BAB I KONSEP DASAR RANGKAIAN LISTRIK Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa diharapkan ma mpu : Mengenal syarat rangkaian listrik dasar Menjadi familiar dengan simbol rangkaian Menjadi familiar dengan skema rangkain listrik Mengetahui konsep arus dan tegangan Mengetahui hamabtan dan karakteristiknya Menjadi familiar dengan ammeter, voltmeter dan ohmmeter Mengetahui perbedaan antara aliran elektron dan aliran arus konvensional Mengenal konsep arah referensi tegangan dan arus Mengenal aplikasi hukum Ohm
Energi listrik/kelistrikan memiliki aplikasi langsung pada kehidupan manusia karena terkait dengan fungsi listrik sebagai sumber dari berbagai peralatan rumah tangga maupun industri. Berbicara mengenai rangkaian listrik, rangkaian listrik merupakan dasar dari teori rangkaian pada bidang kelistrikan yang menjadi dasar bagi ilmu-ilmu lainnya seperti elektronika, sistem komputer, dan semua bidang terkait. Saat ini, teknologi kelistrikan, elektronika, dan teknologi komputer berkembang sangat pesat sehingga terdapat banyak pilihan karir dalam bidang ini, antara lain adalah engineer dalam bidang kelistrikan, engineer dalam bidang elektronik, engineer dalam bidang instrumentasi, engineer dalam bidang proses dan system, dan dan lain-lain. Nama-nama pada Tabel 1 di bawah ini i ni merupakan ilmuwan il muwan yang memberikan kontribusi yang sangat besar dalam mengembangkan teorema rangkaian listrik.
1.1
Konsep Dasar Rangkaian Listrik
Rangkaian listrik adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen listrik pada suatu lintasan tertutup dimana muatan listrik mengalir melewatinya. Yang dimaksud dengan satu lintasan tertutup adalah satu lintasan saat kita mulai dari titik yang dimaksud akan kembali lagi ke titik tersebut tanpa terputus dan tidak memandang seberapa jauh atau dekat lintas an yang kita tempuh.
1
Tabel 1. Daftar ilmuwan yang berkontribusi pada kelistrikan
Rangkaian listrik yang paling dasar terdiri dari 3 komponen seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.1, yaitu a) Catu daya (Power supply) b) Beban (Load) c) Kawat penghantar (wire)
Gambar 1.1. Tiga unsur dalam sebuah rangkaian listrik Catu daya atau power supply adalah alat untuk menyediakan energi listrik kepada load (beban) pada rangkaian listrik. Contoh dari power supply adalah:
Baterai, mengubah energi kimia menjadi energi listrik.
Hydroelectric generator, mengubah energi dari pergerakan air menjadi energi listrik.
Thermo generator, mengubah energi panas menjadi energi listrik. 2
Beban (load) adalah alat yang terhubung ke output terminal pada suatu rangkaian listrik, dan mengkonsumsi energi listrik. Sebuah beban dapat berupa semua alat yang dapat menerima energi listrik dan mengubahnya menjadi bentuk energi yang lain. Contoh dari load (beban) adalah:
Lampu listrik, mengubah energi listrik menjadi energi cahaya.
Motor listrik, mengubah energi listrik menjadi energi gerak.
Speaker, mengubah energi listrik menjadi energi suara.
Kawat penghantar (wire) berfungsi menghubungkan komponen-komponen pada rangkaian, dan membawa muatan listrik melewati rangkaian tersebut. 1.2
Skema (Diagram) Rangkaian dan Simbol
Lazimnya, suatu rangkaian listrik biasa direpresentasikan oleh sebuah skema. Skema merupakan merupakan diagram diagram yang menyajikan
interkoneksi dari komponen-komponen komponen-komponen
pada suatu rangkaian dengan lebih sederhana sehingga dapat lebih mudah untuk dimengerti, dianalisa, dan dihitung. Dalam membuat skema digunakan simbol rangkaian sesuai dengan tata letak sambungan rangkain yang sebenarnya. Simbol rangkaian adalah idealisasi dan pendekatan dari komponen rangkaian yang sebenarnya. Contoh dari penyederhanaan ini dapat dilihat pada rangkaian senter berikut.
Gambar 1.2. Rangkaian flashlight
Gambar 1.3. Skema rangkaian flashlight
3
Tabel 1.2 di bawah ini merupakan simbol dari semua komponen pada rangkaian listrik yang dikenal Tabel 1.2 Simbol-simbol komponen listrik yang umum digunakan.
. 1.3
Arus Listrik
Arus listrik adalah aliran muatan listrik pada suatu rangkaian listrik, atau muatan listrik yang mengalir pada suatu rangkaian listrik tiap satuan waktu. Jika Q merepresentasikan banyaknya muatan yang bergerak pada selang waktu t , maka besarnya I besarnya I adalah:
4
Alat untuk mengukur kuat arus adalah Ammeter. Alat ini harus dipasang secara seri pada rangkaian sehingga arus yang akan diukur dapat mengalir melalui Ammeter.
