Pengukuran Tegangan DC

Sesi-01 DASAR ELEKTRONIKA
1.1
1 -1
Tujuan
Mengenal dan memahami prinsip dasar arus, tegangan, tahanan, daya, konduktor,
isolator, frekuensi, regulator dan pengenalan alat ukur.
1.2
Dasar Teori
Sistem
analog
adalah
suatu
komponen
atau
rangkaian
tertentu
yang
pengoperasiannya cenderung bersifat manual, sehingga batasan masukan dan keluaran
tidak tetap (terdapat skala pembacaan nilai minimum dan maximum).
1.2.1 Arus (Current )
Pada dasarnya semua materi terdiri dari bagian – bagian atom, dan atom – atom
terdiri dari partikel – partikel, tiga partikel yang penting adalah elektron, proton dan
neutron. Elektron bermuatan negatif, proton bermuatan positif dan neutron adalah netral
atau tak bermuatan. Fenomena menggosok sisi karet dengan kain wol termasuk dalam
bidang elektrostatik dengan sifat muatan listrik pada waktu diam, tetapi satu bagian dari
percobaan tersebut telah menyimpang dari elektrostatika, yakni proses pemindahan
muatan dari kain wol ke sisir. Arus listrik atau arus (I) adalah muatan yang bergerak
melalui sebuah titik tertentu per satuan waktu atau :
I
dq
dt
q = Muatan listrik
t = Waktu
Arus listrik ini diukur dengan coulomb per second atau yang sering disebut ampere.
1.2.2
Tegangan
Suatu energi yang diperlukan untuk menggerakan elektron dari satu titik ke titik
lainnya disebut perbedaan potensial antara dua titik, perbedaan potensial V diukur
dengan kerja per unit muatan listrik atau :
V 
w
q
W = Kerja yang diperlukan (Joule)
Q = Muatan listrik (Coulumb)
V = Tegangan (Volt)
V adalah tegangan dengan satuan volt yang sama dengan Joule / Coulomb.
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -2
Sumber tegangan biasanya dinyatakan dengan suatu elemen dua terminal yang diberi
tanda (+) dan (–) untuk sumber tegangan DC seperti Battery /sumber tegangan DC lain:
Gambar 1-1 Sumber Tegangan
AC
Sumber
Tegangan Battery
4 Buah Battery
yang di pasang
seri
Sumber
Tegangan arus
bolak balik AC
Gambar 1-2 Simbol-Simbol Sumber Tegangan
1.2.3 Tahanan (Resistance)
Terbentuk karena adanya perbedaan potensial antara ujung kawat konduktor
elektron bebas dalam konduktor bergerak, namun timbulnya tahanan dalam konduktor
terjadi akibat tabrakan diantara elektron – elektron tersebut. Besar dari tahanan ini
tergantung dari jenis konduktor yang disebut resistivity atau tahanan jenis dengan simbol
ρ. Besarnya ρ dari jenis – jenis konduktor ditunjukan pada tabel berikut:
MATERIAL
Resistivity 108Ω/m
Alumunium
2,6
Brass
6
Copper (tembaga)
1,7
Silver
1,5
Tangter
5,6
Carbon
3,5 x 102
Tabel 1-1 Jenis Tahanan (ρ)
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -3
Hal penting lain yang mempengaruhi tahanan adalah luas penampang konduktor,
besarnya tahanan dari kawat konduktor dengan panjang L meter dan luas panjangnya
MM2 dinyatakan:
R
L
A
dimana:
ρ = Resistivity (tahanan jenis)
L = Panjang
A = Luas penampang
Dari pernyataan ini tahanan kawat yang panjang lebih besar dari kawat yang pendek
untuk meter yang sama. Contoh: Sebuah komponen dililit dengan kawat tembaga 100,
luas penampang 0,8 MM2, maka besar tahanan komponen tersebut adalah:
L = 100 m
A = 0,8 mm2
ρ = 0,0175 Ω/m
dari rumus R  
L
A
= 0,0175.
