TEKNIK TENAGA LISTRIK ARUS SEARAH Disusu

TEKNIK TENAGA LISTRIK:
ARUS SEARAH

Disusun oleh :
Haby Junda
Hans Kristian
Intan Permata
Irvan Bayu

Teknik Pertambangan
Fakultas Teknologi Kebumian Dan Energi
Universitas Trisakti
1

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum wr.wb. Pertama tama marilah kita panjatkan puji syukur kehadirat
Allah SWT, karena berkat rahmatnya kami dapat menyelesaikan makalah dari materi kuliah
“Teknik Tenaga Listrik” dengan tema “Arus Searah”.
Makalah ini dibuat dengan tujuan agar kami atau teman teman pembaca selaku
mahasiswa yang mengambil mata kuliah ini dapat mengerti secara mudah tentang Arus Searah

yang termasuk dalam bagian materi kuliah teknik tenaga listrik ini.
Tentu saja dalam pembuatan makalah ini, kami selaku penulis menyadari bahwa masih
jauh dari kata sempurna. Untuk itu kami sangat mengharapkan kritik dan saran dari rekan rekan
sekalian karena kritik dan saran akan sangat berguna bagi koreksi kami.
Demikian makalah ini saya buat semoga bermanfaat,

Jakarta, 28 September 2016

2

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ....................................................................................

2

DAFTAR ISI ............................................................................................................

3

BAB I : PENDAHULUAN

.....................................................................................

4

BAB II : ISI .............................................................................................................

5

DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. 35

3

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah
Cahaya lampu dihasilkan dari energi listrik. Untuk mengalirkan muatan listrik dari katoda ke
anoda membentuk siklus yang tiada henti sumber tegangan harus mengerluarkan energi. Energi
ini diperlukan untuk menggerakan muatan-muatan listrik di dalam lampu, yang terindikasi

dengan nyala lampu. Nyala lampu terjadi karena muatan-muatan listrik menimbulkan energi
kalor ketika melalui kawat filament lampu.
Dari contoh lampu tadi kita dapat tentang adanya beda potensial dalam muatan listrik. Satuan
beda potensial adalah volt (V). Dan dalam mengukur besarnya ggl atau beda potensial, kita dapat
menggunakan multimeter. Pada multimeter saklarnya di tunjukkan pada tulisan DC V atau AC V.
DC adalah arus listrik searah, sedangkan AC arus listrik bolak-balik. AC dan DC sering kali kita
jumpai dalam kehidupan kita sehari-hari.
Pemakaian AC dan DC tidak bisa sembarangan kita harus memperhitungkan kekuatan listrik
tersebut atau daya listrik yang di miliki semua benda elektronik.

1.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud arus listrik searah?
2. Apa yang dimaksud sumber arus listrik searah?
3. Apa saja yang termasuk sumber arus listrik searah?
4. Bagaimana penjelasan dan cara kerja masing-masing benda yang dikategorikan sebagai
sumber arus listrik searah?

4

BAB I

ISI

Semua sumber listrik yang dapat menimbulkan arus listrik tetap terhadap waktu dan arah
tertentu disebut sumber-sumber listrik arus searah. Sumber listrik arus searah dibagi menjadi
empat macam, yaitu:
1.

Elemen Elektrokimia
Elemen elektrokimia adalah sumber listrik arus searah dari proses kimiawi. Dalam elemen
ini terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Elemen elektrokimia dapat
dibedakan berdasarkan lama pemakaiannya sebagai berikut:
a. Elemen Primer: Elemen primer adalah sumber listrik arus searah yang memerlukan
penggantian bahan setelah dipakai. Contoh elemen primer sebagai berikut:
 Elemen Volta
Elemen volta adalah sejenis baterai kuno yang diciptakan oleh Alesandro Volta..
Elemen volta masih diterapkan sampai saat ini. Meskipun bentuknya sudah
dimodifikasi. Elemen volta terdiri atas 2 elektroda dari logam yang berbeda yang
dicelupkan pada cairan asam atau larutan garam. Pada zaman dahulu, cairan asam


atau garam tersebut berupa kain yang dicelup dalam larutan garam/asam.
Elemen Daniell
Penemu elemen daniel adalah John Frederic Daniell. Elemen Daniell adalah elemen
yang gaya gerak listriknya agak lama karena adanya depolarisator. Depolarisator
adalah zat yang dapat menghambat terjadinya polarisasi gas hidrogen. Depolarisator





pada elemen ini adalah larutan tembaga (sulfat).
Elemen Leclanche
Jenis elemen leclanche ada dua macam, yaitu elemen kering dan basah, terdiri atas
dua bejana kaca yang berisi:
- batang karbon sebagai kutub positif (anoda)
- batang seng sebagai kutub negatif (katoda)
- batu kawi sebagai depolarisator
- larutan amonium klorida sebagai elektrolit
Elemen Kering
5

