View
67
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
Dasar tentang kelistrikan
Citation preview
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Listrik dikelompokkan menjadi salah satu sumber energi yang sangat
dibutuhkan dalam kehidupan manusia. Setiap saat peranan listrik dalam
kehidupan semakin jelas terlihat. Ada banyak kebutuhan hidup yang tidak lepas
dari peranan listrik.
Dalam mempelajari listrik, pengetahuan konsep dan dasar-dasar listrik
sangatlah diperlukan. Konsep dasar listrik tersebut meliputi konsep tentang arus
listrik, konsep tentang beda potensial listrik dan konsep tentang hambatan listrik.
Dari tiga konsep dasar ini, maka akan berkembang hal yang lebih luas, seperti
energi listrik, daya listrik, dasar operasi rangkaian listrik, dan lain sebagainya.
1.2 Ruang Lingkup
Ruang lingkup penyaduran buku ini membahas tentang konsep dasar
listrik serta dasar operasi rangkaian listrik.
1
BAB II
KONSEP DASAR LISTRIK
2.1 Arus, Tegangan dan Resistansi
Sudah menjadi hal yang tidak dapat dipungkiri bahwa listrik sangat besar
manfaatnya bagi kehidupan manusia. Sudah cukup banyak penggunaan listrik
dalam kehidupan sehari-hari, beberapa diantaranya adalah untuk :
1. Penerangan
2. Menjalankan beberapa peralatan rumah tangga, seperti: televisi, radio dan
kompor listrik
3. Mengoperasikan mesin-mesin pada industri
Listrik pada dasarnya adalah pergerakan muatan-muatan listrik (yang sekarang
kita kenal sebagai elektron-elektron) yang membawa energi. Muatan-muatan
bebas yang bergerak ini dikontrol dan digunakan energinya untuk tujuan-tujuan
tertentu seperti menghidupkan lampu, menjalankan motor, dan lain sebagainya.
Pergerakan muatan inilah yang kita sebut sebagai Arus Listrik. Karena arus
inilah yang menyebabkan listrik menjadi bertenaga.
Gambar 2.1 Arus Listrik adalah Gerakan Elektron-Elektron
Kita mendefinisikan arus pada sebuah titik tertentu dan yang mengalir
dalam arah tertentu sebagai besarnya muatan sesaat yang mengalir persatuan
waktu dimana muatan positif netto bergerak melalui titik tersebut dalam arah
tertentu.
2
Arus mempunyai simbol I atau i, jadi:
Satuan arus adalah ampere (A), yang menyatakan banyaknya muatan yang
mengalir persatuan waktu 1 C/s. Nama Ampere diambil mengikuti nama A.M.
Ampere seorang ahli fisika Prancis pada permulaan abad ke 19.
Biasanya kita menyatakan simbol grafik untuk arus dengan menempatkan sebuah
panah didekat konduktor, seperti dalam gambar 2.2.
(a) (b)
Gambar 2.2 Dua Cara Menyatakan Arus yang Serupa
Perlu disadari bahwa panah arus tidaklah menunjukkan arah aliran arus
yang “sesungguhnya”, tetapi hanya sekedar perjanjian (konvensi) untuk
memperkenalkan kita berbicara mengenai “arus di dalam kawat” dengan cara
yang jelas. Panah tersebut adalah bagian fundamentil daripada definisi arus! Jadi,
berbicara mengenai nilai sebuah arus i tanpa menentukan panah adalah sama
dengan membicarakan sesuatu yang tak didefinisikan.
Electromotive force (EMF) biasa disebut juga sebagai gaya gerak listrik
(ggl) adalah sifat dari sumber fisik yang membuat listrik bergerak di dalam
seluruh sirkuit. Terkadang istilah EMF disamakan dengan tegangan / voltage.
Padahal voltage sendiri merupakan suatu istilah yang dikenakan guna menyatakan
adanya selisih tekanan listrik / selisih potensial antara dua titik yang menimbulkan
arus mengalir antar dua titik itu bila diantara titik – titik tersebut ada sirkuit
tertutup. EMF lebih ditekankan hanya kepada sumber tenaga listrik.
Untuk mempermudahkan pemahaman, kita ambil salah satu sumber energi
listrik yaitu baterai. Jika baterai tidak mengalami hilangnya energi di dalamnya,
3
2 A -2 A
i=dqdt
maka beda potensial diantara kutubnya disebut ggl baterai. Kalau tidak diberi
keterangan lebih lanjut maka beda potensial antara kedua kutub baterai dianggap
sama dengan gglnya.
Jadi jelaslah perbedaan antara EMF atau ggl dengan tegangan. Istilah
tegangan biasanya dipakai di dalam pembahasan - pembahasan sirkuit listrik
sedangkan istilah EMF lebih pada pembahasan sumbernya itu sendiri, misalnya
bila baterei berada dalam suatu sirkuit kita menggunakan istilah tegangan baterai
tetapi bila kita berbicara mengenai baterai saja maka kita menggunakan istilah
EMF baterai. Dalam pembahasan selanjutnya kita lebih banyak menggunakan
istilah tegangan.
Satuan EMF / ggl adalah sama dengan satuan beda potensial (tegangan)
yakni volt (v), yang sama dengan 1 J/C . Nama satuan ini diambil dari dari ahli
fisika Italia abad ke 18 yaitu A.G.A A Volta.
Tanda untuk tegangan dinyatakan dengan tanda aljabar plus-minus.
