H a l : Nilai mata kuliah

BAB II RANGKAIAN ELEKTRONIK DAN
KOMPONEN
2.1 PENDAHULUAN
Deskripsi Singkat
1. Penjelasan tentang rangkaian elektronik dengan didukung
oleh komponen-komponen dasar seperti resistor, kapasitor
dan induktor.
2. Penjelasan tentang hukum-hukum yang berlaku pada
rangkaian listrik, terutama hukum ohm.
3. Penjelasan tentang hukum Kirchoof yang merupakan dasar
untuk menganalisa rangkaian listrik
Manfaat
Relevansi
CapaianPembelajaran
Dengan mahasiswa memahami dasar dari rangkaian listrik
beserta komponen pasifnya serta hukum-hukum yang
berlaku pada rangkaian listrik tersebut diharapkan mahasiwa
memahami rangakain listrik dengan mudah dan menarik
minat mereka untuk dapat merancang rangkaian-rangkaian
listrik sederhana.
Pemahaman tentang elektronika dimulai dari pemahaman
tentang rangkaian listrik. Kemudian bagaimana rangkaian
tersebut dapat dirangkai dibutuhkan komponen-komponen
pendukung dan fungsinya masing-masing. Setelah itu untuk
mendapatkan nilai-nilai nominal pada rangkaian elektronik
tersebut diperlukan analisa rangakaian elektronik dengan
berdasarkan hukum-hukum yang berlaku.
Dengan bekal pengetahuan yang telah diberikan pada bab ini
diharapkan mahasiswa dapat memahami rangkaian
elektronikadengan benar, dapat merancang dan menganalisa
rangakaian elektronik dasar serta merangsang ide-ide kreatif
untuk sebuah rangkaian elektronika.
2.2 PENYAJIAN
2.2.1 Rangkaian Elektronik
Ragkaian elektronik atau biasa dikenal dengan 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 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
yang lebih lanjut. Gambar 2.1 memperlihatkan contoh sebuah perancangan
rangkaian listrik yang dibangun di atas software aplikasi dan dapat disimulasikan
sebelum diimplementasikan.
Gambar 2.1 Rangkaian elektronik dan software simulasinya
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
elemen 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. Gambar 2.2 memperlihatkan komponen-komponen elektronik baik itu R, C
maupun L
Gambar 2.2 Komponen dasar elektronik
Untuk dapat merancang sebuah rangkaian listrik dan berjalan sesuai
dengan yang dikehendaki maka diperlukan pengetahuan tentang hukum-hukum
atau aturan yang berjalan pada rangkaian listrik tersebut disamping itu juga perlu
diketahui fungsi dan sifat masing-masing komponen.
2.2.2 Resistor
Resistor adalah komponen elektronik dua kutub yang didesain untuk
menahan arus listrik dengan memproduksi tegangan listrik di antara kedua
kutubnya, nilai tegangan terhadap resistansi berbanding dengan arus yang
mengalir. Resistor digunakan sebagai bagian dari jejaring elektronik dan sirkuit
elektronik, dan merupakan salah satu komponen yang paling sering digunakan.
Resistor dapat dibuat dari bermacam-macam kompon dan film, bahkan kawat
resistansi (kawat yang dibuat dari paduan resistivitas tinggi seperti nikelkromium). Gambar 2.4 memperlihatkan jenis-jenis resistor
Gambar 2.4 Beragam jenis Resistor
Karakteristik utama dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang
dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, desah listrik,
dan induktansi.Resistor dapat diintegrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan
sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Ukuran dan letak kaki bergantung pada
desain sirkuit, kebutuhan daya resistor harus cukup dan disesuaikan dengan
kebutuhan arus rangkaian agar tidak terbakar.
Nilai sebuah resistor dapat dibaca dengan cara melihat warna gelang yang
terdapat pada badan resistor tersebut. Pembacaan cara lain dapat dilakukan dengan
menggunakan multimeter. Gambar 2.5 menunjukkan cara melakukan pembacaan
resistor
Gambar 2.5 Warna gelang resistor dan cara pembacaannya
Sedangkan untuk simbol resistor diperlihatkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Simbol resistor
Selain berbentuk tunggal resistor juga diproduksi dalam bentuk paket dan larik.