Elemen kering adalah sumber arus listrik yang dibuat dari bahan-bahan kering yang
tidak dapat diisi kembali (sekali pakai). Elemen ini termasuk elemen primer. Contoh
elemen kering antara lain, batu baterai dan baterai perak oksida (baterai untuk jam
tangan). Bahan untuk kutub positif digunakan batang karbon, dan untuk kutub
negatif digunakan lempeng seng.
b. Elemen Sekunder: Elemen sekunder adalah sumber arus listrik yang tidak memerlukan
penggantian bahan pereaksi (elemen) setelah sumber arus habis digunakan. Sumber ini
dapat digunakan kembali setelah diberikan kembali energi (diisi atau disetrum).
Contoh dari elemen sekunder yaitu akumulator (aki). Akumulator adalah termasuk
sumber listrik yang dapat menghasilkan tegangan listrik arus searah (DC). Prinsip kerja
dari akumulator adalah berdasarkan proses kimia. Secara sederhana, prinsip kerja
akumulator dapat dijelaskan sebagai berikut:
 Pemakaian
Pada saat akumulator dipakai, terjadi pelepasan energi dari akumulator menuju
lampu. Dalam peristiwa ini, arus listrik mengalir dari kutub positif ke pelat kutub
negatif. Setelah akumulator dipakai beberapa saat, pelat kutub negatif dan positif
akan dilapisi oleh sulfat. Hal ini menyebabkan beda potensial kedua kutub menjadi


sama dan kedua kutub menjadi netral.
Pengisian
Setelah kedua kutub netral dan arus tidak mengalir, kita harus menyetrum aki agar
dapat digunakan kembali. Pada saat aki diestrum, arah arus berlawanan dengan pada
saat digunakan,yaitu dari kutub negatif ke positif.

Contoh lainnya seperti batu baterai yang digunakan pada telepon genggam, laptop,
kamera, lampu emergensi dll.

2.

Generator Arus Searah
Generator arus searah atau DC (Direct Current) adalah alat yang digunakan untuk mengubah
energi gerak (mekanis) menjadi energi listrik dengan arus searah. Generator DC dibedakan
menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya
terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu:
6

1) Generator penguat terpisah
2) Generator shunt

3) Generator kompon
Generator DC terdiri dua bagian, yang pertama stator, yaitu bagian mesin DC yang diam,
dan yang kedua, bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri
dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian
rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.
Prinsip kerja generator ini adalah induksi elektromagnetik, yaitu perubahan medan magnet
yang terjadi pada kumparan kawat sehingga terjadi arus listrik. Pembangkitan tegangan
induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:
1) Dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
2) Dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.

3.

Termoelemen
Termoelemen adalah sumber arus listrik searah dari proses yang terjadi karena adanya
perbedaan suhu. Termoelemen mengubah energi panas menjadi energi listrik. Peristiwa ini
dikemukakan oleh Thomas John Seebach pada tahun 1826. Arus yang ditimbulkan dari
kejadian ini disebut termoelemen. Semakin besar perbedaan suhu antara A dan B, semakin
besar arus yang mengalir. Tetapi, karena arus yang dihasilkan relatif kecil, termoelemen
belum dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari.

4.

Sel Surya (Solar Cell)
Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah
wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu
menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang
riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics.

7

Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga
listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator
genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di
atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah
pengaturan net metering. Prinsip kerjanya sebagai berikut.
Jika pelat foil alumunium terkena cahaya matahari, maka pelat alumunium akan panas dan
diteruskan ke pelat silikon. Silikon bersifat semikonduktor, sehingga pada suhu yang tinggi,
elektron-elektron akan terlepas dan menempel pada foil alumunium dan muatan-muatan
positifnya menempel pada foil besi. Jika kedua foil dihubungkan melalui rangkaian luar,

maka akan menimbulkan aliran elektron. Ini karena pada kedua foil tersebut, terdapat
perbedaan potensial. Potensial yang dibangkitkan oleh sel surya sangat kecil sehingga
membutuhkan banyak sekali sel Sel surya juga terlalu mahal sehingga penggunaannya
sangat terbatas pada alat-alat tertentu saja.
Besar arusnya pun sangat bergantung pada intensitas cahaya yang menembus pelat, jumlah
sel yang ada, dan luas penampang yang terkena cahaya. Contoh barang yang telah
menggunakan tenaga surya yaitu, mobil listrik tenaga surya dan sumber energi pada satelit.