Didalam gambar 1.3 misalnya penempatan tanda plus pada titik A menandakan
bahwa titik ujung A adalah V volt positif terhadap titik ujung B. Jika kelak
didapati bahwa V secara kebetulan mempunyai harga numerik – 5 volt, maka kita
dapat mengatakan bahwa A adalah – 5 positif terhadap B atau B adalah 5 volt
positif terhadap A.
Gambar 2.3 Simbol Grafik dalam Menyatakan Tegangan
Seperti telah kita perhatikan di dalam definisi arus, perlu disadari bahwa pasangan
plus-minus tanda aljabar tidak menunjukkan kekutuban tegangan yang
sesungguhnya, tetapi hanya sekedar konvensi yang membolehkan kita berbicara
dengan pasti mengenai tegangan melalui pasangan titik ujung.
4
A A
B B
v = - 5 V
v = + 5 V
+
-
+
-
Konsep berikutnya adalah tentang resistansi / perlawanan / hambatan.
Resistansi adalah sifat suatu bahan untuk melawan kepada lewatnya arus listrik
dan mengubah tenaga listrik menjadi panas. Bilamana beberapa jenis penghantar
yang diberi tegangan yang sama, maka penghantar yang menunjukkan resistansi
terbesar adalah yang mengalirkan arus terkecil. Besarnya resistansi dalam suatu
penghantar dirumuskan dengan persamaan:
Dimana : R =Resistansi suatu bahan dalam ohm ()
= tahanan jenis dalam m/ohm.mm2
L = Panjang bahan dalam meter (m)
A = Luas penampang bahan dalam mm2
Satuan resistansi adalah Ohm () yang diambil dari nama ahli fisika Jerman
George Simon Ohm. Resistansi disimbolkan dengan huruf R.
Selain bergantung kepada panjang bahan dan luas penampang bahan, resistansi
bahan juga bergantung kepada temperatur.
Rt2 = Rt1 {1 + (t2 – t1) }
Dimana: Rt2 = Resistansi pada suhu akhir
Rt1 = Resistansi pada suhu awal
t1 = Suhu mula – mula
t2 = Suhu akhir
= Koefisien suhu bahan
2. 2 Hubungan Arus, Tegangan dan Resistansi (Hukum Ohm)
Hukum ohm memberikan keterangan mengenai hubungan antara arus,
tegangan dan resistansi didalam suatu sirkuit.
Hukum Ohm menyatakan bahwa tegangan melalui berbagai jenis bahan
pengantar adalah berbanding langsung kepada banyak arus yang mengalir dan
resistansi dari bahan tersebut.
5
R=ρLA
V
I R
V
I R
V=I . R
Dimana: V = Tegangan dalam Volt (V)
I = Arus listrik dalam Ampere (A)
R = Resistansi dalam Ohm ()
Cara paling mudah untuk mengingat persamaan ini diperlihatkan dalam gambar
2.4 sebagai simbol mnemonic-nya.
Gambar 2.4 Simbol Mnemonic untuk Mengingat Hukum Ohm
Jika persamaan ini digambarkan pada sumbu-sumbu V terhadap I, maka diperoleh
sebuah garis lurus yang melalui titik asal. Persamaan tersebut adalah linier, dan
kita akan mengambilnya sebagai definisi tahanan linier. Jadi jika perbandingan
(rasio) diantara arus dan tegangan dari suatu elemen sirkuit sederhana adalah
sebuah konstanta, maka elemen tersebut adalah sebuah tahanan linier.
Slope= 1
R
Gambar 2.5 Grafik Hubungan Antara V terhadap I
6
Perlu lagi ditekankan bahwa tahanan linier adalah suatu elemen rangkaian
ideal; tahanan linier tersebut adalah sebuah model matematis dari sebuah alat fisis.
Pada kenyataannya bahwa perbandingan tegangan – arus dari tahanan (alat fisis)
ini kira-kira konstan hanya untuk daerah arus dan tegangan tertentu, atau daerah
daya tertentu dan juga tergantung pada temperatur dan faktor-faktor lingkungan.
Gambar 2.6 memperlihatkan simbol rangkaian yang paling umum yang dipakai
untuk sebuah tahanan, sedangkan gambar 2.7 adalah rangkaian sederhana untuk
mendemonstrasikan hukum ohm.
Gambar 2.6 Simbol Rangkaian untuk Sebuah Resistansi / Tahanan
Gambar 2.7 Rangkaian untuk Mendemonstrasikan Hukum Ohm
Contoh:
Sebuah resistor dipasang pada suatu sirkuit dengan tegangan sumber sebesar 12
Volt. Jika arus yang mengalir adalah 10 mA. Berapa harga resistansi resistor
tersebut ?
Jawab:
Diketahui : V = 12 Volt
I = 10 mA
Ditanya : R ?
R=VI=12
10 X 10−3=1,2 KOhm .
7
i + v -
R
2.3 Daya Listrik
Energi listrik adalah energi yang dibawa oleh elektron yang bergerak.
Kalau ada arus dalam rangkaian akan ada konversi energi listrik menjadi energi
bentuk lain. Contoh sederhana adalah, arus mengalir melalui filamen lampu
merubah energi listrik menjadi terang dan energi panas. Daya listrik dapat
didefinisikan sebagai ukuran (rate) pada saat energi listrik dikonversi. Misalnya
bola lampu 150 Watt merubah energi dua kali ukuran bola lampu 75 Watt.
