plagiat merupakan tindakan tidak terpuji plagiat
advertisement
PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI APLIKASI MATRIKS PADA PENYELESAIAN RANGKAIAN LISTRIK Skripsi Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan Program Studi Pendidikan Matematika Oleh: Putriana Setiarini NIM: 091414045 PROGRAM STUDI PENDIDIKAN MATEMATIKA JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2013 i PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI ii PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI iii PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI HALAMAN PERSEMBAHAN Kesuksesan tidak datang secara tiba-tiba, kesuksesan adalah buah dari ketekunan, kerja keras, dan kesabaran disertai dengan doa Kupersembahkan karya ini untuk: Ayah dan Ibukutercinta Adikku tersayang Seseorang yang selalu mencintaiku Keluargaku dan orang-orang yang selalu menyayangiku iv PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI v PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI ABSTRAK Putriana Setiarini. 2013. Aplikasi Matriks Pada Penyelesaian Rangkaian Listrik. Skripsi. Program Studi Pendidikan Matematika, Jurusan Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Tujuan penulisan skripsi ini adalah untuk menyelesaikan analisis pada rangkaian listrik menggunakan matriks. Metode yang digunakan dalam penulisan ini adalah metode studi pustaka, sehingga dalam penulisan ini belum ditemukan hal-hal yang baru. Pada rangkaian seri yang terdiri dari beberapa sumber tegangan dan resistor, namun resistor-resistornya tidak dapat direduksi menggunakan resistor pengganti digunakan analisis loop. Persamaan untuk arus yang dihasilkan adalah = ∑ ∑ . Pada rangkaian listrik yang terdiri dari beberapa loop dan tidak mengandung sumber arus digunakan analisis jaring, dimana rangkaian disusun atas jaring dan disimbolkan dengan , , … , . Pada analisis ini digunakan Hukum Tegangan Kirchhoff dan akan dihasilkan persamaan RI= Vs, dimana R adalah matriks koefisien arus, I adalah matriks dari arus, dan Vs adalah matriks sumber tegangan. Untuk rangkaian yang tidak mengandung sumber tegangan digunakan analisis simpul. Simpul-simpul ini disimbolkan dengan , , … , . Pada analisis ini digunakan Hukum Arus Kirchhoff dan akan dihasilkan persamaan GV=Cs, dimana G adalah matriks koefisien tegangan, V adalah matriks dari tegangan, dan Cs adalah matriks sumber arus. Untuk mendapatkan penyelesaian dari persamaanpersamaan tersebut, dapat digunakan beberapa cara, antara lain dengan menggunakan metode eliminasi Gauss-Jordan atau dengan menggunakan invers matriks. Kata kunci: Analisis Loop, Analisis Jaring, Analisis Simpul, Matriks vi PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI ABSTRACT Putriana Setiarini. 2013. Application of Matrix on Completion Of Electrical Circuits. Research. Mathematics Education Program, Department of Mathematics and Natural Sciences, Faculty of Teaching and Education, Sanata Dharma University, Yogyakarta. The purpose of this research is to solve the electrical circuits analisys by using matrix. The method that used in this research is study literature method, so we haven’t found new things in this research yet. In the series electric circuit that consisting of some voltage source and resistors, but the resistors can’tbe reduced using a replacement resistors, we used loop analysis. The current equation is = ∑ ∑ .In the electrical circuit which is composed of several loop and does not contain the current source is used mesh analysis. The circuits is prepared on the smaller loops or mesh and currents is symbolized by the , , … , . Kirchhoff's Voltage Law applied to each mesh and formed current equation RI = Vs, with R is the magnitude of the resistance of the resistor, I is the current flowing in the mesh, and Vs is the voltage source in the circuit. Nodal analysis is used to find the voltage that flows in the circuit that does not contain a voltage source. Voltage at the node symbolized by , , … , .. Apply Kirchhoff's Current Law at node and formed voltage equation GV = Cs, where G is the magnitude of the conductance of the resistor, V is the voltage of the node, and Cs is the source of the current flowing in the circuit. In order to obtain completion of such equations, can be used several ways, among others, by using Gauss-Jordan elimination method or by using the inverse matrix. Keywords: Loop Analysis, Mesh Analysis, Nodal Analysis, Matrix vii PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI viii PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan atas segala kasih dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Aplikasi Matriks pada Penyelesaian Rangkaian Listrik”. Skripsi ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat dalam memperoleh gelar sarjana di Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas sanata Dharma. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Tuhan Yesus Kristus dan Bunda Maria yang selalu menemaniku dan mendengarkan setiap doaku, 2. Bapak Dominikus Arif Budi Prasetyo, S.Si, M.Si selaku dosen pembimbing skripsi dan dosen pembimbing akademik yang telah memberikan arahan dalam proses penulisan skripsi ini, 3. Ibu Ch. Enny Murwaningtyas, S.Si., M.Si. dan Bapak Drs. A. Sardjana, M.Pd.selaku dosen penguji yang memberikan kritik dan saran guna menyempurnakan skripsi ini, 4. Bapak Andi Rudhito, S.Pd., M.Si. selaku kepala Program Studi Pendidikan Matematika, 5. Segenap dosen Jurusan Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pengetahuan Universitas Sanata Dharma, 6. Segenap staf administrasi JPMIPA dan staf perpustakaan Universitas Sanata Dharma yang selalu melayani dengan penuh keramahan, ix PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI x 7. Kedua orang tuaku Bapak F.X. Wisnu Broto dan Ibu Veronika Samiasih, juga adikku Leonardus Prasetyo Andy yang tak henti-hentinya memberikan cinta, kasih sayang mendukung dan selalu mendoakanku, 8. Mas Denny yang selalu setia dan sabar menemani dan mendukung setiap langkahku, 9. Dian, Ririn, Merry, Adi, Chintia, dan semua teman-temanku dari Pendidikan Matematika angkatan 2009. Terimakasih telah berbagi hari yang menyenangkan dan penuh kenangan selama proses perkuliahan di kampus ini, 10. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terimakasih atas bantuan dalam penulisan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang membangun. Semoga penulisan skripsi ini dapat bermanfaat bagi segenap pembaca. Yogyakarta, 31 Juli 2013 Penulis Putriana Setiarini PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL ................................................................................. i HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ........................................ ii HALAMAN PENGESAHAN ................................................................... iii HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................ iv PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .................................................... v ABSTRAK ................................................................................................. vi ABSTRACT ............................................................................................... vii LEMBAR PERNYATAAN PERASETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS …………………....... viii KATA PENGANTAR ............................................................................... ix DAFTAR ISI .............................................................................................. xi DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xiii DAFTAR NOTASI .................................................................................... xv BAB I PENDAHULUAN .......................................................................... 1 A. Latar Belakang Masalah ................................................................ 1 B. Pembatasan Masalah ...................................................................... 3 C. Rumusan Masalah .......................................................................... 4 D. Tujuan Penulisan ............................................................................ 4 E. Manfaat Penulisan .......................................................................... 4 F. Metode Penulisan ........................................................................... 5 G. Sistematika Penulisan .................................................................... 5 xi PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI xii BAB II KAJIAN PUSTAKA ..................................................................... 7 A. Matriks dan Sistem Persamaan Linear ........................................... 7 B. Istilah-istilah pada Rangkaian Listrik ............................................ 34 C. Simpul, Lintasan, Loop, Cabang, Jaring, dan Rangkaian Planar.... 40 D. Hukum-hukum pada Rangkaian Listrik ......................................... 42 E. Kerangka Pikir ............................................................................... 46 BAB III Aplikasi Matriks pada Penyelesaian Rangkaian Listrik .............. 48 A. Analisis Loop Tunggal pada Rangkaian Seri yang Tidak Mengandung Sumber Arus ............................................................ 49 B. Analisis Jaring (Mesh Analysis) pada Rangkaian yang Tidak Mengandung Sumber Arus ............................................................ 54 C. Analisis Simpul (Nodal Analysis) pada Rangkaian yang Tidak Mengandung Sumber Tegangan .................................................... 72 BAB IV PENUTUP ................................................................................... 88 A. Kesimpulan .................................................................................... 88 B. Saran .............................................................................................. 90 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 92 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI xiii DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.1 Rangkaian paralel sederhana ............................................. 2 Gambar 2.1 Salah satu cara mempresentasikan arus ............................ 35 Gambar 2.2 Sumber tegangan ............................................................... 35 Gambar 2.3 Sumber tegangan bebas dan tak bebas .............................. 37 Gambar 2.4 Sumber arus bebas dan tak bebas ...................................... 37 Gambar 2.5 Resistor, kapasitor, dan induktor ....................................... 38 Gambar 2.6 Rangkaian seri ................................................................... 39 Gambar 2.7 Rangkaian paralel .............................................................. 39 Gambar 2.8 Rangkaian dengan dua sumber tegangan dan tiga resistor untuk contoh 2.29 .............................................................. 40 Rangkaian listrik dengan simpul untuk contoh 2.30…….. 41 Gambar 2.10 Rangkaian planar dan non planar ...................................... 41 Gambar 2.9 Gambar 2.11 Penerapan Hukum Arus Kirchhoff pada simpul sederhana ........................................................................... 44 Gambar 2.12 Rangkaian tiga sumber tegangan ....................................... 45 Gambar 2.13 Rangkaian dua sumber tegangan dan sebuah resistor ....... 