A. GENERATOR ARUS SEARAH
Generator arus searah adalah mesin pengubah energi mekanik menjadi energi listrik,
sedangkan penggerak dari generator disebut prime mover yang dapat berbentuk turbin air, uap,
mesin diesel dll.

8

Generator arus searah atau yang biasa disebut DC (Direct Current) memiliki satu cincin
yang dibelah sehingga dinamakan cincin belah atau komutator. Kedua sikat karbon bersentuhan
dengan kedua cincin belah secara bergantian, sehingga salah satu sikat karbon selalu berpolaritas
positif dan yang lain berpolaritas negatif. Hal ini menyebabkan arus listrik induksi yang mengalir
ke luar generator adalah searah.

Gambar 1.1.
Generator Arus Searah

A.1. Prinsip Induksi Elektromagnetik
Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik.
Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik
yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo. Di dalam generator dan
dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan atau magnet yang berputar menyebabkan
terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan perubahan tersebut
menyebabkan terjadinya GGL (Gaya Gerak Listrik) induksi pada kumparan. Energi mekanik
yang diberikan generator dan dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal itu
menyebabkan GGL induksi dihasilkan secara terus-menerus dengan pola yang berulang
secara periodik.
Ketika kutub utara magnet digerakkan memasuki kumparan, jarum galvanometer
menyimpang ke salah satu arah (misalnya ke kanan). Jarum galvanometer segera kembali
9

menunjuk ke nol (tidak menyimpang) ketika magnet tersebut didiamkan sejenak di dalam
kumparan. Ketika magnet batang dikeluarkan, maka jarum galvanometer akan menyimpang
dengan arah yang berlawanan (misalnya ke kiri). Jarum galvanometer menyimpang disebabkan
adanya arus yang mengalir dalam kumparan. Arus listrik timbul karena pada ujung-ujung
kumparan timbul beda potensial ketika magnet batang digerakkan masuk atau keluar dari
kumparan. Beda potensial yang timbul ini disebut gaya gerak listrik induksi (GGL induksi).
Ketika magnet batang digerakkan masuk, terjadi penambahan jumlah garis gaya magnetik
yang memotong kumparan (galvanometer menyimpang atau ada arus yang mengalir). Ketika
batang magnet diam sejenak maka jarum galvanometer kembali ke nol (tidak ada arus yang
mengalir). Ketika batang magnet dikeluarkan terjadi pengurangan jumlah garis gaya magnetik
yang memtong kumparan (galvanometer menyimpang dengan arah berlawanan). Jadi, akibat
perubahan jumlah garis gaya magnetik yang memotong kumparan, maka pada kedua ujung
kumparan timbul beda potensial atau GGL induksi. Arus listrik yang disebabkan oleh perubahan
jumlah garis gaya magnetik yang memotong kumparan disebut arus induksi. Dan arus ini akan
membangkitkan kembali medan magnet, memperbesar medan magnet, demikian seterusnya,
sehingga dihasilkan:

Keterangan:
N = Jumlah lilitan
∆∅
∆t

= Fluks magnetik (Weber atau Wb)
= Perubahan waktu / selang waktu (sekon)

Ei = GGL induksi (Volt)
Tanda negatif menunjukkan arah GGL
10

Gambar 1.2.
Terjadinya Gaya Gerak Listrik

Faktor-faktor yang menentukan besaran GGL:
1) Banyaknya lilitan kumparan
2) Kecepatan keluar-masuk magnet dari dan keluar kumparan
3) Kuat magnet batang yang digunakan

A.2. Prinsip Induksi Homopolar / a-Acyclis
Michael Faraday (1792 – 1867), fisikawan asal Inggris yang pertama kali menemukan
motor

homopolar.

Motor

homopolar

pada dasarnya

merupakan

sebuah

piringan

konduktor berputar secara bebas pada daerah medan magnetik yang dihasilkan oleh sebuah
11

magnet permanen. Perputaran ini diakibatkan torka yang dihasilkan oleh gaya magnet yang
bekerja pada piringan tersebut. Pada

motor

homopolar,

piringan konduktor diganti dengan

piringan konduktor yang menghasilkan medan mgnet itu sendiri,atau menggunakan magnet
silinder.
Untuk menghasilkan putaran yang cepat harus menggunakan magnet dengan medan
magnet yang kuat seperti magnet Neodymium (NeFeB). Terdapat dua model rangkaian
homopolar, yaitu

model

“ayun / gantung”

dan

model “menggelinding”.

Pada

model

ayun / gantung salah satu sisi dari magnet ditempelkan pada pangkal sebuah skrup, dengan
demikian sekrup akan mempunyai sifat magnet. Ujung sekrup
bawah sebuah

baterai.