Gambar 2.8 Daya dan Energi Listrik
Dari gambar 2.8 dinyatakan bahwa energi listrik diberikan kepada suatu elemen
dalam hal ini adalah lampu atau kipas angin. Daya yang diserap ini haruslah
sebanding dengan banyaknya muatan yang dipindahkan perdetik (arus) dan
sebanding dengan energi yang diperlukan untuk memindahkan satu coulomb
melalui elemen (tegangan).
Jadi :
P = V.I
Dimana; P = Daya, dalam Watt (W)
V = Tegangan, dalam Volt (V)
I = Arus, dalam Ampere (A)
8
Energi Cahaya (output yang diharapkan)
Energi Gerak (output)
Energi Listrik (input)Energi Listrik (input)
Energi Panas (output)
(a) (b)
Bila dihubungkan dengan hukum ohm maka persamaan di atas dapat menjadi:
P=V 2
R=i2 R
Untuk pemakaian industri kecil, watt adalah satuan yang terlalu kecil sehingga
kilowatt (kW) yaitu 1.000 Watt, digunakan sebagai satuan standar. Untuk
pemakaian industri besar, satuan kilowatt adalah terlalu kecil untuk pengukuran,
sehingga megawatt (MW) yaitu 1.000 kW atau 1.000.000 Watt digunakan sebagai
satuan pengukuran.
2.4 Bahan – bahan Listrik
Bahan-bahan listrik sangat banyak ragamnya pada pabrikasi peralatan
listrik. Pengetahuan tentang bahan listrik juga terkadang sangat diperlukan bagi
seorang yang ingin mengenal listrik secara baik.
Berdasarkan sifat dan jenisnya, bahan-bahan yang dipakai dalam bidang
listrik dapat dibagi menjadi 3 golongan, yaitu :
1. Bahan Konduktor
Bahan konduktor atau disebut juga bahan penghantar adalah bahan yang
dapat dengan mudah menghantarkan arus listrik. Beberapa jenis bahan yang
bersifat sebagai konduktor umumnya adalah logam, antara lain tembaga,
aluminium, besi, kuningan, perak, emas dan lain sebagainya.
Pada bidang listrik, bahan penghantar yang banyak dipakai adalah tembaga,
karena tembaga memiliki daya hantar listrik yang cukup tinggi dan juga
mempunyai ketahanan terhadap korosi dan oksidasi.
2. Bahan Isolator
Bahan isolator disebut juga sebagai bahan penyekat, yaitu bahan yang
tidak dapat menghantarkan arus listrik. Pada prakteknya bahan isolator ini
banyak dipergunakan sebagai penyekat kabel pada suatu instalasi listrik.
Bahan yang banyak digunakan sebagai isolator adalah porselin, mika, kaca,
kertas, keramik dan lain sebagainya.
9
3. Bahan Semikonduktor
Bahan ini adalah bahan yang bersifat setengah menghantar listrik. Bahan ini
kurang baik dipakai sebagai bahan penghantar (konduktor) maupun isolator.
Bahan semikonduktor nilai resistansinya akan menurun sebanding dengan
kenaikan suhu dalam jangkauan tertentu. Bahan yang banyak dipakai dalam
teknik listrik antara lain germanium dan silikon. Bahan ini banyak digunakan
sebagai bahan dasar untuk membuat komponen-komponen elektronika seperti
dioda, transistor dan lainnya.
2.5 Direct Current (DC) dan Alternating Current (AC)
Listrik secara garis besar dibagi dalam 2 tipe bila didasarkan atas jenis
arus yang mengalir, yaitu Rangkaian Direct Current (DC) dan Altenating Current
(AC).
1. Direct Current
Direct Current adalah arus yang memiliki besar dan arah yang konstan / tetap
bila dibandingkan terhadap waktu.
(a) Tegangan DC (b) Arus DC
Gambar 2.9 Gelombang DC
Sumber DC biasanya dapat diperoleh melalui baterei atau dari sumber AC
yang telah disearahkan. Simbol untuk sumber DC seperti gambar di bawah ini:
10
Tegangan Arus
Waktu Waktu
10 V
100 mA
Satu perioda
t
I
I(t) = Im sin tdimana = 2 f
Gambar 2.10 Simbol Sumber DC
2. Alternating Current
Alternating Current adalah arus yang besar dan arahnya berubah sepanjang
waktu. Arus AC nilainya naik dari nol ke nilai maksimum, turun ke nol lagi,
kemudian berbalik mengikuti suatu pola dalam arah yang berlawanan.
Pertukaran arah yang periodik tersebut disebut frekuensi.
Gambar 2.11 Gelombang AC5
Frekuensi dapat juga diartikan sebagai jumlah cycle dari sinyal ac setiap detik.
Frekuensi diukur dalam Hertz (Hz).
Berbeda dengan DC, arus bolak-balik biasanya diukur dalam tiga jenis:
1. Harga Puncak (Vmak atau Imak)
Merupakan harga maksimum dari arus bolak-balik
2. Harga Rata-rata (Vav atau Iav)
Merupakan harga rata-rata dari besar arus yang diambil melalui suatu
jangka waktu selama 1 perioda dari arus bolak-balik tersebut.
Vav= 1T∫0
T
i( t ) dt
11
+ -
3. Harga efektif atau RMS (root mean square) / Vrms atau Irms
Merupakan suatu harga arus yang mengalir melalui hambatan / resistansi
R yang sama bila arus searah yang melalui R tersebut.
