MATERI RANGKAIAN LISTRI

BAB I

KONSEP RANGKAIAN LISTRIK

Definisi - Definisi

Rangkaian listrik adalah suatu kumpulan elemen atau komponen listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup. Elemen atau komponen yang akan dibahas pada mata kuliah Rangkaian Listrik terbatas pada elemen atau komponen yang memiliki dua buah terminal atau kutub pada kedua ujungnya. Untuk elemen atau komponen yang lebih dari dua terminal dibahas pada mata kuliah Elektronika.

Pembatasan elemen atau komponen listrik pada Rangkaian Listrik dapat dikelompokkan kedalam elemen atau komponen aktif dan pasif. Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi dalam hal ini adalah sumber tegangan dan sumber arus, mengenai sumber ini akan dijelaskan pada bab berikutnya. Elemen lain adalah elemen pasif dimana elemen ini tidak dapat menghasilkan energi, dapat dikelompokkan menjadi elemen yang hanya dapat menyerap energi dalam hal ini hanya terdapat pada komponen resistor atau banyak juga yang menyebutkan tahanan atau hambatan dengan simbol R, dan komponen pasif yang dapat menyimpan energi juga diklasifikasikan menjadi dua yaitu komponen atau lemen yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini induktor atau sering juga disebut sebagai lilitan, belitan atau kumparan dengan simbol L, dan kompone pasif yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini adalah kapasitor atau sering juga dikatakan dengan kondensator dengan simbol C, pembahasan mengenai ketiga komponen pasif tersebut nantinya akan dijelaskan pada

bab berikutnya.

Elemen atau kompoen listrik yang dibicarakan disini adalah :

1. Elemen listrik dua terminal

a. Sumber tegangan

b. Sumber arus

c. Resistor ( R )

d. Induktor ( L )

e. Kapasitor ( C )

2. Elemen listrik lebih dari dua terminal

a. Transistor

b. Op-amp

Berbicara mengenai Rangkaian Listrik, tentu tidak dapat dilepaskan dari pengertian dari rangkaian itu sendiri, dimana rangkaian adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen penyusunnya ditambah dengan rangkaian penghubungnya dimana disusun dengan cara-cara tertentu dan minimal memiliki satu lintasan tertutup. Dengan kata lain hanya dengan satu lintasan tertutup saja kita dapat menganalisis suatu rangkaian.

Yang dimaksud dengan satu lintasan tertutup adalah satu lintasan saat kita mulai dari titik yang dimaksud akan kembali lagi ketitik tersebut tanpa terputus dan tidak memandang seberapa jauh atau dekat lintasan yang kita tempuh. Rangkaian listrik merupakan dasar dari teori rangkaian pada teknik elektro yang menjadi dasar atay fundamental bagi ilmu-ilmu lainnya seperti elektronika, sistem daya, sistem computer, putaran mesin, dan teori control.

Dalam rangkaian  listrik kita mengenal Hukum Kirchoff

   Gustaf Robert Kirchoff adalah seorang fisikawan jerman yang berkontribusi pada pemahaman konsep dasar teori rangkaian listrik, spektroskopi, dan emisi radiasi benda hitam yang dihasilkan oleh benda-benda yang dipanaskan.

    Dalam kelistrikan, sumbangan utamanya adalah dua hukum dasar rangkaian, yang kita kenal sekarang dengan Hukum I dan Hukum II Kirchoff. Kedua hukum dasar rangkaian ini sangat bermanfaat untuk menganalisis rangkaian-rangkaian listrik majemuk yang cukup rumit. Akan tetapi sebagian orang menyebut kedua hukum ini dengan Aturan Kirchoff, karena dia terlahir dari hukum-hukum dasar yang sudah ada sebelumnya, yaitu hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan muatan listrik.