Kemudian

ujung

ditempelkan

pada

bagian

kawat tembaga ditempelkan pada bagian atas

baterai menggunakan jari, dan ujung yang bawah disentuhkan pada magnet silinder
sehingga akan terbentuk rangkaian tertutup yang akan menghasilkan arus dan menyebabkan
magnet berputar.
Perputaran magnet dapat dijelaskan dengan aturan tangan kanan untuk menentukan
arah gaya magnet pada sebuah konduktor penghantar arus yang berada pada pengaruh medan
magnet.

Gambar 1.3.
Arah Arus, Medan Magnet dan Gaya Lorentz

12

Menurut gambar di atas, torsi yang dihasilkan menyebabkan magnet berputar berlawan arah
jarum jam Jika dilihat dari atas.

Gambar 1.4.
Kaidah Tangan Kanan

Magnet silinder menjadi penghantar arus, dimana arus mengalir secara radial ke pusat.
Berdasarkan aturan tangan kanan dihasilkan gaya Lorentz dalam komponen arah radial. Pada
model menggelinding magnet silinder ditempelkan pada kedua kutub baterai. Kemudian
membuat kabel tembaga mebentuk huruf U dan menghubungkan ujung-ujungnya pada magnet
sehingga mebentuk rangkaian tertutup. Arus akan mengalir melalui magnet silinder dan
mengahsilkan gaya magnet pada magnet yang nantinya akan berfungsi sebagai roda. Resultan
dari torsi yang dihasilkan pada kedua roda tersebut menyebabkan magnet dan baterai
mengelinding bersama kawat U.
Untuk menganalisis persamaan gerak yang dihasilkan pada magnet silinder kita membuat
anggapan bahwa torsi total pada motor didominasi oleh arus yang mengalir pada permukaan
magnet yang mengalir secara radial ke pusat. Sehingga rangkaian dapat dibuat seperti pada
gambar berikut ini.

13

Gambar 1.5.
Arah Gaya Lorentz dan Perputaran Magnet

Menurut gambar di atas, torsi yang dihasilkan menyebabkan magnet berputar berlawan arah
jarum jam jika dilihat dari atas. Untuk suatu perputaran dan kuat medan magnet yang konstan
akan dihasilkan GGL induksi yang konstan pula.

∅=B .

ω
. π . r 2 .t
2π

∅=B .

r
.ω .t
2

2

e ind =

−d ∅
dt

e ind =

−B .r 2
. ω.
2

Keterangan:
e ind yang dihasilkan mempunyai nilai terbatas.

r = jari-jari keeping
14

B = kuat magnet
ω = kecepatan sudut

A.3. Prinsip Induksi Heteropolar / Acyclis
Dalam prinsip pembangkitan induksi heteropolar (asiklis) menjelaskan bahwa apabila
sepotong kawat berada dalam medan magnet diputar pada sumbunya, maka kawat tersebut akan
memotong garis-garis gaya sehingga fluks yang dilingkupinya sebesar

∅=∅ m . cosθ

∅m=∅ maksimum

Gambar 1.6.
Kumparan Induksi Magnetik

Saat kumparan pada posisi A – B (lihat gambar A dan gambar B), fluks magnet (Ф) yang
berhasil dilingkupi adalah maksimum (Фm).
15

Tetapi saat kumparan diputar berlawanan arah jarum jam sejauh α dan berada posisi A’ – B’
maka fluks magnet yang berhasil dilingkupi hanya sebesar:
Ф = Фm cos α.

. . . . (1)

Bila kumparan kumparan tersebut diputar dengan kecepatan ω dan perubahan dari posisi AB
ke posisi A’ B’ ditempuh dalam waktu t detik, maka besar sudut yang ditempuh adalah
α = ω . t.
Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa besar flux magnet yang dapat dilingkupi oleh
kumparan setiap saatnya adalah :
Ф = Фm cos ω . t . . . . (2)
Sehingga besar GGL induksi yang terjadi setiap saatnya dapat dihitung sbb :
e = N.Фm sin ωt. ω

. . . . (3)

e = ω.N.Фm sin ωt . . . . (4)
Dari persamaan di atas terlihat bahwa GGL induksi (tegangan) e merupakan fungsi sinus.
Hal ini berarti bahwa tegangan e akan mencapai harga maksimum pada saat sin ωt = 1. Dengan
demikian besarnya tegangan maksimum dapat dihitung sebagai berikut :
Em = ω.N.Фm . . . . (5)
Sehingga persamaan (4) berubah menjadi :
e = Em sin ωt . . . . (6)
Bila tegangan ini dihubungkan dengan beban resistif, maka arus akan mengalir dan
persamaan arusnya dapat ditulis sebagai berikut :
i = Im sin ωt . . . . (7)
Berdasarkan uraian di atas dapat dipahami, bahwa jika kumparan di atas diputar sejauh 2π
radian (360°), maka tegangan yang terjadi akan berbentuk gelombang sinus seperti pada gambar

