Arus dan Teganga.n - Elearning Gunadarma

2
Arus dan Teganga.n
2.1
ATOM DAN STRUKTUR
Pemahaman dasar mengenai konsep utama arus dan teganganmemerlukan tingkat pengenalan tentang atom dan strukturnya. Atom yang paling sederhana adalah
atom hidrogen, yang terdiri dari dua partikel yaitu proton dan elektron, dengan
posisi relatif yang diperlihatkan pada Gambar 2.1(a). Inti atom hidrogen adalah
proton, yaitu sebuah partikel yang bermuatan positif. Elektron orbit membawa
sebuah muatan negatif yang sarna besarnya dengan muatan positif proton. Di
dalam semua elemen yang lain, inti juga berisi neutron yang sedikit lebih berat
daripada proton dan tidak memiliki muatan listrik. Sebagai eontoh, atom helium
memiliki dua neutron sebagai tambahan dua elektron dan dua proton yang diperlihatkan pada Gambar 2.1(b). Di dalam semua atom yang netral jumlah elektron
sarna dengan jumlah proton. Massa elektron adalah 9.11 x 10-28gram, sedangkan
proton dan neutron sebesar 1.672 x 10-24gram. Jadi massa proton (atau neutron)
kira-kira 1836 kali massa elektron. Jari~4ariproton, neutron, dan elektron semuanya dalam orde yang besarnya 2 x 10. 5 meter.
Untuk atom hydrofien, radius orbit yang paling keeil yang diikuti elektron
adalah sekitar 5 x 10. . Radius orbit ini kira-kira 25,000 kali unsur dasar atom.
Hal ini kira-kira sarna dengan sebuah bola yang ukurannya sarna dengan uang
logam yang berputar sekitar bola yang sarna ukurannya dengan jarak lebih dari
seperempat mil jauhnya.
Atom-atom yang berbeda akan memiliki bermaearn-maearnjumlah elektron
pada kulit yang konsentris sekitar inti. Kulit yang pertama, yang paling dekat
dengan inti, hanya dapat berisi dua elektron. Jika sebuah atom seharusnya
memiliki tiga elektron, maka elektron yang ketiga hams pergi ke kulit berikutnya.
Kulit yang kedua dapat berisi sebanyak-banyaknya delapan elektron, kulit yang
39
40
Teknik Rangkaian Listrik
e-Electron
,
"'
'"
/'
.....
NUcIeus
,/
I
I
I
'\
\
I
1
,
\
\
\,
'
I
//
//
Proton
"
----
-----(a)
Hydrogen
atom
e~,
"'
/'
/'
/ .
Pn){\)nj
'
I
I
~
\
\
,
Electron-
"
\
,
I
\.../
}
I
/
~udeus
e-----(b) Helium
GAMBAR 2.1
Electron
,
'v :-':eu(l't"ns
//'
/"
atom
Atom hidrogen dan helium.
ketiga 18 elektron, dan yang keernpat sebanyak 32 elektron, sebagaimana ditentukan oleh persamaan 2n, di mana n adalah jumlah kulit. Kulit ini biasanya
dinyatakan dengan sebuah bilangan (n = 1,2,3, ...)atauhuruf(n = k, I, m, ...).
Masing-masing kulit kemudian dipecah menjadi sub-kulit, di mana sub-kulit
yang pertama dapat berisi sebanyak-banyaknya dua elektron, sub-kulit yang
kedua berisi enam elektron, yang ketiga berisi 10 elektron, dan yang keempat
sebanyak 14 elektron, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.2. Subkulit
tersebut biasanya dinyatakan dengan huruf s,p, d, danJ, dengan urutan keluar dari
inti.
Telah ditentukan dengan percobaan bahwa ia tidak seperti muatan yang tarik
menarik, akan tetapi sama dengan muatan yang saling tolak-menolak. Gaya tarik
menarik maupun gaya tolak menolak antar dua muatan Ql dan Qz dapat ditentukan oleh hukum Coulomb:
(2.1)
Arus dan Tegangan
\
\
\
:2electrons(2 e) 2 e
.
yS
\
.
Nucleus
yS y
P
\ \
Ist shell
10 e
\
\
::!e
I/ I
3rd t1I
I
GAMBAR 2.2
\
10 e 14 e
ys y yd y
p
f
\ \ \ \
r
I
\...
J
I
'
I
\...
In I I
!v1-1
! 0:
/Ub'hIIS
\
6e
4th shell
I
1 SUb/II
\
6e
2nd shlI
+----+-.
k
\
::!e
ys y yd
P
\ \ \
i
j\
/
\
6e
41
/
jUbSjllS
/
/Ub/
/
Kulit dan subkulit struktur atom.
di mana F dalam newton, k= tetapan = 9.0 x 109, Q1 dan Q2 adalah muatan dalam
coulomb (akan diperkenalkan dalam Pasal 2.2), dan r adalah jarak dalam meter,
antara dua muatan tersebut. Khususnya perlu dicatat bahwa suku "r" dalam
pembagi akan menghasilkan penurunan harga F dengan cepat untuk pertambahan
harga "r".
Dalam
-
suatu atom elektronakan saling tolak menolaksatu sarna lain, dan
proton dan elektron akan saling tarik menarik satu sama lain. Karena inti berisi
banyak muatan positif (proton), maka gaya tarik menarik yang kuat terjadi pada
elektron yang berada pada orbit yang dekat dengan inti [perlu dicatat pengaruh
dari muatan Q yang besar dan jarak "r" yang kecil dalam Persamaan (2.1)].
Begitu jarak antara inti dan orbit elektron bertambah, maka gaya ikat akan
berkurang sehingga mencapai tingkatnya yang paling rendah yaitu sub-kulit yang
paling luar (r yang terbesar). Karena gaya ikat yang semakin lemah, maka sedikit
energi yang dikeluarkan untuk mengambil sebuah elektron dari sebuah sub-kulit
yang lebih luar daripada dari sub-kulit yang lebih dalam. Begitu juga, hal ini
sebenarnya secara umum benar bahwa elektron lebih siap diambil dari atom yang
memiliki subkulit luar yang tidak lengkap dlJD,sebagai tambahan, yang memiliki
sedikit elektron. Sifat atom inilah yang memperbolehkan pengambilan elektron
pada keadaan tertentu merupakan hal yang penting jika ada gerakan muatan.
Tanpa gerakan ini, maka naskah ini akan mengandung resiko tidak ada kelanjutan
- besaran dasar kita mengandalkan gerakan ini.
Tembaga adalah metal yang paling umum digunakan dalam industri listriklelektronika. Sebuah pengujian mengenai struktur atomnya akan membantu
untuk mengenal bagaimana ia memiliki aplikasi yang sangat luas. Atom tembaga
42
Teknik Rangkaian Listrik
\
\
\ :!..
y
\ 2..\ 6..
V V
s
s
\
\
I
,
k
,
,I
/
/
. I,
I
I I
I
l'ucku.
\ V\\2..\V
6..\0..
V
s
2nd sheII
l.t shell
CD
\
\
/
/ /
/
\
p
d
---'\.1"
\\\\
s
\I
\r
I I I
/ /
/
/ / /
p
d
\1'1 \
3rd shell ,
m
\29th
4th shell
I .I
I
n ,
I'
\
f
l'.
I
Remaining subshells emptV
/
I / /.
IIII
GAMBAR 2.3 Atom tembaga.
(Gambar 2.3) memiliki satu elektron atau lebih yang diperlukan untuk melengkapi tiga kulit yang pertama. Subkulit terluar yang tidak lengkap ini hanya
memiliki satu elektron, dan jarak antara elektron ini dengan inti, mengungkap
bahwa elektron yang keduapuluh-sembilan kurang kuat ikatannya terhadap atom
tembaga. Jika elektron yang keduapuluh-sembilan ini memperoleh energi yang
cukup dari media di sekitamya maka akan meninggalkan atom induknya, inilah
yang disebut elektron bebas. Dalam satu inci kubik tembaga pada suhu ruang ada
sekitar 1.4 x 1024elektron bebas. Tembagajuga memiliki keuntungan yaitu dapat
ditarik menjadi kawat tipis yang panjang dan ditempa menjadi bermacam-macam
bentuk yang berbeda. Metal yang lain yang memiliki sifat yang sarna dengan tembaga, tetapi berbeda tingkatnya adalah perak, emas, platina, dan aluminium. Emas
digunakan secara luas dalam rangkaianterpadu di mana tingkat kinerja danjumlah
bahan yang diperlukanseimbang'denganfaktorbiayanya.Alumuniumbanyak digunakan secara komersial tetapi lebih peka terhadap suhu (mengembang dan
menyusust) daripadatembaga.