Harga efektif dari arus bolak-balik = harga arus searah.
Untuk gelombang sinusoida, harga RMS-nya adalah:
Vrms = 0,707 x Vmak
Biasanya di dalam kenyataan, dianggap bahwa semua pembacaan
tegangan atau arus ac adalah harga efektifnya kecuali ada penjelasan lain.
Hampir semua kegiatan baik untuk perumahan ataupun untuk industri
mempergunakan arus bolak-balik (AC). Keuntungan mempergunakan arus
AC ialah arusnya dapat dinaikkan atau diturunkan sehingga
mempermudah didalam pentransmisian untuk jarak jauh.
Selain dari pada itu keuntungan lain dari arus AC adalah karena sifatnya
yang selalu berubah arah dalam setengah putaran maka dalam
penggunaannya tidak memakai kutub sehingga pemasangan suatu alat ke
sumber ini tidak perlu khawatir terhadap polaritas.
Sumber AC umumnya adalah dari generator AC, simbol untuk sumber AC
adalah sebagai berikut:
Gambar 2.12 Simbol Sumber AC
12
2.6 Bahaya – Bahaya Potensial Bila Bekerja dengan Listrik
Rangkaian listrik dan elektronik dapat berbahaya. Oleh karena itu,
diperlukan praktek – praktek yang aman untuk mencegah terjadinya ssengatan
listrik, kebakaran, kerusakan mekanik, dan kecelakaan yang terjadi karena
penggunaan alat yang tidak tepat.
Barangkali bahaya yang paling besar adalah bahaya ssengatan listrik.
Arus yang mengalir ke tubuh manusia yang lebih dari 10 miliampere dapat
melumpuhkan korban dan membuat tidak mungkin konduktor atau komponen
“hidup”. Sepuluh milliampere lebih kecil dibandingkan aliran listrik di rumah
kita. Batu baterai biasa menggunakan lebih dari 100 kali jumlah tersebut.
Sel batu baterai dan baterai aman untuk ditangani karena resistansi kulit
manusia secara normal cukup tinggi untuk mempertahankan aliran arus sangat
kecil. Sebagai contoh, menyentuh sel 1,5 volt bisa mengakibatkan aliran arus
dalam rentang mikroampere. Arus sebanyak itu terlalu kecil untuk diperhatikan.
Sebaliknya tegangan tinggi, dapat memaksa cukup arus melalui kulit untuk
menghasilkan sengatan. Jika arus mendekati 100 miliamper atau lebih, sengatan
dapat menjadi fatal. Jadi bahaya ssengatan meningkat dengan voltase. Karena itu
mereka yang bekerja dengan tegangan tinggi harus dilatih dan diperlengkapi
dengan tepat.
Jika kulit manusia basah atau luka, maka resistansinya terhadap aliran
listrik dapat turun drastik. Jika hal itu terjadi, maka voltase sedangpun dapat
menjadi ssengatan yang serius. Teknisi yang berpengalaman mengetahui hal
tersebut, dan mereka juga mengetahui bahwa alat tegangan rendah dapat
mempunyai satu atau dua bagian tegangan tinggi. Dengan kata lain, mereka tidak
mempraktekkan dua metoda bekerja dengan sirkuit, satu metoda untuk tegangan
tinggi dan lainnya untuk tegangan rendah. Mereka selalu mengikuti prosedur-
prosedur yang aman. Mereka tidak beranggapan bahwa alat – alat pelingung itu
bekerja atau berfungsi seperti seharusnya. Mereka tidak beranggapan bahwa
sirkuit dalam keadaan OFF bahkan sekalipun saklar ada dalam posisi OFF.
Mereka tahu bahwa saklar dapat rusak. Seiring dengan bertambahnya
pengetahuan dan pengalaman, kita akan mempelajari banyak prosedur
pengamanan khusus berkaitan dengan listrik dan elektronik. Pada saat itu:
13
1. Selalu ikuti prosedur
2. Gunakan manual servis sesering mungkin. Manual itu berisi informasi
pengaman khusus.
3. Selidiki sebelum anda bertindak
4. Jika anda ragu, jangan bertindak. Tanyakanlah kepada instruktur atau
pengawas anda.
Keselamatan adalah prioritas utama pada setiap pekerjaan. Kecelakaan
listrik dapat menyebabkan luka yang serius bahkan kematian. Kecelakaan listrik
terjadi akibat kecerobohan atau kurangnya pengertian tentang listrik. Sirkuit dan
perlengkapan harus diperlakukan dengan semestinya. Pelajari bagaimana alat itu
bekerja dan cara yang tepat untuk menanganinya. Praktikkan selalu langkah
pengamanan; kesehatan dan hidup anda sangant dipengaruhi oleh alat tersebut.
14
BAB III
DASAR OPERASI RANGKAIAN LISTRIK
3.1 Beberapa Istilah dalam Rangkaian Listrik
Dalam bab awal telah dijelaskan konsep dasar listrik. Sekarang marilah
kita lihat lebih jauh bagaimana suatu rangkaian listrik beroperasi. Persoalan
pertama yang akan kita bahas adalah mengenai istilah-istilah yang sering
digunakan dalam suatu rangkaian listrik.
Pengertian pertama adalah mengenai apa itu Rangkaian atau sirkuit.
Rangkaian / sirkuit adalah jaringan listrik yang menyediakan satu atau lebih
penghantar / jalan arus listrik yang tak ada putusnya. Atau dapat pula diartikan
sebagai sistem penghantar untuk menghantarkan arus listrik. Sirkuit dapat
mempunyai beberapa beberapa komponen / elemen dan dapat juga berupa
rangkaian terpadu (IC).