45 Gambar 3.1 Rangkaian seri dengan n elemen ....................................... 49 Gambar 3.2 Rangkaian yang dilengkapi dengan referensi arus dan tegangan ............................................................................ 50 Gambar 3.3 Sumber tegangan dan arah arusnya ................................... 52 Gambar 3.4 Loop rangkaian listrik dengan dua sumber tegangan dan PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI resistor ............................................................................... Gambar 3.5 xiv 53 Rangkaian yang tersusun dari dua sumber tegangan dan resistor ............................................................................... 55 Gambar 3.6 Rangkaian dengan dua jaring ............................................ 56 Gambar 3.7 Rangkaian yang tersusun atas dua sumber tegangan dan sembilan resistor ................................................................ 60 Gambar 3.8 Rangkaian yang dilengkapi dengan arah jaring ................ 60 Gambar 3.9 Rangkaian yang tersusun atas dua sumber arus dan sembilan resistor ................................................................ 76 Gambar 3.10 Rangkaian beserta tanda simpul dan arusnya .................... 77 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI DAFTAR NOTASI Cs sumber arus G konduktansi resistor I arus R resistansi resistor V tegangan Vs sumber tegangan ■ akhir definisi xv PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Salah satu cabang dari ilmu matematika adalah aljabar linear elementer, yang di dalamnya memuat materi tentang matriks. Matriks merupakan himpunan bilangan yang tersusun dalam baris dan kolom. Banyak persoalan-persoalan yang dapat diselesaikan menggunakan matriks. Salah satu diantaranya adalah untuk menyelesaikan suatu sistem persamaan linear. Suatu sistem persamaan linear dapat diselesaikan menggunakan metode eliminasi, substitusi, maupun campuran keduanya. Akan tetapi untuk sistem persamaan linear dengan banyak variabel dan persamaan, metode ini dirasa kurang praktis. Oleh karena itu dibutuhkan alat bantu yaitu menggunakan matriks. Sistem persamaan linear diubah menjadi bentuk matriks dan kemudian penyelesaiannya dapat dicari menggunakan sifat-sifat dari matriks. Persoalan-persoalan yang dapat diselesaikan menggunakan sistem persamaan linear dan matriks antara lain adalah permasalahan di bidang ekonomi, dimana matriks digunakan untuk mencari penyelesaian dari analisis input-output. Selain itu, dalam bidang fisika matriks dapat digunakan untuk mencari penyelesaian dari analisis rangkaian listrik. Permasalahan-permasalahan yang sering muncul dan dihadapi pada suatu rangkaian listrik adalah menentukan tegangan atau arus yang mengalir pada tiap-tiap elemen rangkaian. Pada suatu rangkaian listrik, dimana elemen- 1 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 2 elemennya terdiri dari sebuah sumber tegangan dan resistor-resistor yang disusun secara seri atau paralel sederhana, besarnya arus dan tegangan yang mengalir melalui elemen dapat diketahui. Dengan mengaplikasikan Hukum Ohm, maka nilai-nilai dari arus dan tegangan pada elemen rangkaian akan dapat ditentukan. Namun jika rangkaian listrik tidak dirangkai secara seri atau paralel sederhana, besar arus dan tegangan tidak mudah ditentukan jika hanya menggunakan Hukum Ohm. Gambar 1.1. Rangkaian paralel sederhana Pada gambar 1.1 di atas, besarnya arus yang mengalir dapat ditentukan menggunakan Hukum Ohm dan mereduksi resistor-resistor tersebut menjadi sebuah resistor pengganti. Untuk menenentukan besarnya tegangan dan arus yang mengalir pada elemen rangkaian dimana elemen-elemennya tidak disusun secara seri atau paralel sederhana, diperlukan analisis. Pada rangkaian seri, dimana rangkaian tersusun atas beberapa sumber tegangan dan resistor, analisis dasar yang digunakan adalah analisis loop. Sedangkan untuk rangkaian paralel, dimana resistor yang disusun tidak mudah untuk direduksi menjadi resistor pengganti, maka dilakukan analisis jaring, dan untuk rangkaian yang tidak mengandung sumber tegangan digunakan analisis simpul. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 3 Aplikasi Hukum Kirchhoff pada analisis rangkaian tersebut nantinya menghasilkan persamaan-persamaan yang akan membentuk sistem persamaan linear dalam variabel I maupun V. Dimana I adalah arus dan V adalah tegangan. Oleh karena itu diperlukan suatu cara untuk menyelesaikan sistem persamaan linear tersebut. Sistem persamaan linear tersebut diubah menjadi bentuk matriks. Sehingga untuk penyelesaiannya dapat dicari menggunakan matriks yang diperbesar kemudian diselesaikan menggunakan operasi baris elementer dan invers matriks. Materi tentang matriks pernah dipelajari dalam perkuliahan, namun hanya sebatas perhitungan-perhitungannya saja. Dari beberapa uraian di atas, dapat dilihat bahwa aplikasi matriks untuk menyelesaikan permasalahan dalam bidang lain sangat menarik untuk dipelajari. Oleh karena itu penulis berminat untuk mengangkat judul “APLIKASI MATRIKS PADA PENYELESAIAN RANGKAIAN LISTRIK”, hasil penulisan ini diharapkan dapat menarik minat untuk mempelajari matriks dan aplikasinya dalam ilmu yang lain. B. Pembatasan Masalah Masalah yang akan dibahas dalam skripsi ini dibatasi pada menentukan penyelesaian analisis loop tunggal, analisis jaring (mesh analysis) pada rangkaian yang tidak mengandung sumber arus, dan analisis simpul (nodal analysis) pada rangkaian yang tidak mengandung sumber tegangan menggunakan matriks untuk mendapatkan besar tegangan dan arus yang PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 4 mengalir melalui tiap elemen pada rangkaian listrik. Rangkaian yang dianalisis pun dibatasi hanya pada rangkaian planar saja. C. Rumusan Masalah Masalah yang akan dibahas pada skripsi ini antara lain: 1. Bagaimana mencari besar tegangan dan arus yang mengalir pada tiap-tiap elemen pada rangkaian listrik menggunakan analisis loop, analisis jaring (mesh analysis), dan analisis simpul (nodal analysis)? 2. Bagaimana mencari penyelesaian dari suatu analisis rangkaian listrik menggunakan matriks? D. Tujuan Penulisan Tujuan dari penulisan skripsi ini antara lain: 1. Untuk menentukan besarnya tegangan dan arus yang mengalir pada tiaptiap elemen pada rangkaian listrik menggunakan analisis loop, analisis jaring (mesh analysis), dan analisis simpul (nodal analysis). 2. Untuk mendapatkan penyelesaian dari suatu analisis menggunakan matriks, sehingga diperoleh besar tegangan dan arus yang mengalir. E. Manfaat Penulisan 1. Bagi penulis, penulisan ini bertujuan untuk meningkatkan pemahaman penulis tentang matriks dan aplikasinya untuk menyelesaikan suatu permasalahan. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 5 2. Bagi pihak lain, hasil penulisan ini diharapkan dapat memperjelas aplikasi dari matriks dalam mencari penyelesaian khususnya dalam analisis rangkaian listrik. F. Metode Penulisan Metode yang digunakan dalam penulisan ini adalah metode studi pustaka, yaitu dengan mempelajari dan memahami beberapa bagian dari buku acuan yang digunakan, sehingga belum ditemukan hal-hal yang baru. G. Sistematika Penulisan Skripsi ini terdiri dari empat bab. Bab I membahas tentang pendahuluan yang berisi latar belakang, pembatasan masalah, perumusan masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan, metode penulisan, dan sistematika penulisan. Bab II membahas tentang tinjauan pustaka yang digunakan untuk membahas analisis rangkaian listrik sederhana dan penyelesaiannya menggunakan matriks. Bab II ini berisi konsep dasar tentang matriks dan sistem persamaan linear yang meliputi definisi matriks, dua matriks berukuran sama, matriks persegi, matriks segitiga atas, matriks segitiga bawah, matriks baris, matriks kolom, definisi matriks nol, definisi matriks diagonal, definisi matriks identitas, definisi transpose suatu matriks, operasi pada matriks yang meliputi penjumlahan, pengurangan, dan perkalian. Selain itu ada juga operasi baris elementer, determinan suatu matriks, definisi minor dan kofaktor, definisi matriks kofaktor, serta beberapa sifat dari determinan matriks dan PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 6 terakhir definisi invers sebuah matriks dan cara mencarinya menggunakan determinan dan adjoin, metode operasi baris elementer,dan metodepartisi. Ada pula definisi sistem persamaan linear dan cara menyelesaikan sistem persamaan linear menggunakan metode eliminasi Gauss-Jordan dan invers matriks. Selain itu terdapat pula istilah-istilah pada rangkaian listrik meliputi definisi muatan, arus, tegangan, elemen rangkaian, dan rangkaian listrik. Selain itu terdapat definisi simpul, lintasan, loop, cabang, jaring, dan rangkaian planar pada rangkaian listrik. Ada pula hukum-hukum pada rangkaian listrik antara lain Hukum Ohm dan Hukum Kirchhoff. Pada bab ini juga disampaikan kerangka pikir. Pada bab III, penulis memaparkan pembahasan rumusan masalah yang diangkat dalam skripsi ini, yaitu tentang menganalisis rangkaian listrik menggunakan analisis loop tunggal pada rangkaian listrik, analisis jaring (mesh analysis) pada rangkaian yang tidak mengandung sumber arus dan analisis simpul (nodal analysis) pada rangkaian yang tidak mengandung sumber tegangan dan penggunaan matriks untuk mencari penyelesaian dari beberapa permasalahan dalam rangkaian listrik beserta contohnya. Bab IV berisi kesimpulan yang diperoleh dari pembahasan sebagai jawaban masalah yang diangkat pada skripsi ini serta disampaikan saran untuk mengembangkan penelitian selanjutnya. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI BAB II KAJIAN PUSTAKA A. Matriks dan Sistem Persamaan Linear Pada pembahasan untuk bab selanjutnya, akan digunakan beberapa teori tentang matriks. Berikut disajikan beberapa definisi tentang matriks dan sistem persamaan linear yang dibutuhkan. 