pengantar beban listrik

ENERGI DAN DAYA LISTRIK Pemakaian energi listrik dewasa ini sudah sangat luas, bahkan manusia sangat sulit melepaskan diri dari kebutuhan dengan energi listrik. Semakin lama tidak ada satupun alat kebutuhan manusia yang tidak membutuhkan listrik. Karena semua ini manusia tiap hari selalu berfikir bagaimana menciptakan dan menggunakan energi listrik secara efektif dan efesien.

a. Energi ListrikEnergi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Maka pengertian energi listrik adalah kemampuan untuk melakukan atau menghasilkan usaha listrik (kemampuan yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari satu titik ke titik yang lain). Energi listrik dilambangkan dengan W. Sedangkan perumusan yang digunakan untuk menentukan besar energi listrik adalah:

keterangan:W=Energi listrik ( Joule)Q=Muatan listrik ( Coulomb)V=Beda potensial ( Volt )

Karena maka diperoleh perumusan

Apabila persamaan tersebut dihubungkan dengan hukum Ohm ( V = I.R) maka diperoleh perumusan

Satuan energi listrik lain yang sering digunakan adalah kalori, dimana 1 kalori sama dengan 0,24 Joule selain itu juga menggunakan satuan kWh (kilowatt jam).

b. Daya ListrikDaya didefinisikan sebagai kecepatan melakukan kerja atau usaha dalam satuan waktu. Secara matematis pernyataan itu dapat ditulis sebagai berikut.

Keterangan :P=Daya (Watt)W=Usaha (Joule)t=Waktu (Sekon)

Namun, berkaitan dengan perubahan bentuk energi listrik, daya listrik dapat di definisikan sebagai kecepatan perubahann energi listrik menjadi energi bentuk lain. Berdasarkan persamaan energi listrik.

Dan definisi daya

Diperoleh persamaan

keterangan :P=daya listrik (W)V=tegangan listrik (V)I=Kuat arus listrik (A)

Jika dihubungkan dengan hukum Ohm V = IR. persamaan daya listrik juga dapat dirumuskanatau

Pada alat-alat listrik, biasanya tertulis besar daya listrik dan tegangan yang harus digunakan. Misalnya, pada sebuah lampu tertulis 220 V/25 W. Artinya, lampu tersebut mempunyai daya 25W. Jika dipasang pada tegangan 220V. jika dipasang pada tegangan kurang dari 220 V, lampu tersebut akan menyala redup: jika dipasang pada tegangan lebih dari 220 V, lampu tersebut akan menyala lebih terang. Namun, filamennya akan lebih cepat putus. Daya dan tegangan pada suatu alat listrik dapat bervariasi nilainya. tetapi besae hambatan yang terdapat dalam alat tersebut tetap.

KARAKTERISTIK BEBAN PADA SISTEM ARUS LISTRIK BOLAK-BALIK(AC)Dalam sistem listrik arus bolak-balik, jenis beban dapat diklasifikasikan menjadi 3 macam, yaitu :1. Beban resistif (R)2. Beban induktif (L)3. Beban kapasitif (C)

1. Beban Resistif (R)Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan ohm saja (resistance), seperti elemen pemanas (heating element) dan lampu pijar. Beban jenis ini hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai faktor daya sama dengan satu. Tegangan dan arus sefasa. Persamaan daya sebagai berikut :

Dengan :P=daya aktif yang diserap beban (watt)V=tegangan yang mencatu beban (volt)I=arus yang mengalir pada beban (A)

Gambar 1 Rangkaian Resistif Gelombang AC

Gambar 2 Grafik Arus dan Tegangan Pada Beban Resistif

2. Beban Induktif (L)Beban induktif (L) yaitu beban yang terdiri dari kumparat kawat yang dililitkan pada suatu inti, seperti coil, transformator, dan solenoida. Beban ini dapat mengakibatkan pergeseran fasa (phase shift) pada arus sehingga bersifat lagging. Hal ini disebabkan oleh energi yang tersimpan berupa medan magnetis akan mengakibatkan fasa arus bergeser menjadi tertinggal terhadap tegangan. Beban jenis ini menyerap daya aktif dan daya reaktif. Persamaan daya aktif untuk beban induktif adalah sebagai berikut :Dengan :P=daya aktif yang diserap beban (watt)V=tegangan yang mencatu beban (volt)I=arus yang mengalir pada beban (A)=sudut antara arus dan teganganGambar 3 Rangkaian Induktif Gelombang ACGambar 4 Grafik Arus dan Tegangan Pada Beban InduktifUntuk menghitung besarnya rektansi induktif (XL), dapat digunakan rumus :Dengan :XL=reaktansi induktifF =frekuensi (Hz)L=induktansi (Henry)