2.2
ARUS
Perhatikan sebuah kawat tembaga pendek yang dipotong dengan arah tegak lurns
dengan sumbu khayal akan menghasilkan potongan melingkar yang diperlihatkan
dalam Gambar 2.4. Pada suhu ruang dengan"tanpa gaya luar yang diberikan, maka
yang ada dalam kawat tembaga tersebut adalah gerakan elektron yang acak
Arus dan Tegangan
43
GAMBAR 2.4
karena pengaruh energi panas yang mana elektron memperolehnya dari media
yang berada di sekitarnya. Bila sebuah atom kehilangan elektron bebasnya, maka
ia menjadi bermuatan positif yang direferensikan sebagai sebuah ion positif.
Elektron bebas tersebut dapat berpindah dalam ion positif ini dan meninggalkan
atom induknya, sedangkan ion positif hanya berosilasi pada posisi tetap rataratanya. Karena alasan inilah
elektron bebas adalah muatan pembawa listrik dalam sebuah kawat tembagq
atau dalam sembarang penghantar padat.
Sebuah larik ion positif dan elektron bebas dilukiskan pada Gambar 2.5.
Dalam larik ini, elektron bebas secara terus menerus memperoleh atau kehilangan
energi karena perubahan arah dan kecepatannya. Banyak faktor yang menye-
'"e
GAMBAR 2.5
Gerakan acak elektron bebas dalam sebuah struktur atom
44
Teknik Rangkaian Listrik
babkan adanya gerakan acak ini yang meliputi (1) tabrakan dengan ion positif
atau elektron yang lain, (2) gaya tarik menarik dari ion positif, dan (3) gaya tolak
menolak yang terjadi antar eIektron. Gerakan acak elektron bebas ini sedemikian
rupa setelah selang waktu tertentu jumlah elektron yang bergerak ke arah kanan
melewati potongan melintang pada Garnbar 2.4 besamya tepat sarna dengan
jumlah yang lewat ke sebelah kiri.
Tanpa adanya gaya dari luar, aIiran total muatan dalam sebuah penghantar
dalam salah satu arah besarnya noL
Marilahkita hubungkan kawat tembaga ini antara dua terminal baterei seperti
yang diperlihatkan dalarn Gambar 2.6. Baterei tersebut menggunakan energi
kimia, yang mc:mempatkanmuatan positif pada salah satu terminal dan muatan
negatif pada terminal yang lain. Begitu kawat dihubungkan antara dua terminal
tersebut, maka elektron bebas pada kawat tembaga akan mengalir menuju terminal positif, sedangkan ion positif akan berosilasi dalarn posisi tetap rata-ratanya.
Terminal negatif tersebut meropakan penyedia elektron yang akan diarnbil
darinya bila elektron pada kawat tembaga mengalir menuju terminal positif.
Reaksi kimia pada baterei akan menyerap elektron pada terminal positif dan
menjaga penyediaan elektron yang tetap pada terminal negatif. .
Jika 6.6242 x 1018elektron mengalir dengan kecepatan yang seragarn melalui
potongan melintang sumbu khayal pada Garnbar 2.6 dalarn waktu satu detik,
/
Imaginary plane
lconventionaJ
Battery
I.
II
GAMBAR 2.6
Arus dan Tegangan
45
maka aliran muatan atau arus dikatakan sebesar 1 amper (A). Pembahasan pada
Bab 1telahmengungkapbahwainimerupakanjumlahelektronyangsangatbesar .
yang melintasi permukaan tersebut dalarn waktu 1 detik. Arus yang hanya sedikit
elektron saja per detik tidak akan bertalian dan harga praktis yang kecil. Untuk
menetapkan harga numerik yang memungkinkan perbandingan antar tingkat,
muatan satu coulomb (C) didefmisikan sebagai muatan total yang berhubungan
18
dengan 6.242 x 10 elektron. Muatan yang berhubungan dengan satu elektron
dapat ditentukan dari
Muatanlelektron= Qe=
1C
6.242 X 1018
= 1.6 X 10-19 C
Arus dalarn arnper kini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
berikut:
I. = amper(A)
Q = coulomb(C)
1
=detik(s)
(2.2)
Huruf besar I dipilih dari kata dalam bahasa Perancis untuk arus, yaitu "intensite". Singkatan SI untuk masing-masing besaran dalam Persamaan (2.2) diberikan untuk persarnaan yang benar. Persarnaan tersebut secara jelas mengungkap
bahwa untuk selang waktu yang sarna, semakin banyak muatan yang mengalir
melalui kawat akan semakin besar arusnya.
Melalui manipulasi aljabar, dua besaran lain yang dapat ditentukan adalah
sebagai berikut:
Q=II
(coulomb, C)
(2.3)
dan
-Q
1-7
(detik, s)
(2.4)
CONTOH 2.1. Muatan yang mengalir melalui permukaan khayal pada
Garnbar 2.6 sebesar 0.16 coulomb setiap 64 milidetik. Tentukan arus tersebut
dalam arnper.
Penyelesaian:
Persamaan(2.2)
46
Teknik Rangkaian Listrik
160 X 10-3 C = 2.50 A
1= Q =
0.16C
t 64 x 10-3detik 64 X 10-3 detik
CONTOH 2.1. Tentukan waktu yang diperlukan bagi 4 x 1016elektron untuk
melewati pennukaan khayal pada Gambar 2.6 jika arus besarnya 5 miliamper.
Penyelesaian:
4 x 1016elektrOn
Tentukan Q:
I~
(6.242 x 10
~
elektro~)
=0.00641X 10-2C
= 0.00641
C
= 6.41 mC
Hitunglah t [Persamaan (2.4)]
t =Q
I
= 6.41
X
10-3 C - 1.282 detik
5 x 10-3A
Pandangan sekilas yang kedua pada Gambar 2.6 akan mengungkap bahwa dua
arah aliran muatan telah ditandai. Yang satu disebut arah yang diperjanjikan
sedangkan yang kedua disebut aliran elektron. Naskah ini hanya akan berhubungan dengan aliran yang diperjanjikan karena berbagai alasan, tennasuk kenyataan bahwa inilah yang paling banyak digunakan pada institusi pendidikan dan
dalam industri, digunakan dalam rancangan semua simbol piranti elektronik, dan
merupakan pilihan yang terkenal untuk semua paket perangkat-Iunak komputer.
Aliran yang diperdebatkan merupakan hasil dari sebuah anggapan yang dibuat
pada saat listrik ditemukan bahwa muatan positif adalah partikel yang bergerak
dalam penghantar metal. Percayalah bahwa pilihan mengenai arus yang diperjanjikan tersebut tidak akan menghasilkan kesulitan besar dan kekacauan dalam
bab-bab berikutnya. Begitu arah I ditetapkan, maka pennasalahan tersebut dihentikan dan analisis dapat berlanjut.
2.3
TEGANGAN
Aliran muatan yang diuraikan dalam pasal sebelumnya ditetapkan oleh sebuah
tekanan dari luar yang diperoleh dari energi yang mana sebuah massa memiliki
energi karena posisinya yang disebut energi potensial (potential energy, PE).
Arus dan Tegangan
47
Energi, menurut definisi adalah kapasitas untuk melakukan kerja. Jika sebuah
massa (m) dinaikkan sampai ketinggian tertentu (h) di atas bidang referensi maka
ia memiliki energi potensial yang besarnya dinyatakan dalam joule (J) yang
ditentukan oleh
Energi potensial (PE) = mgh
Goule,1)
(2.5)
di mana g adalah percepatan gravitasi (9.754 m/s). Massa ini sekarang memiliki
kemampuan untuk melakukan pekerjaan seperti menggilas obyek yang diletakkan
pada bidang referensi. Jika ketinggiari kemudian dinaikkan lagi, maka ia akan
memiliki ukuran energi potensial yang bertambah dan dapat melakukan pekerjaan
tambahan. Ada perbedaan potensial yang jelas antara dua ketinggian di atas
bidang referensi.
Dalam baterei pada Gambar 2.6, reaksi kimia internal akan menetapkan
(melalui pengeluaran energi) sebuah timbunan muatan negatif (elektron) pada
salah satu terminal (terminal negatif) dan muatan positif (ion positif) pada terminal yang lain (terminal positif). Penempatan muatan telah ditetapkan yang akan
menghasilkan perbedaan potensial antara terminal tersebut. Jika sebuah penghantar dihubungkan antara terminal baterei, maka elektron pada terminal negatif
memiliki energi potensial yang cukup untuk menanggulangi tabrakan dengan
partikellain dalam penghantar dan tolak menolak dari muatan yang sarna untuk
mencapai terminal positif yang ditarik.
Muatan dapat dinaikkan menuju sebuah tingkat potensial yang lebih tinggi
melalui pengeluaran energi dari sebuah sumber dari luar, atau ia dapat kehilangan
energi potensial bila ia berjalan melalui sebuah sistem listrik. Dalam sembarang
kasus, menurut definisi:
Sebuah perbedaan potensial sebesar 1 volt (V) ada di antara dua titik jika 1
joule (J) energi dipertukarkan dalam perpindahan 1 coulomb (C) muatan
antara dua titik tersebut.
.
