alik.

Sepertimana dalam litar AT, hukum Ohm dan hukum Kirchhoff masih digunakan

dalam menganalisis litar AU. Litar AU terbahagi kepada dua bahagian iaitu AU

tulen dan AU gabungan.

1.10.1 Litar AU Tulen

Litar AU tulen mempunyai sama ada perintang, pemuat atau pearuh

sahaja. Litar AU gabungan terdiri daripada gabungan terdiri daripda litar RL, RC

atau RLC yang disambung secara siri, selari atau siri-selari. Dalam modul ini

hanya sambungan siri sahaja yang akan dibincangkan.

(a) Litar Kerintangan Tulen

Rajah 1.10 : Litar Kerintangan Tulen

Rajah 1.10 menunjukkan litar kerintangan dengan punca voltan AU.

Apabila voltan ulang alik dikenakan merentasi perintang, arus ulang alik yang

mengalir melalui litar tersebut boleh ditentukan dengan menggunakan Hukum

Ohm, seperti persamaan berikut:

V

I R

+ VR -


32

dengan VR = susutan voltan pada perintang(volt, V)

R = rintangan dalam litar (ohm, )

Voltan AU dinyatakan dalam nilai punca min kuasa dua (Vpmkd). Lesapan

kuasa pada perintang dalam litar AU dapat dihitung seperti menghitung lesapan

kuasa pada perintang dalam litar AT dan dinyatakan dalam watt (W). Lesapan

kuasa dinyatakan dalam pmkd iaitu,

atau

atau

Litar berintangan tulen AU, arus I dan voltan VR adalah sefasa (tiada

anjakan sudut) kerana kedua-dua gelombang mencapai nilai maksimum dan

minimum serentak seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.11 kerana tidak terdapat

anjakan sudut.

(a) (b)

Rajah 1.13 : Rajah Gelombang (a) dan Rajah Vektor (b) bagi Litar

Kerintangan Tulen

PR = IVR

PR = I2R

PR = VR2

R

Vm1

00 180

0 360

0

I

VR

1800

900

00

I VR

2700


33

1.10.1.1 Kesan kerintangan dalam litar AU

(a) Jika rintangan bertambah maka arus akan berkurangan.

(b) Jika rintangan berkurangan maka arus akan bertambah.

(c) Nilai arus ulang alik yang mengalir pada sebarang titik dalam litar

yang mengandungi rintangan tulin tidak dipengaruhi oleh nilai

frekuensi litar tersebut.

(b) Litar Kemuatan Tulen

Rajah 1.14 : Litar Kemuatan Tulen

Rajah 1.14 menunjukkan litar kemuatan dengan punca voltan arus ulang

alik. Apabila punca voltan AU dibekalkan merentasi pemuat, elektron akan

mengalir berulang alik antara plat logam pada pemuat. Proses mengecas dan

menyahcas berlaku sehingga mewujudkan aliran elektron bagi menghasilkan

arus AU melalui pemuat. Arus yang melalui pemuat sentiasa mendahului voltan

pemuat dengan beza fasa sebanyak 900 .

Dalam Rajah 1.15 (a) dapat diperhatikan bahawa apabila arus mencapai

nilai puncak, Vc yang merentasi pemuat adalah sifar. Seterusnya, apabila Vc

mencapai nilai puncak, arus menjadi sifar.

V

I

C

+ VC -


34

(a) (b)

Rajah 1.15 Rajah Gelombang (a) dan Rajah Vektor (b) bagi Litar Pemuat

Tulen

Berpandukan beza fasa antara gelombang voltan dan arus pada pemuat,

rajah vektor dapat dilukiskan seperti dalam rajah 1.15 (b). Sama seperti

perintang, pemuat juga memberi tentangan kepada aliran arus. Tentangan

kepada aliran arus ini dinamakan regangan berkemuatan (Xc).

dengan , f = frekuensi (Hz)

C = kemuatan (F)

Unit regangan berkemuatan dinyatakan dalam ohm (). Regangan

berkemuatan berkadar songsang terhadap frekuensi dan nilai kemuatan. Arus I

yang mengalir melalui pemuat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

berikut :

dengan, VC = voltan merentasi pemuat (V)

XC = regangan berkemuatan ()

XC = 1 2fC

1800

900

00

I

VC

00 t 90

0

I

VC


35

1.10.1.2 Kesan kemuatan dalam litar AU

(a) Penentangan bagi pengaliran arus yang digambarkan oleh pemuat

dikenali sebagai regangan kemuatan.