Hukum I Kirchoff

Hukum I Kirchoff merupakan hukum kekekalan muatan listrik yang menyatakan bahwa jumlah muatan listrik yang ada pada sebuah sistem tertutup adalah tetap. Hal ini berarti dalam suatu rangkaian bercabang, jumlah kuat arus listrik yang masuk pada suatu percabangan sama dengan jumlah kuat arus listrik yang ke luar percabangan itu. Untuk lebih jelasnya tentang Hukum I Kirchoff, perhatikanlah rangkaian berikut ini

Hukum II Kirchoff

Hukum II Kirchoff adalah hukum kekekalan energi yang diterapkan dalam suatu rangkaian tertutup. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah aljabar dari GGL (Gaya Gerak Listrik) sumber beda potensial dalam sebuah rangkaian tertutup (loop) sma dengan nol. Secara matematis, Hukum II Kirchoff ini dirumuskan dengan persamaan

Di mana V adalah beda potensial komponen komponen dalam rangkaian (kecuali sumber ggl) dan E adalah ggl sumber. Untuk lebih jelasnya mengenai Hukum II Kirchoff, perhatikanlah sebuah rangkaian tertutup sederhana berikut ini

Dari rangkaian sederhana di atas, maka akan berlaku persamaan berikut (anggap arah loop searah arah arus)

I . R + I . r - E = 0..............1)

E = I (R + r)

I = E/(R + r)

Persamaan 1 dapat ditulis dalam bentuk lain seperti berikut

I . R = E - I . r

Di mana I . R adalah beda potensial pada komponen resistor R, yang juga sering disebut dengan tegangan jepit 

Macam-Macam Hubungan/Rangkaian Listrik

Rangkaian ( pada ruang lingkup elektro) adalah suatu perangkat yang terdiri dari beberapa komponen elektro yang saling terhubung secara harmonis dan terstruktur sehingga memberi ouput tertentu yang telah kita harapkan sebelumnya. Rangkaian pada umumnya harus terdiri dari sumber tegangan listrik, kabel , dan tahanan. Sumber tegangan bisa berupa baterai atau accumulator , sedangkan tahanan bisa berupa resistor, led, lampu dan sebagainya .

Electers! Rangkaian terbagi menjadi 2 jenis berdasarkan kerjanya , yakni :

1) Rangkaian tertutup

Dalam rangkaian ini terjadi perbedaan tegangan listrik , oleh karenanya terdapat arus listrik dan pergerakan elektron. Dalam rangkaian ini elektron yang terdapat pada sumber tegangan negatif lancar mengalir menuju sumber tegangan positif tanpa “terganggu” maupun “terhalang” .

Begini gambaranya :

2) Rangkaian terbuka

Merupakan kebalikan dari rangkaian tertutup, dalam rangkaian ini tidak ada perbedaan tegangan . Sehingga tidak ada pergerakan elektron yang menyebabkan tidak adanya arus listrik. Dalam rangkaian ini elektron tidak akan bergerak menuju kutup positif sumber tegangan , karena rangkaian tersebut tidak terhubung semestinya ( terganggu).

Begini gambarannya :

Rangkaian Listrik Berdasarkan Susunanya

Rangkaian listrik adalah susunan komponen-komponen elektronika yang dirangkai dengan sumber tegangan menjadi satu kesatuan yang memiliki fungsi dan kegunaan tertentu. Arus listrik dalam suatu rangkaian listrik hanya dapat mengalir jika rangkaian listrik tersebut berada dalam keadaan terbuka. Berikut adalah ilustrasi rangkaian listrik

 

Dari simulasi rangkaian listrik di atas, lampu akan menyala apabila rangkaian berada dalam kondisi tertutup (tersambung dengan saklar). Lampu menyala karena dalam rangkaian tersebut mengalir arus listrik sebesar I. Berdasarkan susunan komponen komponennya, rangkaian listrik dibedakan manjadi 3, yaitu rangkaian seri, rangkaian paralel, dan rangkaian campuran (seri-paralel). Sedangkan menurut kompleksitas rangkaian, rangkaian listrik dibedakan menjadi rangkaian listrik sederhana dan rangkaian listrik majemuk .