Sebagai gambaran,jika satujoule (I J) energi diperlukan untuk menggerakkan
muatan satu coulomb (I C) pada Gambar 2.7 dari posisi x menuju posisi y, maka
perbedaan potensial atau tegangan antara dua titik tersebut sebesar satu volt (I V).
Jika energi yang diperlukan untuk memindahkan muatan I C meningkat menjadi
12 J karena tambahan gaya yang berlawanan maka perbedaan potensial akan
meningkat menjadi 12 V. Olehkarena itu tegangan merupakan tanda seberapa
banyak energi yang diperlukan untuk memindahkan sebuah muatan antara dua
titik dalam sistem listrik. Sebaliknya, semakin tinggi rating tegangan sebuah
sumber energi seperti sebuah baterei, maka akan semakin banyak energi yang
tersedia untuk menggerakkan muatan melalui sistem tersebut. Perlu dicatat bah-
48
Teknik Rangkaian Listrik
w= I J
\IC
~
--
---
(/"')
/
I
I
x
y
VA)'=
GAMBAR 2.7.
I volt
Penentuan satuan pengukuran untuk tegangan
wa dua titik yang selalu disertakan bita membicarakan mengenai tegangan atau
perbedaan potensial. Selanjutnya perlu diingat bahwa
perbedaan potensial atau tegangan selalu diukur antara dua titik dalam suatu
sistem. Dengan merubah salah satu titik dapat merubah perbedaan potensial
antara dua titik yang sedang ditinjau.
Secara umum, perbedaan potensial antara dua titik ditentukan oleh
w
V= 1! (volt)
(2.6)
Melalui manipulasi aljabar, kita memiliki persamaan
W = QV
(joule)
(2.7)
dan
W
Q=-y
(coulomb)
(2.8)
CONtOH 2.3. Berapa perbedaan potensial antara 4ua titik di dalam sebuah
sistem listrik jika energi sebesar 60 joule dikeluarkan oleh sebuah muatan 20 C
antara dua titik ini.
Penyelesaian:
Persamaan(2.6)
W 60J
V = 1! = 1U""C = 3V
Arus don Tegangan
49
CONTOH 2.1. Tentukan energi yang digunakan untuk memindahkan sebuah
muatan 50 C melalui perbedaan potensial 6 V.
Penyelesaian:
Persamaan (2.7)
W= QV= 50 x 10-6C)(6 V) = 300 x 10-6J = 300 J.W
Notasi memainkan peran yang sangat penting dalam analisis sistem listrik dan
elektronika. Untuk membedakan antara sumber tegangan (baterei dan yang
semisal) dan penurunan potensial pada elemen yang memancarkan panas, maka
notasi berikut yang akan digunakan:
E digunakan untuk sumber-sumber tegangan (volt)
Vdigunakanuntukjatuhtegangan(volt)
Secara ringkas, perbedaan potensial yang digunakan (dalam volt) pada sebuah
sumber tegangan dalam rangkaian listrik adalah "tekanan" untuk menetapkan
sistem agar bergerak dan "menyebabkan" aliran muatan atau arus melalui sistem
listrik tersebut. Sebuah analogi mekanik untuk tegangan yang dipakai adalah
tekanan yang digunakan pada air dalam sebuah pipa. Aliran air yang dihasilkan
melalui sistem disamakan dengan aliran arus yang melalui sebuah rangkaian
listrik. Tanpa menggunakan tekanan dad katup, maka air akan tetap dalam pipa,
seperti elektron pada sebuah kawat tembaga tidak memiliki arah bila tidak diberi
tegangan.
2.4
PENYEDIA TETAP (de)
Istilah dc yang digunakan pada judul pasal ini adalah singkatan dari "direct
current" (arus searah), yang mencakup bermacam-macam sistem listrik yang
mana hanya ada satu arah aliran muatan. Istilah ini akan diulas lebih jelas lagi
dalam bab berikutnya. Untuk saat ini, kita hanya akan memperhatikan pada
penyedia yang menyediakan tegangan atau arus yang tetap.
GAMBAR 2.8
50
Teknik Rangkaian Listrik
Sumber Tegangan de
Karena sumber tegangan dc lebih mengenal dua jenis penyedia daya, maka ia
akan diuji pertama kali. Simbol yang digunakan untuk semua penyedia tegangan
dc dalam naskah ini tampak dalam Gambar 2.8. Panjang relatifbatang menunjukkan terminal yang mereka nyatakan.
Sumber tegangan dc dapat dibagi menjadi tiga kategori umum: (1) baterei
(reaksi kimia), (2) generator (elektromekanik), dan (3) penyedia daya (penyearahan).
.
Baterei Bagi orang awam, baterei adalah sumber dc yang paling umum. Menurut definisi, sebuah baterei (berasal dari pemyataan "battery of cell") yang berisi
sebuah kombinasi dua atau lebih kombinasi sel-sel yang mirip, sebuah sel merupakan sumber energi listrik utama yang dihasilkan dari perubahan energi kimia
atau energi surya. Semua sel dapat dibagi menjadijenis primer dan sekunder. Sel
sekunder dapat diisi lagi, sedangkan sel primer tidak dapat. Jadi reaksi kimia pada
sel sekunder dapat dibalik untuk mengembalikan kapasitasnya. Ada dua macam
baterei yang dapat diisi lagi, yang paling terkenal adalah unit asam-timah (terutama digunakan pada kendaraan bermotor) dan baterei nikel-cadmium (digunakan dalam kalkulator, unit lampu kilat, pencukur, dan lain-lain). Keuritungan
yang nyata dari unit yang dapat diisi lagi adalah pengurangan biaya yang berhubungan dengan penggantian baterei karena terus menerus mengganti sel-sel
primer yang sudah habis.
Semua sel yang tampak dalam bab ini selain sel surya, yang menyerap energi
dari cahaya yang masuk dalam bentuk photon, menetapkan perbedaan potensial
dengan mengeluarkan energi kimia. Sebagai tambahan, masing-masing sel
memiliki sebuah elektrode positif dan negatif serta sebuah "electrolyte" untuk
melengkapi rangkaian antar elektrode dalam baterei Electrolyte adalah elemen
kontak dan sumber ion untuk menghantarkan antara terminal.
Baterei primer seng-karbon yang terkenal menggunakan seng sebagai elektrode negatifnya, sebuah campuran dioxide manganese dan batang karbon sebagai
elektrode positifnya, serta electrolyte yaitu campuran antara ammonium dan seng
klorida, bubuk, dan kanji, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.9. Gambar
2.10 memperlihatkan sejumlah unit jenis primer yang lain dengan bidang pemakaian dan rating yang akan dibahaSkemudian dalam pasal ini.
Untuk unit timah-asam sekunder yang tampak pada Gambar 2.11, yang menjadi electrolyte adalah asam sulfur dan elektrodenya berupa timah yang berporipori (Pb) dan timah peroxida (Pb02). Bila sebuah beban diberikan pada terminal
baterei, maka ada perpindahan elektron dari elektrode timah yang berpori-pori
menuju elektrode' timah peroxida melalui beban. Perpindahan elektron ini akan
berlanjut sehingga baterei benar-benar telah habis muatannya. Waktu pengosong- .
Arus dan Tegangan
51
One-piece melal
co\'cr (+)
Venl w;'lshcrpaperboard
Jackel
Wax ring seal
polyethylenecoated Kraft
and polyesterfilm label
Support w;lsh~'r-polyethylenecoaled
paperboard
Paste
of flour, starch,
ammonium
chloride. and
zinc chloride
Mixman[!anc!;c
dioxide. etc.
Can-zinc
Star bonompaperboard
Cross section of standard round cell
(a>
"C" cell
1.5 V
0-80 mA
(b)
"AA" cell
1.5 V
0-25 mA
"AAA" cell
1.5 V
0-20 mA
GAMBAR2.9. Baterei primer karbon-sang. (a) Konstruksi,(b) tampak dan ratingnya. Kebaikan dari
Eveready Batteries
an muatan ditentukan oleh bagaimana asam menjadi lamt dan seberapa kuat
lapisan timah sulfat pada masing-masing keping. Keadaan pengosongan muatan
pada sel timah penyimpan dapat ditentukan dengan pengukuran gaya berat khusus
*
7~::1!~
"';;,l.i-.
i'i}ij
t'
X ,;-:=:
,
'~;'~~3~:~~
(a> LithiodeS lithium-iodine cell
2.8 V. 870 mAh
(b) Lithium-iodine pacemaker cell
2.8 V. 2.0 Ah
(c) Eveready transistor bal\ery
9 V. 450 mAh
Long-lire power sources with printed circuit
board mounting capability
GAMBAR2.10. Sel-sel primer. (Bagian-bagian (a) dan (b) kebaikan dari Catalyst Research Corp.;
bagian (c) kebaikan dari Eveready Batteries
52
Teknik Rangroian Listrik
Extrusion.fusion
intercellconnection
/
,..
...~~;-~,.'.
. -I
~
.'"