3. Beban Kapasitif (C)Beban kapasitif (C) yaitu beban yang memiliki kemampuan kapasitansi atau kemampuan untuk menyimpan energi yang berasal dari pengisian elektrik (electrical discharge) pada suatu sirkuit. Komponen ini dapat menyebabkan arus leading terhadap tegangan. Beban jenis ini menyerap daya aktif dan mengeluarkan daya reaktif. Persamaan daya aktif untuk beban induktif adalah sebagai berikut :

Dengan :P=daya aktif yang diserap beban (watt)V=tegangan yang mencatu beban (volt)I=arus yang mengalir pada beban (A)=sudut antara arus dan tegangan

Gambar 5 Rangkaian Kapasitif Gelombang ACGambar 6 Grafik Arus dan Tegangan Pada Beban Kapasitif

Untuk menghitung besarnya rektansi kapasitif (XC), dapat digunakan rumus :Dengan :Dimana :XC=reaktansi kapasitiff=frekuensiC=kapasitansi (Farad)

BEBAN-BEBAN LISTRIK RUMAH TANGGAN1. Setrika Listrik Bagian-bagian utama setrika listrik adalah sebagai berikut: 1. elemen pemanas (elemen inilah yang mengubah energi listrik menjade energi panas); 2. pemegang setrika, terbuat dari bahan isolator. 3. kabel penghubung; 4. logam besi/baja. Gambar 7 Seterika Listrik

Seterika memerlukan adanya panas untuk memudahkan dalam melicinkan pakaian tersebut. Tenaga panas ini diperoleh dari tenaga listrik. Tegasnya, tenaga listrik diubah menjadi tenaga panas. Tinggi panas yang diproduksi tergantung dari besar daya yang dipakai. Semakin besar daya listrik yang dipakai, semakin tinggi panas yang diperoleh. Sebagai sumber panas, digunakan elemen pemanas. Elemen pemanas dipasang antara plat dasar dengan besi pemberatnya. Panas yang dihasilkan oleh elemen pemanas secara konduksi (dihantarkan) kepada plat dasarnya yang dibuat dari logam yang segera akan menjadi panas pula. Plat dasar dibuat dari logam tahan karat atau dilapisi dengan bahan tahan karat, agar tidak mengotori atau merusakkan bahan yang diseterika. Pemegang seterika dibuat dari bahan isolasi bakelit atau ebonit; ada juga yang dibuat dari kayu. Hubungan dengan kabel penghubung ke terminal elemen pemanas dilakukan melalui tusuk kontak atau secara langsung. Ada dua macam elemen pemanas yang biasa dipakai, yaitu kawat nichrom bentuk pita yang dililitkan pada lembaran mika; dibentuk serupa bentuk sole plate, sehingga panasnya merata, serta kawat nichrom dililit spiral dan dimasukkan dalam selongsong/pipa sebagai pelindungnya. Untuk menyekat kawat dari logam pelindung, kawat spiral dilapis/dibungkus oksida magnesium yang merupakan bahan isolasi. Elemen ini dipakai untuk tegangan 110V-220V dengan daya berkisar antara 250-750 watt.Thermostat, adalah alat pengatur suhu, berfungsi memutuskan dan menyambungkan rangkaian seterika listrik dengan sumber arusnya. Bekerjanya otomatik sesuai dengan pengaturan kita. Salah satu jenis thermostat seperti nampak dalam gambar di bawah

Gambar 8 Thermostat

Cara bekerjanya thermostat Mula-mula seterika kita hubungkan dengan sumber tegangan, kemudian tombol pengatur panas ditempatkan pada suatu kedudukan tertentu. Setelah seterika bekerja dan suhu telah melampaui batas suhu yang ditetapkan, thermostat membuka kontak-kontaknya dan arus listrik tidak mengalir lagi. Kemudian jika suhu telah turun di bawah batas penetapannya, thermostat akan menutup kontak-kontaknya lagi. Memutar tombol pengatur panas pada dasarnya mengatur tekanan pegas. Hal ini akan menentukan jarak/jauhnya bilah thermostat membengkok sebelum kontak-kontaknya membuka dan berarti pekerjaan ini menetapkan suhu yang dikehendaki.