Untuk reisitor berbentuk larik menggunakan nilai yang sama. Gambar 2.7.(a)
menunjukkan resistor resistor berbentuk paket dan larik.
(a)
(b)
Gambar 2.7 Resistor berbentuk paket
Satuan untuk resistor adalah ohm (simbol: Ω adalah satuan SI untuk
resistansi listrik, diambil dari nama Georg Ohm.Satuan yang digunakan prefix :
1. Ohm = Ω
2. Kilo Ohm = KΩ
3. Mega Ohm = MΩ

KΩ = 1 000Ω

MΩ = 1 000 000Ω
2.2.3 Kapasitor/Kondensator (Capacitor)
Kondensator atau sering disebut sebagai kapasitor adalah suatu alat yang
dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan
ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang
disebut Farad dari nama Michael Faraday. Kondensator juga dikenal sebagai
"kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama
disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari
bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan
suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya. Kebanyakan bahasa
dan negara yang tidak menggunakan bahasa Inggris masih mengacu pada
perkataan bahasa Italia "condensatore", bahasa
Perancis condensateur, Indonesia dan Jerman Kondensator atau Spanyol Condens
ador.
 Kondensator diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua kutub yaitu positif
dan negatif serta memiliki cairan elektrolit dan biasanya berbentuk tabung.

Lambang kondensator (mempunyai kutub) pada skema elektronika.
Sedangkan jenis yang satunya lagi kebanyakan nilai kapasitasnya lebih
rendah, tidak mempunyai kutub positif atau negatif pada kakinya, kebanyakan
berbentuk bulat pipih berwarna coklat, merah, hijau dan lainnya seperti tablet
atau kancing baju.
Lambang kapasitor (tidak mempunyai kutub) pada skema
elektronika.
Namun kebiasaan dan kondisi serta artikulasi bahasa setiap negara tergantung
pada masyarakat yang lebih sering menyebutkannya. Kini kebiasaan orang
tersebut hanya menyebutkan salah satu nama yang paling dominan digunakan atau
lebih sering didengar. Pada masa kini, kondensator sering disebut kapasitor
(capacitor) ataupun sebaliknya yang pada ilmu elektronika disingkat dengan huruf
(C).
Satuan dari kapasitansi kondensator adalah Farad (F). Namun Farad
adalah satuan yang terlalu besar, sehingga digunakan:

Pikofarad (

Nanofarad (
)=
)=

Microfarad (
)=
Adapun cara memperbesar kapasitansi kapasitor atau kondensator dengan jalan:
1. Menyusunnya berlapis-lapis.
2. Memperluas permukaan variabel.
3. Memakai bahan dengan daya tembus besar.
Permeabilitas dielektrik kapasitor diperlihatkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Permeabilitas dielektrik kapasitor
Sedangkan karakteristik dari kapasitor diperlihatkan pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Karakteristik kapasitor
Berdasarkan kegunaannya kapasitor dibagi dalam
1. Kondensator tetap (nilai kapasitasnya tetap tidak dapat diubah)
2. Kondensator elektrolit (Electrolite Condenser = Elco)
3. Kondensator variabel (nilai kapasitasnya dapat diubah-ubah)
Beragam bentuk kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.8
Gambar 2.8 Beragam jenis kapasitor
2.2.4 Induktor
Sebuah induktor atau reaktor adalahsebuah komponen elektronika pasif
yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus
listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet
ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry. Biasanya sebuah induktor
adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan/lilitan. Lilitan
ini akan menghasilkan medan magnet yang kuat di dalam kumparan dikarenakan
arus listrik yang melintas pada kumparan tersebut. Hal ini sesuai dengan hukum
induksi Faraday. Induktor adalah salah satu komponen elektronik dasar yang
digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah. Hal ini
dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses arus bolak-balik. Gambar 2.9
memperlihatkan berbagai jenis induktor.
Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi
tanpa resistansi atau kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Namun pada
kenyataannya sebuah induktor merupakan gabungan dari induktansi, beberapa
resistansi karena resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada frekuensi
tertentu, induktor dapat menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya.