100
0,8
= 2,1935 Ohm (Ω)
1.2.4 Daya (power)
Merupakan penyerapan usaha (daya) oleh suatu elemen dalam pernyataan
tegangan dan arus yang mengalir pada elemen tersebut.
Daya atau disingkat P adalah:
P  V .I
dimana:
V = tegangan
I = Arus
Contoh: 1. Sebuah elemen listrik dengan tegangan 220 volt, arus yang mengalir = 1 A.
Maka daya yang diserap oleh elemen listrik:
P =VxI
= 220 x 1
= 220 watt
2. Lampu pijar 40 watt tegangan 220 volt berarti arus yang mengalir pada

I
Panduan Praktikum
V AVR Atmega8535 LPKIA
40
I
220
1 -4
lampu tersebut:
P
=VxI
→
3. Daya yang diserap oleh elemen listrik berikut:
+ I= 3A
V = 5 volt
(a)
+ I= 3A
V = 2 volt
(b)
a) Daya yang diserap 15 watt
b) Daya yang diserap 6 watt
Alternating Current (AC)
Adalah arus dan tegangan didalam rangkaian elektronik yang tidak selalu konstan (tetap)
terhadap waktu tetapi berubah terhadap waktu. Dengan kata lain suatu arus yang berubah
– ubah terhadap waktu dan berubah arah secara periodik disebut alternating current (arus
bolak – balik) yang diberi simbol ac.
Sinusoidal Signal
Bentuk gelombang bolak – balik (alternating) secara sederhana adalah gelombang sinus
tegangan atau arus yang bervariasi terhadap waktu secara sinusoidal. Gelombang
sinusoidal dihasilkan dengan berubahnya komponen vertikal sebagai vektor yang
berputar kebalikan dari arah jarum jam dengan kecepatan sudut ω.
Waktu interval yang diperlukan dalam satu cycle disebut perioda T, jumlah cycle per
detik adalah frequensi atau sama dengan 1/T dengan satuanya Hertz (Hz), dimana range
frequensi mulai dari Hertz, Kilohertz (KHz), Megahertz (Mhz) sampai Gigahertz (Ghz).
Satu revolusi diperlukan 2π radian dengan waktu t detik, dengan kecepatan sudut ω
adalah 2 πf. Jika panjang vektor adalah vp sin ω, dimana vp adalah harga maksimum atau
peak amplitudo
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -5
1.2.5
Konduktor
Secara umum konduktor atau penghantar terbagi dalam dua jenis:
1.
Konduktor listrik: material yang dapat menghantarkan arus listrik dengan mudah.
Dalam teknik elektronika adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik, baik
berupa zat padat, cair atau gas. Karena sifatnya yang konduktif maka disebut konduktor.
Konduktor yang baik adalah memiliki tahanan jenis kecil. Pada umumnya logam bersifat
konduktif. Emas, perak, tembaga, alumunium, zink, besi berturut-turut memiliki tahanan
jenis semakin besar. Jadi sebagai penghantar, emas adalah sangat baik, tetapi karena
harganya sangat mahal, maka secara ekonomis tembaga dan alumunium paling banyak
digunakan.
2.
Konduktor panas: material yang dapat menghantarkan panas dengan mudah
Konduksi panas atau konduksi termal adalah penjalaran kalor tanpa disertai
perpindahan bagian-bagian zat perantaranya. Penjalaran ini biasanya terjadi pada benda
padat. Konduksi terjadi dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.
Benda suhunya tinggi akan melepaskan kalor, sedangkan zat yang suhunya rendah akan
menerima kalor, hingga tercapai kesetimbangan termal.
Penjalaran panas ini diperikan oleh rumus matematika berikut:
T = C + (T0 − C)ekt
T adalah suhu, T0 suhu awal, t waktu, C dan k adalah konstanta.