16

di samping dan dari gambar tersebut terlihat bahwa tegangan akan

mencapai

harga

maksimumnya pada saat :

Gambar 1.7.
Tegangan Mencapai Harga Maksimum

Harga maksimum disebut juga dengan harga puncak (peak value) atau amplitudo.
Sedangkan harga maksimum positif ke maksimum negatif disebut dengan harga puncak ke
puncak (peak to peak value).
Medan magnet arus searah:
1) Magnet permanen
2) Magnet listrik (elektormagnet)
Magnet listrik mempunyai dua tipe:
a. Berpenguatan bebas
b. Berpenguatan sendiri
17

A.4. Generator Berpenguatan Bebas
Generator tipe penguat bebas adalah generator yang lilitan medannya dapat dihubungkan ke
sumber dc yang secara listrik tidak tergantung dari mesin. Tegangan searah yang dipasangkan
pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan
menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator.
Generator ini penguatannya diambil dari sumber di luar generator tersebut, misalnya dari baterai
atau generator searah yang lain.

Gambar 1.8.
Generator Berpenguatan Bebas

Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka
hubungan yang dapat dinyatakan adalah:

Besaran yang mempengaruhi kerja dari generator:
18






Tegangan jepit (V)
Arus eksitasi (penguatan)
Arus jangkar (Ia)
Kecepatan putar (n)

A.5. Generator Berpenguatan Sendiri
Generator penguat sendiri adalah arus listrik yang dialirkan melalui kumparan penguat
medan Rf yang diambil dari output generator tersebut. Besi selalu mempunyai sedikit medan
magnet setelah besi tersebut diberi penguatan medan, ini disebut medang reumanen (reumanent
magnetism).
Jika sebuah kumparan berputar dalam medan tersebut akan timbul GGL dan arus yang kecil
(bila rangkaian tertutup). Atus kecil yang timbul tadi akan menyebabkan medan magnet yang
kecil bertambah besar, pertambahan medan akan menyebabkan pertambahan GGL yang akan
menimbulkan penambahan arus, dan siklus ini berlangsung terus, hingga kita dapat
menghasilkan GGL yang cukup besar. Peristiwa ini disebut dengan built up voltage.
Mesin arus searah berpenguatan sendiri dibagi menjadi tiga tipe, yaitu:
a. Mesin arus searah seri
b. Mesin arus searah shunt
c. Mesin Arus Searah Kompon (compound)

A.5.1. Mesin Arus Searah Seri
Untuk mendapatkan arus penguat yang besar agar fluks magnet yangdibangkitkan oleh
kumparan medan menjadi besar, maka diameter kawatkumparan medan dipilih yang besar.
Untuk hal tersebut kumparan medandisambung seri dengan tahanan jangkar (lihat
gambar).Dengan diameter kawat kumparan cukup besar, maka kumparan ini akanmemakan
ruangan rotor.

19

Gambar 1.9.
Mesin Arus Searah Seri

Dari gambar di atas berlaku persamaan:
Ea =I a Ra + I s R s +V t

I L =I a
Pout =V t I L

Pa=E a I a
Kelemahan generator seri adalah tegangan output (terminal) tidak stabil karenaarus beban IL
berubah-ubah sesuai dengan beban yang dipikul . Hal inimenyebabkan fluks magnet yang
dihasilkan oleh kumparan medan seri tidakstabil. Keuntungan generator seri adalah daya output
menjadi besar.

A.5.2. Mesin Arus Searah Shunt
Ciri utama generator shunt adalah kumparan penguat medan dipasangparalel terhadap
kumparan jangkar.

20

Gambar 1.10
Rangkaian Listrik Generator Shunt

Dari gambar di atas berlaku persamaan:
V t =I sh Rsh=I L Z L

Ea =I a Ra +V t
¿ I a Ra + I sh R sh

Pa=E a I a
Pout =V t I L (daya beban penuh jika

I L = arus beban penuh)

A.5.3. Mesin Arus Searah Kompon (compound)
Generator kompon merupakan gabungan dari generator shunt dan generator seri, yang
dilengkapi dengan kumparan shunt dan seri dengan sifat yang dimiliki merupakan gabungan dari
keduanya. Generator kompon bisa dihubungkan sebagai kompon pendek atau dalam kompon
panjang. Perbedaan dari kedua hubungan ini hampir tidak ada, karena tahanan kumparan seri
kecil, sehingga tegangan drop pada kumparan ini ditinjau dari tegangan terminal kecil sekali dan
terpengaruh.