Selain memboroskan daya pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga
memboroskan daya di dalam inti oleh karena adanya efek histeresis, dan pada arus
tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan.
Gambar 2.9 Bermacam-macam jenis induktor
Induktansi (L) (diukur dalam Henry) adalah efek dari medan magnet yang
terbentuk disekitar konduktor pembawa arus yang bersifat menahan perubahan
arus. Arus listrik yang melewati konduktor membuat medan magnet sebanding
dengan besar arus. Perubahan dalam arus menyebabkan perubahan medan magnet
yang mengakibatkan gaya elektromotif lawan melalui GGL induksi yang bersifat
menentang perubahan arus. Induktansi diukur berdasarkan jumlah gaya
elektromotif yang ditimbulkan untuk setiap perubahan arus terhadap waktu.
Sebagai contoh, sebuah induktor dengan induktansi 1 Henry menimbulkan gaya
elektromotif sebesar 1 volt saat arus dalam indukutor berubah dengan kecepatan 1
ampere setiap sekon. Jumlah lilitan, ukuran lilitan, dan material inti menentukan
induktansi.
Induktor sering digunakan pada sirkuit analog dan pemroses sinyal.
Induktor berpasangan dengan kondensator dan komponen lain membentuk sirkuit
tertala. Penggunaan induktor bervariasi dari penggunaan induktor besar pada
pencatu daya untuk menghilangkan dengung pencatu daya, hingga induktor kecil
yang terpasang pada kabel untuk mencegah interferensi frekuensi radio untuk
dprd melalui kabel. Kombinasi induktor-kondensator menjadi rangkaian tala
dalam pemancar dan penerima radio. Dua induktor atau lebih yang terkopel secara
magnetik membentuk transformator.
Induktor digunakan sebagai penyimpan energi pada beberapa pencatu daya
moda sakelar. Induktor dienergikan selama waktu tertentu, dan dikuras pada sisa
siklus. Perbandingan transfer energi ini menentukan tegangan keluaran. Reaktansi
induktif XL ini digunakan bersama semikonduktor aktif untuk menjaga tegangan
dengan akurat. Induktor juga digunakan dalam sistem transmisi listrik, yang
digunakan untuk mengikangkan paku-paku tegangan yang berasal dari petir, dan
juga membatasi arus pensakelaran dan arus kesalahan. Dalam bidang ini,
indukutor sering disebut dengan reaktor.Induktor yang memiliki induktansi sangat
tinggi dapat disimulasikan dengan menggunakan girator. Contoh dan simbol dari
induktor diperlihatkan pada Gambar 2.10
Gambar 2.10 Contoh beberapa jenis induktor serta simbolnya
Sebuah induktor biasanya dikonstruksi sebagai sebuah lilitan dari bahan
penghantar berupa kawat tembaga, digulung pada inti magnet berisi udara atau
bahan feromagnetik. Bahan inti yang mempunyai permeabilitas magnet yang lebih
tinggi dari udara meningkatkan medan magnet dan menjaganya tetap dekat pada
induktor, sehingga meningkatkan induktansi induktor. Induktor frekuensi rendah
dibuat dengan menggunakan baja laminasi untuk menekan arus eddy. Ferit lunak
biasanya digunakan sebagai inti pada induktor frekuensi tingi, dikarenakan ferit
tidak menyebabkan kerugian daya pada frekuensi tinggi seperti pada inti besi. Ini
dikarenakan ferit mempunyai lengkung histeresis yang sempit dan resistivitasnya
yang tinggi mencegah arus eddy. Induktor dibuat dengan berbagai bentuk.
Sebagian besar dikonstruksi dengan menggulung kawat tembaga email disekitar
bahan inti dengan kaki-kali kawat terlukts keluar. Beberapa jenis menutup penuh
gulungan kawat di dalam material inti, dinamakan induktor terselubungi.
