K10-DLE(KD 3.4)

BAB 4. 3.4 Menganalisis teorema rangkaian listrik arus searah TITL DLE Teknik Instalasi DASAR LISTRIK & ELEKTRONIKA Tenaga Listrik

DASAR LISTRIK & ELEKTRONIKA Pengertian Listrik Arus Searah Gambar 4.1 Neraca Puntir Arus listrik searah (Direct Current atau DC) QUIZ 3.4 ( A ) adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang 1). Apa yang dimaksud dengan arus DC... energi potensialnya lebih rendah. 2). Bagaimana cara mengubah arus bolak Arus searah dulu dianggap sebagai arus positif balik menjadi arus searah... yang mengalir dari ujung positif sumber arus 3). Apa kesimpulan dari percobaan yang listrik ke ujung negatifnya. Pengamatan- pengamatan yang lebih baru menemukan dilakukan Charles Coulomb pada bahwa sebenarnya arus searah merupakan arus tahun 1785... negatif (elektron) yang mengalir dari kutub 4). Apa yang terjadi jika muatan positif (+) negatif ke kutub positif. Aliran elektron ini bertemu dengan muatan positif (+) ... menyebabkan terjadinya lubang-lubang 5). Neraca puntir memiliki fungsi... bermuatan positif, yang “tampak” mengalir dari kutub positif ke kutub negatif. Dengan perkembangan teknologi elektronika saat ini, listrik arus searah (DC) dapat dihasilkan dengan cara merubah Arus bolak-balik (AC) menjadi Arus Searah (DC) dengan menggunakan suatu alat yang disebut Power Supply atau Adaptor. Sebagai dasar dari rangkaian Power Supply adalah sebuah komponen diode yang dapat berfungsi sebagai penyearah, artinya adalah dapat merubah dan menyearahkan arus bolak- balik (AC) menjadi Arus Searah (DC). Hukum Coulomb Pengertian muatan listrik menunjukkan bahwa muatan tidak menyebar pada daerah tertentu melainkan berkumpul dalam satu titik. Pada tahun 1785 Charles Coulomb mengadakan penelitian pertama tentang gaya yang ditimbulkan oleh dua benda yang bermuatan dengan alat yang bernama neraca puntir coulomb. Dari hasil percobaan tersebut, Coulomb berkesimpulan : Besarnya gaya interaksi antara dua buah benda titik yang bermuatan listrik adalah berbanding lurus dengan perkalian antara masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan titik tersebut. Teknik Instalasi Tenaga Listrik 23

DASAR LISTRIK & ELEKTRONIKA Hukum Faraday 11 joule/coulomb. Potensial listrik dapat didefinisikan sebagai bentuk perbandingan Hukum Faraday secara grafis dengan energi listrik dengan muatan titik tersebut. menggunakan garis-garis gaya (kayalan). Konsep dasar ini dikemukakan oleh Michael Hukum Oersted Faraday yang berbunyi : Sebuah garis gaya dalam suatu medan listrik Jika muatan listrik mengalir melalui kawat adalah sebuah penghantar konduktor, maka akan timbul garis gaya yang dilukiskan apabila garis pengaruh magnetik disekitar kawar berarus singgung pada setiap titiknya menunjukkan tersebut. Pengaruh magnetik ini mampu arah medan listrik pada titik tersebut. menarik bahan magnetik lainnya. Jika serbuk besi diletakkan disekitar kawat berarus maka Gambar 4.2 Hukum Faraday serbuk besi tersebut akan berarah secara teratur. Garis gaya menuju keluar dari muatan positif Hans Christian Oersted, pada tahun 1820, dan masuk menuju kemuatan negatif. Untuk mengadakan penelitian menunjukkan arah-arah garis gaya dapat tentang pengaruh medan magnet disekitar dilakukan percobaan sebagai berikut : kawat berarus. Susunan percobaan Oersted Kuat medan listrik pada sebuah titik didalam tersusun seperti gambar dibawah ini. ruang adalah sebanding dengan jumlah garis gaya per satuan luas permukaan yang tegak Gambar 4.3 Susunan Percobaan Oersted lurus medan listrik pada titik tersebut. Dapat disimpulkan bahwa kuat medan listrik akan QUIZ 3.4 ( B ) terasa kuat apabila jarak antara kedua muatan tersebut saling berdekatan, sehingga garis 1). Apa bunyi Konsep dasar yang gaya yang dihasilkan sangat rapat. Sebaliknya dikemukakan oleh Michael Faraday... jika kedua muatan tersebut berjauhan, maka kuat medan listrik yang terbentuk akan lemah. 2). Satuan SI beda potensial listrik... Penggunaan dari potensial listrik dapat 3). Apa kesimpulan dari hukum faraday... dihubungkan dengan 4). Penelitian tentang pengaruh medan konsep medan listrik, dasar-dasar rangkaian listrik, serta masalah praktis yang terkait magnet di sekitar kawat berarus dengan piranti-piranti listrik. Untuk diadakan oleh... menjelaskan 5). Beda potensial sebesar 1 volt memiliki definisi dan sifat dari dua buah titik yang saling nilai yang sama dengan... beda potensial dan terletak pada sebuah medan listrik sebagai beda potensial antara dua titik tersebut. Beda potensial antara dua titik adalah kerja yang dilakukan per satuan muatan jika muatan tersebut dipindahkan. Dalam satuan SI, satuan beda potensial listrik adalah Volt ( disingkat V), dengan 1 volt= 24 Teknik Instalasi Tenaga Listrik