Rangkaian Listrik Seri

Rangkaian listrik seri adalah suatu rangkaian listrik, di mana input suatu komponen berasal dari output komponen lainnya. Hal inilah yang menyebabkan rangkaian listrik seri dapat menghemat biaya (digunakan sedikit kabel penghubung). Selain memeliki kelebihan, rangkaian listrik seri juga memiliki suatu kelemahan, yaitu jika salah satu komponen dicabut atau rusak, maka komponen yang lain tidak akan berfungsi sebagaimana mestinya. Misal tiga buah bola lampu dirangkai seri, maka input dari lampu satu akan datang dari output lampu yang lain. Jika salah satu lampu dicabut atau rusak, maka lampu yan lain akan ikut padam. Perhatikanlah rangkaian seri tiga lampu berikut

Persamaan persamaan dalam rangkaian hambatan seri

Persamaan hambatan pengganti rangkaian seri dapat dicari dari persamaan awal, di mana kuat arus listrik pada tiap tiap hambaran adalah sama, sedangkan beda potensial di tiap tiap hambatan bernilai berbeda. Untu melihat persamaan hambatan seri, tekanlah tombol berikut

Rangkaian Listrik Paralel

Rangakain listrik paralel adalah suatu rangkaian listrik, di mana semua input komponen berasal dari sumber yang sama. Semua komponen satu sama lain tersusun paralel. Hal inilah yang menyebabkan susunan paralel dalam rangkaian listrik menghabiskan biaya yang lebih banyak (kabel penghubung yang diperlukan lebih banyak). Selain kelemahan tersebut, susunan paralel memiliki kelebihan tertentu dibandingkan susunan seri. Adapun kelebihannya adalah jika salah satu komponen dicabut atau rusak, maka komponen yang lain tetap berfungsi sebagaimana mestinya. Misal tiga buah lampu tersusun paralel, jika salah satu lampu dicabut atau rusak, maka lampu yang lain tidak akan ikut mati.

 Perhatikanlah gambar susunan paralel tiga lampu berikut ini

Persamaan Persamaan Dalam Rangkaian Hambatan Paralel

Persamaan hambatan pengganti paralel dapat dicari dari persamaan awal, di mana beda potensial di masing masing komponen adalah sama satu sama lain, sedangkan kuat arus yang masuk titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus di masing masing komponen. Untuk melihat persamaan hambatan pengganti paralel, tekanlah tombol berikut

Rangkaian Listrik Campuran

Rangkaian listrik campuran (seri-paralel) merupakan rangkaian listrik gabungan dari rangkaian listrik seri dan rangkaian listrik paralel. Untuk lebih jelasnya tentang rangkaian listrik gabungan (seri-paralel) perhatikanlah ilustrasi berikut

Untuk mencari besarnya hambatan pengganti rangkaian listrik gabungan seri - paralel adalah dengan mencari besaranya hambatan tiap tiap model rangkaian (rangkaian seri dan rangkaian paralel), selanjutnya mencari hambatan gabungan dari model rangkaian akhir yang didapat. Misalnya seperti rangkaian di atas, maka model rangkaian akhir yang didapat adalah model rangkaian seri, sehingga hambatan total rangkaian dicari dengan persamaan hambatan pengganti rangkaian hambatan seri.