/
I' r
I"
GAMBAR 2.11. Baterei timah-asam 12 V yang bebas perawatan. (Kebaikan dari Delco-Remy,
bagian dari General Motor Corp.)
pada electrolyte dengan sebuah hydrometer Gaya berat khusus sebuah zat didetinisikan sebagai perbandingan berat zat tersebut dengan volume tertentu dibandingkan dengan berat air pada suhu 4 C dengan volume yang sarna. Untuk baterei
yang bermuatan penuh, gaya berat khusus berharga antara 1.28 dan 1.30. Bila
gaya berat khusus tersebut jatuh sekitar 1.1 maka baterei harus dimuati lagi.
Karena sel penyimpan timah berupa sel sekunder, maka ia dapat diisi lagi pada
sembarang titik selarna fase pengosongan dengan menggunakan sumber dc luar
yang dihubungkan ke sel yang akan melewatkan arus melalui sel dengan arah
yang berlawanan dengan saat sel menyediakan arus untuk beban. Peristiwa ini
akan mengarnbil timah sulfat dari plat dan mengembalikan konsentr-asi asarn
sulfur.
Keluaran sel penyimpan timah selarnafase pengosongan muatan sekitar 2 volt.
Baterei penyimpan timah yang diperdagangkan yang digunakan untuk kendaraan
bermotor, tegangan 12 volt dapat dihasilkan oleh enarn sel yang disusun seri,
seperti yang diperlihatkan dalarn Garnbar 2.11. Penggunaan sebuah kisi yang
dibuat dari sebuah lempengan carnpuran timah-kalsium yang ditempa bukan dari
kisi timah-antimoni yang dicetak biasa digunakan untuk menghasilkan baterei
yang bebas perawatan seperti yang tampak pada garnbar yang sarna. Struktur
Arus dan Tegangan
53
(a)
Eveready<!> BH 500 cell
1.2 V, 500 mAh
App: Where vertical height is severe
limitation
Printed circuit board mountable battery
2.4 V, 70 mAh
(b)
(c)
GAMBAR2.12. Baterei nikel-kadmiumyang dapat diisilagi. (Bagian(a) dan (b) kebaikan
Eveready Batteries; bagian (c) kebaikan General ElectricCo.)
timah-antimoni mudah kena karat, muatan berlebih, menghasilkan gas, menggunakan air, dan bisa kosong dengan sendirinya. Peningkatan rancangan dengan kisi
timah-kalsium menghilangkan atau mengurangi kebanyakanpermasalahan ini.
Baterei nikel-cadmium adalah sebuah baterei yang dapat diisi lagi yang telah
mendapat perhatian yang cukup besar dan perkembangan pada tabun-tabun terakhir. Sejumlah baterei tersebut dibuat oleh Union Carbide Corporation dan
General Electric Company yang tampak pada Gambar 2.12. Kpnstruksi internal
sel jenis silinder tampak pada Gambar 2.13. Dalam keadaan muatan penuh
elektrode positif berupa nikel hidroxida (Ni(OH)2); elektrode negatif, cadmium
metal(Cd); dan electrolyte, potaSsiumhydroxide (KOH). Oksidasi (peningkatan
kandungan oksigen) pada elektrode negatifterjadi secara serentak dengan pengurangan elektrode positif yang memberikan energi listrik yang diperlukan.
Pemisah diperlukan untuk mengisolasi dua elektrode tersebut ~ memperta~
hankan lokasi electrolyte Keuntungan sel seperti ini adalah bahwa material aktif
pergi melalui sebuah perubahan pada keadaan oksidasi yang diperlukan untuk
met)etapkan tingkat ion tanpa merubah keadaan fisikoHal ini memberikan mekanisme pemulihan untuk fase pengisian kembali.
54
Teknik Rangkaian Listrik
@_
0--
Cap
V~nt
ball
~)-
~-
S~al
Cor~
-----
PosiljH~ lab
Sin!~r~d
posili\"~electrod~
Pressed powdered
nega!i\'e electrode
GAMBAR 2.13.
Struktur internalsel nikel-cadmiumjenis silideryang dapat diisi lagi. (Kebaikan
EvereadyBatteries)
Arus dan Tegangan
40- W. high-density solar module
IOO-mm x lOO-mm (4" x 4")
used to provide maximum power
space. The 33 series cell module
12- V battery charging current for
temperatures ( - 40°C to 60°C)
55
square cells are
in a minimum of
provides a strong
a wide range of
-
GAMBAR2.14. Modulsurya. (Kebaikan MotorollaSemiconductor Products)
Sebuah sel surya 40 W dengan kepadatan yang tinggi tampak pada Gambar
2.14 dengan data dan penggunaannya. Karena watt maksimum yang tersedia pada
cahaya matahari yang cerah pada siang hari sebesar 100 mW/cm dan efisiensi
perubahan yang ada saat ini sekitar 10% sampai 14%, maka daya yang tersedia
pada setiap satu centimeter persegi dari kebanyakan unit-unit yang dipasarkan
adalah antara 10 mW sampai 14mW. Untuk satu meter persegi akan menjadi 100
W sampaH40 W. Uraian yang lebih rinei mengenai sel surya akan anda peroleh
dalam kursus elektronika anda. Pada saat ini yang penting adalah menyadari
bahwa pencahayaan yang tetap pada sel surya akan memberikan tegangan dc
56
Teknik Rangkaian Listrik
yang eukup mantap untuk mengemudikan bennaeam-maeam beban, mulai dari
jam sampai pada kendaraan bennotor.
Baterei memiliki rating kemampuan yang ditentukan dalam amper-jam (Ah)
atau miliamper-jam (mAh). Beberapa rating ini telah dieantumkan dalam gambar-gambar di atas. Sebuah baterei dengan rating amper-jam 100 seeara teoritis
akan menyediakan arus mantap sebesar 1 amper selama 100jam, 2 amper selama
50 jam, 10 amper selama 10jam, dan seterusnya, sebagaimana ditentukan oleh
persamaan berikut:
Waktu hidup' Gam)
= ratingamper-jam
(Ah)
amper yang ditarik (A)
(2.9)
Ada dua faktor yang mempengaruhi rating ini, yaitu suhu dan pesat pengosongan. Sel jenis eakram EVEREADY BH 500 tampak pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 mengungkap bahwa:
kapasitas sebuah baterei de berkurang dengan peningkatan kebutuhan akan
arus
600
~500
.c
~400
;300
'gc.. 200
"
U 100
o
l
r--.
-
IT
T
r--..: r--:.: 0.9 v
j'o.......... 1.0 V
1.1 V
I
T
200
400
600
800
Discharge current (mA)
(a)
1000
1200
600
:;:500
g400
~300
"G
2..200
G 100
o
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100110120130
of
,..-L-..,
'
,
A-..
,..J<-.,
~
,..A-."
~
r-"-.
(0C)
(- 23.31(- 12.21(-1.11 (10, (21.1) (32.2) (43.3) (S4.4)
(b)
GAMBAR2.15. Karakteristik sel EVEREADy8 BH 500. (a) KM>asitasdibandingkan
dengan arus pengosongan; (b) kapasitas dibandingkandengan suhu. (Kebaikan Eveready.
Batteries)
-
-------
---:------
Arus dan Tegangan
57
dan
kapasitas sebuah baterei de beikurang relatif terhadap (dibandingkan. dengan
suhu ruang) suhu rendah dan tinggi.
Untuk unit I-V pada Gambar 2.l5(a), rating di atas 500 rnAh pada arus pengosongan 100 mA tetapi jatuh rnenjadi 300 rnAh pada arus sekitar I A. Untuk unit
yang kurang dari 1.5 inci diameternya dan kurang dari 0.5 inci tipisnya, rnaka ini
rnempakan karakteristik terminal yang sangat bagus. Gambar 2.15(b) rnengungkap bahwa rating rnaksirnum rnAh (pada arus pengosongan 50 rnA) terjadi pada
suhu sekitar 75° F (= 24° C), atau hanya di atas suhu rata-rata mango Catatlah
bahwa kurva jatuh di sebelah kanan dan kiri harga rnaksirnurn ini. Kita sernua
sadar bahwa pengurangan "kekuatan" sebuah baterei pada suhu rendah. Catatlah
bahwa ia jatuh hampir 300 rnAh pada suhu _20°C.
Sebuah kurva lain yang rnenarik tampak dalam Garnbar 2.16. Ia rnenyediakan
tegangan sel yang diharapkan pada pengosongan selarna berjam-jarn penggunaan.
Perlu dicatat bahwa kehiiangaIiyang berjarn-jarn antara 50 rnA dan 100 rnAjauh
lebih besar daripada antara 100 rnA dan 150 rnA, rneskipun bertambahnya arus
sarna antar tingkat. Secara urnurn,
tegangan terminal sebuah baterei de berkurang dengan lama waktu pengosongan pada arus pengosongan tertentu.
CONTOH 2.5.
1.5
I.
"
I
.
g' 1..:C> J.:!
8
1.1
.....
