Dwi Suci Ramadhani Achmad: April 2019

KONSEP DASAR RANGKAIAN LISTRIK

Rangkaian listrik adalah suatu kumpulan elemen atau komponen listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup.

Elemen atau komponen yang akan dibahas pada mata kuliah Rangkaian Listrik terbatas pada elemen atau komponen yang memiliki dua buah terminal atau kutub pada kedua ujungnya. Untuk elemen atau komponen yang lebih dari dua terminal dibahas pada mata kuliah Elektronika

pembatasan elemen atau komponen listrik pada Rangkaian Listrik dapat dikelompokkan kedalam elemen atau komponen aktif dan pasif. Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi dalam hal ini adalah sumber tegangan dan sumber arus, mengenai sumber ini akan dijelaskan pada bab berikutnya. Elemen lain adalah elemen pasif dimana elemen ini tidak dapat menghasilkan energi, dapat dikelompokkan menjadi elemen yang hanya dapat menyerap energi dalam hal ini hanya terdapat pada komponen resistor atau banyak juga yang menyebutkan tahanan atau hambatan dengan simbol R, dan komponen pasif yang dapat menyimpan energi juga diklasifikasikan menjadi dua yaitu komponen atau lemen yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini induktor atau sering juga disebut sebagai lilitan, belitan atau kumparan dengan simbol L, dan kompone pasif yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini adalah kapasitor atau sering juga dikatakan dengan kondensator dengan simbol C, pembahasan mengenai ketiga komponen pasif tersebut nantinya akan dijelaskan pada bab berikutnya

Elemen atau kompoen listrik yang dibicarakan disini adalah :
1. Elemen listrik dua terminal

Sumber tegangan

Sumber arus

Resistor ( R )

Induktor ( L )

Kapasitor ( C )

2. Elemen listrik lebih dari dua terminal

Transistor

Op-amp

Berbicara mengenai Rangkaian Listrik, tentu tidak dapat dilepaskan dari pengertian dari rangkaian itu sendiri, dimana rangkaian adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen penyusunnya ditambah dengan rangkaian penghubungnya dimana disusun dengan cara-cara tertentu dan minimal memiliki satu lintasan tertutup. Dengan kata lain hanya dengan satu lintasan tertutup saja kita dapat menganalisis suatu rangkaian.

Yang dimaksud dengan satu lintasan tertutup adalah satu lintasan saat kita mulai dari titik yang dimaksud akan kembali lagi ketitik tersebut tanpa terputus dan tidak memandang seberapa jauh atau dekat lintasan yang kita tempuh.

Rangkaian listrik merupakan dasar dari teori rangkaian pada teknik elektro yang menjadi dasar atay fundamental bagi ilmu-ilmu lainnya seperti elektronika, sistem daya, sistem computer, putaran mesin, dan teori control.

HUKUM OHM

Pengertian Hukum Ohm

Hukum Ohm ialah suatu pernyataan bahwa besar arus listrik yang mengalir melewati sebuah penghantar akan selalu berbanding lurus dengan beda potensial yang diterapkan kepadanya. Sebuah benda penghantar bisa dikatakan mematuhi hukum Ohm jika nilai resistansinya tak bergantung pada besar dan polaritas beda potensial yang dikenakan kepadanya. Walaupun hal ini tidak selalu berlaku untuk semua jenis penghantar, namun istilah “hukum” tetap dipakai dengan alasan sejarah.

komponen parameter dalam hukum Ohm Secara matematis hukum Ohm diekspresikan dengan persamaan :

V = I R

Keterangan :

I ialah arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar pada satuan Ampere.
V ialah tegangan listrik yang ada pada kedua ujung penghantar pada satuan volt.
R ialah nilai hambatan listrik (resistansi) yang ada pada suatu penghantar dalam satuan ohm.

Hukum ini dicetuskan oleh Georg Simon Ohm, seorang fisikawan dari negara Jerman pada tahun 1825 dan dipublikasikan pada sebuah paper yang berjudul The Galvanic Circuit Investigated Mathematically tahun 1827.

Bunyi Hukum Ohm

"Besar arus listrik (I) yang mengalir melewati sebuah penghantar atau Konduktor akan slalu berbanding lurus dengan beda potensial / tegangan (V) yang diterapkan kepadanya dan berbanding terbalik dengan hambatannya (R)"

Agar lebih jelas mengenai Hukum Ohm, Bisa melakukan Praktikum dengan sebuah Rangkaian Elektronika Sederhana seperti dibawah ini :

Rangkaian dasar hukum ohm hanya memerlukan sebuah DC Generator (Power Supply), Voltmeter, Amperemeter, dan sebuah Potensiometer sesuai pada nilai yang dibutuhkan. Dari Rangkaian Elektronika yang sederhana tersebut, Bisa membandingkan Teori Hukum Ohm dengan hasil yang didapatkan dari Praktikum dalam hal menghitung Arus Listrik (I), Tegangan (V) dan Resistansi/Hambatan (R).

