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