2. Kompor ListrikProduk kompor ini dikendalikan oleh sebuah chip mikrokontroler yang memakai energi listrik. Sebenarnya penggunaan kompor ini sangatlah mudah dan efesien, dengan hanya menghubungkan alat ini ke sumber listrik AC maka kompor magnet pun dapat langsung bekerja, adapun prosedur kerja kompor tersebut menggunakan konverter dan elemen pengontrol dari 50 Hz, menjadi frekuensi tinggi hingga 25 kHz. Selanjutnya, listrik dengan frekuensi tinggi itu dialirkan ke kumparan induksi. arus bolak balik inilah yang membangkitkan garis-garis medan magnet yang selalu berubah mengikuti perubahan arusnya. Medan magnet ini memotong atau menembus tempat (wadah) untuk memasak yang terbuat dari logam, pada logam akan timbul ggl (tegangan) sesuai dengan hukum Faraday. Karena logam tempat memasak merupakan satu kesatuan, maka secara kelistrikan sama seperti dihubungkan secara singkat. Ketika tegangan dihubungkan secara singkat, maka akan timbul arus pusar yang berputar-putar. arus pusar mengalir dalam logam, mengandung resistansi yang walaupun kecil akan menimbulkan panas. Panas inilah yang dapat dimanfaatkan untuk memasak. Panas yang dibangkitkan oleh kompor itu bergantung dari energy listrik yang dikonversikan ke bentuk panas. Semakin tinggi frekuensi maka akan semakin tinggi pula daya kompor, dan semakin tinggi pula suhu (panas) kompor. Karena kerjanya seperti itu maka tempat memasak atau wadah dari masakan harus terbuat dari logam penghantar. Bila tidak maka tidak akan terjadi pemanasan, karena tidak ada efek induksi electromagnet pada tempat memasaknya.Gambar 8 Kompor Listrik

3. Lampu Pijar (Bohlam)Lampu pijar adalah sumber cahaya buatan yang dihasilkan melalui penyaluranarus listrikmelaluifilamenyang kemudian memanas dan menghasilkan cahaya. Kaca yang menyelubungi filamen panas tersebut menghalangi udara untuk berhubungan dengannya sehingga filamen tidak akan langsung rusak akibatteroksidasi. Lampu pijar dipasarkan dalam berbagai macam bentukdan tersedia untuk tegangan (voltase) kerja yang bervariasi dari mulai 1,25 volthingga 300 volt.Energi listrikyang diperlukan lampu pijar untuk menghasilkan cahaya yang terang lebih besar dibandingkan dengan sumber cahaya buatan lainnya sepertilampu pendardandioda cahaya, maka secara bertahap pada beberapa negara peredaran lampu pijar mulai dibatasi.Di samping memanfaatkan cahaya yang dihasilkan, beberapa penggunaan lampu pijar lebih memanfaatkan panas yang dihasilkan, contohnya adalah pemanas kandangayam,danpemanas inframerahdalam proses pemanasan di bidang industri. Pengembangan lampu pijar sudah dimulai pada awal abad XIX. Sejarah lampu pijar dapat dikatakan telah dimulai dengan ditemukannyatumpukan voltaolehAlessandro Volta. Pada tahun1802,Sir Humphry Davymenunjukkan bahwa arus listrik dapat memanaskan seuntai logam tipis hingga menyala putih. Lalu, pada tahun1820,Warren De la Ruemerancang sebuah lampu dengan cara menempatkan sebuah kumparanlogam muliaplatinadi dalam sebuah tabung lalu mengalirkan arus listrik melaluinya. Hanya saja, harga logam platina yang sangat tinggi menghalangi pendayagunaan penemuan ini lebih lanjut. Elemenkarbonjuga sempat digunakan, namun karbon dengan cepat dapat teroksidasi di udara; oleh karena itu, jawabannya adalah dengan menempatkan elemen dalam vakum.

Gambar 8 Bagian- bagian Lampu Pijar (Bohlam)

Keterangan :1. Bola lampu2. Gas bertekanan rendah (argon,neon,nitrogen)3. Filamen wolfram4. Kawat penghubung ke kaki tengah5. Kawat penghubung ke ulir6. Kawat penyangga7. Kaca penyangga8. Kontak listrik di ulir9. Sekrup ulir10. Isolator11. Kontak listrik di kaki tengah

Elemen pemanas mudah sekali terbakar. Untuk mengatasinya, bola lampu diisi dengan gas argon dan nitrogen. yaitu gas yang tidak bereaksi dengan logam sehingga filamen tidak terbakar. Ketika dialiri arus listrik. filamen dapat berpijar sampai suhu 1.000oC. Pijaran filamen inilah yang menghasilkan panas dan cahaya.