Gambar 1.4. rangkaian pengukuran arus menggunakan Ammeter Arah arus listrik
Terdapat 2 versi untuk menunjukkan arah dari arus listrik, yaitu: a. Aliran arus konvensional , arus didefinisikan sebagai aliran dari muatan positif (proton) dari kutubl positif power supply suppl y menuju kutub negatifnya. b. Aliran elektron, elektron, arus didefinisikan sebagai aliran muatan negatif (elektron) dari kutub negatif power supply menuju kutub positifnya.
(a)
(b)
Gambar 1.5. Arah arus listrik. (a) arah arus konvensional, (b) arah arus elektron 1.4
Tegangan Listrik
Tegangan / Electromotive force (EMF) / Gaya Gerak Listrik (GGL) Prinsip kerja tegangan dapat dianalogikan dengan prinsip kerja pistol air. Jika tidak ada tekanan dari pistol (trigger tidak ditekan), maka tidak akan ada air yang keluar dari 5
moncongnya. Sama seperti tekanan air yang dibutuhkan pada pistol air, tekanan listrik atau tegangan juga dibutuhkan pada rangkaian listrik. Tegangan memiliki tanggung jawab untuk mendorong dan menarik elektron atau arus dalam melewati suatu rangkaian. Semakin tinggi tegangan, maka akan semakin besar arus yang mengalir. Baterai
adalah
salah
satu
contoh
sumber
tegangan
yang
menghasilkan
electromotive force force (EMF) diantara dua terminalnya. Ketika EMF diberikan pada suatu rangkaian, dia akan menggerakkan elektron di sekitar rangkaian atau menyebabkan arus mengalir melalui rangkaian karena EMF sendiri merupakan gaya gerak elektron / gaya gerak listrik. Tegangan disimbolkan dengan V, dan memiliki satuan volt (V). EMF disimbolkan dengan E, dengan E, dan dan memiliki satuan volt (V).
Beda potensial Diasumsikan bahwa terdapat 2 buah tangki air A dan B, air hanya akan dapat mengalir dari tangki A ke tangki B apabila tinggi air di tangki A lebih tinggi daripada tinggi air di tangki B. Begitu juga dengan rangkaian listrik, arus hanya akan dapat mengalir di antara 2 titik apabila terdapat beda potensial listrik. Beda potensial atau tegangan ini dihasilkan oleh GGL pada sumber tegangan, dan itu merupakan banyaknya energi (work) yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron diantara 2 titik.
Jika energi (work) direpresentasikan oleh W , dan muatan yang
dipindahkan dari titik A ke B adalah Q, maka beda potensial antara 2 titik tersebut adalah
EMF disebut juga source juga source voltage atau voltage atau applied voltage karena voltage karena EMF di supply oleh sumber tegangan dan diterapkan pada load (beban) pada rangkaian. Tegangan antara 2 terminal load (beban) disebut load voltage voltage (tegangan beban). Tegangan di antara suatu komponen pada rangkaian kadang disebut voltage drop (tegangan drop (tegangan turun), yaitu ketika arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah pada rangkaian, atau disebut
6
voltage rise (tegangan naik), yaitu ketika arus listrik mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi pada rangkaian. Alat untuk mengukur tegangan adalah voltmeter. Alat ini harus dihubungkan secara paralel pada rangkaian listrik agar bisa digunakan untuk mengukur tegangan.
Gambar 1.6. Rangkaian pengukur tegangan dengan volmeter 1.5
Resistansi dan Hukum Ohm
Resistor Hambatan atau resistansi suatu penghantar berguna untuk mengatur besarnya kuat arus listrik yang mengalir melalui suatu rangkaian listrik. Semakin besar nilai resistansinya, maka arus yang mengalir akan semakin kecil. Lampu, kompor listrik, dan motor listrik adalah beberapa contoh komponen listrik yang biasanya direpresentasikan oleh resistor R karena apabila salah satu dari komponen tersebut dihubungkan pada suatu rangkaian listrik, maka dia akan mengkonsumsi energi listrik, menyebabkan resistansi, dan mengurangi besarnya arus yang mengalir pada rangkaian. Resistor dibagi menjadi 2 kategori, yaitu fixed resistor dan variable resistor.
Fixed resistor memiliki nilai resistansi resista nsi yang tetap dan tidak dapat diubah-ubah.
Variable resistor memiliki nilai resistansi yang dapat diubah dengan mudah atau diatur secara manual maupun otomatis.