DASAR LISTRIK & ELEKTRONIKA Kawat berarus akan menimbulkan jarum pada Untuk menganalisa suatu rangkaian yang kompas bergerak. Kesimpulan yang dapat komplek dapat menggunakan hukum kirchoff diambil adalah Dalam kawat penghantar yang tentang arus (Kirchoff’s Current Law, disingkat dilewati arus listrik disekitarnya akan timbul KCL) dan hukum kirchoff tentang tegangan garis gaya magnet. (Kirchoff’s Voltage Law, disingkat KVL) Seperti halnya bumi yang memiliki medan Hukum Kirchoff 1 adalah Hukum Kirchoff magnet, khasiat jarum kompas sudah sangat Tentang Arus (KCL). terkenal. Jumlah aljabar keseluruhan arus yang menuju Gambar 4.4 Jarum Kompas titik percabangana adalah nol. Titik Disekitar medan magnet permanen atau kawat percabangan adalah titik pertemuan tiga atau penghantar berarus merupakan daerah medan lebih arus ke- atau dari unsur rangkaian atau magnet. Vektor dalam medan magnet tersebut sumber tegangan. dilambangkan dengan B atau disebut dengan Dalam hukum ini, dipakai suatu perjanjian induksi medan magnet. Dalam SI, satuan bahwa arus yang menuju titik percabangan induksi magnet B adalah Tesla. ditulis dengan tanda positif dan aarus yang tudak menuju (meninggalkan titik percabangan ditulis dengan tanda negatif. I1 + I2 + I4 = I3, atau I1 + I2 – I3 + I4 = 0 Rangkaian Listrik Arus Searah Gambar 4.5 Pengertian KCL Hukum Ohm QUIZ 3.4 ( C ) Jika beda potensial pada ujung kawat dapat 1). Arus dituliskan dengan lambang... dipertahankan konstan, maka akan 2). Apa Satuan muatan listrik... menimbulkan aliran muatan listrik atau yang 3). Muatan sebesar 180 coulomb mengalir disebut dengan aliran arus listrik. Definisi arus listrik (I) adalah jumlah muatan (Q) listrik yang dalam 30 detik. Berapakah kuat arus mengaklir dalam penghantar tiap satuan listriknya... waktu (t). Jadi 1 Ampere sama dengan 1 coulomb 4). Diketahui kuat arus sebuah sumber perdetik. listrik adalah 5 A, hitunglah muatan yang mengalir selama 1 menit... Hukum ohm berbunyi “kuat arus yang mengalir 5). Apa bunyi Hukum Ohm... dalam suatu penghantar (hambatan) besarnya sebanding dengan beda potensial (tegangan) antara ujung-ujung penghantar tersebut”. Hukum Kirchoff Aplikasi hukum hanya digunakan untuk analisa rangkaian- rangkaian sederhana. Teknik Instalasi Tenaga Listrik 25

