BAB 1. RANGKAIAN LISTRIK

BAB 1. 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 listrik adalah :
1. Elemen listrik dua terminal
a. Sumber arus
b. Sumber tegangan
c. Resistor ( R )
d. Induktor ( L )
Di bahas pada bab 2
e. Kapasitor ( C )
2. Elemen listrik lebih dari dua terminal
a. Transistor
b. Op-amp
Di bahas pada bab 4
dan 5
Sumber Arus
a. Sumber arus
Arus merupakan perubahan kecepatan muatan terhadap waktu atau muatan yang mengalir
dalam satuan waktu dengan simbol i (dari kata Perancis : intensite), dengan kata lain arus adalah
muatan yang bergerak.
Selama muatan tersebut bergerak maka akan muncul arus tetapi ketika muatan tersebut
diam maka arus pun akan hilang. Muatan adalah satuan terkecil dari atom atau sub bagian
dari atom.
Muatan terdiri dari dua jenis yaitu muatan positif dan muatan negatif.
Arah arus searah dengan arah muatan positif (arah arus listrik) atau berlawanan dengan arah
aliran elektron. Suatu partikel dapat menjadi muatan positif apabila kehilangan elektron dan
menjadi muatan negatif apabila menerima elektron dari partikel lain.
Coulomb adalah unit dasar dari International System of Units (SI) yang digunakan untuk
mengukur muatan listrik.
Simbol
: Q = muatan konstan
q = muatan tergantung satuan waktu
muatan 1 elektron = -1,6021 x 10-19 coulomb
1 coulomb = -6,24 x 1018 elektron
Secara matematis arus didefinisikan :
Satuannya : Ampere (A)
Arus Searah
Dalam teori rangkaian arus merupakan pergerakan muatan positif. Ketika terjadi beda potensial
disuatu elemen atau komponen maka akan muncul arus dimana arah arus positif mengalir
dari potensial tinggi ke potensial rendah dan arah arus negatif mengalir sebaliknya.
Macam-macam arus :
Arus searah (Direct Current/DC)
Arus searah adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang
energi potensialnya lebih rendah. Arus listrik searah disebut listrik yang arahnya selalu tetap
terhadap waktu.
Sumber arus searah antara lain bateri, aki, panel surya dan dari sumber arus bolak-balik yang
dirubah menjadi arus searah dengan menggunakan penyearah (Rectifier).
Sumber Tegangan Searah
b. Sumber Tegangan
Tegangan atau seringkali orang menyebut dengan beda potensial dalam bahasa Inggris voltage
adalah kerja yang dilakukan untuk menggerakkan satu muatan (sebesar satu coulomb) pada
elemen atau komponen dari satu terminal/kutub ke terminal/kutub lainnya, atau pada kedua
terminal/kutub akan mempunyai beda potensial jika kita menggerakkan/memindahkan muatan
sebesar satu coulomb dari satu terminal ke terminal lainnya.
Keterkaitan antara kerja yang dilakukan sebenarnya adalah energi yang dikeluarkan, sehingga
pengertian diatas dapat dipersingkat bahwa tegangan adalah energi per satuan muatan.
Secara matematis :
Satuannya : Volt (V)
Rangkaian Thevenin
Rangkaian Thevenin
Seorang insinyur berkebangsaan Perancis,
M. L. Thevenin tahun1883 membuat formula :
Suatu rangkaian listrik dapat disederhanakan dengan
hanya terdiri dari satu buah sumber tegangan yang
dihubungkan secara seri dengan sebuah tahanan
ekuivalennya pada dua terminal yang diamati.
Tujuan sebenarnya dari teorema ini adalah untuk menyederhanakan analisis rangkaian, yaitu
membuat rangkaian pengganti berupa sumber tegangan yang dihubungkan secara seri dengan suatu
resistansi ekuivalennya.