Persamaan Persamaan Dalam Rangkaian Listrik Campuran

Rangkaian hambatan campuran seri-paralel terdiri dari dua jenis rangkaian, yaitu rangkaian hambatan seri dan rangkaian hambatan paralel. Persamaannnya tidak lain adalah persamaan yang berlaku dalam rangkaian seri dan rangkaian paralel. Untuk melihat persamaan hambatan campuran seri-paralel, perhatikanlah tekanlah tombol berikut

Rangkaian Listrik Majemuk

Rangkaian Listrik majemuk adalah rangkaian listrik yang terdiri dari dua buah loop atau lebih. Gamabra berikut adalah rangkaian listrik majemuk beserta cara memecahkannya

Langkah-langkah untuk menyelesaikan rangkaian majemuk di atas adalah:

1) Andaikan arah loop I dan loop II seperti pada gambar

2) Arus listrik yang melalui r₁, R₁, dan R₄ adalah sebesar I₁, yang melalui r₂, R₂, dan R₃ adalah sebesar I₂, dan R₅ dilalui arus sebesar I₃

3) Persamaan Hukum I Kirchoff pada titik cabang b dan e adalah

I₁ + I₂ = I₃

I₃ = I₁ + I₂

4) Persamaan Hukum III Kirchoff pada setiap loop adalah seperti berikut

Loop I

a-b-e-f-a (arah looop sama dengan arah arus)

ΣE + ΣV = 0

I₁R₁ + I₃R₅ + I₁R₄ + I₁r₁ - E₁ = 0

E₁ = I₁(r₁ + R₁ + R₄) + I₃R₅

Loop II

b-e-d-c-b (arah loop searah dengan arah arus)

ΣE + ΣV = 0

I₃R₅ + I₂R₃ + I₂r₂ - E₂ + I₂R₂ = 0

Dengan menggunakan Hukum I Kirchoff, diperoleh persamaan I₃ = I₁ + I_2, dan dari Hukum II Kirchoff diperoleh persamaan (1) dan persamaan (2). Dari ketiga persamaan tersebut dapat ditentukan nilai dari I₁, I₂, dan I₃. Jika dalam perhitungan diudapat kuat arus berharga negatif, berarti arah arus sebenarnya berlawanan dengan arah arus yang anda andaikan. Namun perhitungannya tidak perlu diulang karena nilai arusnya adalah tetap sama hanya arahnya saja yang berbeda.

Latihan Memecahkan Suatu Rangkaian Majemuk

Perhatikanlah gambar rangkaian berikut.Tentukanlah besar tegangan listrik antara titk a dan b

Tahap Penyelesaian:

1) Gambarkan arah arus pada setiap loop

Hukum I Kirchoff pada titik P

I₃ = I₁ + I₂..................(1)

2) Persamaan Hukum II Kirchoff pada setiap loop

Loop I (arah loop searah putaran jarum jam)

Σ E + Σ IR = 0

-3 + 12 + I₁(3 + 1 + 2) - I2 = 0

6I₁ - I2 = -9.......................(2)

Loop II (arah loop searah putaran jarum jam)

Σ E + Σ IR = 0

-12 + I₂ + 4,5 I₃ = 0

-12 = I₂ + 4,5(I₁ + I₂) = 0

4,5 I₁ + 5,5 I₂ = 12

9 I₁ + 11 I₂ = 24.................(3)

3) Kemudian eliminasi persamaan (2) dan persamaan (3) untuk memperoleh nilai I₁

4) Untuk memperoleh nilai I₂, substitusikan nilai I₁ ke dalam persamaan (2)

6I₁ - I2 = -9

6(-1) - I₂ = -9

I₂ = 3A

5) Menghitung nilai I₁ dari persamaan 1)

I₃ = I₁ + I₂

-1 A + 3 A = 2 A

6) Menghitung tegangan listrik antar titik a dan b

V_ab = I₃ . R

Vab = 2 A . 4,5 Ω= 9 volt

Dalam menyelesaian soal rangkaian listrik, perlu diperhatikan :

1. Hambatan R yang dialiri arus listrik. Hambatan R diabaikan jika tidak
    dilalui arus listrik.

2. Hambatan R umumnya tetap, sehingga lebih cepat menggunakan
    rumus yang berhubungan dengan hambatan R tersebut.

3. Rumus yang sering digunakan: hukum Ohm, hukum Kirchoff, sifat
    rangkaian, energi dan daya listrik.