Elemen minimum dari suatu sirkuit antara lain:
1. Sumber listrik (source)
2. Beban (Load)
3. Penghantar / Jalur listrik untuk membawa daya listrik ke sistem.
Gambar 3.1 Rangkaian Listrik Sederhana
Sumber energi listrik merupakan suatu elemen yang menyediakan tenaga
/ energi listrik. Sedangkan sumber-sumber energi listrik itu banyak jenisnya
diantaranya adalah baterai, accu, generator dan lain sebagainya.
Beban (load) adalah elemen yang menerima energi listrik untuk
menjalankan atau menggerakkan apa yang telah didisain, misalnya lampu yang
akan mengubah energi listrik menjadi cahaya. Contoh – contoh beban yang umum
15
Short circuit
digunakan antara lain bel, solenoid, motor, setrika listrik, kompor listrik dan lain
sebagainya.
Didalam suatu sirkuit terkadang ada beberapa istilah lain yang digunakan, antara
lain:
1. Hubung singkat (short circuit)
Merupakan istilah yang digunakan untuk menyatakan suatu hubungan
antara 2 titik yang berlainan potensialnya melalui suatu resistansi yang sangat
rendah / kecil. Kejadian ini bisa jadi merupakan kejadian yang tidak disengaja dan
tidak diinginkan didalam sistem kita. Kita juga dapat mendefinisikan rangkaian
hubung singkat sebagai sebuah penghantar yang resistansinya nol ohm
(mengabaikan nilai resistansi penghantar), sehingga tegangan melalui sebuah
rangkaian hubung singkat sama dengan nol, walaupun besarnya arus boleh
sembarang (hukum ohm).
Penggambaran sederhana dari peristiwa ini dapat terlihat pada rangkaian
gambar 2.2 : Simbol zig-zag (resistansi (R) ini misalnya adalah resistansi
kawat/penghantar) menandakan jalur hubung singkat. Jika resistansi ini sangat
kecil dibandingkan resistansi dari beban, kita katakan terjadi “Dead Short” atau
“Short to ground”. Kedua kejadian tersebut sangat berbahaya, bahkan dapat
menimbulkan kondisi terbakarnya isolasi kawat sehingga kondisi terparahnya bisa
menimbulkan kebakaran di lingkungan tempat kita.
Gambar 3.2 Prinsip dari Hubung Singkat / Short Circuit
16
2. Hubung Terbuka / Open Circuit
Merupakan suatu sirkuit yang terbuka / terputus sehingga tidak ada jalan
yang kontinyu bagi arus. Rangkaian terbuka dapat kita definisikan sebagai
penghantar yang memiliki resistansi yang tak terhingga. Jelaslah bahwa arusnya
sama dengan nol, tak perduli berapapun tegangan melalui rangkaian terbuka
tersebut.
Gambar 3.3 Prinsip dari Hubung Terbuka / Open Circuit
3. Beban Lebih / Overload
Merupakan suatu rangkaian yang memiliki arus / daya yang lebih besar
dari keluaran yang ditarifkan / yang sebenarnya untuk suatu elemen. Beban lebih
paling sering adalah antara satu sampai dengan enam kali tingkatan arus normal.
Beban lebih biasanya disebabkan oleh arus sentakan singkat (yang tidak
berbahaya) ketika motor distartter atau transformator diberi energi. Beban lebih
yang terus-menerus dapat diakibatkan oleh motor rusak, peralatan dibebani lebih
atau terlalu banyak beban pada suatu rangkaian. Beban lebih terus-menerus seperti
itu dapat merusakkan dan harus dihentikan sebelum merusakkan jaringan
distribusi atau beban sistem.
17
Open Circuit
3.2 Dasar Operasi Rangkaian Listrik Sederhana
Seperti sudah dijelaskan bahwa dalam suatu rangkaian listrik sederhana
paling tidak ada 3 komponen supaya rangkaian itu dapat bekerja yaitu sumber
listrik, penghantar dan beban. Tetapi disamping ke tiga hal tadi biasanya
ditambahkan pula beberapa komponen lain yaitu saklar dan sekering (fuse).
Gambar 3.4 Rangkaian dengan Saklar dan Sekering
Dari rangkaian di atas nampak terlihat bahwa rangkaian dihidupkan dan
diputuskan oleh sebuah saklar. Seperti sudah diketahui bahwa pada sumber energi
listrik, kutub negatif (-) adalah kutub dimana kelebihan elektron muncul
sedangkan kutub positif dari sumber listrik kekurangan elektron. Ketika saklar
dihubungkan maka mengalirlah elektron dari kutub negatif melalui kawat
penghantar melewati sekering (fuse), beban, saklar yang tertutup dan kembali ke
sumber energi (kutub +). Beban menggunakan sebagian dari energi sumber
seluruhnya. Pergerakan elektron ini adalah pergerakan arus yang sebenarnya.
Sementara arah aliran arus konvensional (yang sering digunakan orang) adalah
dari kutub positif ke kutub negatif. Hal ini dikarenakan penemuan elektron (yang
menyebabkan terjadi arus) baru diketemukan belakangan setelah ilmu tentang
listrik berkembang.
Bila kita kembali ke rangkaian di atas, arus sebenarnya dikendalikan oleh
sebuah elemen saklar. Saklar ini berfungsi untuk melewatkan arus dan juga
menghentikan aliran arus dalam rangkaian.