Jenis Bahan Konduktor
Bahan-bahan yang dipakai untuk konduktor harus memenuhi persyaratan-persyaratan
sebagai berikut:
1.
Konduktifitasnya cukup baik.
2.
Kekuatan mekanisnya (kekuatan tarik) cukup tinggi.
3.
Koefisien muai panjangnya kecil.
4.
Modulus kenyalnya (modulus elastisitas) cukup besar.
Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain:
1.
Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.
2.
Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau aluminium yang
diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain, yang gunanya untuk
menaikkan kekuatan mekanisnya.
3.
Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang dipadukan
dengan cara kompresi, peleburan (smelting) atau pengelasan (welding).
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -6
Klasifikasi Konduktor
Menurut bahan:
1.
Kawat logam biasa, contoh:
a. BBC (Bare Copper Conductor).
b. AAC (All Aluminum Alloy Conductor).
2.
Kkawat logam campuran (Alloy), contoh:
a. AAAC (All Aluminum Alloy Conductor)
b. kawat logam paduan (composite), seperti: kawat baja berlapis tembaga (Copper
Clad Steel) dan kawat baja berlapis aluminium (Aluminum Clad Steel).
3.
Kkawat lilit campuran, yaitu kawat yang lilitannya terdiri dari dua jenis logam
atau lebih, contoh: ASCR (Aluminum Cable Steel Reinforced).
Menurut konstruksi:
1.
Kkawat padat (solid wire) berpenampang bulat.
2.
Kkawat berlilit (standart wire) terdiri 7 sampai dengan 61 kawat padat yang dililit
menjadi satu, biasanya berlapis dan konsentris.
3.
Kkawat berongga (hollow conductor) adalah kawat berongga yang dibuat untuk
mendapatkan garis tengah luar yang besar.
Menurut bentuk fisik:
1.
Konduktor telanjang.
2.
Konduktor berisolasi, yang merupakan konduktor telanjang dan pada bagian
luarnya diisolasi sesuai dengan peruntukan tegangan kerja, contoh:
a. Kabel twisted.
b. Kabel NYY
c. Kabel NYCY
d. Kabel NYFGBY
Kriteria mutu penghantar
Konduktivitas logam penghantar sangat dipengaruhi oleh unsur – unsur pemadu,
impurity atau ketidaksempurnaan dalam kristal logam, yang ketiganya banyak berperan
dalam proses pembuatan penghantar itu sendiri. Unsur–unsur pemandu selain
mempengaruhi konduktivitas listrik, akan mempengaruhi sifat – sifat mekanika dan fisika
lainnya. Logam murni memiliki konduktivitas listrik lebih baik dari pada yang lebih
rendah kemurniannya. Akan tetapi kekuatan mekanis logam murni adalah rendah.
Penghantar tenaga listrik, selain mensyaratkan konduktivitas yang tinggi juga
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -7
membutuhkan sifat mekanis dan fisika tertentu yang disesuaikan dengan penggunaan
penghantar itu sendiri.
Selain masalah teknis, penggunaan logam sebagai penghantar ternyata juga sangat
ditentukan oleh nilai ekonomis logam tersebut dimasyarakat. Sehingga suatu kompromi
antara nilai teknis dan ekonomi logam yang akan digunakan mutlak diperhatikan. Nilai
kompromi termurahlah yang akan menentukan logam mana yang akan digunakan. Pada
saat ini, logam Tembaga dan Aluminium adalah logam yang terpilih diantara jenis logam
penghantar lainnya yang memenuhi nilai kompromi teknis ekonomis termurah.
1.2.6 Isolator
Biasa dikatakan sebagai perangkat yang merupakan penghantar arus listrik tidak
baik, bahan-bahan yang termasuk di dalam ini adalah seperti kayu, asbes, plastik dan
lain-lain. Bisa juga diartikan sebagai penghalang arus listrik.
Secara definisi merupakan
1.