(b) Regangan kemuatan adalah senilai dengan rintang bagi perintang.

(c) Regangan kemuatan adalah bergantung kepada nilai frekuensi

bekalan, di mana apabila frekuensi bekalan bertambah, maka nilai

regangan kemuatan akan turut bertambah.

(c) Litar Kearuhan Tulen

Rajah 1.16 : Litar Kearuhan Tulen

Rajah 1.16 menunjukkan litar kearuhan dengan punca voltan AU. Apabila

voltan AU dibekalkan merentasi sebuah pearuh, arus yang mengalir melaluinya

akan membentuk fluks magnet yang berubah-ubah. Perubahan fluks magnet ini

menjana d.g.e. teraruh yang sentiasa menentang pengaliran arus.

Susutan voltan yang merentasi pearuh sentiasa mendahului arus sebanyak

900. Dalam Rajah 1.17 (a) dapat diperhatikan bahawa apabila VL mencapai

puncak, arus yang mengalir pearuh adalah sifar dan apabila VL sifar, arus yang

melalui pearuh mencapai nilai puncak. Dalam litar AU aruhan tulen, arus akan

menyusuli voltan bekalan kuasa dengan beza fasa sebanyak 900 seperti

ditunjukkan dalam Rajah 1.17 (b).

I

+ VL -

V


36

(a) (b)

Rajah 1.17 : Rajah Gelombang (a) dan Rajah Vektor (b) bagi Litar Aruhan

Tulen

Sebagaimana pemuat dan perintang, pearuh juga memberikan tentangan

terhadap pengaliran arus. Sifat pearuh menentang pengaliran arus ulang alik

melaluinya dinamakan regangan kearuhan (XL). Nilai XL dapat dihitung dengan

menggunakan rumus:

dengan, f = frekuensi (Hertz, Hz)

L = kearuhan (Henry, H)

Apabila voltan AU dibekalkan merentasi pearuh yang mempunyai regangan

kearuhan XL, arus yang mengalir melalaui pearuh ialah:

dengan VL = voltan merentasi pearuh (V)

XL = regangan berkearuhan ()

XL = 2fL

2700

00 t 90

0

VL I

1800

900

00

I

VL


37

1.10.1.3 Kesan Aruhan dalam Litar AU

(a) Penentangan bagi pengaliran arus yang digambarkan oleh aruhan

dikenali sebagai regangan kearuhan. Ia senilai dengan rintangan

perintang.

(b) Regangan kearuhan adalah bergantung kepada frekuensi, di mana

apabila frekuensi bertambah, voltan kearuhan (VL) turut bertambah

dan seterusnya regangan kemuatan juga bertambah.

Contoh 1. 5 :

Satu litar RL yang sesiri berintangan 10 dan berkearuhan 0.2H dibekalkan

dengan bekalan AU 250V, 50Hz. Kirakan:

(i) Galangan litar

(ii) Arus litar

(iii) Sudut fasa

Penyelesaian :

Diberi R = 10, L = 0.2H, V = 250V dan f = 50Hz di mana,

XL = 2fL = 2(50)(0.2) = 62.83

(i) Galangan, Z = , Z = = 63.62

(ii) Arus litar, I = = = 3.93A

(iii) Sudut fasa, = tan-1( ) = tan-1 ( )

V Z

250

63.62

XL

R

63.62 10


38

1.10.2 Litar Gabungan Siri

Litar gabungan yang dibincangkan dalam bab ini ialah litar siri RL, siri RC

dan litar siri RLC. Dalam ltar siri, arus yang mengalir pada setiap komponen

adalah sama. Oleh itu, paksi arus menjadi paksi rujukkan pada rajah vektor

yang dilukis. Kuantiti yang berkaitan serta sudut fasa antara I dan V bagi litar

dapat dihitung dengan menggunakan kaedah trigonometri dan teorem

Pythagoras.