Beberapa induktor mempunyai inti yang dapat diubah letaknya, yang
memungkinkan pengubahan induktansi. Induktor yang digunakan untuk menahan
frekuensi sangat tinggi biasanya dibuat dengan melilitkan tabung atau manikmanik ferit pada kabel transmisi.Induktor kecil dapat dicetak langsung pada papan
rangkaian cetak dengan membuat jalur tembaga berbentuk spiral. Beberapa
induktor dapat dibentuk pada rangkaian terintegrasi menhan menggunakan inti
planar. Tetapi bentuknya yang kecil membatasi induktansi. Dan girator dapat
menjadi pilihan alternatif.
Induktor juga dibagi-bagi menjadi beberapa jenis diantaranya
 Lilitan ferit sarang madu
Lilitan sarang madu dililit dengan cara bersilangan untuk mengurangi efek
kapasitansi terdistribusi. Ini sering digunakan pada rangkaian tala pada
penerima radio dalam jangkah gelombang menengah dan gelombang panjang.
Karena konstruksinya, induktansi tinggi dapat dicapai dengan bentuk yang
kecil.
 Lilitan inti toroid
Sebuah lilitan sederhana yang dililit dengan bentuk silinder menciptakan
medan magnet eksternal dengan kutub utara-selatan. Sebuah lilitan toroid
dapat dibuat dari lilitan silinder dengan menghubungkannya menjadi
berbentuk donat, sehingga menyatukan kutub utara dan selatan. Pada lilitan
toroid, medan magnet ditahan pada lilitan. Ini menyebabkan lebih sedikit
radiasi magnetik dari lilitan, dan kekebalan dari medan magnet eksternal.
Sebuah induktor menolak perubahan arus. Sebuah induktor ideal tidak
menunjukkan resistansi kepada arus rata, tetapi hanya induktor superkonduktor
yang benar-benar memiliki resistansi nol. Pada umumnya, hubungan antara
perubahan tegangan, induktansi, dan perubahan arus pada induktor ditentukan
oleh rumus diferensial:
Jika ada arus bolak-balik sinusoida melalui sebuah induktor, tegangan sinusoida
diinduksikan. Amplitudo tegangan sebanding dengan amplitudo arus dan
frekuensi arus.
Pada situasi ini, fase dari gelombang arus tertinggal 90 dari fase gelombang
tegangan. Jika sebuah induktor disambungkan ke sumber arus searah, dengan
harga "I" melalui sebuah resistansi "R" dan sumber arus berimpedansi nol,
persamaan diferensial diatas menunjukkan bahwa arus yang melalui induktor akan
dibuang secara eksponensial:
Jejaring induktor
Induktor dalam konfigurasi kakap memiliki beda potensial yang sama. Untuk
menemukan induktansi ekivalen total (Leq):
Arus dalam induktor deret adalah sama, tetapi tegangan yang
membentangi setiap induktor bisa berbeda. Penjumlahan dari beda potensial dari
beberapa induktor seri sama dengan tegangan total. Untuk menentukan todu total
digunakan rumus:
Hubungan tersebut hanya benar jika tidak ada kopling magnetis antar kumparan.
Energi yang tersimpan
Energi yang tersimpan di induktor ekivalen dengan usaha yang dibutuhkan
untuk mengalirkan arus melalui induktor, dan juga medan magnet:
Dimana L adalah induktansi dan I adalah arus yang melalui induktor.
2.2.5 Hukum Ohm
Hukum Ohm menyatakan bahwa besar arus listrik yang mengalir melalui
sebuah penghantar selalu berbanding lurus dengan beda potensial yang diterapkan
kepadanya. Sebuah benda penghantar dikatakan mematuhi hukum Ohm apabila
nilai resistansinya tidak bergantung terhadap besar dan polaritas beda potensial
yang dikenakan kepadanya. Secara matematis hukum Ohm diekspresikan dengan
persamaan:
𝑉=𝐼𝑅
Dimana V adalah beda tegangan antara kedua kutub (volt), I merupakan arus yang
mengalir antara kedua kutub tersebut (amper) dan R adalah hambatanya (ohm).