Rangkaian Thevenin
Rangkaian dengan analisis teorema Thevenin :
Langkah-langkah penyelesaian dengan teorema Thevenin:
1. Cari dan tentukan titik terminal a-b di mana parameter ditanyakan. Pada di atas yang ditanyakan
adalah besar atau nilai dari IR3, maka titik terminal a-b terdapat pada komponen tahanan R3
2. Lepaskan komponen pada titik a-b tersebut. Sehingga diperoleh gambar berikut :
3. Jika semua sumbernya adalah sumber bebas, maka tentukan nilai tahanan diukur pada titik a-b
tersebut saat semua sumber di non aktifkan dengan cara diganti dengan tahanan dalamnya ( jika
sumber tegangan bebas maka diganti dengan rangkaian short circuit, apabila sumber arus bebas
maka diganti dengan rangkaian open circuit).
Rangkaian Thevenin
Maka didapatkan :
Diperoleh :
Rangkaian Thevenin
4. Pasang kembali sumber tegangan bebasnya, kemudian hitung nilai tegangan dititik a-b
tersebut.
Tegangan di titik a-b,
Diperoleh :
Rangkaian Thevenin
5. Gambarkan kembali rangkaian pengganti Theveninnya (rangkaian aktif), kemudian pasangkan
kembali komponen yang tadi dilepas dan hitung parameter yang ditanyakan.
maka dapat mencari besar atau nilai dari
yaitu :
besar atau nilai arus yang mengalir pada tahanan
(
)
Rangkaian Thevenin
Contoh lain :
Tentukanlah berapa besar nilai arus yang mengalir melalui tahanan
(
):
Jawab:
Langkah-langkahnya adalah:
1. Tentukan titik terminal a-b dimana parameter ditanyakan. Pada rangkaian gambar 1.6 titik
terminal a-b dapat ditentukan di tahanan R2. Maka komponen R2 dilepaskan dan diganti dengan
titik a-b.
Rangkaian Thevenin
2. Sumber tegangan bebasnya diganti dengan rangkaian short circuit. Kemudian mencari
tahanan Theveninnya
Rangkaian dibuat seperti Gambar di atas. untuk memudahkan mencari tahanan
Theveninnya. Dapat diperoleh:
Rangkaian Thevenin
3. Pasang kembali sumber tegangannya, kemudian hitung nilai tegangan theveninnya.
Kita umpamakan tegangan pada titik terminal a-b dengan V1 > V2, maka dapat diperoleh
persamaan :
atau
atau
Rangkaian Thevenin
4. Gambarkan kembali rangkaian pengganti Theveninnya (rangkaian aktif) dan pasang kembali
komponen tahanan R2 yang tadi dilepas.
Maka dapat diperoleh besar nilai arus yang mengalir pada tahanan R2 (IR2), yaitu:
Rangkaian Thevenin
Soal latihan :
1.
Carilah I pada R = 2Ω?
2.
Carilah I pada R = 3Ω?
3.
Carilah I pada R = 10Ω?
Rangkaian Norton
Rangkaian Norton
Seorang insinyur teknik elektro berkebangsaan Amerika,
E. L. Norton tahun 1926 membuat formula :
Suatu rangkaian listrik dapat disederhanakan
dengan hanya terdiri dari satu buah sumber arus
yang dihubungkan secara paralel dengan sebuah
tahanan ekuivalennya pada dua terminal yang diamati.
Tujuan untuk menyederhanakan analisis rangkaian yaitu untuk membuat rangkaian pengganti berupa
sumber arus yang diparalel dengan suatu tahanan ekuivalennya.
Rangkaian Norton
Rangkaian dengan analisis teorema Norton :
Langkah-langkah penyelesaian dengan teorema Norton:
1. Cari dan tentukan titik terminal a-b di mana parameter ditanyakan. Pada Gambar di atas yang
ditanyakan adalah besar atau nilai dari IR3, maka titik terminal a-b terdapat pada komponen
tahanan R3
2. Lepaskan komponen pada titik a-b tersebut. Sehingga diperoleh gambar berikut:
Rangkaian Norton
3. Jika semua sumbernya adalah sumber bebas, maka tentukan nilai tahanan diukur pada titik
a-b tersebut saat semua sumber di non aktifkan dengan cara diganti dengan tahanan
dalamnya ( jika sumber tegangan bebas maka diganti dengan rangkaian short circuit, apabila
sumber arus bebas maka diganti dengan rangkaian open circuit).