7
Kode warna pada resistor
R = 2500
5%
R = 25 5%
Gambar 1.7. Kode warna pada resistor Faktor yang mempegaruhi resistansi Ada 4 faktor utama yang menyebabkan besarnya resistansi pada suatu penghantar,
yaitu luas penampang kawat penghantar ( A), A), panjang kawat penghantar ( ), temperatur
(T ), ), dan resistivitas material tersebut ( ).
Gambar 1.8 Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya hambatan resistor Secara matematis, resistansi resista nsi dari suatu konduktor dapat dinyatakan dengan,
(1.1)
8
Tabel 1.3 menunjukkan daftar nilai resistivitas beberapa materi al pada suhu 20 °C. Tabel 1.3. Nilai hambatan beberapa material
Dari Persamaan (1) maka:
Semakin besar diameter dari suatu penghantar/konduktor, semakin besar luas penampangnya, maka semakin kecil resistansi konduktor konduktor tersebut, dan semakin banyak pula arus yang mengalir.
Semakin panjang suatu penghantar/konduktor, semakin besar resistansi dan semakin banyak waktu yang dibutuhkan arus untuk mengalir. mengalir.
Resistansi bergantung pada jenis konduktornya / resistivitas dari konduktor tersebut.
Temperatur di sekitar konduktor juga mempengaruhi besar resistivitas material tersebut. Alat untuk mengukur besarnya resistansi adalah Ohmmeter. Untuk mengukur
resistansi, resistor harus dikeluarkan dari rangkaian.
Gambar 1.9 Rangkaian pengukur hambatan dengan ohmmeter Konduktansi
Konduktansi merupakan kebalikan dari resistansi. Konduktansi merupakan kemampuan
material
untuk
melewatkan
arus
listrik.
Konduktansi
merupakan
konduktivitas suatu material, semakin kecil nilai resistansi R R suatu material, semakin
9
besar nilai konduktansi G, sehingga akan semakin baik konduktivitas material tersebut, begitu juga sebaliknya. Secara matematis, konduktansi dapat dinyatakan dinyatakan sebagai berikut.
dengan
meningkatkan
luas
penampang
(1.2) ( A) A)
atau
mengurangi
panjang
suatu
penghantar/konduktor tersebut ( ), maka akan semakin baik konduktivitasnya.
Satuan dari konduktansi adalah siemens (S) dan mho ( ). Hukum Ohm
Hukum Ohm menunjukkan hubungan antara hubungan antara I, V , dan R. R. Arus listrik I melewati suatu konduktor adalah sebanding dengan V , dan berbanding terbalik dengan R dengan R..
(1.3)
Karakteristik I-V Karakteristik I-V dari dari hokum Ohm Menggunakan sistem koordinat kartesian, tegangan V (sumbu x) di plot terhadap arus I arus I (sumbu (sumbu y), grafik yang terbentuk berupa garis lurus, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 1.10 Karakteristik arus-tegangan (R = 20
)
Ketika tegangan V sebesar sebesar 10 V dan arus I arus I sebesar sebesar 0,5 A
(1.4)
Ketika tegangan V sebesar sebesar 5 V dan arus I arus I sebesar sebesar 0,25 A
(1.5)
Jadi garis lurus yang terbentuk pada grafik di atas menggambarkan hubungan antara arus dan tegangan pada resistor 20
.
Garis lurus yang terbentuk pada karakteristik I-V menggambarkan perilaku dari resistor linear, bahwa resistansi tidak berubah karena perubahan tegangan dan arus. Ketika 10
tegangan turun dari 10 V menjadi 5 V, resistansi akan tetap sama yaitu sebesar 20
seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.15 di atas. Ketika hubungan antara tegangan dan arus bukan merupakan garis lurus, maka resistor yang dihasilkan adalah resistor nonlinear. Konduktansi pada hokum Ohm
Hukum Ohm dapat menyajikan besar konduktansi yang diberikan melalui hubungan,
( ) 1.6
Referensi Referensi Arah Arus dan Tegangan
Referensi arah arus
Diasumsikan suatu arah arus dipilih secara sembarang, kemudian dijadikan sebagai referensi arah untuk arus I. arus I.
Jika diperoleh I > 0, artinya arah arus yang sebenarnya sesuai/konsisten dengan referensi arah arus yang telah diasumsikan sebelumnya.
Jika diperoleh I diperoleh I < < 0, artinya arah arus yang sebenarnya tidak konsisten/berlawanan dengan referensi arah arus yang telah diasumsikan sebelumnya.
Pada gambar di bawah ini, anak panah dengan garis yang utuh menunjukkan referensi arah arus, sedangkan anak panah dengan garis putus-putus menunjukkan arah arus yang sebenarnya.
Gambar 1.11 Arah arus listrik dalam rangkaian Terdapat 2 metode untuk merepresentasikan referensi arah arus listrik: a. Ditunjukkan dengan anak panah, arah dari anak panah tersebut menunjukkan referensi arah arus.