21

Biasanya kumparan seri dihubungkan sedemikian rupa, sehingga kumparan seri ini
membantu kumparan shunt, yakni MMF nya searah. Bila generator ini dihubungkan seperti itu,
maka dikatakan generator itu mempunyai kumparan kompon bantu.
Mesin yang mempunyai kumparan seri melawan medan shunt disebut kompon lawan dan ini
biasanya digunakan untuk motor atau generator- generator khusus seperti untuk mesin las. Dalam
hubungan kompon bantu yang mempunyai peranan utama ialah kumparan shunt dan kumparan
seri dirancang untuk kompensasi MMF akibat reaksi jangkar dan juga tegangan drop di jangkar
pada range beban tertentu. Ini mengakibatkan tegangan generator akan diatur secara otomatis
pasa satu range beban tertentu

Gambar 1.11
Generator Kompon Panjang

22

Gambar 1.12
Generator Kompon Pendek

Untuk mesin searah tipe kompon ada beberapa macam:




Bila penguat seri dapat membantu penguat shunt, maka disebut kompon bantu
Bila penguat seri melawan penguat shunt, maka disebut kompon lawan
Bila tegangan yang dihasilkan selalu rata / konstan meskipun arus beban bertambah besar,
disebut kompon rata.

Gambar 1.13
Karakteristik Generator Kompon
23

Gambar diatas menunjukkan karakteristik generator kompon. Tegangan output generator
terlihat konstan dengan pertambahan arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi
50%. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya
jika arus beban bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang
cenderung tegangannya akan turun jika arus bebannya naik.

Gambar 1.14.
Penampang Mesin Arus Searah

B. REAKSI JANGKAR (ARMATURE REACTION)
Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk silinder beralur. Belitan tersebut
merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi. Pada umumnya jangkar terbuat dari bahan
yang kuat mempunyai sifat feromagnetik dengan permiabilitas yang cukup besar.
Permiabilitas yang besar diperlukan agar lilitan jangkar terletak pada derah yang induksi
magnetnya besar, sehingga tegangan induksi yang ditimbulkan juga besar. Belitan jangkar terdiri
24

dari beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan terdiri dari
lilitan kawat atau lilitan batang.

Gambar 1.15
Jangkar Generator DC
Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa
beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 1.16.). Fluks ini memotong lilitan jangkar sehingga
timbul tegangan induksi.

Gambar 1.16
Medan Eksitasi Generator DC
Bila generator dibebani maka pada penghantar jangkar timbul arus jangkar. Arus jangkar ini
menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan
Jangkar (Gambar 1.17.)

25

Gambar 1.17.
Medan Jangkar dari Generator DC dan Reaksi Jangkar
Munculnya medan jangkar akan memperlemah medan utama yang terletak disebelah kiri
kutub utara, dan akan memperkuat medan utama yang terletak di sebelah kanan kutub utara.
Pengaruh adanya interaksi antara medan utama dan medan jangkar ini disebut reaksi jangkar.
Reaksi jangkar ini mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral n, tetapi
bergeser sebesar sudut α. Dengan kata lain, garis netral akan bergeser. Pergeseran garis netral
akan melemahkan tegangan nominal generator.
Untuk mengembalikan garis netral ke posisi awal, dipasangkan medan magnet bantu
(interpole atau kutub bantu), seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.18.
Generator dengan Kutub Bantu dan Generator Kutub Utama, Kutub Bantu, Belitan Kompensasi
Lilitan magnet bantu berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub
utama. Dengan bergesernya garis netral, maka sikat yang diletakkan pada permukaan komutator
dan tepat terletak pada garis netral n juga akan bergeser. Jika sikat dipertahankan pada posisi
semula (garis netral), maka akan timbul percikan bunga api, dan ini sangat berpotensi
menimbulkan kebakaran atau bahaya lainnya. Oleh karena itu, sikat juga harus digeser sesuai
dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka komutasi akan jelek, sebab sikat
terhubung dengan penghantar yang mengandung tegangan. Reaksi jangkar ini dapat juga diatasi
26

dengan kompensasi yang dipasangkan pada kaki kutub utama baik pada lilitan kutub utara
maupun kutub selatan, seperti ditunjukkan pada gambar 1.18., generator dengan komutator dan
lilitan kompensasinya.
Kini dalam rangkaian generator DC memiliki tiga lilitan magnet, yaitu:
• lilitan magnet utama
• lilitan magnet bantu (interpole)
• lilitan magnet kompensasi
Syarat-syarat untuk mengurangi reaksi jangkar:
 Dengan memasang kutub bantu (commutating pole) sehingga arus yang melalui jangkar


dilewatkan dahulu melalui kutub bantu.
Dengan menggeserkan letak sikat, untuk generator sesuai dengan arah perputarannya, dan



untuk motor berlawanan dengan arah putarannya.
Dengan memasang kumparan kompensasi pada kutub-kutubnya.