Maka didapatkan Rab = RN,
Diperoleh :
Rangkaian Norton
d. Pasang kembali sumber tegangan bebasnya.
e. Kemudian titik a-b dihubungkan singkat sehingga tidak ada arus yang melewati R2. Atau
kata lain, I2 = 0. Sehingga besar IN dapat dicari dengan :
dengan
Rangkaian Norton
Maka diperoleh :
f.
Gambarkan kembali rangkaian pengganti Nortonnya (rangkaian aktif), kemudian pasangkan
kembali komponen yang tadi dilepas dan hitung parameter yang ditanyakan.
Dari Gambar di atas, maka dapat mencari besar atau nilai dari IR3, yaitu:
Rangkaian Norton
Maka besar atau nilai arus yang mengalir pada tahanan R3 (IR3) yaitu:
Mencari RN
Mencari IN dengan hukum
Ohm dan Khirchoff
Rangkaian Norton
Soal latihan :
1.
Carilah I pada R = 2Ω?
2.
Carilah I pada R = 3Ω?
3.
Carilah I pada R = 10Ω?
Rangkaian Listrik Bolak-balik
Rangkaian listrik bolak-balik, dimana untuk waktu tertentu akan didapatkan nilai yang berbedabeda.
Sumber bolak-balik atau lebih singkatnya dengan sumber AC (Alternating Current) akan
mempengaruhi komponen pasif yang digunakan.
Karakteristik dari sumber AC atau gelombang AC adalah dia mempunyai sifat periodik atau berulang
dengan selang waktu tertentu atau lebih sering disebut dengan perioda, dimana nilai dari
periodik ini memenuhi persamaan :
f (t) = f ( t + nT )
dimana n : integer 0,1,2,… dengan T = perioda, seperti terlihat pada gambar dibawah ini :
Dalam suatu rangkaian listrik, simbol untuk sebuah sumber tegangan gerak elektrik bolak-balik
adalah
Konsep Phasor
Phasor adalah bilangan kompleks yang merepresentasikan besaran atau magnitude dan phasa
gelombang sinusoidal.
Phasor biasanya dinyatakan dengan sebuah notasi pada domain frekuensi yang hanya terdiri
dari besaran dan phasa.
Formula Euler :
Sebagai contoh :
Volt dalam domain waktu.
Formula Euler :
Notasi phasor :
Volt dalam domain frekuensi.
Bilangan Kompleks
Bilangan yang terdiri dari harga real (nyata) dan harga imajiner (khayal), Contoh :
Dimana
atau
. Grafik bilangan kompleks :
Bentuk-bentuk bilangan kompleks :
1. Bentuk Kartesian / Rectanguler
2. Bentuk Polar
3. Bentuk Eksponensial
3. Bentuk Trigonometri
Konjugate bilangan kompleks
Jumlah dan selisih bilangan kompleks
Perkalian dan pembagian bilangan kompleks
Suatu bentuk gelombang tegangan listrik bolak-balik dapat digambarkan seperti :
Pesamaan tegangan sesaat
Dimana :
v = tegangan sesaat
Vm = tegangan maksimum
f = frekuensi = 1/t Hz
T = periode = waktu satu gelombang
ω = kecepatan sudut = 2πf = 2π/T
Frekuensi dalam listrik AC merupakan banyaknya gelombang yang terjadi dalam satu
detik. Jika waktu yang diperlukan oleh satu gelombang disebut periode (T) maka.
Tegangan Efektif dan Arus Efektif
Tegangan listrik arus bolak – balik yang diukur dengan multimeter menunjukan tegangan
efektif. Nilai tegangan dan arus efektif pada arus bolak – balik menunjukan gejala
yang sama seperti panas yang timbul jika dilewati arus searah :
Respon Elemen
a. Resistor dalam arus bolak – balik
Rangkaian yang terdiri dari sebuah sumber tegangan bolak – baliik dan sebuah
resistor seperti gambar di bawah
Persamaan tegangan sumber
Persamaan tegangan pada Resistor R
Dimana : v = tegangan sesaat
i = arus sesaat
R = hambatan
Sehingga :
Daya sesaat ( p )
Untuk satu gelombang nilai rata – rata
sehingga daya