1501\ \100
-
-
mA
1.0
0.9
-
r-.;;::::
o
1
2
3
mA
-
'\.50 mA
\
\
T
\
\
1\
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14
Discharge lime (hI
GAMBAR 2.16. Kurva pengosongan sel EVEREADYBH 500. (Kebaikan Eveready
Batteries)
58
Teknik Rangkaian Listrik
a. Tentukan kapasitas dalarn miliarnper-jarn untuk sel BH 500 0.9-V pada
Garnbar 2. 15(a)jika arus pengosongan sebesar 600 mA.
b. Pada suhu berapakah rating mAh sel pada Garnbar 2.15(b) akan sebesar 90%
harga ~aksimumnya jika arus pengosongan sebesar 50 mA?
Penye/esaian:
a. Dari Garnbar 2. 15(a),kapasitas pada 600 mA adalah sekitar 450 mAh. Jadi
dari persarnaan (2.9),
Waktuhidup= 450mAh
600 Ah - 0.75 h =45 min
b. Dari Garnbar 2.15(b), harga maksimum sekitar 520 mAh. Oleh karena itu
90%-nya sarna dengan 468 mAh, yang terjadi tepat di atas titik beku, atau
1C, dan lebih tinggi pada suhu 45°C.
Generator Generator de begitu berbeda, baik dalarn hal konstruksi (Garnbar
2.17) dan dalarn mode operasi, dengan baterei. Bila poros generator berputar
sesuai dengan keeepatan yang terdapat pada panelnya karena adanya torsi atau
sumber daya mekanis dari luar, maka tegangan ratingnya akan tampak melintas
pada terminal luarnya. Tegangan terminal dan kemarnpuan untuk menangani
daya pada generator de biasanya lebih tinggi daripada kebanyakan baterei, dan
masa hidupnya hanya ditentukan oleh konstruksinya. Generator yang digunakan
seeara komersial biasanya menghasilkan tegangan 120-V atau 240-V. Sebagaimana ditunjukkan sebelumnya dalam pasal ini, untuk maksud dalam naskah ini
tidak ada perbedaan antara simbol baterei dan generator.
Catu Daya Catu de yang sering dihadapi di laboratorium menggunakan proses
penyearahan dan penyaringan untuk memperoleh tegangan tegangan de yang
GAMBAR 2.17 Generator dc.
Arus dan Tegangan
-
59
+
-~
-
GAMBAR 2.18
Catu dc untuk laboratorium. (Kebaikan Lambda Electronics Corp.)
mantap. Dengan prosesini, teganganyang berubahterhadapwaktu (seperti tegangan yang tersedia pada stop kontak listrik rumah tangga) diubah menjadi satu
besaranyang harganyatetap. Prosesini akan dicakup seeararinci dalarn perkuliahan elektronika dasar. Catu de untuk laboratoriumjenis ini tampak pada Garnbar
2.18.
Kebanyakan eatu de untuk laboratorium memiliki sebuah pengatur, tegangan
keluaran dapat diatur dengan tiga terminal yang tersedia, seperti yang ditunjukkan
pada Garnbar 2.18 dan 2.l9(a). Simbol untuk tanah atau potensial nol (referensi)
juga diperlihatkan pada Garnbar 2. I9(a). Jika diperlukan tegangan sebesar 10 volt
di atas potensial tanah, maka hubungan dibuat seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 2.19(b). Jika diperlukan tegangan sebesar 15 volt di bawah potensial
tanah, maka hubungan dibuat seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.19(e).
Jika hubungan seperti yang diperlihatkan pada Garnbar 2.19( d), maka kita mengatakan bahwa kita memiliki tegangan mengarnbang sebesar 5 volt karena harga
referensi tidak disertakan. Susunan pada Garnbar 2.19(d) jarang digunakan
karena tidak dapat melindungi operator dengan menyediakan lintasan yang
memiliki harnbatan yang rendah menuju tanah dan menetapkan pentanahan bersarna bagi sistem tersebut. Dalarn banyak kasus, terminal positif dan negatifharus
merupakan bagian dari sembarang konfigurasi rangkaian.
Sumber Arus de
Bermaearn-macamjenis dan aplikasi yang sangat luas bagi sumber tegangan de
membuatnya menjadi piranti yang eukup dikenal, karakteristiknya dimengerti,
60
Teknik Rangkaian Listrik
+.
IOV
+8
.... GOO(0V)
-8
-
(a)
+.
Jum
,r+
-
8
(e)
GAMBAR 2.19
-
....
+1+10 V)
_IIOV
Jumper
(b)
-1(-15V)
rl5V
+-::-
-
(
5V
\.
-
Hubungan keluaran yang memungkinkan
....
(d)
15V
J
bagi eatu de untuk laboratorium.
setidak-tidaknya dasarnya, oleh orang awam. Sebagai eontoh, ini merupakan
pengetahuan yang umum bahwa sebuah baterei mobil 12-V memiliki tegangan
terminal (kira-kira sekurang-kurangnya) 12 V meskipun arus pengosongan oleh
mobil tersebut bisa berubah-ubah tergantung pada kondisi operasi yang berbeda.
Dengan kata lain, sebuah sumber tegangan idealnya akan menyediakan tegangan
terminal yang tetap meskipun arus pengosongan berubah-ubah, seperti yang
dilukiskan pada Gambar 2.20(a). Sebuah sumber arus de merupakan sumber
tegangan rangkap (dual). Jadi,
sumber arus akan, idealnya, menyediakan arus yang tetap kepada beban
meskipun tegangan terminal berubah-ubah karena ditentukan oleh beban,
sebagaimana dilukiskan pada Gambar 2.20(b). (Jangan khawatir jika konsep
mengenai sumber arus merupakan hal yang asing dan agak membingungkan pada
saat ini. la akan diulas lebih rinci dalam bab-bab berikutnya.)
Pengenalan mengenai piranti-piranti semi-penghantar seperti transistor telah
diperhitungkan dalam ukuran besar untuk meningkatkan keperluan akan sumber
arus. Sebuah eontoh sumber arus de yang ada di pasaran tampak pada Gambar
2.21.
Arus dan Tegangan
61
Voltage
12 V
o
lorr
(a)
Current
IOmA
o
Vor I
(b)
GAMBAR2.20. Karakteristik-karakteristikterminal. (a) sumber tegangan ideal; (b) sumber arus ideal.
GAMBAR2.21. Sumber arus dc. (Kebaikan Lambda Electronics Corp.)
62
2.5
Teknik Rangkaian Listrik
PENGHANTAR DAN PENYEKAT
Kawat yang berbeda yang ditempatkan melintas dua terminal baterei yang sarna
akan memungkinkan perbedaan jumlah muatan yang mengalir antara terminal
tersebut. Banyak faktor seperti kepadatan, mobilitas, dan kestabilan bahan, akan
mempengaruhi perubahan aliran muatan. Secara umum,
pengllantar ada/all ballan yang memungkinkan aliran e/ektron yang banyak
sekali dengan gaya pemaksa dari /uar yang sangat keci/.
Sebagai tambahan,
pengllantar yang bagus kllususnya IIanya memiliki satu e/ektron da/am cincin
va/ensi Oarak yang paling jaull dari inti).
Karena tembaga paling sering digunakan, maka ia digunakan sebagai standar
perbandingan untuk hantaran relatif dalam Tabel 2.1. Perlu dicatat bahwa alumunium yang terlihat pada penggunaan yang diperdagangkan hanya memiliki
tingkat hantaran 61% bila dibandingkan dengan dengan tembaga, tetapi ingatlah
bahwa hal ini harus dipertimbangkan dengan faktor antara biaya dan berat.
Penyekat penyekat ada/all ballan yang memiliki e/ektron bebas yang sangat
sedikit sekali dan memer/ukan penggunaan potensia/ (tegangan) yang besar
untuk mene~apkan IIarga arus yang dapat diukur.
Penggunaan bahan penyekat yang umum adalah untuk melapisi kawat pembawa arus, yang mana jika tidak diberi penyekat akan menyebabkan pengaruh
sampingan yang berbahaya. Orang-orang yang memperbaiki saluran listrik mengLogam
Perak
Tembaga
Emas
Aluminum
Tungsten
Nekel
Besi
Constantan
Nichrome
Calorite
T ABEL 2.1
Hantaran relatif (%)
105
100
70.5
61
3\.2
22.1
14
3.52
\.73
\.44
Hantaran relatif bermacam-macam
bahan.
Arus dan Tegangan
(a)
(b)
63
(e)
GAMBAR 2.22 Penyekat-penyekat. (a) Penyekat thru-panel bushing; (b) penyekat antena strain;
(c) Penyekat stand-off porselen.
gunakan sarung tangan karet dan menggunakan penahan yang beralaskan karet
sebagai perlengkapan keselamatan bila bekerja pada saluran transmisi tegangan
tinggi. Sejumlah jenis penyekat yang berbeda-beda dan pemakaiannya tampak
pada Gambar 2.22.