11
b. Ditunjukkan dengan dobel subscript, misalnya I ab ab, menunjukkan referensi untuk arah arus dari titik a ke titik b.
Gambar 1.12 Arah arus listrik, (a) dari atas ke bawah atau (b) dari titik a ke b Referensi polaritas tegangan
Diasumsikan muatan kutub suatu tegangan dipilih secara sembarang, kemudian dijadikan sebagai referensi untuk muatan kutub tegangan. tegangan .
Jika diperoleh V > 0, artinya muatan kutub tegangan yang sebenarnya sesuai dengan referensi muatan kutub tegangan yang telah diasumsikan sebelumnya.
Jika diperoleh V < 0, artinya muatan kutub tegangan yang sebenarnya berlawanan arah dengan referensi muatan kutub tegangan yang telah diasumsikan sebelumnya.
Pada gambar di bawah ini, kutub positif (+) dan negatif (-) merepresentasikan referensi muatankutub suatu tegangan, dan anak panah merepresentasikan muatan kutub tegangan yang sesungguhnya.
Gambar 1.13 Arah arus listrik dan polarisasinya Terdapat 3 metode untuk merepresentasikan referensi muatan kutub tegangan:
12
a. Ditunjukkan dengan anak panah, arah dari anak panah tersebut menunjukkan arah dari kutub positif ke kutub negatif. b. Ditunjukkan dengan polaritas / muatan kutub, tanda pofitif (+) menunjukkan potensial yang lebih tinggi, tanda negatif (-) menunjukkan potensial yang lebih rendah. c. Ditunjukkan dengan dobel subscript, misalnya V ab ab, menunjukkan bahwa di titik a potensialnya lebih tinggi daripada di titik b.
Gambar 1.14 Arah dan polaritas tegangan Keterkaitan Keterkaitan antara referensi polaritas arus / tegangan
Jika referensi arah arus ditetapkan sebagai aliran dari sisi positif ke sisi negatif dari tegangan suatu komponen (arah anak panah menunjukkan arah dari + ke - ), maka referensi arah arus dan referensi polaritas tegangan adalah konsisten.
Gambar 1.15 Arah dan polaritas arus dan tegangan Rangkuman Rangkaian listrik adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen listrik pada suatu lintasan tertutup dimana muatan li strik mengalir melewatinya. Komponen dasar rangkaian listrik : catu daya (power supply), beban dan kawat penghantar. Simbol rangkaian adalah idealisasi dan pendekatan dari komponen rangkaian yang sebenarnya.
13
Arus listrik adalah aliran muatan listrik pada suatu rangkaian listrik, atau muatan
listrik yang mengalir pada suatu rangkaian listrik listri k tiap satuan waktu (I=Q/t). Ada dua arah aliran arus : aliran : aliran arus konvensional dan aliran elektron. Electromotive force (EMF) force (EMF) merupakan gaya gerak elektron / gaya gerak list rik. Beda potensial : banyaknya ban yaknya energi (work) yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron diantara 2 titik. Hambatan atau resistansi suatu penghantar berguna untuk mengatur besarnya kuat arus listrik yang mengalir melalui suatu rangkaian listrik. Ada 4 faktor utama yang menyebabkan besarnya resistansi pada suatu penghantar, yaitu luas penampang kawat penghantar ( A ( A), ), panjang kawat penghantar ( ), temperatur (T (T ), ), dan resistivitas material tersebut ( ). Konduktansi merupakan kemampuan material untuk melewatkan arus listrik. Hukum Ohm menunjukkan hubungan antara hubungan antara I, V , dan R dan R (I= (I= V/R).
Tes formatif. Berupa kuis . Kuis berupa pertanyaan pendek tentang bahan kuliah,
digunakan untuk melihat apakah mahasiswa sudah membaca bahan ajar. Contoh kuis adalah sebagai berikut : 1. Apa yang dimaksud dengan arus listrik? 2. Sebutkan nilai tahanan dari resistor yang memiliki cincin warna berikut : a. Jingga, biru, dan coklat. b. Hijau, biru, dan kuning. c. Coklat, hitam dan merah d. Mera, merah dan jingga. 3. Apakah warna cincin-cincin pada badan resistor yang nilai tahanannya adalah 33 Ω, 200 Ω, 750 Ω, 43 M Ω 1,2 Ω. Ω. Petunjuk penilaian . Nilai kuis ditentukan dengan skor berdasarkan jawaban yang benar ben ar.. yang kurang dipahami akan dibahas lebih lanjut, Tindak lanjut . Bagian-bagian yang bai k den d enga gan n car c araa ce cera rama mah h ma maupu upun n den d enga gan n dis d iskus kusi. i.
14