Penyekat atau pengisolasi (tentang arus listrik)
2.
Bahan atau alat yang mempunyai hambatan elektrik atau panas yang sangat tinggi
sehingga dapat dipakai untuk menyekat listrik atau panas dari benda lain
Fungsi isolator adalah kebalikan dari konduktor
Regulator
Regulator adalah rangkaian regulasi atau pengatur tegangan keluaran dari sebuah
catu daya agar efek darinaik atau turunnya tegangan jala-jala tidak mempengaruhi
tegangan catu daya sehingga menjadi stabil.
Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple -nya kecil, tetapi
ada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga
akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus semakin besar ternyata
tegangan dc keluarannya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini
cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi
tegangan keluaran ini menjadi stabil.
Beberapa alasan yang mungkin diperlukannya sebuah regulator.
1.
Fluktuasi tegangan jala-jala
2.
Perubahan tegangan akibat beban (loading)
3.
Perlu pembatasan arus dan tegangan untuk keperluan tertentu
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -8
Ada 4 jenis regulator :
1.
Regulator dengan Zener
Merupakan rangkaian regulator yang paling sederhana,
zener
bekerja
pada
daerah
breakdown
sehingga
menghasilkan tegangan output sama dengan tegangan zener,
atau : Vout=Vz. Namun, rangkaian ini hanya bermanfaat
jika arus beban tidak lebih dari 50mA.
2.
Regulator Zener Follower
Regulator ini pada dasarnya adalah regulator zener
yang dikonfigurasi dengan transistor NPN untuk
menghasilkan arus cukup besar. Iz adalah arus
minimum yang diperlukan oleh dioda zener untuk
mencapai tegangan breakdown zener tersebut.
Besar arus ini dapat diketahui dari datasheet yang
besarnya lebih kurang 20 mA
3.
Regulator dengan op-amp
Teknik regulasi yang lebih baik lagi
adalah menggunakan Op-Amp. Jika V out
naik, V in(-) juga naik sampai tegangan
ini = tegangan referensi Vz. Jika tegangan
V out menurun, Op-amp akan menjaga
kestabilan di titik referensi Vz sehingga
setiap saat Op-amp menjaga kestabilan.
4.
Regulator dengan IC (Integrated Circuit)
Saat ini sudah banyak dikenal
komponen seri 78XX sebagai
regulator
tegangan
tetap
positif dan seri 79XX yang
merupakan
regulator
untuk
tegangan tetap negatif.
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -9
Regulator 78xx atau 79xx sudah dikemas menjadi satu IC, bBahkan komponen ini
biasanya dilengkapi dengan pembatas arus ( current limiter ) dan pembatas suhu (thermal
shutdown). Komponen ini memiliki tiga pin, hanya dengan menambah beberapa
komponen lain sudah dapat menjadi rangkaian catu daya yang ter-regulasi dengan baik.
Misalnya 7805 adalah regulator untuk mendapat tegangan 5 volt, 7812 regulator
tegangan 12 volt dan seterusnya, sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912
yang berturut-turut adalah regulator tegangan negatif 5 dan 12 volt.
Frekuensi
Frekuensi adalah ukuran jumlah putaran ulang per peristiwa dalam selang waktu
yang diberikan. Untuk memperhitungkan frekuensi, seseorang menetapkan jarak waktu,
menghitung jumlah kejadian peristiwa, dan membagi hitungan ini dengan panjang jarak
waktu. Hasil perhitungan ini dinyatakan dalam satuan hertz (Hz) yaitu nama pakar fisika
Jerman Heinrich Rudolf Hertz yang menemukan fenomena ini pertama kali. Frekuensi
sebesar 1 Hz menyatakan peristiwa yang terjadi satu kali per detik.