1. Matriks Definisi 2.1. Matriks (Ayres, 1989: 1) Matriks adalah susunan bilangan berbentuk persegipanjang yang diapit ■ sepasang kurung siku. Bilangan dalam susunan tersebut disebut entri, anggota atau elemen dari matriks. Suatu matriks biasanya dinyatakan dalam huruf kapital, seperti matriks A, matriks B, matriks C, dan seterusnya. Bilangan-bilangan dalam suatu matriks disusun menurut baris dan kolom. Banyaknya baris dan kolom suatu matriks disebut ukuran matriks. Misalkan, matriks A memiliki baris sebanyak m dan kolom sebanyak n, maka matriks A tersebut memiliki ukuran atau ditulis . Sedangkan anggota pada baris i dan kolom j dari sebuah matriks A dinyatakan sebagai 7 . PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 8 Bentuk umum suatu matriks A adalah: (2.1) [ ] Contoh 2.1 Misalkan terdapat matriks A yang disajikan sebagai berikut: [ ] Matriks A tersebut memiliki 2 baris dan 3 kolom, maka dapat dikatakan bahwa matriks A berukuran 2 3, ditulis . Sedangkan anggota pada matriks A adalah Dua buah matriks, misalkan matriks A dan B, dikatakan berukuran sama jika banyaknya baris pada matriks A sama dengan banyaknya baris pada matriks B dan banyaknya kolom pada matriks A sama dengan banyaknya kolom pada matriks B, sehingga jika matriks A berukuran maka matriks B juga berukuran dan , atau jika dinotasikan: . Contoh 2.2 Misalkan terdapat matriks A, B, dan C yang disajikan sebagai berikut: [ Matriks A berukuran berukuran ] [ ] [ , matriks B berukuran ] , dan matriks C . Matriks A dan B mempunyai ukuran yang sama yaitu , maka matriks A dan B dikatakan berukuran sama. Sedangkan PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 9 matriks A dan C ukurannya tidak sama, maka matriks A dan matriks C bukan matriks yang berukuran sama, begitu pula dengan matriks B dan C. Matriks yang mempunyai ukuran atau disebut matriks persegi. Berikut bentuk umum matriks persegi: (2.2) [ ] Entri-entri disebut entri-entri diagonal utama. Matriks persegi dengan ukuran disebut matriks berordo n. Contoh matriks persegi ditunjukkan pada contoh 2.3 berikut: Contoh 2.3. Misalkan terdapat matriks A dan B sebagai berikut: [ ] dan [ ] Matriks A adalah matriks persegi berordo 2 dengan entri-entri pada diagonal utamanya adalah 2 dan 6. Matriks B adalah matriks persegi berordo 3 dengan entri-entri pada diagonal utamanya 4, 3, dan 3. Matriks persegi yang entri-entri di bawah diagonal utama adalah nol disebut matriks segitiga atas. Sedangkan matriks persegi yang entri-entri di atas diagonal utama adalah nol disebut matriks segitiga bawah. Berikut disajikan contoh dari matriks segitiga atas dan matriks segitiga bawah: Contoh 2.4 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI Misalkan terdapat dua buah matriks, yaitu matriks [ [ 10 ] dan ]. Matriks A merupakan matriks segitiga atas dan matriks B merupakan matriks segitiga bawah. Matriks yang hanya terdiri dari satu baris saja disebut matriks baris. Sedangkan matriks yang hanya terdiri dari satu kolom saja disebut matriks kolom. Untuk memperjelas pengertian matriks baris dan matriks kolom, berikut disajikan contoh dari matriks baris dan matriks kolom: Contoh 2.5 Misalkan diketahui matriks [ ] dan A adalah matriks baris berukuran berukuran [ ]. dan B adalah matriks kolom . Matriks yang semua entrinya nol disebut matriks nol. Berikut diberikan definisi matriks nol: Definisi 2.2. Matriks Nol (Howard Anton, 2000: 62) Matriks nol adalah matriks berukuran nol dan dinotasikan dengan Contoh 2.6 atau 0. yang semua entrinya adalah ■ PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 11 Berikut disajikan contoh dari matriks nol: [ ] [ ] [ ] Selain matriks nol, ada pula matriks diagonal. Definisi matriks diagonal adalah sebagai berikut: Definisi 2.3. Matriks Diagonal (Jain & Gunawardena, 2004: 42) Matriks diagonal adalah matriks persegi yang setiap entri, kecuali pada ■ diagonal utamanya adalah nol. Matriks diagonal dinotasikan sebagai berikut: [ ] (2.3) Contoh 2.7 Berikut adalah contoh matriks diagonal: [ ] [ ] Matriks diagonal yang setiap entri pada diagonalnya adalah 1 disebut matriks identitas. Berikut definisi dari matriks identitas: Definisi 2.4. Matriks Identitas (Howard Anton, 2000: 63) Matriks identitas adalah matriks persegi dengan entri 1 pada diagonal utama dan 0 (nol) untuk anggota selain diagonal utamanya. Matriks identitas dinyatakan dengan I. ■ PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 12 Contoh 2.8. Berikut adalah contoh matriks identitas: [ ] [ ] Pada sebarang matriks A dapat dilakukan operasi transposisi, yaitu dengan menukarkan baris dengan kolomnya sehingga diperoleh matriks baru. Matriks baru sebagai hasil transposisi ini dinamakan transpose dari A dan dinyatakan dengan Definisi 2.5. Transpose suatu Matriks (Jain & Gunawardena, 2004: 49) Misalkan terdapat matriks dari matriks A ditulis adalah yang berukuran adalah matriks berukuran . Transpose dimana entri ■ untuk semua i, j. Dengan kata lain, jika A adalah sebarang matriks berukuran maka adalah matriks berukuran , yang didapatkan dengan mempertukarkan baris dan kolom dari A. Kolom pertama matriks adalah baris pertama matriks A, kolom kedua matriks adalah baris kedua matriks A, dan seterusnya. Untuk lebih jelasnya, disajikan contoh berikut: Contoh 2.9 Misalkan terdapat matriks [ ] dan [ ]. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI [ ] dan Maka [ ] [ 13 ]. Jika matriks persegi A=AT maka matriks A merupakan matriks simetris. Matriks merupakan susunan bilangan yang berbentuk persegipanjang. Oleh karena itu, seperti halnya bilangan, matriks juga dapat dioperasikan. Operasi pada matriks meliputi penjumlahan, pengurangan, dan perkalian. Berikut disajikan definisi penjumlahan pada matriks. Definisi 2.6. Penjumlahan pada Matriks (Jain & Gunawardena, 2004: 34) Jika dan maka , A dan B matriks berukuran sama, adalah suatu matriks dimana ■ untuk setiap i dan j. Untuk lebih jelasnya, disajikan contoh berikut: Contoh 2.10 [ Misalkan terdapat matriks [ ] [ ] [ ] dan [ ] ] maka [ ] Untuk pengurangan dua buah matriks disajikan definisi berikut: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 14 Definisi 2.7. Pengurangan pada Matriks (Jain & Gunawardena, 2004: 35) Jika dan maka , A dan B matriks berukuran sama, adalah suatu matriks dimana ■ untuk setiap i dan j. Contoh 2.11. Pengurangan dua buah matriks: [ Misalkan terdapat matriks [ ] [ ] ] dan [ [ ] ] maka [ ] Matriks dapat dikalikan, baik dengan skalar maupun dengan matriks lain. Berikut disajikan definisi perkalian matriks dengan skalar: Definisi 2.8. Perkalian Matriks dengan Skalar (Howard Anton, 2000: 48) Jika adalah sebarang matriks dan c adalah sebarang skalar, ■ maka Contoh 2.12. Berikut contoh perkalian suatu matriks dengan skalar: Misalkan terdapat matriks [ ]. Jika matriks A dikalikan dengan 2, maka akan diperoleh [ dikalikan dengan akan diperoleh [ ] dan jika matriks A ]. Selain dengan skalar, matriks juga dapat dikalikan dengan matriks. perkalian dua matriks diberikan sebagai berikut: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 15 Definisi 2.9. Perkalian Matriks dengan Matriks (Howard Anton, 2000: 49) Jika A adalah sebuah matriks berukuran berukuan dan B adalah matriks , maka hasil kali AB adalah matriks berukuran yang anggota-anggotanya disefinisikan sebagai berikut: Untuk mencari entri-entri dalam baris i dan kolom j pada matriks AB, pilih baris i pada matriks A dan kolom j dari matriks B. Kalikan entri-entri yang berpadanan dari baris dan kolom secara bersama-sama dan kemudian ■ jumlahkan hasil kalinya. Contoh 2.13. Perkalian dua buah matriks [ Misalkan terdapat matriks ] dan matriks [ ]. Jika matriks A dikalikan dengan matriks B, maka: [ ][ ] [ ] [ ] Selain penjumlahan, pengurangan, dan perkalian, terdapat pula operasi baris elementer. Menurut Ayres (1989: 39) operasi baris elementer merupakan operasi pada sebuah matriks yang dilakukan dengan cara: a. mempertukarkan baris ke-i dan baris ke-j dan dinyatakan dengan b. mengalikan baris ke-i dengan konstanta , , yang dinyatakan dengan PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 16 c. menjumlahkan entri-entri baris ke-i dengan k kali entri-entri padanannya dari baris ke-j, dimana k suatu skalar dan dinyatakan dengan . Untuk lebih jelasnya, disajikan contoh dari operasi baris elementer, sebagai berikut: Contoh 2.14 Misalkan terdapat matriks [ ]. Operasi baris elementer yang dilakukan terhadap matriks A tersebut antara [ lain ], [ [ ] dan ]. Operasi baris elementer akan menghasilkan matriks baru yang disebut dengan matriks ekuivalen dan disimbolkan dengan “~”. Contoh 2.15 Misalkan terdapat matriks [ ]. Matriks ekuivalen yang dapat dibentuk dari matriks A adalah [ ] [ Sehingga dapat dituliskan ] . . PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 17 Untuk setiap matriks persegi terdapat suatu bilangan tertentu yang disebut determinan. Berikut disajikan definisi dari determinan: Definisi 2.10. Determinan suatu Matriks (Howard Anton, 2000: 114) Misalkan A adalah matriks persegi. Fungsi determinan dinyatakan dengan det, dan mendefinisikan det (A) sebagai jumlah semua hasil kali bertanda ■ dari A. Angka det (A) disebut determinan A. Determinan suatu matriks A dilambangkan dengan | | atau . Secara umum, determinan matriks A dengan ordo n dapat dituliskan sebagai berikut: | | ∑ ∑ dimana: |A| adalah determinan matriks A, adalah elemen baris ke-i dan kolom ke-j matriks dari determinan matriks A, adalah minor dari unsur yang diperoleh dengan menghilangkan baris ke-i dan kolom ke-j dari determinan matriks A, dan kofaktor dari unsur . Determinan untuk matriks berukuran ditentukan dengan cara | misal, | [ ], . PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI Untuk matriks berukuran , misalkan [ 18 ], determinannya ditentukan oleh | | Untuk lebih jelasnya disajikan contoh berikut: Contoh 2.16. Determinan dari matriks berukuran Misalkan terdapat matriks | dan [ ] dan [ dan ] maka | | | Berikut disajikan definisi dari minor dan kofaktor dari suatu matriks dalam definisi 2.11 dan definisi 2.12: Definisi 2.11. Minor (Howard Anton, 2000: 135) Misakan A adalah matriks persegi. Minor anggota dinyatakan dengan dan didefinisikan sebagai determinan sub matriks yang masih tersisa setelah baris ke-i dan kolom ke-j dihilangkan dari A. ■ PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 19 Berikut disajikan contoh mengenai minor dari suatu matriks: Contoh 2.17 Misalkan terdapat matriks A sebagai berikut: [ ]. Tentukan minor anggota Minor anggota dan | adalah dan | dan ! | |. Definisi 2.12. Kofaktor (Howard Anton, 2000: 135) Jika minor dari dari dikalikan dengan dan dinyatakan dengan hasilnya dinamakan kofaktor ■ . Contoh 2.18 Misalkan terdapat matriks dan [ ]. Tentukan kofaktor anggota ! Minor anggota adalah | Minor anggota |, sehingga kofaktornya adalah | | sehingga kofaktornya adalah | adalah | | | Kofaktor-kofaktor anggota dari matriks A jika disusun menjadi sebuah matriks maka akan menghasilkan matriks kofaktor. Berikut definisi matriks kofaktor: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 20 Definisi 2.13. Matriks Kofaktor (Howard Anton, 2000: 140) Jika A adalah sebarang matriks persegi berukuran kofaktor dari maka adalah , maka matriks disebut [ ] ■ matriks kofaktor dari A. Transpose dari matriks ini disebut adjoin A dan dinyatakan oleh adj (A). Contoh 2.19 Misalkan terdapat matriks dari A dan adj (A)! Kofaktor dari matriks A adalah: | | | | | | | | | | | | | | | | [ ]. Tentukan matriks kofaktor PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI | 21 | Matriks kofaktornya adalah [ [ ] dan ]. Jika suatu matriks mempunyai determinan nol maka disebut matriks singular. Sebaliknya, jika determinan matriks tidak nol maka disebut matriks taksingular. Determinan untuk matriks diagonal A atau diperoleh dari perkalian entri pada diagonal utama. Demikian pula jika A adalah matriks segitiga, diperoleh dengan mengalikan entri-entri pada diagonal utamanya. Untuk memperjelas, disajikan contoh berikut: Contoh 2.20 Misalkan terdapat matriks dan [ ] dan [ ]. . Ada sifat determinan yang terkait dengan operasi baris elementer. Misalkan terdapat matriks A, jika A’ diperoleh dari A dengan cara mengalikan satu baris dari A dengan konstanta , maka . Sifat yang lain adalah jika A’ diperoleh dari A dengan menukar dua baris, maka dan jika A’ diperoleh dari A dengan PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 22 cara menjumlahkan satu baris dengan kelipatan baris yang lain, maka Perhitungan determinan dapat dipermudah menggunakan sifat-sifat tersebut. Metode ini disebut metode reduksi baris. Untuk lebih jelasnya, berikut disajikan contohnya: Contoh 2.21 Misalkan terdapat [ matriks ]. Carilah det(A) menggunakan metode reduksi baris! Determinan dari matriks A lebih mudah dicari jika matriks tersebut diubah menjadi matriks segitiga. Sehingga nantinya merupakan perkalian dari entri-entri pada diagonal utamanya saja. Oleh karena itu untuk mengubah matriks A menjadi matriks segitiga digunakan bantuan operasi