Rumus

Rumus menghitung Arus Listrik
I = V / R

Rumus menghitung Tegangan atau Beda Potensial
V = I x R.

Rumus menghitung Nilai Resistansi
R = V / I

Contoh Soal

Menghitung Resistansi / Hambatan (R)

Jika di nilai Tegangan di Voltmeter (V) yaitu 12V dan nilai Arus Listrik (I) di Amperemeter adalah 0.5A. Berapakah nilai Resistansi dalam Potensiometer ?
Masukan nilai Tegangan 12V dan Arus Listrik 0.5A kedalam Rumus Ohm seperti dibawah ini :
R = V / I
R = 12 /0.5
R = 24 Ohm
nilai Resistansinya adalah 24 Ohm

Menghitung tegangan

Atur nilai resistansi atau hambatan Potensiometer ke 500 Ohm, kemudian atur DC Generator sehingga mendapatkan Arus Listrik (I) 10mA. Berapakah Tegangannya ?

Konversikan dahulu unit Arus Listrik (I) yang masih satu miliAmpere hingga menjadi satuan unit Ampere yaitu : 10mA = 0.01 Ampere. Masukan nilai Resistansi Potensiometer 500 Ohm dan nilai Arus Listrik 0.01 Ampere ke Rumus Hukum Ohm
V = I x R
V = 0.01 x 500
V = 5 Volt
nilainya adalah 5Volt.

Menghitung arus listrik

Setting DC Generator atau Power Supply agar menghasilkan Output Tegangan 10V, lalu atur Nilai Potensiometer ke 10 Ohm. Berapakah nilai Arus Listrik ?

Masukan nilai Tegangan 10V dan Nilai Resistansi dari Potensiometer yaitu 10 Ohm ke dalam Rumus Hukum Ohm
I = V / R
I = 10 / 10
I = 1 Ampere
hasilnya yaitu 1 Ampere

HUKUM KIRCHOFF I

Hukum Kirchhoff 1 dikenal sebagai hukum percabangan (junction rule), karena hukum ini memenuhi kekekalan muatan. Hukum ini diperlukan untuk rangkaian yang multisimpal yang mengandung titik-titik percabangan ketika arus mulai terbagi. Pada keadaan tunak, tidak ada akumulasi muatan listrik pada setiap titik dalam rangkaian. Dengan demikian, jumlah muatan yang masuk di dalam setiap titik akan meninggalkan titik tersebut dengan jumlah yang sama.

Hukum Kirchhoff 1 menyatakan bahwa:
“Jumlah arus listrik yang masuk melalui titik percabangan dalam suatu rangkaian listrik sama dengan jumlah arus yang keluar melalui titik percabangan tersebut”

Ilustrasi hukum Kirchhoff tentang titik percabangan. Arus I_1yang mengalir melalui titik percabangan a akan sama dengan jumlah I2+I3 yang keluar dari tiik percabangan

Secara umum rumus hukum Kirchhoff 1 dapat dituliskan sebagai berikut:

HUKUM KIRCHOFF II

Bunyi hukum Kirchhoff 2 adalah sebagai berikut:
“Pada setiap rangkaian tertutup, jumlah beda potensialnya harus sama dengan nol”
Hukum Kirchhoff 2 juga sering disebut sebagai hukum simpal (loop rule), karena pada kenyataannya beda potensial diantara dua titik percabangan dalam satu rangkaian pada keadaan tunak adalah konstan. Hukum ini merupakan bukti dari adanya hukum konservasi energi. Jika kita memiliki suatu muatan Q pada sembarang titik dengan potensial V, dengan demikian energi yang dimiliki oleh muatan tersebut adalah QV. Selanjutnya, jika muatan mulai bergerak melintasi simpal tersebut, maka muatan yang kita miliki akan mendapatkan tambahan energi atau kehilangan sebagian energinya saat melalu resistor baterai atau elemen lainnya. Namun saat kebali ke titik awalnya, energinya akan kembali menjadi QV.

Sebagai contoh penggunaan hukum ini (Gambar 1.3), dua baterai yang berisi hambatan dalam T1 dan T2 serta ada 3 hambatan luar. Kita akan bisa menenutukan arus dalam rangkaian tersebut sebagai fungsi GGL dan hambatan.

Rangkaian berisi 2 buah baterai dan 3 resistor eksternal. Tanda plus minus pada resistor digunakan untuk mengingatkan kita sisi mana pada setiap resistor yang berada pada potensial lebih tinggi untuk arah arus yang diasumsikan.

Secara umum rumus hukum Kirchhoff 2 dapat dinyatakan sebagai berikut:

Contoh Soal Hukum Kirchoff

1. Perhatikan gambar rangkaian tertutup dibawah ini!

Jawaban:
Kita terlebih dahulu tentukan arah arus dan arah loop, dalam hal ini kita akan menentukan arah loop searah dengan arah jarum jam.