DASAR LISTRIK & ELEKTRONIKA Gambar 4.5 diatas menjelaskan tentang Pada umumnya rangkaian listrik terdiri dari pengertian dari KCL, dimana nilai arus listrik beberapa loop dan titik-titik percabangan yang melalui masing-masing tahanan dapat dengan satu atau lebih sumber tegangan yang ditentukan. Pengertian yang didapat jumlah digunakan. Apabila nilai dari suatu sumber keseluruhan nilai arus yang mengalir pada tegangan sudah diketahui, maka besaran yang suatu titik percabangan adalah nol. harus dianalisa adalah nilai arus pada masing- masing penghantar yang masuk atau Hukum Kirchoff 2, Hukum Kirchoff tentang meninggalkan titik percabangan atau nilai tegangan (KVL) Jumlah aljabar keseluruhan tegangan pada masing-masing tahanan penurunan tegangan (voltage drops) dalam dari rangkaian tersebut. jumlah persamaan suatu rangkaian tertutup (loop) yang dibaca yang digunakan untuk menganalisa suatu satu arah tertentu sama dengan nol. besaran belum dapat diketahui, yang telah Yang dimaksud dengan penurunan tegangan harus sebanyak jumlah besaran yang hendak dalam hukum tersebut dalam hubunganya diketahui harganya. dengan satu arah tertentu adalah sebagai Catatan yang perlu dikemukakan : berikut : 1. Banyaknya persamaan KCL yang dapat disajikan adalah sama denganjumlah titik Gambar 4.6 Penurunan Tegangan percabangan yang ada dikurang. 2. Banyaknya persamaan KVL sama dengan a.Untuk unsur tahanan banyaknya loop independen. Suatu loop Apabila tegangan dibaca dari + ke -, dengan dikatakan independen bila tidak dapat arah baca yang sama dengan arah arus I yang dijabarkan dari persamaan KVL loop yang lain. mengalir, maka harga V=RI adalah penurunan Selain dari catatan diatas, penyelesaian dengan tegangan. Untuk memahaminya beri tanda menggunakan sistem penyederhanaan bagian positif (+) pada V dan beri tanda positif (+) pada rangkaian yang tersusun seri maupun paralel, RI. Sedangkan apabila pembacaan tegangan akan sangat membantu. berlawanan dengan arah arus berilah tanda (-) V atau (-)RI. Sumber Arus listrik Searah Semua sumber listrik yang dapat menimbulkan arus listrik tetap terhadap waktu dan arah tertentu disebut sumber-sumber listrik arus searah. Sumber listrik arus searah dibagi menjadi empat macam. Gambar 4.7 Unsur Tahanan QUIZ 3.4 ( D ) b. Untuk sumber tegangan 1). Apa lambang arus listrik ... Bila arah baca dari a ke b, maka adalah suatu 2). Apa Satuan muatan listrik... penurun tegangan berilah tanda positif pada V. 3). Muatan sebesar 180 coulomb mengalir Atau dengan kata lain, apabila menuruti arah dalam 30 detik. Hitunglah kuat arus baca + dari sumber tegangan, tulis V positif. listriknya!... Sebalik jika pembacaan dari kutub – sumber 4). Jika diketahui kuat arus sebuah sumber tegangan maka V ditulis dengan tanda negatif. arus listrik adalah 5 A, hitunglah muatan yang mengalir selama 1 menit... 5). apa bunyi hukum ohm... 26 Gambar 4.8 Sumber Tegangan Teknik Instalasi Tenaga Listrik

DASAR LISTRIK & ELEKTRONIKA Elemen Elektrokimia Elemen Sekunder Elemen elektrokimia adalah sumber listrik arus Elemen sekunder adalah sumber arus listrik searah dari proses kimiawi. Dalam elemen ini yang tidak memerlukan penggantian bahan terjadi perubahan energi kimia menjadi energi pereaksi (elemen) setelah sumber arus habis listrik. Elemen elektrokimia dapat dibedakan digunakan. berdasarkan lama pemakaiannya sebagai Sumber ini dapat digunakan kembali setelah berikut. diberikan kembali energi (diisi atau disetrum). Contoh dari elemen sekunder yaitu akumulator Elemen Primer (aki). Akumulator adalah termasuk sumber listrik yang dapat menghasilkan Tegangan Elemen primer adalah sumber listrik arus Listrik Arus Searah (DC). Prinsip kerja dari searah yang memerlukan penggantian bahan aumulator adalah berdasarkan proses kimia. setelah dipakai. Contoh elemen primer sebagai Secara sederhana, prinsip kerja akumulator berikut: dapat dijelaskan sebagai berikut. Elemen volta adalah sejenis baterai kuno Pemakaian, Pada saat akumulator dipakai, yang diciptakan oleh Alesandro Volta.. terjadi pelepasan energi dari akumulator Elemen volta masih diterapkan sampai saat menuju lampu. Dalam peristiwa ini, arus ini. Meskipun bentuknya sudah listrik mengalir dari kutub positif ke pelat dimodifikasi. Elemen volta terdiri atas 2 kutub negatif. Setelah akumulator dipakai elektroda dari logam yang berbeda yang beberapa saat, pelat kutub negatif dan dicelupkan pada cairan asam atau larutan positif akan dilapisi oleh sulfat. Hal ini garam. Pada zaman dahulu, cairan asam menyebabkan beda potensial kedua kutub atau garam tersebut berupa kain yang menjadi sama dan kedua kutub menjadi dicelup dalam larutan garam/asam. netral. Penemu elemen daniel adalah John Frederic Pengisian, Setelah kedua kutub netral dan Daniell. Elemen Daniell adalah elemen yang arus tidak mengalir, kita harus menyetrum gaya gerak listriknya agak lama karena aki agar dapat digunakan kembali. Pada saat adanya depolarisator. Depolarisator adalah aki diestrum, arah arus berlawanan dengan zat yang dapat menghambat terjadinya pada saat digunakan,yaitu dari kutub polarisasi gas hidrogen. Depolarisator pada negatif ke positif. elemen ini adalah larutan tembaga (sulfat). Contoh lainnya seperti batu baterai yang Jenis elemen leclanche ada dua macam, digunakan pada telepon genggam (Hp), laptop, yaitu elemen kering dan basah, terdiri atas kamera, lampu emergensi dll. dua bejana kaca yang berisi: QUIZ 3.4 ( E ) batang karbon sebagai kutub positif (anoda) 1). Dalam elemen elektrokimia, energi batang seng sebagai kutub negatif kimia berubah menjadi... (katoda) Batu kawi sebagai depolarisator 2). Elemen leclanche terbagi 2 macam larutan amonium klorida sebagai yaitu... elektrolit Elemen kering adalah sumber arus listrik yang 3). Sebutkan 2 contoh Elemen Sekunder dibuat dari bahan-bahan kering yang tidak yang kamu ketahui... dapat diisi kembali (sekali pakai). Elemen ini termasuk elemen primer. Contoh elemen 4). Elemen volta diciptakan oleh... kering antara lain, batu baterai dan baterai perak oksida (baterai untuk jam tangan). Bahan 5). Suatu sumber yang dapat digunakan untuk kutub positif digunakan batang karbon, kembali disebut... dan untuk kutub negatif digunakan lempeng seng. Teknik Instalasi Tenaga Listrik 27