18
Saklar bekerja sangat sederhana, tapi ingatlah bahwa di dalam menggunakan
sumber energi apapun bentuknya, listrik, hidraulik, panas, tekanan sangat
dianjurkan untuk mengontrolnya setiap waktu. Ini berarti harus ada peralatan yang
mengijinkan kita untuk mematikan ataupun menyalakannya. Sebab sangat
berbahaya bila sumber energi menjadi tidak terkontrol.
3.3 Proteksi Rangkaian Listrik
Ketika suatu rangkaian listrik terbentuk, perhatian besar kedua setelah
mampu mengendalikan aliran listrik (melalui saklar) adalah untuk meyakinkan
bahwa rangkaian telah benar – benar diisolasi dari semua hal yang mungkin
sehingga arus di dalam rangkaian akan mengalir sesuai dengan yang diinginkan
dalam lintasannya.
Mungkin pada suatu ketika, permasalahan serius muncul seperti kelebihan
arus (overload) dan hubung singkat. Beban lebih seperti telah dijelaskan dapat
disebabkan oleh motor rusak, peralatan dibebani lebih atau terlalu banyak beban
pada suatu rangkaian yang tanpa disengaja. Beban lebih terus-menerus dapat
merusakkan dan harus dihentikan oleh alat pelindung / proteksi sebelum
merusakkan jaringan distribusi atau beban sistem. Arus beban lebih yang terus –
menerus mengakibatkan kemerosotan isolasi dan komponen yang lain serta
mengakibatkan kerusakan yang serius dan terjadi hubung singkat (short circuit)
jika tidak dihentikan.
Hubung singkat adalah situasi dimana titik tertentu pada rangkaian secara
langsung terhubung ke ground (titik yang terendah). Ini menimbulkan lintasan
untuk arus tidak memiliki cukup resistansi. Bila dihubungkan dengan hukum
ohm, dimana
I=VR
jika resistansi dalam rangkaian sangat rendah maka arus akan besar melalui
lintasan tersebut. Jika tidak diputus kerusakan dan kehancuran dapat menjadi
semakin luas. Akan ada kerusakan isolasi yang parah, pelelehan penghantar,
penguapan logam, ionisasi gas, pancaran bunga api dan kebakaran.
19
Pelindung arus lebih dan hubung singkat adalah hal penting untuk operasi
yang aman. Beberapa alat pelindung seperti sekering, pemutus rangkaian
(circuit breaker) adalah yang umum digunakan.
Sekering (Fuse) adalah alat pelindung yang sederhana dan dapat
dipercaya. Penghubung yang dapat meleleh atau penghubung yang dimasukkan
dalam tabung dan dihubungkan dengan terminal kontak merupakan elemen pokok
sekering sederhana.
Lambang sekering dalam suatu rangkaian:
(a) (b)
Gambar 3.5 Simbol Sekering / Fuse
Gambar 3.6 Beberapa Bentuk dari Sekering
20
Resistansi listrik sambungan dari sekering demikian rendah sehingga
bertindak sebagai penghantar yang mudah. Meskipun demikian ketika terjadi arus
yang berlebih dan dapat menghancurkan, sambungan meleleh sangat cepat (bila
dikaitkan dengan hukum Ohm jelas bahwa bila R dan V tetap sementara I
bertambah maka resistor akan menyerap daya besar melebihi kemampuan yang
dimilikinya) dan membuka rangkaian untuk melindungi penghantar dan
komponen rangkaian yang lain serta beban.
Pemilihan sekering untuk instalasi khusus harus memenuhi persyaratan
frekuensi, tegangan dan arus yang ditetapkan sebelumnya. Batas tegangan kerja
untuk sekering adalah tegangan tertinggi dimana sekering dirancang untuk
memutuskan arus dengan aman.
Pemutus rangkaian (circuit breaker) adalah saklar yang secara otomatis
membuka rangkaian listrik ketika terjadi kondisi beban lebih. Seperti pada
peralatan yang lain, pemutus rangkaian dibagai menjadi : ukuran kerja 1000 volt
dan yang lebih rendah (tegangan rendah) dan pemutus rangkaian untuk lebih dari
1000 volt (medium dan tegangan tinggi).
Ada berbagai macam tipe pemutus rangkaian yang umum digunakan.
Salah satunya adalah tipe magnetik. Ketika arus berlebih mengalir dalam
rangkaian, arus tersebut akan membuat elektromagnet cukup kuat untuk
menggerakkan lengan kecil (armature) yang mana akan mentrip saklar untuk
memutuskan rangkaian.
Tipe lainnya adalah saklar thermal overload. Tipe ini berisi sebatang bimetal
dimana ketika dipanasi karena arus yang berlebih, metal akan bergerak menjauh
sehingga memutuskan rangkaian.
21
Gambar 3.7 Salah satu Rangkaian Pemutus
3.4 Rangkaian Seri dan Paralel
3.4.1 Rangkaian Seri
Rangkaian seri adalah rangkaian dimana arus hanya mengalir dalam satu
lintasan saja.
(a) (b)
Gambar 3.8 Rangkaian seri (a) Rangkaian Dasar, (b) Rangkaian Pengganti
22
Beberapa karakteristik atau teorema dasar dalam rangkaian seri, yaitu:
1. Resistansi total rangkaian seri adalah sama dengan penjumlahan dari masing-
masing resistansi dalam rangkaian
Rt = R1 + R2 + ….+ Rn
2. Besarnya arus total yang mengalir dalam rangkaian seri adalah sama dengan
arus yang mengalir ke setiap komponen / resistansi.
