Pembangkitan tegangan bolak-balik adalah konsep dasar dalam teknik kelistrikan yang melibatkan produksi sinyal listrik yang secara berkala mengubah arah, besaran, dan frekuensi. Tegangan bolak-balik banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari pembangkit listrik dan transmisi hingga elektronik konsumen, dan pembangkitannya bergantung pada prinsip induksi elektromagnetik.
Arus bolak-balik (AC) terus menerus berbalik arah, mengalir secara bergantian ke satu arah dan kemudian ke arah lainnya. Tegangan bolak-balik dapat dijelaskan dengan cara yang sama. Biasanya, tegangan dan arus AC adalah sinusoidal dan hubungan yang pasti ada di antara nilai puncak, rata-rata, dan efektif.
Pertimbangkan dua konduktor terhubung seri yang berputar dalam medan magnet, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Konduktor 1 dan 2 membentuk lingkaran di dalam medan yang dipasang di antara dua kutub magnet. Konduktor diikat secara mekanis ke poros yang dilengkapi dengan engkol untuk memutar tangan. Setiap konduktor terhubung ke cincin slip, dan cincin slip memiliki sikat untuk menghubungkan secara elektrik ke terminal eksternal (A dan B). Ketika loop diputar, konduktor memotong (atau menyikat) fluks magnet, menyebabkan ggl dihasilkan di setiap konduktor.
Loop adalah Horisontal Gambar 2(a): Loopnya horizontal, dan konduktor satu bergerak ke atas sementara konduktor dua bergerak ke bawah. Karena gerak setiap konduktor sejajar dengan arah medan magnet pada saat ini, tidak ada fluks yang dipotong oleh konduktor, sehingga tidak ada EMF yang dihasilkan. Seperti yang diilustrasikan oleh titik ‘a’ pada grafik tegangan (e) versus waktu (t), tegangan pada terminal keluaran (A dan B pada Gambar 1) adalah nol.
Konduktor Bergerak pada Sudut Gambar 2(b): Konduktor sekarang bergerak pada sudut melintasi medan, sehingga masing-masing memotong beberapa fluks, dan EMF diinduksi di setiap konduktor. Menurut hukum Lenz, arah EMF yang diinduksi harus sedemikian rupa sehingga melawan gerakan yang menyebabkan EMF. Jadi, EMF yang diinduksi dalam konduktor satu menyebabkan arus mengalir ke arah penampil, seperti yang diilustrasikan. Arus ini menghasilkan fluks magnet berlawanan arah jarum jam di sekitar konduktor, yang memperkuat medan magnet di depan konduktor dan melemahkannya di belakang (yaitu melawan gerakan konduktor). Demikian pula, EMF yang diinduksi dalam konduktor 2 menyebabkan arus ke arah yang ditunjukkan, jauh dari penampil. Fluks searah jarum jam dipasang di sekitar konduktor 2, yang sekali lagi melemahkan fluks di belakang konduktor dua dan memperkuatnya di depan konduktor, melawan gerakan konduktor. Terlihat bahwa arah arus dalam dua konduktor sedemikian rupa sehingga mereka saling membantu [yaitu, arus mengalir di sekitar loop (pada Gambar 1) dalam satu arah]. Akibatnya, tegangan keluaran positif di terminal A dan negatif di terminal B. (Konduktor 1 terhubung ke A, dan konduktor dua terhubung ke B.) Arus mengalir ke arah yang ditunjukkan (dari A ke B) melalui beban eksternal RL. Ketika pertumbuhan tegangan terminal e diplot terhadap waktu t, hasilnya diilustrasikan oleh grafik (atau bentuk gelombang) pada Gambar 2(i). Titik ‘a’ mewakili tegangan keluaran nol yang diperoleh untuk kondisi pada Gambar 2(a), dan titik ‘b’ adalah tegangan keluaran beberapa saat kemudian ketika posisi konduktor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(b).