Dengan menerapkan hukum Kirchhoff 2, kita akan dapatkan nilai arus listrik sebagai berikut:

ELEMEN AKTIF

Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi, pada mata kuliah Rangkaian Listrik yang akan dibahas pada elemen aktif adalah sumber tegangan dan sumber arus. Pada pembahasan selanjutnya kita akan membicarakan semua yang berkaitan dengan elemen atau komponen ideal. Yang dimaksud dengan kondisi ideal disini adalah bahwa sesuatunya berdasarkan dari sifat karakteristik dari elemen atau komponen tersebut dan tidak terpengaruh oleh lingkungan luar. Jadi untuk elemen listrik seperti sumber tegangan, sumber arus, kompone R, L, dan C pada mata kuliah ini diasumsikan semuanya dalam kondisi ideal.

1. Sumber Tegangan (Voltage Source)
Sumber tegangan ideal adalah suatu sumber yang menghasilkan tegangan yang tetap, tidak tergantung pada arus yang mengalir pada sumber tersebut, meskipun tegangan tersebut merupakan fungsi dari t.

Sifat lain : Mempunyai nilai resistansi dalam R_d = 0 (sumber tegangan ideal)

       a.) Sumber Tegangan Bebas/ Independent Voltage Source
            Sumber yang menghasilkan tegangan tetap tetapi mempunyai sifat khusus yaitu harga
            tegangannya tidak bergantung pada harga tegangan atau arus lainnya, artinya nilai tersebut berasal
            dari sumbet tegangan dia sendiri.

Simbol :

b.) Sumber Tegangan Tidak Bebas/ Dependent Voltage Source

Mempunyai sifat khusus yaitu harga tegangan bergantung pada harga tegangan atau arus

lainnya

Simbol :

2. Sumber Arus (Current Source)

Sumber arus ideal adalah sumber yang menghasilkan arus yang tetap, tidak bergantung pada

tegangan dari sumber arus tersebut.

Sifat lain :

Mempunyai nilai resistansi dalam R_d = ∞ (sumber arus ideal)

a.) Sumber Arus Bebas/ Independent Current Source

Mempunyai sifat khusus yaitu harga arus tidak bergantung pada harga tegangan atau arus

lainnya

Simbol :

b.) Sumber Arus Tidak Bebas/ Dependent Current Source

Mempunyai sifat khusus yaitu harga arus bergantung pada harga tegangan atau arus lainnya.

Simbol :

ELEMEN PASIF

1. Resistor (R)

Sering juga disebut dengan tahanan, hambatan, penghantar, atau resistansi dimana resistor mempunyai fungsi sebagai penghambat arus, pembagi arus , dan pembagi tegangan.

Nilai resistor tergantung dari hambatan jenis bahan resistor itu sendiri (tergantung dari bahan pembuatnya), panjang dari resistor itu sendiri dan luas penampang dari resistor itu sendiri.

Secara matematis :

dimana :

ρ = hambatan jenis

l = panjang dari resistor

A = luas penampang

Satuan dari resistor : Ohm ( Ω)

Jika suatu resistor dilewati oleh sebuah arus maka pada kedua ujung dari resistor tersebut akan menimbulkan beda potensial atau tegangan. Hukum yang didapat dari percobaan ini adalah: Hukum Ohm.

Mengenai pembahasan dari Hukum Ohm akan dibahas pada bab selanjutnya.

V_R = IR

2. Kapasitor (C)

Sering juga disebut dengan kondensator atau kapasitansi. Mempunyai fungsi untuk membatasi arus DC yang mengalir pada kapasitor tersebut, dan dapat menyimpan energi dalam bentuk medan listrik.

Nilai suatu kapasitor tergantung dari nilai permitivitas bahan pembuat kapasitor, luas penampang dari kapsitor tersebut dan jarak antara dua keping penyusun dari kapasitor tersebut.

Secara matematis :

dimana :

ε = permitivitas bahan

A = luas penampang bahan

d = jarak dua keping

Satuan dari kapasitor : Farad (F)

Jika sebuah kapasitor dilewati oleh sebuah arus maka pada kedua ujung kapaistor tersebut akan muncul beda potensial atau tegangan, dimana secara matematis dinyatakan :

penurunan rumus :

sehingga :

Dari karakteristik v - i, dapat diturunkan sifat penyimpanan energi pada kapasitor.

misalkan :

pada saat t = 0 maka v = 0

pada saat t = t maka v = V

sehingga :

yang merupakan energi yang disimpan pada kapasitor dalam bentuk medan listrik

Jika kapasitor dipasang tegangan konstan/DC, maka arus sama dengan nol. Sehingga kapasitor bertindak sebagai rangkaian terbuka/ open circuit untuk tegangan DC.

3. Induktor/ Induktansi/ Lilitan/ Kumparan (L)

Seringkali disebut sebagai induktansi, lilitan, kumparan, atau belitan. Pada induktor mempunyai sifat dapat menyimpan energi dalam bentuk medan magnet.

Satuan dari induktor : Henry (H)

Arus yang mengalir pada induktor akan menghasilkan fluksi magnetik (φ ) yang membentuk loop yang melingkupi kumparan. Jika ada N lilitan, maka total fluksi adalah :