Secara alternatif, seseorang bisa mengukur waktu antara dua buah kejadian atau
peristiwa (dan menyebutnya sebagai periode), lalu memperhitungkan frekuensi (f)
sebagai hasil kebalikan dari periode (T ), seperti nampak dari rumus di bawah ini:
Amplitudo adalah pengukuran skalar yang nonnegatif dari besar osilasi suatu
gelombang. Amplitudo juga dapat didefinisikan sebagai jarak terjauh dari garis
kesetimbangan dalam gelombang sinusoide.
1.2.9 Pengenalan Alat Ukur
Dalam teknik pengukuran, lazim dikenal berbagai alat ukur seperti ohmmeter,
voltmeter, amperemeter, wattmeter, yang biasa dikemas dalam satu alat yang disebut
Multitester atau multimeter, adalah alat ukur yang dapat mengukur besarnya arus,
tegangan dan resistansi. Sehingga multitester ini disebut juga AVOmeter dimana AVO
adalah singkatan dari Ampere Volt dan Ohm. Ampere adalah satuan untuk nilai arus dan
alat ukurnya disebut Amperemeter, volt adalah satuan nilai tegangan dan alat ukurnya
disebut voltmeter dan ohm adalah satuan nilai resistansi dan alat ukurnya disebut
ohmmeter. Selanjutnya kita akan menyebutnya multimeter.
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -10
Multimeter ada 2 jenis yaitu: multimeter analog dan multimter digital. Multimeter
analog menampilkan data hasil pengukurannya berupa pergerakan jarum penunjuk pada
skala. Sedangkan multimeter digital menampilkan data hasil pengukurannya berupa
angka-angka yang ditampilkan pada display.
Dibawah ini adalah gambar multimeter analog dan multimeter digital.
(a)
(b)
Gambar 1-3 a) Multitester Analog b) Multitester Digital
Pada rangkaian elektronika, multimeter ini akan digambarkan dalam bentuk simbol.
Voltmeter
+
V
-
Amperemeter
+
A
VDC
VAC
DCA

Ohmmeter

Gambar 1-4 Simbol-simbol meter dan selektor
Pengukuran Tegangan DC
1. Atur posisi range selector pada range tegangan DC terbesar.
2. Pasangkan test lead + pada titik rangkaian yang lebih positif dan test lead – pada titik
rangkaian yang lebih negatif.
Gambar 1-5 Pengukuran tegangan DC menggunakan voltmeter
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -11
3. Perhatikan pergerakan jarum penunjuk terhadap skala pada panel. Jika range terlalu
besar, atur range selector pada range yang lebih kecil hingga besarnya tegangan dapat
dibaca lebih akurat. Lihat tabel 1.2 untuk membaca datanya. (ketika memindahkan
range selector lepaskan terlebih dahulu test lead dari titik rangkaian.)
4. Setelah selesai pindahkan range selector pada posisi OFF.
Pengukuran Tegangan AC
1. Atur posisi range selector pada range tegangan AC terbesar.
2. Pasangkan test lead + dan test lead – pada titik-titik rangkaian. (pada pengukuran
tegangan AC polaritas tegangan tidak diperhatikan.)
Gambar 1-6 Pengukuran tegangan AC menggunakan voltmeter
3. Ikuti langkah 3 dan 4 pada pengukuran tegangan DC
Pengukuran Arus DC
1. Atur posisi range selector pada range arus DC terbesar.
2. Putus sambungan rangkaian yang akan diukur arusnya.
3. Pasangkan Amperemeter secara seri pada rangkaian yang diputus tadi dengan cara
memasangkan test lead + pada titik sambungan yang lebih positif dan test lead – pada
titik sambungan yang lebih negatif.
Gambar 1-7 Pengukuran arus DC menggunakan amperemeter
4. Perhatikan pergerakan jarum penunjuk terhadap skala pada panel. Jika range terlalu
besar, atur range selector pada range yang lebih kecil hingga besarnya arus dapat
dibaca lebih akurat. Lihat tabel 1.2 untuk membaca datanya. (ketika memindahkan
range selector lepaskan terlebih dahulu test lead dari titik rangkaian).