4. Kipas AnginKipas angin adalah suatu alat yang memberi cukup banyak manfaat bagi kehidupan. Kipas angin berfungsi untuk memberikan udara dingin dan segar ketika suhu udara terasa panas. Cara kerja kipas angin adalah alat yang dapat mengubah energy listrik menjadi energy gerak. Dengan menggunakan motor listrik yang berguna untuk mengubah energy listrik menjadi energy gerak. Dalam motor listrik tersebut, ada kumparan besi yang bergerak dan sepasang magnet U pada bagian yang diam. Saat listrik mengalir pada lilitan kawat dalam kumparan besi, peristiwa ini mengubah kumparan besi menjadi magnet. Magnet tersebut menghasilkan gaya berputar secara periodik pada kumparan besi, Hal ini disebabkan oleh sifat magnet yang saling tolak menolak pada kedua kutubnya, sehingga gaya tolak menolak magnet antara sepasang magnet dan kumparan besi membuat gaya berputar.Oleh karena itu, poros kumparan menjadi tempat baling-baling kipas angin dikaitkan. Untuk memperbesar hembusan angin pada kipas angin, perlu penambahan tegangan listrik pada kumparan besi agar cara kerja kipas angin lebih optimal. Bila saklar dinyalakan maka arus listrik akan mengalir pada kumparan stator motor dan menimbulkan gaya gerak listrik sehingga rotor motor berputar, di ujung rotor dipasang kipas untuk mengerakan putaran kipas.Gambar 9 Fisik Kipas Angin

Gambar 9 Bagian dalam Motor Listrik

5. Air ConditionerAir Conditioner (AC) merupakan sebuah alat yang digunakan untuk pengkondisian udara didalam ruangan. Compressor AC yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam compressor AC dialirkan ke condenser yang kemudian dimampatkan di kondenser. Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi compressor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan. Pada kondensor tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondenser relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator. Setelah refrigent lewat kondenser dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikian rupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun. Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser. Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada di dalam substansi yang akan didinginkan. Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka enthalpi [*] substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya enthalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan. Dengan adanya mesin pendingin listrik ini maka untuk mendinginkan atau menurunkan temperatur suatu substansi dapat dengan mudah dilakukan. Udara dingin tersebut sebenarnya merupakan output dari sistem yang terdiri dari beberapa komponen, yaitu; compressor AC, kondensor, orifice tube, evaporator, katup ekspansi, dan evaporator.

1. Compressor AC

Compressor AC adalah power unit dari sistem AC. Ketika AC dijalankan, compressor AC mengubah fluida kerja/refrigent berupa gas dari yang bertekanan rendah menjadi gas yang bertekanan tinggi. Gas bertekanan tinggi kemudian diteruskan menuju kondensor.

2. Kondensor AC

Kondensor adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengubah gas yang bertekanan tinggi berubah menjadi cairan yang bertekanan tinggi yang kemudian akan dialirkan ke orifice tube. Kondensor merupakan bagian yang panas dari air conditioner. Kondensor bisa disebut heat exchange yang bisa memindahkan panas ke udara atau ke intermediate fluid (semacam air larutan yang mengandung ethylene glycol), untuk membawa panas ke orifice tube.

3. Orifice Tube

Orifice tube merupakan tempat di mana cairan bertekanan tinggi diturunkan tekanan dan suhunya menjadi cairan dingin bertekanan rendah. Dalam beberapa sistem, selain memasang sebuah orifice tube, dipasang juga katup ekspansi.

4. Katup Ekspansi

Katup ekspansi merupakan komponen penting dalam sistem air conditioner. Katup ini dirancang untuk mengontrol aliran cairan pendingin melalui katup orifice yang merubah wujud cairan menjadi uap ketika zat pendingin meninggalkan katup pemuaian dan memasuki evaporator/pendingin.

5. Evaporator AC

Refrigent menyerap panas dalam ruangan melalui kumparan pendingin dan kipas evaporator meniupkan udara dingin ke dalam ruangan. Refrigent dalam evaporator mulai berubah kembali menjadi uap bertekanan rendah, tapi masih mengandung sedikit cairan. Campuran refrigent kemudian masuk ke akumulator / pengering. Ini juga dapat berlaku seperti mulut/orifice kedua bagi cairan yang berubah menjadi uap bertekanan rendah yang murni, sebelum melalui compressor AC untuk memperoleh tekanan dan beredar dalam sistem lagi. Biasanya, evaporator dipasangi silikon yang berfungsi untuk menyerap kelembapan dari refrigent.

6. Thermostat

Thermostat pada air conditioner beroperasi dengan menggunakan lempeng bimetal yang peka terhadap perubahan suhu ruangan. Lempeng ini terbuat dari 2 metal yang memiliki koefisien pemuaian yang berbeda. Ketika temperatur naik, metal terluar memuai lebih dahulu, sehingga lempeng membengkok dan akhirnya menyentuh sirkuit listrik yang menyebabkan motor AC aktif.