(a) Litar siri RL

Rajah 1.18 menunjukkan perintang dan pearuh yang disambung siri

dengan punca voltan AU. Dalam litar ini, voltan pada pearuh sentiasa

mendahului arus dengan sudut 900 manakala voltan pada perintang adalah

sefasa dengan arus. Rajah 1.19 menunjukkan rajah vektor segi tiga voltan bagi

litar siri RL, ialah sudut fasa antara punca voltan V dengan arus I. VR ialah

sudut voltan merentasi perintang R dan VL ialah voltan susut merentasi pearuh L.

Dengan menggunakan teorem Pythagoras, daripada segi tiga voltan

didapati punca voltan ialah :

dan, daripada persamaan di atas diperolehi

VS =

I =

VS

I + VL -

VR I

VL

I

VL VR

Rajah 1.18 : Litar siri RL

Rajah 1.19: Rajah vektor segi tiga voltan bagi litar siri RL

VL VS

VR I


39

Kuantiti dikenali sebagai galangan (Z), iaitu :

dengan XL ialah regangan berkearuhan. Unit galangan ialah ohm ().

Rajah 1.20 menunjukkan rajah vektor segi tiga galangan bagi litar siri RL.

Daripada segi tiga galangan didapati,

maka,

Sudut fasa antara punca voltan dengan arus dapat juga diperoleh dengan

menggunakan segi tiga voltan, (Rajah 1.20), iaitu :

Persamaan bagi segi tiga voltan dapat dinyatakan seperti berikut :

Z =

Z

XL

R I

Rajah 1.20: Rajah vektor segi

tiga galangan bagi litar siri RL Rajah 1.21: Rajah vektor segi tiga kuasa bagi litar siri RL

PS

PL

PR I


40

Susut voltan pada pearuh (VL) dikenali juga sebagai

voltan regangan, iaitu VL = IXL

Susut voltan pada perintang (VR) dikenali juga sebagai

voltan aktif iaitu VR = IR

Punca voltan, VS = IZ =

Rajah 1.21 menunjukkan vektor segi tiga kuasa bagi kuasa nyata(PR), kuasa

regangan (PL) dan kuasa ketara (PS). Persamaan bagi ketiga-tiga kuasa

tersebut dapat dinyatakan seperti berikut :

Kuasa nyata, PR = IVR = IVS kos

Unit kuasa nyata ialah watt (W).

Kuasa regangan, PL = IVL = Ivs sin

Unit kuasa regangan ialah volt-ampere rengangan (VAR).

Kuasa ketara, PS = IVS

Unit kuasa ketara ialah volt-ampere (VA)

Kuasa ketara juga dapat dihitung dengan menggunakan teorem

Pythagoras :

Dengan merujuk rajah segi tiga voltan, segi tiga galangan dan segi tiga

kuasa, faktor kuasa dapat didefinisikan sebagai nisbah antara ;

rintangan dengan galangan

susut voltan pada perintang dengan punca voltan

kuasa nyata dengan kuasa ketara

PS =


41

Faktor kuasa dapat juga dinyatakan dalam bentuk persamaan seperti berikut :

atau

Kuasa nyata dan faktor kuasa dikaitkan seperti berikut :

Faktor kuasa akan bernilai rendah jika sudut fasa antara kuasa nyata dan

kuasa ketara besar. Kuasa nyata menjadi kecil kerana kuasa regangan

bertambah. Keadaan ini berlaku disebabkan kebanyakan beban pada peralatan

elektrik seperti motor aruhan, lampu nyahcas dan alat pengimpal adalah terdiri

daripada perintang dan gegelung berkearuhan tinggi. Jadi beban ini menyebab-

kan fasa punca voltan mendahului arus. Sudut fasa antara voltan dan arus dapat

dikecilkan dengan menambah pemuat dalam litar supaya dapat berfungsi

sebagai pembaik faktor kuasa.

(b) Litar siri RC

Rajah 1.22 menunjukkan perintang dan pemuat yang disambung siri dengan

punca voltan AU. Dalam litar ini, voltan pada pemuat sentiasa mengekori arus

dengan sudut 900 manakala voltan pada perintang adalah sefasa dengan arus.