Konduktor Bergerak Tegak Lurus ke Medan Magnet Gambar 2(c): Konduktor sekarang bergerak tegak lurus terhadap medan magnet. Jadi, mereka memotong fluks maksimum dan menghasilkan EMF maksimum. Sekali lagi, arah arus saling membantu sehingga arus mengalir di sekitar loop dan terminal A tetap positif sedangkan terminal B negatif. Arus keluaran melalui RL sekarang lebih besar dari sebelumnya, dan seperti yang ditunjukkan pada grafik e-versus-t, tegangan keluaran telah mencapai nilai puncak, titik ‘c.’
Konduktor Bergerak dengan Sudut Kurang dari 90o
Gambar 2(d): Sekarang, konduktor kembali bergerak dengan sudut kurang dari 90° terhadap arah medan magnet. Jadi, jumlah fluks yang dipotong berkurang, dan akibatnya, GGL yang dihasilkan lebih kecil daripada kondisi pada Gambar 2(c). Arah arus dan polaritas tegangan keluaran sama seperti sebelumnya. Namun, tegangan keluaran kini telah turun di bawah level puncak, seperti yang ditunjukkan pada titik ‘d’ pada grafik e-versus-t.
Konduktor Bergerak Sejajar dengan arah Medan Magnet
Gambar 2(e): Pada saat ini, konduktor kembali bergerak sejajar dengan arah medan magnet. Tidak ada fluks yang dipotong, jadi tidak ada EMF yang dihasilkan. Tegangan output adalah nol dan diplot pada titik ‘e’ pada grafik tegangan-versus-waktu.
Konduktor Bergerak pada Sudut
Gambar 2(f): Konduktor sekali lagi bergerak pada sudut terhadap arah medan magnet. Namun, kedua konduktor sekarang memiliki arah arus induksi terbalik. Arah arus di konduktor satu mengalir menjauh dari penonton, sedangkan di konduktor dua menuju penonton. Terlihat bahwa arus masih saling membantu sehingga arus di sekitar loop masih memiliki satu arah (namun terbalik). Tegangan keluaran sekarang sedemikian rupa sehingga terminal B (pada Gambar 1) positif, sedangkan terminal A negatif. Tegangan keluaran sesaat yang diplot terhadap waktu memberikan titik ‘f’ pada grafik.
Konduktor Bergerak Tegak Lurus ke Medan Magnet
Gambar 2(g): Gerakan konduktor sekali lagi tegak lurus terhadap medan magnet, dan fluks maksimum dipotong. Jadi, EMF maksimum kembali dihasilkan. Tegangan output masih merupakan besaran negatif dan telah mencapai nilai puncaknya, diplot pada titik ‘g’ pada grafik e-versus-t. Sangat mudah dilihat bahwa ketika putaran loop berlanjut, tegangan keluaran menjadi nol sekali lagi, kemudian berbalik lagi, dan siklus berulang-ulang.
Karena tegangan yang dihasilkan oleh loop berputar adalah positif dan negatif secara bergantian, ini disebut sebagai tegangan bolak-balik. Arus yang dihasilkan dalam beban yang disuplai oleh tegangan bolak-balik mengalir pertama ke satu arah dan kemudian ke arah lainnya. Jadi, itu adalah arus bolak-balik. Penunjukan AC biasanya diterapkan pada arus dan tegangan. Grafik tegangan/waktu pada Gambar 2(i) disebut bentuk gelombang AC.
Takeaways dari Alternating Voltage Generation
Pembangkitan tegangan bolak-balik adalah konsep penting dalam teknik kelistrikan yang telah membentuk dunia modern. Kemampuan untuk menghasilkan tegangan yang dapat diprediksi mengubah arah dan besarnya telah memungkinkan pengembangan berbagai sistem dan perangkat kelistrikan. Prosesnya bergantung pada prinsip induksi elektromagnetik, yang menjadi dasar pengoperasian generator, motor, dan transformator.
sumber: eepower.com