Sikat dibuat dari bahan yang lebih lunak dari lamel yaitu:
-

Carbon
Carbon – grafit
Grafit
Carbon – grafit – Cu (tembaga)

C. KOMUTASI
Mesin listrik disebut mesin DC (arus searah) karena mempunyai sistem komutasi pada cara
kerjanya dimana fungsi dari komutator ini adalah menyearahkan arus-tegangan dari AC menjadi
DC secara mekanis pada terminalnya untuk generator DC. Komutasi dilakukan pada saat harga e
= 0 atau pada saat sikat berada pada garis netral. Pada motor DC untuk menjalankan komutator
memerlukan catu daya DC yang dikonversi ke AC pada kumparan jangkarnya. Komutasi
tersebut dilakukan oleh salah satu komponen mesin DC yang disebut komutator. Adapun prinsip
kerja dari komutator dapat dijelaskan sebagai berikut:

27

Gambar 1.19.
Prinsip Kerja Komutator

Dari gambar di atas, komutator bergerak dari posisi di t0 sampai pada posisi t5. Pada saat t =
t0 , segmen komutator tepat berimpit dengan carbon brush (sikat arang). Jika ada dua jalan
parallel dalam kumparan jangkar tersebut maka arus jangkar Ia yang mengalir pada masingmasing jalan parallel adalah Ia/2 dengan arah seperti yang ditunjukkan pada gambar. Dengan
demikian arus yang mengalir pada kumparan A = Ia/2 dan arahnya ke kanan. Jika arah putaran
jangkar ke kanan seperti pada ganbar 3 dan pada saat t = t1 , sikat terletak diantara dua
komutator dengan perbandingan 1 : 3 maka distribusi arus pada masing-masing segmen
komutator adalah Ia/4 pada komutator sebelah kiri , dan 3Ia/4 pada komutator sebelah kanan.
Dari hukum Kirchoff untuk arus, kita dapatkan besar arus yang megalir pada kumparan A = Ia/4
dengan arah masih tetap ke kanan. Pada t = t2 posisi sikat tepat berada ditengah-tengah di antara
dua segmen komutator, sehingga tidak ada arus yang mengalir pada kumparan A (pada kondisi
ini kumparan A sama dengan berada di bidang netral). Pada t = t3 sikat berada antara dua segmen
komutator dengan perbandingan letak 1 : 3. Di sini arus yang mengalir pada kumparan A = Ia/4,
dengan arah arus terbalik yaitu ke kiri. Akhirnya pada t = t4 sikat meninggalkan segmen
komutator sebelah kiri. Pada kumparan A mengalir arus sebesar Ia/2 yang arahnya ke kiri. Jika
arus dalam kumparan A digambarkan sebagai fungsi waktu diperoleh hasil seperti terlihat pada
gambar di bawah ini

28

Gambar 1.20.
Fungsi Waktu Komutator

Fungsi tersebut merupakan fungsi linier komutasi yang dihasilkan jika rapat arus dalam sikat
seragam. Tapi karena adanya pengaruh induktansi kumparan dan tahanan sikat untuk arus yang
cukup besar maka fiungsi tersebut tidak linier lagi melainkan berupa garis lengkung.
Demikianlah dengan adanya arus yang berbalik arah dalam kumparan jangkar yang berputar
dalam medan magnet dihasilkan tegangan induksi (GGL) dengan bentuk gelombang seperti pada
gambar berikut

Gambar 1.21.
Hasil Tegangan Induksi dengan Bentuk Gelombang

29

Arus yang mengalir melalui carbon brush dan armature winding sebuah mesin DC biasanya
mengambil beberapa jalur pada armature windings disaat arus itu masuk dari komutator ke
carbon brush.