Dalam bentuk ilustrasi dapat diperlihatkan pada Gambar 2.3
Gambar 2.10 Hukum ohm
2.2.6 Hukum Kirchoof
Hukum kirchhoff merupakan salah satu teori elektronika untuk
menganalisa lebih lanjut tentang rangkaian elektronika. Dengan hukum kirchhoff
kita dapat menganalisa lebih lanjut tentang arus yang mengalir dalam rangkaian
dan tegangan yang terdapat pada titik-titik rangkaian elektronika. Hukum
kirchhoff ini berlaku untuk analisis rangkaian loop tertutup seperti pada Gambar
2.11.
Gambar 2.11 Rangkaian tertutup berlaku hukum Kirchoof
Dalam hukum kirchhoff dikenal 2 teori yang dapat digunakan untuk
analisis rangkaian elektronika yaitu Hukum Kirchhoff Arus (KCL, Kirchhoff
Current Law) dan Hukum Kirchhoff Tegangan (KVL, Kirchhoff Voltage Law).
Hukum Kirchhoff Arus (KCL, Kirchhoff Current Law)
Hukum kirchhoff arus merupakan hukum kirchhof pertama (1) yang
menyatakan bahwa “Arus total yang masuk pada suatu titik sambungan atau
percabangan adalah nol“. Hukum kirchhoff arus ini dapat dinyatakan dalam
persamaan matematika sebagai berikut.
Arah setiap arus ditunjukkan dengan anak panah, jika arus berharga positif maka
arus mengalir searah dengan anak panah, demikian sebaliknya. Dengan demikian
untuk rangkaian seperti pada gambar diatas dapat dituliskan persamaan matematik
berdasarkan hukum kirchhoff arus sebagai berikut:
Tanda negatif pada I1 menunjukkan bahwa arus keluar dari titik cabang dan jika
arus masuk titik cabang diberi tanda positif.
Hukum Kirchhoff Tegangan (KVL, Kirchhoff Voltage Law)
Pada hukum kirchhoff tegangan atau yang sering disebut hukum kirchhoff
ke II ini menyatakan “Pada setiap rangkaian tertutup (loop), jumlah penurunan
tegangan adalah nol” . Hukum kirchhoff tegangan ini dapat juga dinyatakan
dengan persamaan matematika sebagai berikut.
Dari contoh rangkaian pada gambar diatas dengan hukum kirchhoff dapat
dituliskan beberapa persamaan matematis untuk menyatakan hukum kirchhoff
tegangan sesuai loop sebagai berikut.
Loop kiri
Loop kanan
Loop luar
Semua komponen pada
contoh gambar
rangkaian diatas dilewati arus sehingga sesuai hukum kirchhoff tegangan berlaku
persamaan sebagai berikut.
Dengan r adalah resistansi internal baterai maka besarnya arus yang mengalir
dapat dituliskan sebagai berikut.
Persamaan diatas memperlihatkan bahwa tegangan V merupakan hasil penurunan
tegangan akibat adanya beban yang dialiri arus. Terlihat dalam hukum kirchhoff
tegangan bahwa V merupakan bagian dari E.
2.3 PENUTUP
2.3.1 Tes Kemampuan
1. Sebutkan perbedaan antara elektronika analog dengan elektronika dijital
2. Sebuah resistor diketahui bernilai 220 k dengan toleransi 5%, dapatkah
saudara sebutkan warna gelang pada resistor tersebut?
3. Lakukan analisa dengan menggunakan hukum ohm jika 3 buah resistor
dihubungkan secara seri maka berapakah nilai resistor totalnya atau dapat
disebut juga dengan resistor penggantinya. Kemudian pada resistor yang
sama apabila diparalel maka berapakah nilai resistor penggantinya.
4. Jika diketahui 3 buah kapasitor masing masing bernilai 50µF, 30µF, 10µF
dihubungkan secara seri maka berapakah nilai kapasitor penggantinya.
Demikian pula apabila kapasitor tersebut dibungkan secara paralel maka
berapakah nilai kapasitor penggantinya.
5. Jika diketahui 3 buah induktor masing-masing 3H, 15H dan 25 H maka
berapakah nilai induktor penggantinya apabila ketiga induktor tersebut
dihubungkan secara seri dan berapakah nilai induktor penggantinya
apabila dihubungkan secara paralel.
6. Diketahui sebuah rangkaian sbb. Kemudian carilah Iout dan Vout nya