Akan tetapi harus ditunjukkan bahwa meskipun penyekat yang paling baik
akan tembus (yang memungkinkan muatan untuk mengalir melaluinya) jika potensial yang cukup besar diberikan kepadanya. Kekuatan tembus beberapa bahan
penyekat yang umum diberikan dalam Tabel 2.2. Sesuai dengan tabel ini, untuk
penyekat dengan bentuk geometris yang sarna, ia akan memerlukan 270/30 = 9
kali potensial untuk melewatkan arus melalui karet bila dibandingkan udara dan
67 kali lebih besar tegangan untuk melewatkan arus melalui mika daripada lewat
udara.
Material
Udara
Porselen
Oli
Bakelite
Karet
Kertas
Teflon
Kaca
Mika
TABEL 2.2
Rata-rata
Kekuatan Tembus (kV/cm)
30
70
140
150
270
500
600
900
2000
Kekuatan tembus beberapa bahan penyekat yang umum.
64
2.6
Teknik Rangkaian Listrik
SEMIPENGHANTAR
Semipenghantar adalah kelompok elemen khusus yang memiliki karakteristik
antara penyekat dan penghantar.
Istilah semi, yang terdapat dalam istilah ini, dalam kamus memiliki definisi
"setengah, sebagian, atau antara" sebagaimana ditentukan oleh penggunaannya.
Seluruh industri eIektronika tergantung pada kelompok material ini, karena piranti elektronika dan rangkaian terpadu (ICs) dibuat dari bahan semipenghantar.
Meskipun silikon (Si) merupakan bahan yang paling banyak dipakai, namun
germanium (Ge) dah galium arsenida (GaAs) juga digunakan dalam sejumlah
piranti penting.
Bahan semipenghantar
lensi yang paling luar.
khususnya
memiliki empat elektron dalam cincin va-
Selanjutnya semipenghantar dicirikan menjadi "photoconductive" yang
memiliki koefisien suhu negatif. "Photoconductivity" adalah sebuah fenomena di
mana foton (paket kecil energi) dari sinar yang datang dapat meningkatkan
kepadatan pembawa di dalam bahan demikian juga aras aliran muatan. Koefisien
suhu negatif menunjukkan bahwa stfat menghambat (sebuah karakteristik yang
akan diuraikan secara rinci dalam bab berikutnya) akan berkurang dengan meningkatnya suhu (kebalikan dari kebanyakan penghantar). Pembahasan yang lebih rinci lagi mengenai semipenghantar ada dalam bab berikutnya dan dalam
kursus elektronika dasar anda.
2.7
AMMETER DAN VOLTMETER
Penting kiranya untuk dapat mengukur besar arus dan tegangan dalam suatu
jaringan untuk memeriksa operasinya, kegagalan isolasi, dan pemeriksaan pengaruh tidak mungkin diterka hanya dari kertas saja. Sebagaimana menyertai
namanya, ammeter digunakan untuk mengukur besar arus, dan voltmeter digunakan untuk mengukur beda potensial antara dua titik. Jika besar arus dalam orde
milliamper, maka alat tersebut direferensikan sebagai milliammeter, dan jika
dalam orde mikroamper, maka disebut mikroammeter. Begitu juga pemyataanpemyataan untuk tegangan dapat juga dibuat sedemikian rupa. Dalam suatu
industri, besar tegangan lebih sering diukur daripada besar arus terutama karena
pengukuran tegangan tidak perlu mengganggu hubungan jaringan.
Arus dan Tegangan
GAMBAR 2.23.
65
Hubungan voltmeter untuk pembacaan skala naik.
Perbedaan potensial antara dua titik dapat diukur hanya dengan menghubungkan ujung meter pada dua titik tersebut seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2.23. Pembacaanskala yang naik diperolehdengancara menempatkan
posisi ujung positif meter menuju titik yang lebih tinggi potensialnya padajaringan dan menempatkan ujung negatif meter menuju titik yang lebih rendah potensialnya. Hubungan yang terbalik akan menghasilkan pembacaan negatif atau
penunjukan di bawah DOl.
Ammeter dihubungkan dalam cabang yang sarna di mana arus akan diukur,
seperti diperlihatkan pada Gambar 2.24. Karena ammeter mengukur pesat aliran
muatan, maka meter harus ditempatkan sedemikian rupa sehingga muatan akan
mengalir melalui meter tersebut. Salah satu cara untuk mengatasi hal ini adalah
dengan cara membuka cabang di mana arus akan diukur dan menempatkan meter
di antara dua terminal tersebut. Untukjaringan pada Gambar 2.24, kawat sumber
harus dilepaskan darijaringan dan ammeter disisipkan seperti yang diperlihatkan.
G~~--IT
E
GAMBAR 2.24
-.L
"T"'
I :'\c=twork
Hubungan ammeter untuk pembacaan skala naik.
66
TelenikRangkaian Listrik
Pembacaan skala naik akan diperoleh jika polaritas tenninal pada ammeter
sedemikian rupa sehingga arus dalam jaringan memasuki tenninal positif atau
tenninal pada potensial yang lebih tinggi.
Dengan diperkenalkannya sembarang meter kedalam suatu jaringan menimbulkan pemikiran .apakah meter tersebut akan mempengaruhi watak jaringan.
Pertanyaan ini dan 'yang lain akan dibahas dalam Bab 5 dan Bab 6 setelah
diperkenalkan sistilah dan konsep tambahan.
Alat yang ada dirancang hanya untuk mengukur besar arus atau tegangan.
Akan tetapi kebanyakan meter untuk laboratorium yang umum mencakup Vo/tOhm-Milliammeter (YOM) dan Digital Multimeter (DMM) masing-masing pada
Gambar 2.25 dan 2.26. Kedua alat tersebut akan mengukur tegangan dan arus
serta besaran yang ketiga, yaitu hambatan, yang akan diperkenalkan dalam bab
berikutnya. YOM menggunakan skala analog, yang memerlukan penerjemahan
posisi sebuah penunjuk pada sebuah skala kontinyu, sedangkan DMM menye-'
diakan sebuah tampilan bilangan-bilangan dengan titik desimal yang ketelitian-
GAMBAR 2.25.
Volt-Ohm-Milliammeter (VOM).
GAMBAR 2.25.
Digital Multimeter.
Arus dan Tegangan
67
nya ditentukan oleh skala yang dipilih. Komentar mengenai karakteristik dan
penggunaan bermacam-macam meter akan dimuat dalam naskah ini. Akan tetapi,
pelajaran yang utama mengenai meter akan ditinggalkan untuk acara praktikum.
2.8 MASUKAN KOMPUTER UNTUK
SUMBER TEGANGAN de
Dalam usaha untuk mengembangkan kebiasaan menggunakan paket perangkatlunak PSPICE dan bahasa BASIC, bab-bab awal dalam naskah ini akan mengulas
bagaimana banyak elemen dasar sebuahjaringan dimasukkan ke dalam komputer.
Dalam bab ini karena sumber tegangan bebas telah diperkenalkan, maka kita akan
mengulas prosedur untuk memasukkan informasi.
Kata kunci dalam memasukkan sembarang data ke dalam sebuah komputer
adalah "format". Data harus dimasukkan dengan cara tertentu, atau ia akan
ditolak atau, masih buruk, sehingga disalah-artikan. Tidak ada toleransi bagi
kecerobohan memasukkan data. Satu peletakan koma yang salah atau sebuah
huruf yang salah akan membuat data masukan tidak valid atau sepenuhnya
merubah harganya.
Baik SPICE maupun BASIC tidak membedakan antara hurufbesar dan kecil,
tetapi karena program komputer tradisional ditulis dengan huruf besar, maka
dalam naskah ini kita menggunakan huruf besar. Beberapa komentar berikut
boleh jadi merupakan pengulangan bahan yang ada dalam Lampiran A, tetapi
mereka diulang untuk kelengkapan. Sebagai tambahan, ingat dalam naskah ini
bahwa isi komputer tidak berarti membuat anda menjadi seorang yang ahli dalam
menggunakan PSPICE atau BASIC namun hanya sekedar perlakuan masing-masing dengan tujuan agar kenai dan bisa membandingkan. Untuk kedua pendekatan, masing-masing literatur harus ditinjau lagi dengan menggunakan sarana
yang tersedia bagi anda melalui institusi pendidikan anda.
PSPICE
Di dalam PSPICE semua elemen jaringan dimasukkan dengan sebuah format
khusus yang diikuti sebuah pernyataan yang menyatakan informasi keluaran
apakah yang anda perlukan. Anda akan mendapatkan bahwa beberapa penggunaan yang pertama pada PSPICE akan menghasilkan daftar masukan data yang
sangat pendek, dan mempersilahkan paket perangkat-Iunak untuk mengerjakan
semua cara dan perhitungan yang diperlukan.
Di dalam PSPICE setiap elemen ditentukan antara terminal yang disebut titik.