It = I1 = I2 = … = In
3. Besarnya tegangan total rangkaian seri adalah sama dengan penjumlahan dari
jatuh tegangan pada masing – masing komponen / resistansi.
Vt = V1 + V2 + … + Vn
4. Tegangan jatuh pada masing – masing komponen / resistansi adalah
sebanding dengan besar resistansinya.
V1 = R1 . I ; V2 = R2 . I ; Vn = Rn . I
5. Daya total rangkaian adalah sama dengan penjumlahan dari daya hilang pada
masing – masing komponen / resistansi.
Pt = P1 + P2 + … + Pn
Dimana : P1 = I2 . R1 ; P2 = I2 . R2 ; Pn = I2 . Rn
Pengukuran tegangan dan arus rangkaian seri adalah seperti gambar 3.9 di bawah
ini, dimana arus dipasang seri sedangkan tegangan dipasang paralel pada setiap
resistor yang akan diukur.
Gambar 3.9 Pengukuran Tegangan dan Arus Rangkaian Seri
23
Contoh 1:
3 buah resistor dengan besar 10 ohm, 15
ohm dan 30 ohm dihubungkan secara seri.
Bila besar tegangan sumber rangkaian ini
adalah 30 volt, berapakah resistansi tahanan
total rangkaian ini ?
diketahui : R1 = 10 ohm
R2 = 15 ohm
R3 = 30 ohm
V = 30 volt
Ditanya : R total dan arus total rangkaian ?
Jawab: Rt = R1 + R2 + R3
= 10 ohm + 20 ohm + 30 ohm = 60 ohm
Rangkaian pengganti
Contoh 2:
Hitunglah jatuh tegangan dari masing – masing resistor pada rangkaian seri di
bawah ini:
Diketahui : R1 = 100 ohm
R2 = 330 ohm
V = 15 volt
Ditanya : V dari masing – masing resistror ?
Jawab:
24
It
Karena di dalam rangkaian seri arus adalah sama, maka hal yang pertama harus di
tentukan adalah mencari besarnya arus yang mengalir dalam rangkaian.
Rt = R1 + R2
= 100 ohm + 330 ohm
= 430 ohm
I t= VRt
=15 volt430 ohm
=34 ,88 mA
V1 = I . R1 = (34,88 x 10-3 A)(100 ohm) = 3,488 volt
V2 = I . R2 = (34,88 x 10-3 A)(330 ohm) = 11,512 volt
Atau V2 dapat di cari dengan cara:
V2 = V – V1 = 15 volt – 3,488 volt = 11,512 volt
Contoh 3:
2 buah resistor dipasang dalam rangkaian seri,
dengan harga resistansi sebesar 2 ohm dan 8 ohm.
Tentukanlah daya total dan daya yang hilang dari
masing – masing resistor tersebut bila besarnya
tegangan sumber adalah 10 volt ?
Diketahui : R1 = 2 ohm
R2 = 8 ohm
V = 10 volt
Ditanya : daya total dan daya pada masing-masing R ?
Jawab: Rt = R1 + R2 = 2 ohm + 8 ohm = 10
ohm
I t= VRt
=10 volt10 ohm
=1 A
Pt = V. It = (10 volt)(1 A) = 10 Watt
P1 = I2 . R1 = (1 )2 A (2 ohm) = 2 Watt
P2 = I2 . R2 = (1)2 A (8 ohm) = 8 Watt
25
V2
3.4.2 Rangkaian Paralel
Rangkaian paralel didefinisikan sebagai suatu rangkaian yang memiliki
lintasan arus yang lebih dari satu dalam besar tegangan yang sama.
(a) (b)
Gambar 3.10 Rangkaian Paralel (a) Rangkaian dasar (b) Rangkaian Pengganti
Didalam rangkaian parallel ada beberapa karakteristik / teorema yang berlaku,
diantaranya:
1. Besar Resistansi total rangkaian adalah :
1R t
= 1R 1
+ 1R 2
+.. .+ 1R n
2. Besarnya arus total yang mengalir dalam rangkaian adalah sama dengan
penjumlahan dari masing – masing cabang / lintasan.
It = I1 + I2 + … + In
3. Besarnya tegangan total adalah sama dengan tegangan dimasing – masing
cabang / lintasan
Vt = V1 = V2 = …= Vn
4. Besarnya arus dari masing – masing lintasan adalah :
I 1= VR 1 ;
I 2= VR 2 ;
I n= VR n
26
5. Daya total rangkaian adalah sama dengan penjumlahan dari masing – masing
resistor.
Pt = P1 + P2 + … + Pn
Pengukuran tegangan dan arus rangkaian paralel adalah seperti gambar 3.11 di
bawah ini,
Gambar 3.11 Pengukuran Tegangan dan Arus Rangkaian Paralel
Contoh 1:
Hitunglah besarnya tahanan total dan tegangan dari masing – masing resistor dari
gambar di bawah ini
Diketahui : R1 = 2 ohm
R2 = 3 ohm
R3 = 6 ohm
Ditanya: Besar R total dan Tegangan
masing – masing R ?
Jawab:
1R t
=1R 1
+1R 2
+1R 3
=12
+13
+16
=66
Rt=66
ohm=1 ohm
Terlihat bahwa tegangan dari masing – masing
resistor adalah sama dengan tegangan sumber
itu sendiri yaitu 12 volt.