R VR PR(watt) Faktor kuasa = = = = kos Z VS PR(VA)

Kuasa nyata Faktor kuasa = = kos Kuasa ketara

PR = IVS kos


42

Rajah 1.23 menunjukkan rajah vektor segi tiga voltan bagi litar siri RC,

ialah sudut fasa antara punca voltan VS dengan arus I. VR ialah sudut voltan

merentasi perintang R dan VC ialah voltan susut merentasi pemuat C. Dengan

menggunakan teorem Pythagoras, daripada segi tiga voltan didapati

punca voltan ialah :

dan, daripada persamaan di atas diperolehi

Kuantiti dikenali sebagai galangan (Z), iaitu

dengan XC ialah regangan berkemuatan. Unit galangan ialah ohm ().

I =

VS

Z =

VL VS

VR

I

Rajah 1.23: Rajah vektor segi tiga voltan bagi litar siri RC

Rajah 1.22 : Litar siri RC

VS =

I + VL -

VR I

VC

I

VR VC


43

Rajah 1.24 menunjukkan rajah vektor segi tiga galangan bagi litar siri RC.

Daripada segi tiga galangan didapati,

maka,

Sudut fasa antara punca voltan dengan arus dapat juga diperoleh dengan

menggunakan segi tiga voltan, (Rajah 1.23), iaitu :

Persamaan bagi segi tiga voltan dapat dinyatakan seperti berikut :

Susut voltan pada pearuh (VC) dikenali juga sebagai

voltan regangan, iaitu VC = IXC

Susut voltan pada perintang (VR) dikenali juga sebagai

voltan aktif iaitu VR = IR

Punca voltan, VS = IZ =

Rajah 1.24: Rajah vektor segi

tiga galangan bagi litar siri RC Rajah 1.25: Rajah vektor segi tiga kuasa bagi litar siri RC

XC Z

R

I

PC PS

PR

I


44

Rajah 1.25 menunjukkan vektor segi tiga kuasa bagi kuasa nyata(PR), kuasa

regangan (PC) dan kuasa ketara (PS). Persamaan bagi ketiga-tiga kuasa

tersebut dapat dinyatakan seperti berikut :


Unit kuasa nyata ialah watt (W).

Kuasa regangan, PC = IVC = Ivs sin

Unit kuasa regangan ialah volt-ampere rengangan (VAR).


Unit kuasa ketara ialah volt-ampere (VA)

Kuasa ketara juga dapat dihitung dengan menggunakan teorem

Pythagoras :

Dengan merujuk rajah segi tiga voltan, segi tiga galangan dan segi tiga kuasa,

didapati faktor kuasa iaitu kos bagi litar siri RC dapat ditentukan sama seperti

pada litar siri RL, iaitu

PS =



45

Contoh 1. 6

Satu litar RC yang sesiri berintangan 10 dan berkemuatan 200 F dibekalkan

dengan AU 75V, 50 Hz. Kirakan :

(i) galangan litar

(ii) jumlah arus

(iii) faktor kuasa

Penyelesaian :

Diberi R = 10, C = 200 F, V dibekalkan dengan bekalan AU 75 F dan f = 50

Hz, di mana

XC = = = 15.92

(i) galangan, Z = = Z = = 18.8

(ii) jumlah arus, I = = = 4.71 A

(iii) faktor kuasa, cos = = = 0.628

1 2(50)(200 x 10-6)

1 2fC

V R

75 15.92

R Z

10 15.92


46

(c) Litar Siri RLC

Rajah 1.26 menunjukkan perintang, pearuh dan pemuat yang disambung

siri dengan punca voltan AU. Dalam litar ini, voltan pada perintang adalah

sefasa dengan arus, voltan pada pearuh sentiasa mendahului arus dengan sdut

fasa sebanyak 900 manakala voltan pada pemuat sentiasa mengekori arus

dengan sudut fasa sebayak 900 .