Pada saat ini anda cukup mengatakan bahwa sebuah titik adalah sebuah titik
68
Teknik Rangkaian Listrik
hubung antara sebuah elemen dan elemen yang lain. Yang jelas, karena masingmasing somber tegangan de memiliki dua terminal yang dihubungkan dalam
suatu jaringan, maka ia memiliki dua titik yang harus ditentukan. Format dasar
untuk pemasukan sebuah sumber tegangan de ke dalam SPICE adalah sebagai
berikut:
specifies voltage source
type of source
-1-
'.J1
name
2
1
(+)
(-)
DC
t
t
L-lpositi\'e
20V
:
magmtudeof source
node first
Masukan harus dimulai dengan huruf besar yang diikuti dengan nama apakah
yang ingin anda berikan kepada sumber tersebut. Biasanya nama dibatasi sampai
delapan karakter, yang dapat berupa bilangan dan huruf. Bilangan yang berikut-.
nya adalah titik yang berhubungan dengan sisi positif baterei, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.27(a). Nomor-nomor titik dapat berupa sembarang harga
antara (dan termasuk) 0 dan 9999 tetapi tidak harus urut dalam penggunaannya
selamajaringan ditentukan didefinisikan dengan benar. DC menyatakan bahwa ia
merupakan sumber tegangan dc, dan 20V adalah besamya. Satuan V sebenamya
tidak diperlukan tetapi dicantumkan agar jelas. Dalam SPICE sembarang huruf
yang mengikuti sebuah bilangan diabaikan, namun mereka sering dicantumkan
bagi pemakai dan sebagai referensi selanjutnya. Spasi antara item-item tidak
perlu, tetapi spasi genap akan memberikan format yang bagus. Format dasamya
sebenarnya tidak sulit untuk diikuti dan ada sedikit kesulitan dalam memasukkan
atau membaea. Sebagai eontoh, yang berikut ini mendefinisikan sumber tegangan
pada Gambar 2.27(b).
I,'DCELL
LIB
211
DC
1 .51,1
BASIC
Di dalam BASIC sebuah baris program harns memiliki sebuah lokasi tertentu (alamat) yang diikuti dengan kata INPUT untuk menentukan bahwa sebuah besaran akan
dimasukkan ke dalam komputer agar dioperasikan. Kata INPUT segera diikuti
dengan sebuah pemyataan pengenal dalam tanda kutip yang menentukan besaran
,:
-.r "V
(a)
(b)
GAMBAR
2.27
Arus dan Tegangan
69
yang dimasukkan. Tanda kutip yang mengikuti diikuti dengan sebuah semicolon
(;) dan besaran yang dimasukkan, seperti diperlihatkan di bawah ini:
program line or location
,l,
120
INPUT
operation
III.Jolta5e
IE = II jE
call fur ~lalemcnt
quantity
T
to be entered
Bila program dijalankan maka pernyataan berikut akan muncul pada layar:
Pernyataan di dalam tandci petik akan muncul persis sarna dengan yang dimasukkan pada nomor baris 120 (kesalahan dan semuanya) dengan tambahan
tanda tanya. Tidak perlu menambahkan tanda tanya; karena secara otomatis akan
tercantum sebagai bagian dari pernyataan INPUT. Bila memasukkan baris 120 ke
dalarn komputer, maka kesalahan sederhana yang berupa penulisan colon (:) dan
bukan semicolon(;) atau salaheja INPUT akan menyebabkanperintahmenjaditidak
benar - jadi segala sesuatu harns persis sarna dengan yang telah ditentukan dalarn
format khusus. Anda boleh berpindah ke Pasal 4.8 untuk mengulas masukanmasukan INPUT yang lain denganmenggunakanBASIC.
Kenyataannya tidak memungkinkan untuk mencakup semua nuansa yang
berhubungan dengan masukan sumber tegangan dc dalam PSPICE dan BASIC
dalam pasal yang singkat ini. Akan tetapi, yang terdapat di atas tersebut adalah
masukan yang benar dan dapat direferensikan dalam program dan perangkat-lunak yang berjalan mengikutinya. Pasal ini hanya merupakan dasar bagi penyelidikan selanjutnya dan merupakan kesempatan untuk mengenal diri anda sendiri
dengan format dasar masing-masing masukan.
SOAL
PASAL 2.1
1.
Jumlah eIektron otbit dalarn alumunium dan perak masing-masing adalah
13 dan 47. Garnbarlah konfigurasi elektronika yang mencakup semua kulit
dan sub-kulit, dan bahaslah dengan ringkas mengapa masing-masing merupakan penghantar yang bagus.
70
Teknik Rangknian Listrik
2.
Tentukan gaya tarik menarik antara dua sebuah proton dan sebuah elektron
yang dipisahkan oleh jarak yang sarna dengan jari-jari orbit yang paling
keeil yang diikuti oleh sebuah elektron (5 x lOll) dalam sebuah atom
hidrogen.
3.
Tentukan gaya tarik menarik dalam newton antara muatan QI dan Q2 pada
Gambar 2.28 bila
a. r = 1mb.
r=3m
c.r=IOm
(Catat berapa eepat penurunan gaya terhadap kenaikan r.)
*4.
Tentukan gaya tolak menolak dalamn newton antara QI dan Q2 dalam
Gambar 2.29 bila
a. r = I mil
b. r = 0.0 I m
c. r = 1/16 inei
r
GAMBAR 2.28.
r
GAMBAR 2.29.
5.
Tentukan jarak 4antara dua muatan 20 f..lCjika gaya antara dua muatan
sebesar 3.6 x 10 N.
6.
Dua buah muatan Ql dan Q2 bila dipisahkan padajarak 2 meter mengalami
gaya tolak menolak yang besarnya sarna dengan 1.8N.
a. Berapakah besar gaya tolak menolak bila mereka dipisahkan sejauh 10
meter?
b. Jika perbandinganQl/Q2==1/2, tentukan Ql dan Q2 (r = 10 m).
7. Gambarlah gaya tolak menolak antara dua muatan If..lCsebagai sebuah
fungsi dari jarak antar muatan. Gunakan jangkauan r mulai dari I mm
sampai 0.5 em. Pilihlah sebuah skala yang sesuai untuk sumbu tegak dan
datar.
PASAL 2.2
8. Tentukan besar arus dalam amper jika muatan sebesar 650 C melewati
sebuah kawat dalam waktu 50 detik.
9. Jika muatan sebesar 465 C melewati sebuah kawat dalam waktu 2.5 menit,
tentukan besar arus dalam amper.
Arus dan Tegangan
71
10. Jika arus sebesar 40 amper ada selama satu menit, berapa coulomb muatan
yang melewati kawat tersebut?
11. Berapa coulomb muatan yang melewati sebuah lampu dalam waktu dua
menit bila arusnya tetap sebesar 750 mA?
12. Jika arus dalam sebuah penghantar besarnya tetap 2 mA, berapa waktu yang
diperlukan bagi muatan sebesar 46000 x 10-6C untuk melewati penghantar
tersebut?
13. Jika 21.847 x 1018elektron melewati sebuah kawat dalam waktu 7 detik,
maka tentukan besar arusnya.
14. Berapa banyak elektron yang melewati sebuah penghantar dalam waktu 1
menitjika arus sebesar lA?
15. Apakah sebuah sekring yang memiliki rating 1 A akan putus bila muatan
sebesar 86 C melewatinya dalam waktu 1.2 menit?
*16. Jika 0.784 x 1018 elektron melewati sebuah kawat dalam waktu 643
milidetik, maka tentukan besar arus.
*17. Yang manakah yang anda lebih suka?
a. Satu "penny" untuk setiap elektron yang melewati sebuah kawat dalam
waktu 0.01 Jls dengan arus sebesar 2 mA, atau
b. Satu "dollar" untuk setiap elektron yang melalui sebuah kawat dalam
waktu 1.5 Jls bila arus sebesar 100 JlA.
PASAL2.3. Tegangan
18. Berapakah tegangan antara dua titik jika energi sebesar 96 mJ diperlukan
untuk memindahkan 50 x 1018elektron antara dua titik tersebut?
19. Jika perbedaan potensial antara dua titik sebesar 42 volt, maka berapa besar
kerja yang diperlukan untuk membawa muatan sebesar 6 C dari salah satu
titik menuju titik yang lain?
20. Tentukan muatan Q yang memerlukan energy 96 joule agar dipindahkan
melalui perbedaan potensial sebesar 16 volt.
21. Berapa banyak muatan yang melewati sebuah baterei 22.5 volt jika energi
yang diperlukan sebesar 90 joule?
22. Jika sebuah penghantar dengan arus sebesar 200 mA melewatinya sehingga
merubah energi listrik sebesar 40 J m~njadi panas dalam waktu 30 detik,
maka berapakah jatuh tegangan pada penghantar tersebut?
72
Teknik Rangkaian Listrik
*23. Muatan mengalir melalui sebuah penghantar dengan pesat 420 coulomb/menit. Jika energi listrik 472 joule diubah menjadi panas dalam waktu
30 detik, maka berapakah jatuh tegangan pada penghantar tersebut?