27
Rangkaian pengganti
Contoh 2:
Hitunglah besarnya arus yang pada resistor 100 ohm dan 200 ohm pada rangkaian
di bawah ini.
Diketahui: R1 = 100 ohm
R2 = 200 ohm
V = 10 volt
Ditanya: Arus pada masing – masing
R ?
Jawab
Karena harga tegangan adalah sama, maka kita dapat langsung menggunakan
persamaan:
I 1=VR 1
=10 volt100 ohm
=0,1 A
I 2=VR 2
=10 volt200 ohm
=0 ,05 A
Contoh 3:
Dari contoh 2 di atas, tentukanlah daya total dan daya yang hilang pada masing –
masing resistor ?
Diketahui : R1 = 100 ohm
R2 = 200 ohm
V = 10 volt
Ditanya: Besarnya data total dan daya pada masing – masing R ?
28
I1 I2
Jawab:
Dari contoh 2 telah dihitung harga I pada masing – masing R, sehingga untuk
menghitung daya pada masing – masing R adalah sebagai berikut :
P 1=V . I=V .VR
=V 2
R=V 2
R1=102 volt
100 ohm=1 Watt
P 2=V 2
R 2=102 volt
200 ohm=0,5 Watt
P t=P1+P 2=1 Watt+0,5 Watt=1,5 Watt
3.4.3 Rangkaian Kombinasi Seri dan Paralel
Sejauh ini kita telah mendefinisikan dengan baik rangkaian seri dan paralel
untuk mendapatkan harga resistansi total, tegangan, arus dan dayanya. Tapi di
dalam kenyataannya terkadang suatu rangkaian listrik dapat merupakan suatu
kombinasi dari rangkaian seri dan paralel. Perhatikan gambar rangkaian di bawah
ini:
(a) (b)
Gambar 3.12 Rangkaian Kombinasi Seri dan Paralel
29
Beberapa langkah yang dapat kita lakukan untuk memecahkan suatu
persoalan rangkaian kombinasi antara lain:
1. Gambarkan secara jelas dan sederhana diagram rangkaian kombinasi tersebut
kemudian tentukan titik – titik percabangannya.
2. Setelah titik percabangan ditentukan, barulah kita menentukan setiap titik
cabang tersebut merupakan suatu rangkaian seri atau paralel.
3. Tuliskan harga – harga yang diketahui
4. Bilamana rangkaian paralel merupakan bagian dari rangkaian seri terlebih
dahulu dihitung harga resistansi pada rangkaian paralel dan kemudian
rangkaian seri demikian sebaliknya bila rangkaian seri merupakan bagian dari
rangkaian paralel, terlebih dahulu dihitung harga resistansi pada rangkaian
seri dan baru kemudian rangkaian paralel.
5. Tentukan semua persamaan – persamaan yang diperlukan untuk
menyelesaikan permasalahan kemudian selesaikan berdasarkan teorema
rangkaian seri dan paralel di atas.
Contoh 1:
Tentukanlah resistansi arus total rangkaian dan arus yang melewati masing –
masing resistansi rangkaian di bawah ini:
Diketahui: R1 = 5 ohm
R2 = 10 ohm
R3 = 10 ohm
V = 5 volt
Ditanya: Arus total rangkaian ?
30
(b)
(a)
(c)
Jawab:
Langkah penyelesaiannya:
1. Tentukan resistansi di cabang (b-c) Merupakan rangkaian paralel
1R t
=1R 2
+1R 3
R t=R 2 . R 3
R 2+R 3=10 ohm .10 ohm
10 ohm+10 ohm=5 ohm
2. Tentukan resistansi cabang (a-c) , Seri
Rtt = Rr + R1 = 5 ohm + 5 ohm = 10 ohm
3. Tentukan arus total,
I= VR tt
= 5 volt10 ohm
=0,5 A
Contoh 2:
Tentukanlah daya total dan daya dari masing – masing resistansi rangkaian di
bawah ini:
Diketahui : R1 = 1 Kohm
R2 = 1 Kohm
R3 = 2 Kohm
V = 12 Volt
Ditanya: daya total dan daya pada
masing-masing R?
31
(a)
(a)(c)
Jawab:
Terlihat bahwa R1 dan R2 membentuk rangkaian seri sehingga,
Rt = R1 + R2 = 1 Kohm + 1 Kohm = 2 Kohm
Hasil ini kemudian di paralelkan dengan R3
1R tt
=1Rt
+1R 3
R tt=R t . R 3
R t+R 3=2 Kohm . 2 Kohm
2 Kohm+2 Kohm=1 Kohm
Arus total rangkaian adalah I= V
R tt=12 volt
1 Kohm=12 mA
Bila dilihat dari gambar terlihat bahwa arus total ini terbagi sama rata rangkaian
parallel
I1 = I2 = 0,5 x I = 0,5 x 12 mA = 6 mA
Daya pada R3 adalah:
P3 = V. I1 = 12 x 6 mA = 72 mW.
Sedangkan untuk daya pada R1 dan R2 adalah:
P1 = I22 . R1 = (6 x 10-3) 2 A(1 Kohm) = 36 mW
P2 = I22 . R2 = (6 x 10-3) 2 A(1 Kohm) = 36 mW
P total rangkaian adalah :
Pt = 72 mW + 36 mW + 36 mW = 144 mW
32
Recommended