5. Setelah selesai pindahkan range selector pada posisi OFF.
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -12
Pengukuran Resistansi pada Resistor
1. Atur posisi range selector pada range pengali resistansi terbesar.
2. Kalibrasi Ohmmeter dengan cara menghubungkan kedua test lead dan atur
pergerakan jarum penunjuk dengan mengatur adjustment 0  agar jarum penunjuk
berada pada posisi 0  (sebelah kanan).
3. Pasangkan test lead + dan test lead – pada kaki-kaki resistor. (pada pegukuran ini
polaritas tidak diperhatikan.)
Gambar 1-8 Pengukuran resistansi menggunakan ohmmeter
4. Perhatikan pergerakan jarum penunjuk terhadap skala pada panel. Jika range terlalu
besar, atur range selector pada range yang lebih kecil kemudian kalibrasi ulang
seperti pada langkah 2. Selanjutnya ukur kembali seperti langkah 3 hingga besarnya
resistansi resistor dapat dibaca lebih akurat. Lihat tabel 1.2 untuk membaca datanya.
5. Setelah selesai pindahkan range selector pada posisi OFF.
Pengukuran
Tegangan DC
Tegangan AC
Arus DC
Resistansi
Posisi Range Selektor
Skala yang dibaca
Pengali
DC 0,1 V
DC 0,5 V
DC 2,5 V
DC 10 V
DC 50 V
DC 250 V
DC 1000 V
AC 10 V
AC 50 V
AC 250 V
AC 1000 V
DC 50 uA
DC 2,5 mA
DC 25 mA
DC 0,25 A
x1
x10
x1K
x10K
DCV.A 10
DCV.A 50
DCV.A 250
DCV.A 10
DCV.A 50
DCV.A 250
DCV.A 10
AC 10 V
ACV 50
ACV 250
ACV 10
DCV.A 50
DCV.A 250
DCV.A 250
DCV.A 250
x0,01
x0,01
x0,01
x1
x1
x1
x100
x1
x1
x1
x100
x1
x0,01
x0,1
x0,001
x1
x10
x1000
x10000




Tabel 1-2 Pengukuran menggunakan Multitester Analog
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA
1 -13
Projectboard
Projectboard adalah papan percobaan untuk menyusun rangkaian elektronika
sebelum dibuat dalam bentuk PCB. Hal ini dilakukan untuk mencoba dan menguji
rangkaian elektronika yang akan dibuat menjadi PCB jika sudah benar.
Di bawah ini adalah bentuk tampak muka dan lubang-lubang terkoneksi projectboard.
a)
(a)
b)
(b)
Gambar 1-8 Projectboard (a) Tampak muka (b) Koneksi-koneksi pada projectboard
Pada gambar a) tampak titik-titik yang merupakan lubang-lubang sebagai tempat
memasangkan kaki-kaki komponen. Sedang gambar b) tampak garis-garis tebal yang
menunjukkan bahan logam untuk menghubungkan lubang-lubang pada projectboard.
Pada bagian 1 dan 4 lubang-lubang terkoneksi secara horizontal, sedang pada bagian 2
dan 3 lubang-lubang terkoneksi secara vertikal. Garis yang tidak terhubung menandakan
tidak ada koneksi. Contoh kolom 1 pada baris A .. E terkoneksi, tetapi tidak terkoneksi
dengan kolom 1 baris F .. J, ini berarti bagian 2 tidak terkoneksi dengan bagian 3.
Bagian 1 dan 4 biasanya digunakan sebagai tempat koneksi dengan catu daya. Sedangkan
bagian 2 dan 3 digunakan sebagai koneksi kaki-kaki komponen.
1.3
Tugas Akhir
Buat kesimpulan dari uraian diatas
Panduan Praktikum AVR Atmega8535
LPKIA