*24. Perbedaan potensial antara dua titik dalam sebuah rangkaian listrik adalah
24 volt. Jika energi sebesar 0.4 joule dilesapkan dalam waktu 5 milidetik,
berapakah arus yang mengalir di antara dua titik tersebut?
PASAL2.4.
Penyedia Tetap (de)
25.
Berapakah besar arus jika sebuah baterei yang memiliki rating 200 Ah
secara teoritis menyediakan arus selama 40 jam?
26.
Berakah rating Ah sebuah baterei yang dapat menyediakan arus sebesar 0.8
amper selama 76jam?
27.
Berapa jam sebuah baterei akan bertahan jika memiliki rating 32 Ah dan
secara teoritis menyediakan arus 1.28 amper?
28.
Tentukan rating baterei EVEREADY@BH 500 dalam mAh pada 100F dan
OCpada arus pengosongan sebesar 50 mA dengan menggunakan Gambar
2.15(b).
29.
Tentukan rating baterei I-V EVEREADY@BH 500 jika arus pengosongan
sebesar 550 mA dengan menggunakan gambar 2. I5(a). Berapa lama ia
dapat menyediakan arus sebesar ini?
30.
Berapa lama arus sebesar 50 mA dapat ditarik dari baterei pada Gambar
2.16 sebelum tegangan terminalnya jatuh di bawah I V? Tentukan berapa
jam pada arus pengosongan 150 mA, dan bandingkan berapa lama masih
bisa dipergunakan antara arus pengosongan dan arus yang dihasilkan.
31. Sebuah baterei mobil standar 12-V memiliki rating amper-jam sebesar 40
Ah, sedangkan baterei yang berkemampuan tinggi memiliki rating 60 Ah.
Bagaimana anda akan membandingkan tingkat energi masing-masing dan
energi yang tersedia untuk tujuan menghidupkan kendaraan (starting)?
*32. Dengan menggunakan persamaan yang relevan pada beberapa pasal terakhir, tentukan energi yang tersedia dari baterei transistor Eveready pada
Gambar 2.10.
*33. Sebuah televisi portabel menggunakan sebuah baterei yang dapat diisi
dengan tegangan 8-V dan rating 3 Ah dapat beroperasi dalam waktu sekitar
5.5 jam. Berapa arus rata-rata yang ditarik selama periode ini? Berapakah
energi yang dikeluarkan oleh baterei dalam joule?
_..
._
_u.__ ..
u_ -
_.
Arus don Tegangan
73
34. Bahaslah seeara ringkas mengenai perbedaan antara tiga jenis penyedia
tegangan de (baterei, penyearah, dan generator).
35. Bandingkan karakteristik sumber arus de dengan sumber tegangan de.
Apakah mereka mirip dan apakah mereka berbeda?
PASAL2.5 Penghantardan Penyekat
36. Bahaslah dua sifat struktur atom tembaga yang membuatnya menjadi penghantar yang bagus.
37. Sebutkan dua bahan yang tidak terdapat dalam Tabel 2.1 yang berupa
penghantar listrik yang bagus.
38. Jelaskan istilah-istilah penyekat (insulator) dan kekuatan tembus (breakdown strength).
39. Sebutkan tiga penggunaan penyekat yang tidak diberikan dalam Pasal 2.5.
PASAL 2.6.
Semipenghantar
40. Apakah semipenghantar itu? Bagaimana ia dibandingkan dengan penghantar dan penyekat?
41. Tinjaulah sebuah naskah mengenai elektronika semipenghantar dan eatatlah penggunaan bahan semipenghantar germanium dan silikon. Ulaslah
karakteristik masing-masing bahan tersebut.
PASAL 2.7. Ammeter dan Voltmeter
42. Apakahperbedaan eara menghubungkan voltmeter dan ammeter?
43. Jika sebuahammetermembaea2.5 amperselama4 menit, maka tentukan
besar muatan yang melewati meter tersebut.
44.
Antara dua titik dalam sebuah rangkaian listrik, sebuah voltmeter membaea
tegangan 12.5 volt selama 20 detik. Jika arus yang diukur dengan sebuah
ammeter sebesar 10 miliamper, maka tentukan berapa energi yang dikeluarkan dan muatan yang dialirkan antara dua titik tersebut.
PASAL 2.8.
Masukan Komputer pada Sumber Tegangan de
45. Dengan menggunakan SPICE, apakah masukan komputer untuk sebuah
baterei de yang dihubungkan antara terminal 6 dan 7 dengan terminal positif
pada titik 7? Pilihlah sembarang nama yang sumber yang anda sukai.
74
Teknik Rangkaian Listrik
46.
Untk bahasa BASIC,
a. Bagaimana anda meminta besarnya baterei de pada latihan sebelumnya
yang menggunakan baris 60 dan baterei diberi label VEE?
b. Bagaimana anda meminta agar VEE muneul?
DAFT AR ISTILAH
Ammeter: Sebuah alat yang diraneang untuk membaea arus yang melalui elemen yang tersusun seri dengan meter tersebut.
Ampere (A): Satuan pengukuran SI yang diterapkan terhadap aliran muatan
melalui sebuah penghantar.
Ampere-hour rating: Rating yang diterapkan terhadap sebuah sumber energi
yang akan mengungkap berapa lama besar arus tertentu yang dapat ditarik dari
sumber tersebut.
Cell: Sumber utama energi listrik yang dihasilkan melalui perubahan energi
kimia atau energi surya.
Conductors: Bahan yang memungkinkan aliran elektron yang sangat besar
dengan diterapkan tegangan yang keeil saja.
Copper: Sebuah bahan yang sifat-sifatnya diolah seeara tisik yang membuatnya sangat berguna sebagai penghantar listrik.
Coulomb (C): Satuan pengukuran dasar SI untuk muatan. Besarnya sarna dengan muatan yang dibawa oleh 6.242 x 1018elektron.
Coulomb's law: Sebuah persamaan yang mendetinisikan gaya tarik menarik
atau tolak menolak antara dua muatan.
dc current source: Sebuah sumber yang menyediakan besar arus yang tetap
meskipun beban yang diterapkan dapat menyebabkan tegangan terminal berubah.
dc generator: Sebuah sumber tegangan de yang tersedia melalui pemutaran
poros suatu piranti dengan beberapa alat dari luar.
Direct current: Arus yang besarnya tidak berubah dalam selang waktu tertentu.
Ductility: Sifat-sifat bahan yang memungkinkannya ditarik menjadi kawatkawat tipis yang panjang.
Electrolytes: Elemen kontak dan sumber ion antara elektrode suatu baterei.
Electron: Suatu partikel dengan polaritas negatif yang mengitari sebuah inti
atom.
Free electron: Sebuah elektron yang tidak berhubungan dengan sembarang
atom khusus, relatif bebas untuk berpindah melalui sebuah struktur kristal
karena pengaruh gaya dari luar.
Arus dan Tegangan
75
Insulators: Bahan yang mana tegangan yang sangat tinggi harus diterapkan
untuk menghasilkan sembarang aliran arus yang dapat diukur.
Malleability: Sifat sebuah bahan yang memungkinkannya ditempa menjadi
beberapa bentuk yang berbeda.
~eutron:
Partikel yang tidak bermuatan listrik, yang terdapat dalam inti atom.
Node: Sebuah titik terminal antara eIemen sebuah jaringan.
Nucleus: Pusat struktur sebuah atom yang berisi beberapa proton dan neutron.
Positive ion: Sebuah atom yang memiliki sebuah muatan total positif karena
kehilangan salah satu elektron yang bermuatan negatif.
Potential difference: Perbedaan potensial antara dua titik dalam sebuah sistem
listrik.
Potential energi: Energi yang dimiliki oleh sebuah massa karena posisinya.
Primary Cell: Sumber tegangan yang tidak dapat diisi lagi.
Proton: Suatu partikel berkutub positifyang ditemukan dalam inti suatu atom.
Rectification: Suatu proses di mana sebuah isyarat ac diubah menjadi sesuatu
yang memiliki besar rata-rata de.
Secondary cell: Sumber tegangan yang dapat diisi lagi.
Semiconductor: Sebuah bahan yang memiliki harga hantaran antara penyekat
dan penghantar. Ia merupakan bahan yang penting dalam pabrik piranti elektronika semipenghantar.
Solar cell: Sumber tegangan yang tersedia melalui perubahan energi cahaya
(foton) menjadi energi listrik. Specific gravity: perbandingan antara berat substansi terhadap berat air yang
bervolume sarna pada suhu 4C.
Volt (V): Satuan pengukuran yang dirapkan terhadap perbedaan potensial antara dua titik. Jika energi sebesar satu joule diperlukan untuk memindahkan
muatan satu coulomb antara dua titik, maka perbedaan potensialnya disebut
sebesar satu volt.
Voltmeter: Sebuah alat yang dirancang untuk membaca tegangan sebuah elemen atau antara sembarang dua titik dalam sebuah jaringan.