Gambar 1.22.
Sketsa Armature

Setelah arus itu mengalir melalui windings, jalur-jalur itu bertemu lagi dan arus mengalir melalui
carbon brush keluar. Pada waktu sebuah coil bergerak dibawah carbon brush (Gambar 1.22.),
pada salah satu sisi carbon brush arus mengalir dalam suatu arah, dan akan mengalir pada arah
yang berlawanan bila coil itu ada pada sisi lain.
Jadi arus tersebut harus menjadi nol lebih dulu pada segmen komutator yang berada dibawah
carbon brush, sebelum berbalik arah pada coil berikutnya. Sebagai catatan, carbon brush itu
harus cukup lebar untuk menjembatani dua segmen komutator berurutan dan meng hubung
singkat armature coil untuk sesaat. Inilah yang disebut komutasi.
Apa yang akan terjadi bila pembalikan arus itu tidak terjadi pada saat yang tepat?. Coil akan
keluar dari bawah carbon brush dengan arus yang masih mengalir pada arah yang terdahulu.
30

Meeting point dengan arus pada jalur yang lain (disebut “neutral point”), terjadi tidak dibawah
carbon brush.
Perpindahan “neutral point” ini akan membuat arus pada satu sisi dari carbon brush menjadi
amat padat (crowded). Kondisi ini akan membuat arus itu meloncat keluar sebagai electic spark
untuk mencapai titik balik berikutnya. Mesin elektrik besar bekerja dengan variasi beban yang
amat besar. Makin besar arus beban, makin sulit untuk mendapatkan kondisi pembalikan arus
saat coil bergerak dibawah carbon brush. Untuk mempercepat terjadinya pembalikan arah arus
coil dan menjaga agar “neutral point” tetap berada dibawah carbon brush, pada mesin besar
dipasang inter pole atau commutating pole.

Gambar 1.23.
Inter Pole dan Commutating Pole

Inter pole dirancang untuk memperbaiki komutasi sampai beban mencapai beban penuh,
bahkan beban lebih. Tetapi apabila terjadi over powering mendadak, magnetisasi pada pole ini
tidak dapat segera mengakomodasi perubahan mendadak ini. Perlu waktu beberapa detik untuk
menyesuaikan. Hal ini berarti tegangan yang timbul oleh inter pole tidak cukup untuk
mempercepat pembalikan arah arus dibawah carbon brush dan masih akan nampak ada bunga api
listrik. Pada suatu saat magnit di interpole ini juga akan jenuh. Jadi ada keterbatasan juga dalam
hal membantu memperbaiki komutasi. Ini terjadi bila beban memang kelewat berat
31

Sebab-sebab timbulnya bunga api:




Mekanis
- Bentuk kolektor sudah tidak bulat lagi
- Lamel-lamel menonjol keluar / tidak rata
- Mika lamel sudah habis maka penyekat menonjol ke luar
Elektris
- Arus yang mengalir dalam jangkar terlalu besar
- Perputaran terlalu cepat
- Terjadinya kesalahan dalam meletakkan sikat
- Adanya kesalahan dalam medan penguat maupun dalam lilitan jangkar

Untuk memperbaikinya ada beberapa cara:



Menempatkan kutub bantu sejajar dengan bidang kumparan yang hendak dikomutasi.
Memperbesar tahanan dari rangkaian yang dihubungkan yaitu dengan menggunakan sikat
dari bahan yang mempunyai tahanan cukup tinggi.

Komutator dibuat dari segmen-segmen tembaga dan plat-plat mika (Gambar 4). Segmensegmen tembaga sering disebut “segmen komutator” dan selanjutnya nama ini yang dipakai
dalam tulisan ini.

Gambar 1.24.
Potongan Komutator
32

Plat-plat mika isolator komutator, secara fisik terpisah dan secara elektrik menjadi isolasi
dari segmen komutator dan memberi-kan tekanan yang diperlukan bagi stabilitas komutator.
Plat-plat ini dipotong dibawah permukaan komutator (undercut) untuk mencegah interferensi
dengan adanya geseran dari carbon brush ke permukaan komutator. Segmen komutator dipotong
dan disusun untuk membentuk se-buah silinder pada waktu dilakukan assembling. Setiap segmen
komutator punya riser pada satu sisi untuk membuat sambungan ke armature coil.
Segmen komutator disusun sedemikian sehingga tetap duduk pada posisinya oleh sebuah
cap besi yang diikat dengan baut pada steelshell. Mica cones dibuat memiliki contour untuk
menyesuaikan diri antara shell dan cap dan menjadikannya isolasi segmen komutator terhadap
ground (armature).
Pada ujung insulator cone dipasang teflon creepage band yang dibuat mencuat keluar, untuk
melindungi mica dari kerusakan dan memberikan permukaan creepage yang halus sehingga lebih
mudah dibersihkan.

DAFTAR PUSTAKA
https://id.wikipedia.org/wiki/Arus_searah
http://feganet.blogspot.co.id/2015/10/sumber-arussearahmakalah.html
https://www.scribd.com/doc/36067235/Kelompok-1-ARUSSEARAH
https://stellarclyne.wordpress.com/2010/08/22/hello-world/
https://fisikakontekstual.wordpress.com/materi-rangkaian-arussearah/
33

34