Rajah 1.26 : Sambungan Litar Siri RLC, Bentuk Gelombang Voltan dan Arus,

dan Rajah Vektor Voltan dan Arus

Galangan dalam litar RLC adalah jumlah penentangan perintang, pearuh

dan pemuat terhadap arus dalam litar. Nilai galangan dapat dihitung daripada

hasil tambah secara vektor antara rintangan, R dengan jumlah regangan (XLXC)

seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.27. Rajah 1.27 (a) dan (b) menunjukkan

I

VS

VC VL VR

VL

I VR I

I

Vm1

0

I VR

t

I VC

0

t

VL I

0

VC


47

kedudukan sudut fasa apabila XL XC dan XL XC sehingga menyebabkan sudut

fasa masing-masing berada pada kedudukan sukuan pertama dan sukuan

keempat. Sudut fasa antara punca voltan dengan arus dapat ditentukan seperti

berikut :

(a) (b)

Rajah 1.27 : Rajah Vektor Segi Tiga Galangan Litar Siri RLC

Rajah 1.28 menunjukkan rajah segi tiga voltan bagi litar RLC. Dalam

Rajah 1.28(a) VL VC menghasilkan segi tiga voltan dalam sukuan pertama.

Apabila VL VC, maka VL - VC adalah negatif dan menghasilkan segi tiga voltan

yang berada pada sukuan keempat seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.28(b).

Keadaan ini menyebabakan arus litar mendahului punca voltan.

Z

XL

R I

XC

(XL- XC)

R

XL

R

I

XC

(XL- XC)

Galangan litar siri RLC dapat ditentukan dengan menggunakan teorem Pythagoras

Z = )2


48

(a) VL VC (b) VL VC

Rajah 1.28 : Rajah Vektor Segi Tiga Voltan Litar Siri RLC

Rajah 1.29 menunjukkan rajah segi tiga vektor kuasa bagi kuasa nyata, kuasa

regangan dan kuasa ketara. Ketiga-tiga kuasa tersebut dapat dinyatakan seperti

berikut:

Kuasa ketara juga dapat dihitung dengan menggunakan teorem Phytagoras, iaitu:

Dengan merujuk kepada segi tiga galangan, segi tiga voltan dan segi tiga

kuasa, faktor kuasa iaitu kos dapat ditentukan seperti berikut:

VS

VL

VR I

VC

(VL- VC)

R

XL

R

I

XC

(XL- XC)

Punca voltan litar siri RLC dapat ditentukan dengan menggunakan teorem Pythagoras,

VS =


Kuasa regangan, PX = I(VL - VC) = IVS sin


PS =



49

(a) VL VC (b) VL VC

Rajah 1.29 : Rajah Vektor Segi Tiga Voltan Litar Siri RLC

Contoh 1. 7

Sebuah litar RLC berintangan 100, berkearuhan 100mH dan berkemuatan

200F dibekalkan dengan bekalan kuasa AU 240V, 50Hz. Kirakan :

(i) Galangan litar

(ii) Arus litar

(iii) Faktor kuasa dan sudut fasa

(iv) Kuasa kVA, kuasa kW dan kuasa kVAR

Penyelesaian :

Di mana, XL = 2fL = 2(50)(100x10-3) = 31.42

XC = = = 15.92

(i) Z = )2 = + (31.42 15.91)2 = 101.2

PR = IVR = I2R = VR

2/R

PL = IVL

PC = IVC

PX = I(VL - VC)

PS = IVS = I2Z = VS

2/R

PS

PL

PR I

PC

PX PR

PL

PR

I

PC

PX

1 2fC

1 2(50)(200 x 10-6)


50

(ii) Arus litar, I = = = 2.37 A

(iii) Faktor kuasa, cos = =

TAMAT

V Z

240 101.2

R Z

240 101.2


51

Biblografi

1. Tokheim, Roger L., (1990) Digital Electronics 3rd Edition , McGraw-Hill

International Edition.

2. Sabariah binti Hj. Bohanudin, Maimunah Binti Husien (2005) Prinsip

Elektrik dan Elektronik Tingkatan 4 & 5., Dewan Bahasa dan Pustaka.

3. Salwani binti Mohd Daud et.( 2003) Pengajian Kejuruteraan Elektrik dan

Elektronik Tingkatan 5. Dewan Bahasa dan Pustaka

4. Mohd Isa binti Idris et. (2003) Pengajian Kejuruteraan Elektrik dan

Elektronik Tingkatan 4. Dewan Bahasa dan Pustaka

1 LITAR AU

Documents

Transcript of 1 LITAR AU