baris elementer. Langkah pertama yang dilakukan adalah dengan mengubah salah satu entri pada kolom pertama menjadi bernilai 1. Perlakuan ini tidak mengubah tanda maupun nilai dari determinan. | | diperoleh | | . Setelah itu pertukarkan baris pertama dan ketiga sehingga determinan menjadi negatif, PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI | | | maka diperoleh 23 | . Selanjutnya, untuk mengubah matriks tersebut menjadi matriks segitiga dilakukan operasi baris elementer untuk membuat entri-entri pada menjadi nol. | | | | maka | | . | maka | . Jadi, Suatu matriks persegi akan mempunyai invers jika determinan matriks tersebut tidak sama dengan nol. Berikut disajikan definisi invers dari sebuah matriks: Definisi 2.14. Invers sebuah Matriks (Howard Anton, 2000: 65) Jika A dan B adalah matriks persegi berukuran sama dan bisa didapatkan sedemikian sehingga maka matriks A disebut bisa dibalik ■ dan matriks B disebut invers dari matriks A. Untuk selanjutnya, invers dari suatu matriks A dinyatakan dengan simbol A-1. Sehingga dan . PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI Untuk matriks persegi berukuran 24 inversnya dapat ditentukan dengan menggunakan determinan dan adjoin. Misalkan untuk sebarang matriks A maka . Dengan syarat Invers dari matriks berukuran dapat langsung dicari [ dengan . [ misalkan aturan sebagai ], berikut: ]. Contoh 2.22 [ Misalkan terdapat matriks ] dan [ Invers dari matriks A dapat diperoleh dengan [ ] [ Kofaktor dari matriks B adalah: | | | | | | | | | [ ] ]. Invers dari matriks B dicari dengan menggunakan | ]. . PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI | | 25 | | | | | | | | . [ ]. [ ] . [ ] Invers matriks juga dapat dicari dengan bantuan matriks identitas I. Langkah yang perlu ditempuh adalah membuat matriks gabungan [ | ] kemudian mereduksi matriks A pada ruas kiri menjadi matriks I dengan menggunakan operasi baris elementer. Operasi baris elementer yang sama juga dilakukan pada matriks identitas, sehingga matriks I pada ruas kanan akan tereduksi menjadi matriks B. Karena adalah matriks maka matriks B ini . Untuk lebih jelasnya disajikan contoh sebagai berikut: Contoh 2.23 Misalkan terdapat matriks [ ]. Invers dari matriks tersebut, diperoleh dengan bantuan matriks identitas I. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 26 Sehingga diperlukan matriks gabungan [ | ], sedemikian sehingga [ | ] [ | ], untuk mendapatkan matriks A direduksi menggunakan operasi baris elementer, sedemikian sehingga menghasilkan matriks identitas. Langkah yang perlu ditempuh adalah membuat elemen selain diagonal utama menjadi nol. [ | ] [ | [ | ] ] | [ ] | | [ ] [ | [ ] Sehingga . [ ] ] PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 27 Invers matriks juga dapat dicari dengan menggunakan partisi. Misalkan terdapat matriks A berukuran matriks , dengan dan inversnya yaitu , yang dipartisi menjadi matriks berordo sebagai berikut: dan [ . [ ] Karena ] maka diperoleh persamaan berikut: [ ][ ] [ ( ) ( ] Sehingga, Misalkan , maka ( ) ( dengan syarat det dan ) ) ( ) . Contoh 2.24: Tentukan invers dari [ ] menggunakan partisi. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI [ Partisi matriks [ ]. ] [ [ ] [ ][ ] ][ [ ] ) [ ( [ [ ], [ ][ ][ ( [ ] ] [ ] [ ], ) ] [ ][ ] ][ ) ( ], ], ( ] [ [ ] ) [ ], ] ( Maka ] [ ]. [ [ [ 28 [ ) ] [ [ ][ ], [ ] ], [ ], ]. 2. Sistem Persamaan Linear Suatu persamaan linear dengan n variabel adalah persamaan dengan bentuk: (2.4) PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI dimana dan b adalah bilangan real, 29 adalah variabel. Dengan demikian, suatu sistem persamaan linear dari n persamaan dalam n variabel adalah (2.5) dengan dan adalah bilangan real. Berikut disajikan contoh dari sistem persamaan linear dalam variabel : Contoh 2.25 Untuk menyelesaikan sistem persamaan linear, ada beberapa cara yang bisa dipilih, misalnya dengan metode substitusi, eliminasi, dan campuran keduanya. Namun, untuk sistem persamaan linear dengan banyak variabel, cara tersebut dirasa tidak mudah dan cukup menyita banyak waktu. Oleh karena itu diperlukan cara lain untuk menyelesaikannya, yaitu dengan mengubah sistem persamaan tersebut menjadi bentuk matriks, yaitu: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 30 (2.6) [ ] [ ] atau jika diubah menjadi bentuk perkalian matriks [ [ ] ] (2.7) [ Misalkan adalah [ koefisien, ] [ matriks ] ] adalah matriks untuk variabel, dan adalah [ ] matriks untuk konstanta, matriks-matriks tersebut dapat dinyatakan sebagai (2.8) Untuk mendapatkan penyelesaian dari sistem persamaan tersebut, dapat digunakan beberapa cara, antara lain: a. Dengan menggunakan eliminasi Gauss-Jordan Untuk menyelesaikan suatu sistem persamaan linear menggunakan metode ini, persamaan linear terlebih dahulu diubah menjadi bentuk matriks yang diperbesar yaitu PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI | | [ | ] [ 31 (2.9) ] Kemudian dilakukan operasi baris elementer pada matriks tersebut untuk mendapatkan matriks identitas pada matriks sebelah kiri dan penyelesaian pada matriks sebelah kanan. Contoh 2.26 Tentukan penyelesaian sistem persamaan linear: Sitem persamaan tersebut jika dituliskan dalam bentuk matriks yang diperbesar menjadi: [ | ]. Kemudian dilakukan operasi baris elementer sebagai berikut: [ | [ [ ] | | [ [ ] [ | ] | ] | ] [ [ ] | | ] ] PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI [ | [ ] | [ ] | [ 32 ] | ] Maka nilai dari masing-masing variabel adalah . b. Dengan menggunakan invers matriks Suatu sistem persamaan linear dapat dinyatakan dalam bentuk (2.10) Untuk mencari penyelesaiannya, dapat digunakan bantuan invers matriks, yaitu (2.11) Invers dari matriks A diperoleh dengan menggunakan metode partisi. Untuk lebih jelasnya berikut disajikan contoh. Contoh 2.27 Tentukan penyelesaian sistem persamaan linear berikut: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 33 Bentuk perkalian matriks untuk sistem persamaan linear tersebut [ adalah ][ ] [ ], dan [ [ ]. [ Dengan ], ]. maka dicari dengan menggunakan metode partisi. [ Partisi matriks [ ]. ] [ [ ] [ ][ ] ][ [ [ ], [ ) ], [ ] [ ][ [ ] ] [ ], [ ], ( ][ ][ ( ) ] ( [ ) ( ] ], ] ( [ ] [ ]. [ [ [ [ ] ], [ ) ) [ ][ ][ ] [ ] ], [ ] ] PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI Maka [ ] [ ]. [ [ 34 ] [ ] ] B. Istilah-istilah pada Rangkaian Listrik Salah satu konsep dasar dalam analisis rangkaian listrik adalah konsep muatan. Dalam ilmu fisika, muatan terdiri dari dua macam, yaitu muatan positif (proton) dan muatan negatif (elektron). Muatan yang tidak berubah terhadap waktu dipresentasikan oleh Q, sedangkan muatan yang berubah terhadap waktu dipresentasikan dengan q. Namun arus sendiri didefinisikan sebagai berikut: Definisi 2.15. Arus (Sears & Zemansky, 1963: 502) Arus (dinotasikan dengan I) adalah jumlah pemindahan rata-rata dari muatan positif yang melewati suatu penampang penghantar atau dapat dikatakan bahwa arus adalah jumlah muatan positif yang melewati penghantar per satuan waktu. ■ Secara matematis arus dirumuskan dengan: (2.9) Dimana dq adalah muatan listrik yang bergerak dalam satuan Couloumb dan dt adalah waktu yang dibutuhkan muatan tersebut untuk bergerak dalam satuan detik. Satuan dari arus adalah Ampere (A). PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI (a) 35 (b) Gambar 2.1. Salah satu cara mempresentasikan arus Gambar 2.1 menunjukkan dua buah arus yang besarnya sama yaitu 2 A, namun arahnya berlawanan, sehingga tandanya pun berlawanan. Arus listrik mengalir pada rangkaian tertutup. Adanya arus listrik yang mengalir pada suatu rangkaian listrik disebabkan oleh adanya perbedaan potensial di antara dua buah titik dalam rangkaian tersebut. Arah aliran berasal dari titik yang mempunyai beda potensial tinggi ke beda potensial rendah. Beda potensial juga disebut dengan tegangan. Definisi beda potensial atau tegangan disajikan sebagai berikut: Definisi 2.16. Tegangan (Hayt & Kemmerly, 1990: 12) Tegangan yang melewati suatu elemen listrik didefinisikan sebagai kerja yang diperlukan untuk menggerakkan muatan positif sebesar 1 Couloumb dari satu titik ujung ke titik ujung yang lain dari elemen tersebut. ■ Satuan dari tegangan adalah Volt (V). Misakan terdapat suatu sumber tegangan yang digambarkan sebagai berikut: Gambar 2.2. Sumber tegangan PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 36 Misalkan diketahui besarnya tegangan pada gambar tersebut adalah 5 Volt. Sehingga dapat dinyatakan bahwa tegangan atau beda potensial antara titik A dengan titik B sebesar 5V. Dapat juga dikatakan titik A mempunyai tegangan 5 V lebih tinggi daripada titik B. Dengan demikian atau dapat juga dinyatakan Seperti yang sudah disebutkan, arus listrik dapat mengalir pada rangkaian tertutup. Rangkaian tertutup merupakan rangkaian listrik yang tidak mempunyai ujung dan pangkal. Rangkaian listrik disusun oleh beberapa alat listrik. Dalam pembahasan ini digunakan istilah elemen rangkaian pada alat listrik. Berikut definisi dari elemen rangkaian listrik: Definisi 2.17. Elemen Rangkaian (Hayt dkk, 2005:17) Sebuah elemen rangkaian adalah model matematika dari sebuah alat listrik yang mempunyai dua terminal (titik ujung), yang dapat dinyatakan oleh hubungan antara tegangan dan arusnya seta tidak dapat dibagi lagi menjadi alat lain yang mempunyai dua titik ujung. ■ Dengan kata lain, sebuah elemen rangkaian hanya mewakili satu alat listrik. Elemen listrik terbagi atas elemen aktif dan elemen pasif. Elemen aktif adalah elemen yang mampu menghasilkan energi dan menyalurkannya ke jaringan. Menurut Chi Kong Tse (2002: 4), elemen aktif dibagi menjadi dua yaitu sumber tegangan dan sumber arus. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 37 1. Sumber Tegangan Sumber tegangan dibagi menjadi dua, yaitu sumber tegangan bebas dan sumber tegangan tak bebas. Sumber tegangan bebas merupakan sumber tegangan yang menghasilkan tegangan secara konstan, tidak dipengaruhi kuat arus yang dihasilkan. Sedangkan sumber tegangan tak bebas menghasilkan tegangan yang dipengaruhi oleh kuat arus yang dihasilkan. Berikut adalah simbol tegangan bebas dan tak bebas: (a) (b) Gambar 2.3 Sumber tegangan bebas (a) dan sumber tegangan tak bebas (b) 2. Sumber Arus Sumber arus juga dibagi menjadi dua, yaitu sumber arus bebas dan sumber arus tak bebas. Pada sumber arus bebas, arus yang dihasilkan tidak tergantung pada tegangan. Sedangkan pada sumber arus tak bebas, arus yang dihasilkan dipengaruhi oleh tegangan pada komponen lain. Berikut adalah simbol arus bebas dan sumber arus tak bebas: (a) (b) Gambar 2.4. Sumber arus bebas (a) dan sumber arus tak bebas (b) PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI Elemen pasif merupakan elemen-elemen yang menyerap 38 atau menyimpan energi dari sumber. Contoh dari elemen pasif adalah resistor, kapasitor, dan induktor. Berikut ini adalah simbol dari resistor, kapasitor, dan induktor tersebut: (a) (b) (c) Gambar 2.5. Resistor (a), kapasitor (b), dan induktor (c) Susunan dari elemen-elemen rangkaian menghasilkan jaringan maupun rangkaian. Jaringan dan rangkaian didefinisikan sebagai berikut: Definisi 2.18. Jaringan dan Rangkaian Listrik (Hayt dkk, 2005: 20) Jaringan adalah sambungan antara dua atau lebih elemen rangkaian. Sedangkan rangkaian listrik adalah jaringan mengandung sedikitnya satu buah lintasan tertutup. ■ Elemen rangkaian dapat disusun menjadi rangkaian seri, paralel, dan campuran seri paralel. Jika elemen listrik disusun menjadi suatu rangkaian listrik yang hanya memiliki satu jalan bagi arus maka rangkaian yang dihasilkan adalah rangkaian seri. Sedangkan jika terdapat beberapa jalan bagi arus, maka rangkaian yang terbentuk adalah rangkaian paralel. Contoh rangkaian seri dan paralel dari sumber tegangan dan resistor disajikan pada contoh 2.28 berikut: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 39 Contoh 2.28 Gambar 2.6. Rangkaian seri Pada gambar 2.6 disajikan sebuah rangkaian seri dengan tiga buah resistor R1, R2, dan R3 disusun secara berdampingan. Arus yang mengalir dari sumber tegangan hanya memiliki satu jalur dan besarnya arus yang melalui masing-masing resistor sama. Contoh rangkaian paralel ditujukkan pada gambar berikut: Gambar 2.7. Rangkaian paralel Pada gambar 2.7 terdapat rangkaian yang terdiri dari sebuah sumber tegangan dan tiga buah resistor. Rangkaian ini memungkinkan adanya tiga buah jalan arus, yakni jalan arus yang melalui R1, R2, dan R3. Dengan demikian, arus yang mengalir dari sumber tegangan tersebut terbagi menjadi tiga. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 40 C. Simpul, Lintasan, Loop, Cabang, Jaring, dan Rangkaian Planar pada Rangkaian Listrik Elemen-elemen pada rangkaian listrik membentuk suatu hubungan. Selanjutnya akan dibahas beberapa istilah mengenai hubungan antar elemen rangkaian di dalam jaringan sederhana yang terdiri dari dari dua atau lebih elemen rangkaian. Antara lain node, lintasan, loop, cabang, jaring dan rangkaian planar. Berikut disajikan definisi dari istilah-istilah tersebut menurut Hayt dkk (2005). Jika terdapat dua atau lebih elemen rangkaian yang terhubung, maka titik tempat terhubungnya elemen-elemen rangkaian tersebut dinamakan simpul atau node. Berikut contoh simpul dalam suatu rangkaian: Contoh 2.29 Gambar 2.8. Rangkaian listrik dengan dua sumber tegangan dan tiga resistor Pada rangkaian tersebut, banyaknya simpul adalah 4 yaitu a, b, c, dan d. Dalam hal ini simpul d=e=f, karena merupakan titik pertemuan dari . Jika dimulai pergerakan dari sebuah simpul melalui sebuah elemen menuju pada simpul ujung yang lain kemudian melewati elemen rangkaian yang lain menuju simpul berikutnya, dan seterusnya serta tidak ada simpul PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 41 yang dilewati lebih dari datu kali maka kumpulan simpul dan elemen yang dilalui didefinisikan sebagai lintasan. Sebagai contoh, pada gambar 2.8, jika bergerak dari simpul a menuju simpul c, maka akan terbentuk sebuah lintasan yaitu . Lintasan tunggal di dalam sebuah jaringan yang terbentuk dari sebuah elemen sederhana dan simpul pada masing-masing ujung elemen tersebut disebut cabang. Sedangkan loop didefinisikan sebagai suatu lintasan tertutup dimana simpul awal pergerakan sama dengan simpul akhir pergerakan. Sebuah loop yang tidak mengandung loop lain di dalamya disebut sebagai jaring. Contoh 2.30. Lintasan, loop dan jaring: Misal terdapat rangkaian listrik sederhana yang digambarkan sebagai berikut: Gambar 2.9. Rangkaian listrik dengan simpul Jika terdapat pergerakan yang dimulai dari simpul a menuju simpul c, maka akan terbentuk sebuah lintasan yaitu tersebut mempunyai 5 cabang, . Rangkaian listrik yaitu . Loop yang terbentuk pada rangkaian listrik tersebut antara lain dan . Sedangkan jaring yang terbenrtuk dari PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI rangkaian listrik tersebut adalah 42 dan . Selain itu, terdapat pula istilah rangkaian planar. Berikut disajikan definisi dari rangkaian planar beserta contohnya: Definisi 2.19. Rangkaian Planar (Chi Kong Tse, 2002: 39) Rangkaian planar adalah rangkaian yang tidak mengandung cabang yang melewati sebelah atas atau bawah cabang-cabang lain manapun. ■ Dengan kata lain, tidak ada elemen rangkaian yang saling tumpang tindih. Berikut disajikan contoh dari rangkaian planar dan non planar: Contoh 2.31 (a) (b) Gambar 2.10. Rangkaian planar (a) dan rangkaian non planar (b) D. Hukum-hukum pada Rangkaian Listrik 1. Hukum Ohm Hukum Ohm dikemukakan oleh fisikawan Jerman bernama George Simon Ohm. Hukum Ohm merupakan suatu gagasan mengenai usaha untuk PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 43 mengukur arus dan tegangan serta menerangkan dan menghubungkannya secara matematis. Berikut bunyi Hukum Ohm: Definisi 2.20. Hukum Ohm (Hayt & Kemmerly, 1990: 21) Hukum Ohm mengatakan bahwa tegangan yang melintasi berbagai jenis bahan pengantar adalah berbanding lurus kepada arus yang mengalir ■ melalui bahan tersebut. Atau secara matematis, Hukum Ohm dinyatakan sebagai berikut: (2.10) Dimana adalah tegangan, terdapat pada penghantar, dan penghantar tersebut. Karena adalah resistansi atau hambatan yang adalah arus yang mengalir melalui maka , dalam hal ini dilambangkan dengan . G merupakan konduktansi atau kebalikan dari R. 2. Hukum Kirchhoff Dalam suatu rangkaian listrik, tegangan dan arus yang mengalir dapat dihitung dengan hukum Kirchhoff. Berikut isi dari hukum tersebut: Definisi 2.21. Hukum Arus Kirchhoff (Hayt & Kemmerly, 1990: 23) Hukum pertama Kirchhoff disebut Hukum Arus Kirchhoff (Kirchhoff’s Current Law atau disingkat KCL) yang mengatakan bahwa jumlah aljabar semua arus yang memasuki simpul atau titik cabang pada suatu rangkaian listrik adalah nol. Secara matematis, Hukum Arus Kirchhoff ditulis: ■ PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI ∑ ∑ 44 ∑ Arus yang menuju simpul dinyatakan positif dan arus yang meninggalkan simpul dinyatakan negatif (Zukhri, 2007:8). Gambar 2.11. Penerapan Hukum Arus Kirchhoff pada simpul sederhana Berdasarkan Hukum Arus Kirchhoff rangkaian pada gambar 2.11 dinyatakan sebagai: atau (2.12) Definisi 2.22. Hukum Tegangan Kirchhoff (Hayt & Kemmerly, 1990: 24) Hukum kedua Kirchhoff disebut Hukum Tegangan Kirchhoff (Kirchhoff’s Voltage Law atau disingkat KVL) yang mengatakan bahwa jumlah aljabar seluruh tegangan mengelilingi sebuah jalan tertutup dalam sebuah rangkaian adalah nol. ■ Secara matematis, Hukum Tegangan Kirchhoff ditulis: ∑ Untuk memperjelas Hukum Tegangan Kirchhoff, disajikan gambar sebagai berikut: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 45 Gambar 2.12. Rangkaian tiga sumber tegangan Misalkan pergerakan tegangan dimulai dari titik a menuju titik b, lalu dari b ke c dan kembali menuju titik a atau searah perputaran jarum jam. Tegangan pada bertanda positif (+), tegangan pada negatif (-) dan tegangan pada bertanda juga negatif (-). Sehingga diperoleh persamaan: (2.14) Untuk memperjelas pernyataan di atas, disajikan contoh dari Hukum Tegangan Kirchhoff pada suatu rangkaian sederhana. Contoh 2.31 Misalkan terdapat rangkaian sederhana seperti pada gambar 2.13: Gambar 2.13. Rangkaian dua sumber tegangan dan sebuah resistor Jika diketahui besarnya , maka tegangan yang mengalir melalui R dapat diketahui menggunakan Hukum Tegangan Kirchhoff. Diperoleh persamaan: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 46 , dengan mensubstitusi nilai dari masing-masing sumber tegangan didapat . Sehingga nilai dari diketahui, yaitu 12V. E. Kerangka Pikir Pada suatu rangkaian listrik, yang terdiri dari sebuah sumber tegangan dan resistor yang disusun secara seri atau paralel sederhana, arus dan tegangan yang melewati masing-masing elemen dapat dicari menggunakan Hukum Ohm dan menggunakan resistor-resistor pengganti. Sedangkan untuk rangkaian yang tersusun dari beberapa sumber tegangan dan resistor yang disusun secara seri, namun resistor-resistornya tidak dapat direduksi menggunakan resistor pengganti digunakan analisis loop. Untuk rangkaian listrik yang tidak mengandung sumber arus digunakan analisis jaring (mesh analysis), rangkaian disusun atas loop-loop yang paling kecil atau jaring. Kemudian arus-arus ini disimbolkan dengan dan diasumsikan arus yang mengalir pada masing-masing jaring saling independen. Pada masing-masing jaring diaplikasikan Hukum Tegangan Kirchhoff sehingga diperoleh persamaan-persamaan tegangan dalam V. Untuk mencari arus yang mengalir, digunakan Hukum Ohm untuk tegangantegangan pada resistor, sehingga nantinya akan didapat persamaan-persamaan dalam I. Jika dalam rangkaian terdapat n buah jaring, maka akan diperoleh n buah persamaan juga. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 47 Analisis simpul (nodal analysis) digunakan untuk mencari tegangan yang mengalir pada elemen rangkaian untuk rangkaian yang tidak mengandung sumber tegangan. Rangkaian disederhanakan sehingga tampak simpul-simpul yang menghubungkan elemen rangkaian. Kemudian salah satu simpul dipilih sebagai simpul referensi. Pada simpul-simpul yang lain, tegangan simpul yang relatif terhadap simpul referensi dilambangkan dengan . Setelah itu, aplikasikan Hukum Arus Kirchhoff pada masingmasing simpul sehingga diperoleh persamaan-persamaan dalam I. Setelah itu, aplikasikan Hukum Ohm pada arus-arus resistor sehingga akan terbentuk persamaan-persamaan dalam V pada masing-masing simpul. Jika dalam rangkaian terdapat n buah simpul, setelah dipilih satu simpul referensi, akan tersisa (n-1) simpul, yang nantinya akan menghasilkan (n-1) persamaan pula. Persamaan-persamaan tersebut kemudian dinyatakan dalam bentuk matriks. Lalu dicari penyelesaiannya menggunakan metode eliminasi GaussJordan dan invers matriks. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI BAB III Aplikasi Matriks pada Penyelesaian Rangkaian Listrik Permasalahan yang sering dihadapi pada suatu rangkaian listrik adalah bagaimana menentukan tegangan atau arus yang mengalir pada tiap-tiap elemen rangkaian dengan nilai dari sumber-sumbernya diketahui. Rangkaian listrik, yang terdiri dari satu sumber tegangan dan beberapa resistor, yang disusun secara seri atau paralel sederhana besarnya arus dan tegangan yang melewati masing-masing elemen dapat dicari menggunakan Hukum Ohm dan dengan menggunakan resistor-resistor pengganti. Untuk rangkaian yang tersusun dari beberapa sumber tegangan dan resistor yang disusun secara seri, namun resistor-resistornya tidak dapat direduksi menggunakan resistor pengganti digunakan analisis loop. Aplikasi Hukum Tegangan Kirchhoff pada loop akan menghasilkan persamaan tegangan dalam V. Untuk memperoleh arus yang mengalir pada resistor, digunakan Hukum Ohm yaitu . Sehingga nantinya akan didapat persamaan dalam I. Pada rangkaian yang terdiri dari dua atau lebih loop besarnya arus atau tegangan dicari menggunakan bantuan Hukum Kirchhoff. Untuk rangkaian yang tidak mengandung sumber arus digunakan analisis jaring, sedangkan untuk rangkaian yang tidak mengandung sumber tegangan digunakan analisis simpul. Berikut akan dibahas beberapa langkah dalam menganalisis suatu rangkaian listrik: 48 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 49 A. Analisis Loop Tunggal pada Rangkaian Seri yang Tidak Mengandung Sumber Arus Misalkan terdapat n buah sumber tegangan dan n buah resistor yang dirangkai dalam sebuah rangkaian seri sebagai berikut: Gambar 3.1. Rangkaian seri dengan n elemen Pada rangkaian tersebut resistor tidak dapat direduksi langsung menjadi sebuah resistor pengganti, sehingga arus dan tegangan yang mengalir tidak dapat langsung dicari menggunakan Hukum Ohm saja. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk mencari besarnya arus dan tegangan yang mengalir adalah menggunakan analisis loop. Rangkaian tersebut hanya memiliki satu buah jalan arus. Hal ini berarti rangkaian tersebut hanya terdiri dari satu buah loop saja. Arah loop ini diasumsikan searah dengan perputaran jarum jam. Sedangkan arah arus sendiri diasumsikan sama dangan arah loop. Misalkan dimulai suatu pergerakan dari suatu simpul menuju simpul yang lain. Jika dalam pergerakan loop menemui terminal negatif dari suatu sumber tegangan ( ) maka sumber tegangan tersebut bertanda negatif ( ) sedangkan jika bertemu dengan terminal positif dari sumber tegangan, maka PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI sumber tegangan tersebut bertanda positif pula ( 50 ). Loop yang bertemu dengan resistor, selalu diasumsikan bertemu dengan terminal positif dari resistor tersebut, sehingga tegangan dari resistor ( ) akan selalu bernilai positif. Aplikasikan Hukum Arus Kirchhoff pada loop tersebut, maka akan didapat persamaan-persamaan dalam V. Setelah itu, Hukum Ohm digunakan pada elemen-elemen resistif sehingga akan didapatkan persamaan-persamaan dalam I. Perhatikan gambar berikut: Gambar 3.2. Rangkaian yang dilengkapi dengan referensi arus dan tegangan Misalkan, pergerakan loop dimulai dari simpul 1, loop bergerak menemui elemen negatif dari negatif ( tegangan pada , sehingga tegangan pada bertanda ). Kemudian loop menuju elemen positif pada , sehingga bertanda positif ( , maka tegangan pada , sehingga tegangan pada ). Loop menuju elemen positif dari bernilai positif. Loop menuju elemen positif bernilai positif juga ( ). Begitu seterusnya sampai elemen ke-n. Misalkan pada elemen ke-n loop bertemu dengan terminal positif dari sumber tegangan. Kemudian loop bergerak kembali PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 51 menuju simpul a, sehingga akan diperoleh sebuah persamaan tegangan sebagai berikut: (3.1) Untuk mencari besarnya arus yang mengalir digunakan Hukum Ohm untuk resistor, dimana Sehingga persamaan (3.1) akan menjadi: (3.2) Adanya Hukum Arus Kirchhoff menjamin bahwa arus yang mengalir besarnya sama, karena arus masuk melalui satu simpul dan keluar melalui satu simpul juga. Oleh karena besarnya arus yang mengalir pada masing-masing elemen sama, maka maka persamaan tersebut dapat disederhanakan menjadi: ( ) ( ) ( ) ( ) (3.3) Atau ( ) ( ) ( ) Secara umum, persamaan tersebut dapat dituliskan sebagai: ∑ ∑ Dimana I adalah arus yang mengalir pada rangkaian, ∑ adalah jumlah seluruh sumber tegangan dengan memperhatikan tanda referensi, jika loop bertemu dengan teminal negatif sumber tegangan, maka untuk persamaan PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 52 ini sumber tegangan tersebut diberi tanda positif, begitu juga sebaliknya, dan ∑ adalah jumlah seluruh resistansi resistor yang terdapat pada rangkaian. Arus inilah yang mengalir pada masing-masing resistor. Jika arus yang dihasilkan bernilai positif, maka arah arus yang sebenarnya searah dengan arah loop, sebaliknya jika arus yang dihasilkan bernilai negatif, maka arah arus yang sebenarnya berlawanan dengan arah loop. Arus negatif akan mengakibatkan tegangan pada resistor bernilai negatif juga. Jika tegangan pada resistor benilai negatif, maka hal ini berarti arah tegangan yang sebenarnya berlawanan dengan arah loop. Untuk lebih jelasnya disajikan gambar berikut: Gambar 3.3. Sebuah sumber tegangan dan arah arusnya Pada gambar tersebut tegangan pada simpul a lebih tinggi dari tegangan pada simpul b, maka besarnya tegangan dari simpul a ke simpul b bernilai positif. Hal ini mengakibatkan arus yang mengalir dari simpul a ke b bernilai positif juga. Sebaliknya tegangan dari simpul b ke simpul a akan bernilai negatif karena tegangan pada simpul b lebih rendah daripada simpul a yang mengakibatkan arah arus berlawanan dengan arah arus yang sebenarnya, sehingga arus akan bernilai negatif. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 53 Untuk lebih jelasnya, berikut disajikan contoh yang berkaitan dengan analisis loop: Contoh 3.1 Misalkan terdapat rangkaian dua sumber tegangan serta dua resistor dan dan seperti gambar 3.3 berikut: Gambar 3.4. Loop rangkaian listrik dengan dua sumber tegangan dan resistor Besarnya arus yang mengalir pada rangkaian dan tegangan pada resistor dapat dicari menggunakan analisis loop. Misalkan loop bergerak dari titik a, loop akan bertemu dengan terminal negatif dari bertanda negatif ( sehingga tegangan pada terminal positif dari ). Loop menuju terminal positif pada bertanda positif ( , ). Kemudian loop menuju bertanda positif ( , maka tegangan pada Terakhir, loop menuju terminal positif bertanda positif ( , sehingga tegangan pada ). , sehingga tegangan pada ). Sehingga Hukum Tegangan Kirchhoff yang terdapat pada rangkaian tersebut adalah: . Aplikasikan Hukum Ohm untuk tegangan elemen resistif, diperoleh: , karena dalam rangkaian seri besarnya arus yang mengalir pada rangkaian tertutup adalah sama, maka . PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI atau ∑ Jika digunakan rumus ∑ 54 . , maka . Arus tersebut bertanda negatif, artinya arah arus yang sebenarnya berlawanan dengan arah loop. Besarnya arus sudah diketahui, maka tegangan pada resistor dapat diketahui, yaitu tegangan pada atau dan pada resistor atau . Ini berarti tegangan yang mengalir pada resistor berlawanan arah dengan arah loop. B. Analisis Jaring (Mesh Analysis) pada Rangkaian yang Tidak Mengandung Sumber Arus Analisis jaring merupakan perluasan dari analisis loop, dimana rangkaian yang dianalisis terdiri lebih dari satu loop. Analisis jaring ini berlaku pada rangkaian listrik yang tidak mengandung sumber arus atau dalam hal ini rangkaian yang tersusun atas sumber tegangan dan resistor saja. Rangkaian yang dianalisis biasanya merupakan rangkaian paralel dengan lebih dari satu sumber tegangan dan resistor, dimana resistor-resistor ini sulit direduksi menggunakan resistor pengganti. Contoh rangkaian yang dianalisis menggunakan metode analisis jaring disajikan sebagai berikut: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 55 Gambar 3.5. Rangkaian yang terdiri dari 2 sumber tegangan dan resistor Untuk menganalisis rangkaian menggunakan analisis jaring, rangkaian disusun atas jaring atau loop-loop paling sederhana (dimana loop tidak mengandung loop lain di dalamnya). Arus-arus pada rangkaian diasumsikan mengalir mengelilingi jaring (searah dengan jaring yang sudah ditentukan). Jaring-jaring yang terbentuk ini disimbolkan dengan Arus-arus yang mengalir mengelilingi jaring diasumsikan saling independen. Independen di sini maksudnya arus pertama tidak mempengaruhi arus kedua, arus kedua tidak mempengaruhi arus pertama dan ketiga, dan seterusnya. Setelah itu, aplikasikan Hukum Tegangan Kirchhoff pada masingmasing jaring. Dengan pengaplikasian Hukum Tegangan Kirchhoff akan diperoleh persamaan-persamaan tegangan dalam V. Untuk mencari besarnya arus yang mengalir pada jaring, digunakan Hukum Ohm untuk tegangantegangan pada resistor, sehingga akan didapatkan persamaan-persamaan linear dalam I. Jika terdapat elemen rangkaian yang dilalui oleh dua jaring, misalkan , maka arus yang mengalir melalui elemen tersebut adalah sama dengan jumlah arus-arus yang melaluinya. Namun perlu diperhatikan pula PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 56 arah jaring yang melalui elemen rangkaian tersebut. Misalkan resistor R dilalui oleh dua buah jaring yang berlawanan arah, maka arus yang melalui resistor tersebut adalah atau tergantung dari jaring yang sedang ditinjau. Sebagai contohnya disajikan gambar berikut: Gambar 3.6. Rangkaian dengan dua jaring Pada rangkaian tersebut dilalui oleh dua buah jaring saling berlawanan arah. Jika ditinjau dari resistor tersebut adalah yang maka arus yang mengalir melalui , sedangkan jika ditinjau dari arus yang mengalir melalui resistor tersebut adalah Jika terdapat n buah jaring pada rangkaian, maka akan diperoleh n buah persamaan linear pula dalam n variabel. Persamaan linear untuk jaring pertama: (3.6) Jaring kedua: (3.7) Dan seterusnya, hingga didapat persamaan untuk jaring ke-n: (3.8) Jika persamaan-persamaan jaring tersebut dinyatakan dalam bentuk matriks, maka akan terlihat bentuk seperti berikut: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI [ ] [ ] 57 (3.9) Atau jika dibentuk perkalian dua buah matriks adalah sebagai berikut: [ ][ ] [ ] (3.10) adalah koefisien dari arus dan dinyatakan dengan matriks R. Koefisien ini merupakan besarnya resistansi dari resistor-resistor pada rangkaian. Sedangkan adalah arus yang mengalir pada jaring, dinyatakan dengan matriks kolom I, dan , adalah sumber- sumber tegangan yang mengalir pada rangkaian, dinyatakan dengan matriks kolom Vs. Matriks resistansi R merupakan matriks simetris yang tersusun atas resistansi-resistansi dari resistor. Secara langsung, matriks R dapat disusun sebagai berikut: Jaring 1 Jaring 2 Jaring ke-n Jaring 1 Jaring 2 Jaring ke-n Entri-entri pada diagonal utama matriks ini merupakan jumlahan dari resistansi-resistansi resistor yang mengelilingi jaring. Misalkan, untuk merupakan jumlahan dari nilai resistansi yang mengelilingi jaring 1, merupakan jumlahan dari nilai resistansi yang mengelilingi jaring 2, dan seterusnya sampai jaring ke-n. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI Entri-entri selain diagonal utama atau 58 merupakan nilai-nilai negatif dari resistansi yang terletak pada jaring ke-i dan ke-j. Misalkan, untuk merupakan nilai negatif dari resistansi yang dilalui oleh jaring 1 dan jaring 2. merupakan nilai negatif dari resistansi yang dilalui oleh jaring 1 dan jaring 3, dan seterusnya. Untuk entri pada matriks sumber Vs dikonstruksikan sedemikian sehingga untuk entri ke-j adalah jumlah sumber tegangan yang mengelilingi jaring ke-j. Tegangan diberi tanda positif jika arah jaring menuju terminal negatif sumber tegangan, begitu pula sebaliknya. Jika koefisien dari arus dinyatakan dengan matriks R, variabel tegangan dinyatakan dengan matriks kolom I, dan sumber-sumber arus dengan matriks kolom Vs, maka bentuk perkalian matriks tersebut dapat dinyatakan dengan: RI= Vs (3.11) Untuk mendapatkan penyelesaian dari persamaan tersebut, yaitu nilainilai dari I dapat digunakan beberapa cara, antara lain dengan menggunakan invers matriks R. Karena R merupakan suatu matriks, maka nilai-nilai dari I dapat diketahui dengan I=R-1 Vs (3.12) Nilai dari R-1 dapat dicari dengan menggunakan partisi matriks. Selain itu, karena RI= Vs merupakan suatu sistem n persamaan linear dengan n variabel, maka nilai I dapat ditentukan dengan menggunakan matriks-matriks yang diperbesar. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 59 Jika arus yang dihasilkan positif, maka arah arus sama dengan arah jaring. Begitu sebaliknya, jika arus yang dihasilkan negatif maka arah arus yang sebenarnya berlawanan dengan arah jaring. Setelah arus-arus pada jaring diketahui, maka arus yang mengalir melalui masing-masing resistor dapat diketahui. Misalkan pada suatu resistor dikelilingi dua arus jaring, maka arus yang mengalir pada resistor tersebut merupakan jumlah dari dua arus jaring tersebut dengan memperhatikan arah jaring yang melaluinya. Misalkan resistor R dilalui dua buah arus jaring yang aranya berlawanan, maka arus pada resistor tersebut adalah (3.13) Jika arus pada masing-masing resistor diketahui, maka besarnya tegangan pada resistor tersebut dapat diketahui menggunakan Hukum Ohm, sehingga tegangan pada resistor yang dilalui oleh dua jaring i dan j adalah ( ) (3.14) Untuk lebih jelasnya, disajikan contoh 3.2 berikut: Contoh 3.2 Misalkan terdapat rangkaian listrik seperti ditunjukkan pada gambar 3.7 berikut. Tentukan arus dan tegangan yang mengalir pada masing-masing resistor, jika diketahui . PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 60 Gambar 3.7. Rangkaian yang tersusun atas 2 sumber tegangan dan 9 resistor Arus dan tegangan yang mengalir dalam rangkaian dapat dicari dengan menggunakan analisis jaring. Pada rangkaian tersebut terdapat 5 buah jaring. Jika diperjelas, rangkaian tersebut akan tampak seperti pada gambar 3.8 berikut: Gambar 3.8. Rangkaian yang sudah dilengkapi dengan arah jaring Andaikan arah arus sama dengan arah jaring, beri simbol pada masing-masing jaring. Secara langsung, entri-entri pada matriks resistansi dapat ditentukan sebagai berikut: , , , , PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 61 , (resistor yang dilalui jaring 1 dan 2 yaitu ), (tidak ada resistor yang dilalui jaring 1 dan 3), (resistor yang dilalui jaring 1dan 4 yaitu ), (tidak ada resistor yang dilalui oleh jaring 1dan 5), (resistor yang dilalui oleh jaring 2 dan 3, yaitu ), (resistor yang dilalui oleh jaring 2 dan 4, yaitu ), (tidak ada resistor yang dilalui oleh jaring 2 dan 5), (tidak ada resistor yang dilalui oleh jaring 3 dan 4), (resistor yang dilalui oleh jaring 3 dan 5, yaitu ), (resistor yang dilalui oleh jaring 4 dan 5, yaitu ), Sehingga, matriks resistansi, matriks arus jaring, dan matriks sumber tegangan dapat dinyatakan dengan: 5 -2 0 -1 -2 4 -1 -1 0 -1 6 0 -1 -1 0 3 0 0 -3 -1 0 0 -3 -1 5 = 143 0 0 -43 0 Atau jika dilakukan langkah-langkah melalui Hukum Kirchhoff adalah sebagai berikut: Misalkan arah arus sama dengan arah jaring, maka beri simbol pada masing-masing jaring. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 62 Kemudian aplikasikan Hukum Tegangan Kirchhoff pada masing-masing jaring, maka didapat: Pada jaring ke-1: Pada jaring ke-2: Pada jaring ke-3: Pada jaring ke-4: Pada jaring ke-5: Kemudian aplikasikan Hukum Ohm, dimana , pada arus yang melewati resistor, akan diperoleh persamaan tiap simpul sebagai berikut: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Masukkan nilai-nilai dari sumber tegangan dan resistor pada masing-masing jaring, maka akan diperoleh persamaan-persamaan linear sebagai berikut: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) ) Sederhanakan persamaan-persamaan di atas, menjadi: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 63 Jika persamaan-persamaan tersebut dinyatakan dalam bentuk matriks, maka diperoleh bentuk sebagai berikut: 5 -2 0 -1 -2 4 -1 -1 0 -1 6 0 -1 -1 0 3 0 0 -3 -1 0 0 -3 -1 5 = 143 0 0 -43 0 Bentuk tersebut dapat disimbolkan dengan RI=Vs Untuk mencari nilai-nilai dari I digunakan cara sebagai berikut: 1. Dengan menggunakan matriks yang diperbesar 5 -2 0 -1 0 -2 4 -1 -1 0 0 -1 6 0 -3 1 -2/5 -2 4 0 -1 -1 -1 0 0 1 0 0 0 0 -2/5 16/5 -1 -7/5 0 -1 -1 0 3 -1 0 0 -3 -1 5 0 -1/5 -1 -1 6 0 0 3 -3 -1 0 -1 6 0 -3 -1/5 -7/5 0 14/5 -1 143 0 0 -43 0 H1(1/5) 0 143/5 0 0 -3 0 -1 -43 5 0 0 0 -3 -1 5 143/5 286/5 0 -43/5 0 ~ H21(2) ~ H41(1) H2(5/16) ~ PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 1 -2/5 0 1 0 -1 0 -7/5 0 0 0 -5/16 6 0 -3 -1/5 -7/16 0 14/5 -1 0 143/5 0 143/8 -3 0 -1 -72/5 5 0 1 0 0 0 0 0 -1/8 -3/8 1 -5/16 -7/16 0 91/16 -7/16 0 -7/16 35/16 0 -3 -1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 -1/8 -5/16 1 -7/16 -3 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -5/13 -6/91 252/7 0 -6/13 -15/91 132/7 1 -1/13 -48/91 22/7 0 28/13 -16/13 12 0 -16/13 311/91 66/7 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 143/4 0 136/8 -3 143/8 -1 85/8 5 0 0 0 0 1 0 H3(16/91) ~ H13(1/8) H23(5/16) ~ H43(7/16) H53(3) -3/8 0 143/4 -7/16 0 136/8 -1/13 -48/91 22/7 35/16 -1 85/8 -1 5 0 0 -5/13 -6/91 253/7 0 -6/13 -15/91 132/7 1 -1/13 -48/91 22/7 0 1 -4/7 39/7 0 -16/13 311/91 66/7 0 0 1 0 0 H12(2/5) ~ H32(1) H42(7/5) -2/7 -3/7 -4/7 -4/7 19/7 268/7 150/7 25/7 39/7 114/7 ~ H4(38/12) H14(5/13) H24(6/13) H34(1/13) H54(16/13) ~ H5(7/19) 64 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 -2/7 -3/7 -4/7 -4/7 1 268/7 150/7 25/7 39/7 6 H15(2/7) H25(3/7) H35(4/7) H45(4/7) 0 40 0 24 0 7 0 9 1 6 2. Dengan menggunakan invers dari matriks R R-1 diperoleh dengan menggunakan partisi matriks R, sebagai berikut: 5 -2 0 -1 0 R= ( ) ( -2 4 -1 -1 0 0 -1 6 0 -3 ) -1 -1 0 3 -1 ( 0 0 -3 -1 5 ) ( ) dan [( ) ( [ ) Kofaktor dari matriks ( )] ], ( ) | ( . [( [ [ ], ) adalah: | ( ) ) ( )] ], [ ] 65 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI ( ) | | ( ( ) | | ( ) ( ) | | ( ( ) | | ( ) | | ( ) | ( ) | ( ) | | ( ) ( ) | | ( ( ) | | ( ) | | ( ( ) | | ( ) ) ( ( ) ( | ( | ) ) ) ( ) ) ) ) 66 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI ( ) | | ( ) | | ( ) | | ( ) ( | ) | ) ( ) ( ( )( [ ]. [ ] [ ) ) ) ( )( [ ]) ] (( [ ] ( ( [ )) ]( [ ] ) 67 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI [ ] [ ] [ ] [ [ [ ] [ ] ] ] ( ) ( ) ( [ ] [ ([ ] ][ ([ [ ) ])) [ [ ] ] [ ] ][ ] ] 68 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI [ ] [ ] [ ] ( ) [ ([ ][ ] ] ( [ ][ [ ][ [ ) [ ] ] [ ] ) ][ ] ] [ ] 69 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 187/532 69/266 51/532 127/532 2/19 69/266 66/133 43/266 81/266 3/19 51/532 43/266 159/532 83/532 4/19 127/532 81/266 83/532 311/532 4/19 2/19 3/19 4/19 4/19 7/19 I=R-1VS, maka [ [ ] ] [ [ ] [ ] ] Jadi besarnya Besarnya arus yang mengalir melalui masing-masing resistor adalah . 70 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 71 . Jadi, dapat disimpulkan bahwa arus yang mengalir melalui sebesar 16 A searah dengan jaring pertama, arus yang mengalir melalui sebesar 15 A dan arus yang mengalir melalui arus yang mengalir melalui sebesar 17 A searah dengan jaring kedua, sebesar 1 A dan yang melalui sebesar 7 A searah dengan jaring ketiga. Arus yang mengalir melalui sebesar 31 A searah dengan jaring pertama, arus yang mengalir melalui sebesar 3 A searah dengan jaring keempat, arus yang mengalir melalui sebesar 40 A searah dengan jaring pertama dan terakhir arus yang mengalir melalui sebesar 6 A searah dengan jaring kelima. Tegangan yang mengalir pada masing-masing resistor dapat dicari, yaitu: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ( ) ( ) ) ) PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI C. Analisis Simpul (Nodal Analysis) pada Rangkaian 72 yang Tidak Mengandung Sumber Tegangan Cara lain untuk menganalisis rangkaian listrik adalah dengan menggunakan metode analisis simpul. Analisis simpul digunakan pada rangkaian yang tidak mengandung sumber tegangan. Untuk menganalisis rangkaian mengunakan metode simpul, rangkaian perlu disederhanakan sehingga tampak simpul-simpul yang menghubungkan masing-masing elemen rangkaian. Setelah itu, dipilih salah satu simpul sebagai simpul referensi. Tegangan pada simpul referensi ini diasumsikan sebesar nol. Simpul referensi ini dipilih berdasarkan simpul yang terhubung pada elemen rangkaian yang paling banyak. Hal ini dilakukan untuk menyederhanakan proses pengerjaan. Misalkan, jika pada suatu rangkaian terdapat n buah simpul maka setelah dipilih satu simpul referesi masih akan tersisa ( ) buah simpul lain yang akan dianalisis. Jika simpul referensi sudah ditentukan, maka selanjutnya definisikan tegangan relatif diantara setiap simpul dan simpul referensi. Tegangan pada simpul 1 yang relatif terhadap simpul referensi disimbolkan dengan , tegangan pada simpul 2 yang relatif terhadap simpul referensi disimbolkan dengan , dan seterusnya sampai tegangan pada simpul ke-( relatif terahadap simpul referensi disimbolkan dengan ) yang . Pada masing-masing simpul, selain simpul referensi, diaplikasikan Hukum Arus Kirchhoff. Hukum ini mengatakan bahwa jumlah aljabar semua arus yang memasuki simpul pada suatu rangkaian listrik adalah nol. Arus yang PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 73 masuk ke simpul dinyatakan positif dan arus yang keluar dari simpul dinyatakan negatif. Akibat dari pengaplikasian Hukum Arus Kirchhoff adalah terbentuk persamaan-persamaan dalam I pada masing-masing simpul. Dengan demikian untuk n buah simpul akan terbentuk (n-1) buah persamaan dalam variabel I. Kemudian aplikasikan Hukum Ohm untuk arus-arus yang melewati resistor. Sehingga akan didapat (n-1) buah persamaan-persamaan linear dalam (n-1) variabel V. Persamaan-persamaan linear tersebut disajikan sebagai berikut: Persamaan untuk simpul pertama: (3.15) Persamaan untuk simpul kedua: (3.16) ): Dan seterusnya, hingga didapat persamaan untuk simpul ke-( ( ) ( ) ( )( (3.17) ) Jika persamaan-persamaan tersebut dinyatakan dalam bentuk matriks, maka akan terlihat bentuk seperti berikut: [ ] ( ) ( ) ( )( [ ] (3.18) ) Atau jika dibentuk perkalian matriks menjadi: [ ][ ( ) ( ) ( )( ) ] [ ] (3.19) PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI dengan ( )( ) 74 adalah koefisien dari tiap tegangan. Koefisien ini merupakan besarnya konduktansi dari resistor rangkaian, dimana sehingga G disebut sebagai matriks konduktansi. Untuk , adalah besarnya tegangan dari masing-masing simpul yang belum diketahui. Sedangkan adalah besarnya sumber-sumber arus yang mengalir menuju simpul. Matriks konduktansi G merupakan matriks simetris yang tersusun atas konduktansi-konduktansi dari resistor. Secara langsung, matriks G dapat disusun sebagai berikut: Simpul 1 Simpul 2 Simpul ke-(n-1) Simpul 1 Simpul 2 Simpul ke(n-1) ( ) ( ) ( ( ) ( ) )( ) Entri pada diagonal utama matriks ini merupakan jumlahan dari konduktansi-konduktansi resistor yang mengelilingi simpul. Misalkan, untuk merupakan jumlahan dari nilai konduktansi yang mengelilingi simpul 1, merupakan jumlahan dari nilai konduktansi yang mengelilingi simpul 2, dan seterusnya sampai simpul ke-(n-1). Entri selain diagonal utama merupakan nilai-nilai negatif dari konduktansi yang terkait. Misalkan, untuk merupakan nilai negatif dari konduktansi yang terletak di antara simpul 1 dan simpul 2. merupakan nilai negatif dari konduktansi yang terletak di antara simpul 1 dan simpul 3, dan seterusnya. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 75 Untuk entri pada matriks sumber Cs dikonstruksikan sedemikian sehingga untuk entri ke-j adalah jumlah arus-arus yang memasuki atau meninggalkan simpul ke-j. Jika matriks koefisien tegangan dinyatakan dengan matriks G, matriks variabel tegangan dinyatakan dengan matriks V, dan sumber-sumber arus dengan matriks Cs, maka perkalian matriks tersebut dapat dinyatakan dengan: GV=Cs (3.20) Untuk mendapatkan penyelesaian dari persamaan tersebut, dapat digunakan beberapa cara. Cara pertama yang dapat dilakukan adalah menggunakan invers dari matriks G. Nilai-nilai dari V dapat diketahui dengan V=G-1Cs (3.21) Nilai dari G-1 sendiri dapat dicari dengan menggunakan metode reduksi baris. Setelah nilai dari masing-masing tegangan simpul diketahui, tegangan pada masing-masing resistor yang terletak di antara dua simpul dapat diketahui dengan (3.22) Setelah tegangan pada masing-masing resistor diketahui, maka besarnya arus yang mengalir pada resistor, atau disebut arus cabang dapat diketahui. Jika terdapat sebuah resistor dengan resistansi R berada di antara simpul i dan j, maka arus cabang di tempat resistor tersebut ditentukan dengan ( ) ( ) PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 76 Untuk lebih jelasnya, disajikan contoh 3.3 berikut: Contoh 3.3 Misalkan terdapat suatu rangkaian listrik seperti pada gambar 3.9. Gambar 3.9. Rangkaian dengan dua sumber arus dan sembilan resistor Dari gambar tersebut, diketahui bahwa terdapat dua sumber arus yaitu selain itu rangkaian tersebut terdiri dari 5 buah resistor yang masing-masing mempunyai resistansi sebesar: . Tentukan tegangan pada masing-masing simpul dan arus yang mengalir pada resistor! Tegangan yang terdapat pada masing-masing simpul dapat dicari dengan menggunakan analisis simpul. Pada rangkaian tersebut terdapat 6 buah simpul. Jika diperjelas, rangkaian tersebut akan tampak seperti pada gambar 3.10 berikut: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 77 Gambar 3.10. Rangkaian beserta tanda simpul dan arusnya Simpul referensi dipilih berdasarkan cabang yang paling banyak yaitu simpul keenam dan disimbolkan dengan . Setelah itu, beri simbol pada simpul yang lain. Secara langsung, entri-entri pada matriks resistansi dapat ditentukan sebagai berikut: . , , , , (resistor di antara simpul 1 dan 2 yaitu ), (resistor di antara simpul 1 dan 3, yaitu ), (tidak ada resistor di antara simpul 1 dan 4), PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 78 (tidak ada resistor di antara 1dan 5), (resistor di antara simpul 2 dan 3, yaitu ), (tidak ada resistor di antara simpul 2 dan 4), (tidak ada resistor di antara simpul 2 dan 5), (resistor di antara simpul 3 dan 4, yaitu ), (resistor di antara simpul 3 dan 5, yaitu (resistor di antara simpul 4 dan 5, yaitu ), ), Sehingga, matriks konduktansi, matriks tegangan simpul, dan matriks sumber arus dapat dinyatakan dengan: [ ] [ [ ] ] Atau jika dilakukan langkah-langkah melalui Hukum Kirchhoff adalah sebagai berikut: Aplikasikan Hukum Arus Kirchhoff pada masing-masing simpul, maka didapat: Pada simpul ke-1: Pada simpul ke-2: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 79 Pada simpul ke-3: Pada simpul ke-4: Pada simpul ke-5: Kemudian aplikasikan Hukum Ohm, dimana , pada arus yang melewati resistor, akan diperoleh persamaan tiap simpul sebagai berikut: Masukkan nilai-nilai dari sumber arus dan resistor pada masing-masing simpul: Sederhanakan persamaan-persamaan di atas, menjadi: PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 80 Jika persamaan-persamaan tersebut dinyatakan dalam bentuk matriks, maka diperoleh bentuk: [ ] [ ] [ ] Jika disimbolkan dengan matriks menjadi GV=Cs Untuk mencari nilai-nilai dari V digunakan beberapa cara, antara lain: 1. Dengan menggunakan matriks yang diperbesar | | | [ ] Lakukan operasi baris elementer untuk mendapatkan penyelesaian dari V. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 2 -1 -1 0 0 1 -1 -1 0 0 1 0 0 0 0 -1 3/2 -1/2 0 0 -1/2 3/2 -1/2 0 0 -1/2 1 -1 0 0 -1 -1/2 3 -1/2 -1/2 -1/2 -1/2 3 -1/2 -1/2 -1/2 -1 5/2 -1/2 -1/2 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 -1 -1 3/2 -1/2 -1/2 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 -1 -1 1 -1/2 -1/2 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -1/2 4/3 -1/3 3 0 0 0 4 0 0 -1/2 4/3 -1/3 0 3/2 0 0 -1/2 0 -1/3 0 5/6 4 0 0 -1/2 4/3 -1/3 0 0 -1/2 -1/3 5/6 0 0 -1/2 4/3 -1/3 3/2 3/2 3/2 0 4 0 9/4 0 3/2 -1/2 3 -1/3 0 5/6 4 0 0 -1/3 4/3 -1/3 -1/3 -1/3 -1/3 7/6 -1/2 0 0 -1/2 -1/3 5/6 0 9/4 0 3/2 -1/3 2 -1/3 0 5/6 4 -1/3 17/4 -1/3 7/2 -1/3 2 -1/2 1 2/3 5 H1(1/2) ~ H21(1) H31(1) ~ H12(1/2) ~ H32(1) H3(2/3) ~ H13(1) H23(1) ~ H43(1/2) H53(1/2) ~ H4(6/7) 81 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 -1/3 -1/3 -1/3 1 -1/2 -1/3 17/4 -1/3 7/2 -1/3 2 -3/7 6/7 2/3 5 H14(1/3) H24(1/3) H34(1/3) ~ H54(1/2) 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 -10/21 127/28 -10/21 53/14 -10/21 16/7 -3/7 6/7 19/42 38/7 H5(42/19) 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 - 10/21 127/28 - 10/21 53/14 - 10/21 16/7 - 3/7 6/7 1 12 H15(10/21) H25(10/21) H35(10/21) H45(7/3) ~ 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 ~ 0 41/4 0 19/2 0 8 0 6 1 12 2. Dengan mengunakan invers matriks G. G-1 diperoleh dengan menggunakan partisi matriks G, sebagai berikut: [ ] ( ) ( ) ( ) ( dan [( ) ( )] ) . [( ) ( )] 82 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI [ ], [ [ [ [ ]( [ ] [ ] [ ]) [ ] [ ] ] ] [ ] ( [ ) ] ( [ ([ [ ] ) ( ] [ ] [ [ [ )) ] [ ], ] (( [ ], ] ] ) [ ] 83 ] PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI [ ] ( ) [ ]) [ [ [ ] ][ ] ] [ [ [ ] ( ] ) [ ([ ] [ ] ( ] ] ) ] ([ ] ) [ [ [ ) [ [ ] ] ] ] 84 PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI [ ][ 153/76 67/38 24/19 14/19 24/19 ] 67/38 43/19 24/19 14/19 20/19 [ 24/19 24/19 24/19 14/19 20/19 85 ] 14/19 14/19 14/19 24/19 18/19 20/19 20/19 20/19 18/19 42/19 V=G-1Cs, maka [ ] [ ] [ ] [ [ ] ] Jadi besarnya arus yang mengalir pada resistor dapat dicari, yaitu: Maka PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI Nilai dari ( 86 ) adalah positif, hal ini berarti tegangan pada simpul 1 lebih besar daripada tegangan pada simpul 2, sehingga arus mengalir dari simpul 1 ke simpul 2. Nilai dari ( ) adalah positif, hal ini berarti tegangan pada simpul 1 lebih besar daripada tegangan pada simpul 3, sehingga arus mengalir dari simpul 1 ke simpul 3. Nilai dari adalah positif, hal ini berarti tegangan pada simpul 2 lebih besar daripada tegangan pada simpul referensi, sehingga arus mengalir dari simpul 2 ke simpul referensi. Nilai dari ( ) adalah positif, hal ini berarti tegangan pada simpul 2 lebih besar daripada tegangan pada simpul 3, sehingga arus mengalir dari simpul 2 ke simpul 3. Nilai dari adalah positif, hal ini berarti tegangan pada simpul 3 lebih besar daripada tegangan pada simpul referensi, sehingga arus mengalir dari simpul 3 ke simpul referensi. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI Nilai dari ( 87 ) adalah negatif, hal ini berarti tegangan pada simpul 4 lebih besar daripada tegangan pada simpul 3, sehingga arus yang sebenarnya mengalir dari simpul 4 ke simpul 3. Nilai dari adalah positif, hal ini berarti tegangan pada simpul 4 lebih besar daripada tegangan pada simpul referensi, sehingga arus mengalir dari simpul 4 ke simpul referensi. Nilai dari ( ) adalah positif, hal ini berarti tegangan pada simpul 5 lebih besar daripada tegangan pada simpul 4, sehingga arus mengalir dari simpul 5 ke simpul 4. Nilai dari ( ) adalah positif, hal ini berarti tegangan pada simpul 5 lebih besar daripada tegangan pada simpul 3, sehingga arus mengalir dari simpul 5 ke simpul 3. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI BAB IV PENUTUP A. Kesimpulan Pada bab III telah dibahas mengenai cara mencari penyelesaian suatu analisis rangkaian listrik menggunakan matriks. Dari pembahasan tersebut diperoleh kesimpulan, antara lain: 1. Pada rangkaian seri yang tersusun atas n buah sumber sumber tegangan dan n buah resistor, arus dicari menggunakan analisis loop. Persamaan untuk arus yang mengalir pada rangkaian yaitu: ∑ (4.1) ∑ Dimana I adalah arus yang mengalir pada rangkaian, ∑ adalah jumlah seluruh sumber tegangan dengan memperhatikan tanda referensi dan ∑ adalah jumlah seluruh resistansi resistor yang terdapat pada rangkaian. Jika arus yang dihasilkan bernilai positif, maka arah arus yang sebenarnya searah dengan arah loop, demikian pula sebaliknya. Analisis jaring digunakan pada rangkaian yang tidak mengandung sumber arus. Persamaan yang terbentuk adalah RI= Vs (4.2) dengan [ ][ ] 88 [ ] (4.3) PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 89 Matriks resistansi R merupakan matriks simetris yang tersusun atas resistansi-resistansi dari resistor. Entri-entri pada diagonal utama matriks ini merupakan jumlahan dari resistansi-resistansi resistor mengelilingi jaring. Entri-entri selain diagonal utama atau yang merupakan nilai-nilai negatif dari resistansi yang terletak pada jaring ke-i dan ke-j. Untuk entri pada matriks sumber Vs dikonstruksikan sedemikian sehingga untuk entri ke-j adalah jumlah sumber tegangan yang mengelilingi jaring ke-j. Misalkan resistor R dilalui dua buah arus jaring yang aranya berlawanan, maka arus pada resistor tersebut adalah (4.4) Jika arus pada masing-masing resistor diketahui, maka besarnya tegangan pada resistor tersebut dapat diketahui menggunakan Hukum Ohm, sehingga tegangan pada resistor yang dilalui oleh dua jaring i dan j adalah ( ) (4.5) Analisis simpul digunakan pada rangkaian yang tidak mengandung sumber tegangan. Persamaan yang terbentuk adalah GV=C s (4.6) Dengan [ ][ ] [ ] (4.7) PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 90 Matriks konduktansi G merupakan matriks simetris yang tersusun atas konduktansi-konduktansi dari resistor. Entri pada diagonal utama matriks ini merupakan jumlahan dari konduktansi-konduktansi resistor yang mengelilingi simpul. Entri selain diagonal utama merupakan nilai-nilai negatif dari konduktansi yang terkait. Untuk entri pada matriks sumber Cs dikonstruksikan sedemikian sehingga untuk entri ke-j adalah jumlah arusarus yang memasuki atau meninggalkan simpul ke-j. Setelah nilai dari masing-masing tegangan simpul diketahui, tegangan pada masing-masing resistor yang terletak di antara dua simpul dapat diketahui dengan (4.8) Setelah tegangan pada masing-masing resistor diketahui, maka besarnya arus yang mengalir pada resistor, atau disebut arus cabang dapat diketahui. Jika terdapat sebuah resistor dengan resistansi R berada di antara simpul i dan j, maka arus cabang di tempat resistor tersebut ditentukan dengan ( ) 2. Untuk mendapatkan nilai-nilai I dari persamaan RI=Vs dan nilai V dari persamaan GV=Cs digunakan invers matriks dan dengan metode GaussJordan. B. Saran Pembahasan aplikasi matriks dalam mencari penyelesaian pada analisis rangkaian listrik sederhana ini masih sangat dangkal. Skripsi ini hanya PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI 91 membahas tentang analisis rangkaian planar dengan menggunakan analisis loop, analisis jaring untuk rangkaian yang tidak mengandung sumber arus, dan analisis simpul untuk rangkaian yang tidak mengandung sumber tegangan. Penulis berharap ada pembahasan lebih lanjut mengenai aplikasi matriks dalam mencari penyelesaian rangkaian pada listrik pada rangkaian yang lebih kompleks. Misalnya untuk rangkaian yang mengandung sumber tegangan dan sumber arus secara bersama-sama, rangkaian non planar, maupun rangkaian yang tersusun atas elemen pasif yang lain (kapasitor dan induktor). Penulis juga berharap ada pembahasan tetang aplikasi matriks pada ilmu yang lain untuk memperkaya pengetahuan. PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI DAFTAR PUSTAKA Anton, Howard. 2000. Dasar-dasar Aljabar Linear. Jakarta: Erlangga. Ayres, Frank. 1989. Teori dan Soal-soal Matriks (Versi S1/Metrix). Jakarta: Erlangga. Bruardi, Richard A. & Cvetcovic, Dragos. 2009. A Combinatorial Approach to Matrix Theory and It’s Applications. Taylor & Francis Group, LLC. Hayt, William H., Jr. & Jack E. Kemmerly. 1990. Rangkaian Listrik. Jakarta: Penerbit Erlangga. Hayt, William H., Jr., Jack E. Kemmerly, & Steven M. Durbin. 2005. Rangkaian Listrik. Jakarta: Erlangga. Imrona, Mahmud. 2009. Aljabar Linear dasar. Jakarta: Erlangga. Jain, S. K. & A. D. Gunawardena. 2004. Linear Algebra An Interactive Approach. USA: Brooks/ Cole Thomson Learning. Leon, Steven J. 1999. Aljabar Linear dan Aplikasinya. Jakarta: Erlangga. Pipes, L. A and Harvill, L. R. (3rd edition) Applied Mathematics for Enginers and Physicsts. Tokyo: Mc Graw Hill. Sears, F. W. & M. W. Zemansky. 1963. Fisika untuk Universitas II. Bandung: Penerbit Dhiwantara. Zukhri, Zainudin. 2007. Analisis Rangkaian Edisi 2. Yogyakarta: Graha Ilmu. 92