DASAR LISTRIK & ELEKTRONIKA Generator Arus Searah Sel Surya (Solar Cell) Generator arus searah adalah alat yang Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah digunakan untuk mengubah energi gerak alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah (mekanis) menjadi energi listrik dengan arus wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, searah. Generator DC dibedakan menjadi dalam hadirnya cahaya matahari mampu beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian menciptakan energi listrik yang berguna. belitan magnet atau penguat eksitasinya Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. terhadap jangkar (anker), jenis generator DC Bidang riset berhubungan dengan sel surya yaitu: dikenal sebagai photovoltaics. Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka Generator penguat terpisah terutama cocok untuk digunakan bila tenaga Generator shunt listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah Generator kompon terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam Generator DC terdiri dua bagian, yang pertama bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan di atap gedung di mana mereka berhubungan yang kedua, bagian rotor, yaitu bagian mesin dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: pengaturan net metering. Prinsip kerjanya rangka motor, belitan stator, sikat arang, sebagai berikut. bearing dan terminal box. Jika pelat foil alumunium terkena cahaya Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, matahari, maka pelat alumunium akan panas belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor. dan diteruskan ke pelat silikon. Silikon bersifat Prinsip kerja generator ini adalah induksi semikonduktor, sehingga pada suhu yang elektromagnetik (perubahan medan magnet tinggi, elektron-elektron akan terlepas dan yang terjadi pada kumparan kawat sehingga menempel pada foil alumunium dan muatan- terjadi arus listrik). muatan positifnya menempel pada foil besi. Jika Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah kedua foil dihubungkan melalui rangkaian luar, generator diperoleh melalui dua cara: maka akan menimbulkan aliran elektron. dengan menggunakan cincin-seret, QUIZ 3.4 ( F ) menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. dengan menggunakan komutator, 1). Sebutkan 3 jenis generator DC... menghasilkan tegangan DC. 2). Bagian generator DC terbagi menjadi Termoelemen 2 bagian yaitu... Termoelemen adalah sumber arus listrik searah 3). Sumber listrik yang merubah energi dari proses yang terjadi karena adanya panas menjadi energi listrik adalah... perbedaan suhu. Termoelemen mengubah energi panas menjadi energi listrik. Peristiwa ini 4). Sumber listrik yang merubah energi dikemukakan oleh Thomas John Seebach pada cahaya menjadi energi listrik adalah... tahun 1826. Arus yang ditimbulkan dari kejadian ini disebut 5). Cara kerja Panel Surya yaitu ... termoelemen. Semakin besar perbedaan suhu antara A dan B, semakin besar arus yang Ini karena pada kedua foil tersebut, terdapat mengalir. Tetapi, karena arus yang dihasilkan perbedaan potensial. Potensial yang relatif kecil, termoelemen belum dapat dibangkitkan oleh sel surya sangat kecil. dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. 28 Teknik Instalasi Tenaga Listrik

DASAR LISTRIK & ELEKTRONIKA Sehingga membutuhkan banyak sekali sel Sel Pembahasan surya juga terlalu mahal sehingga Paralel antara R2 dan R3 namakan R23 sebesar penggunaannya sangat terbatas pada alat-alat 60 Ω tertentu saja. Paralel antara R4 , R5 dan R6 namakan R46 Besar arusnya pun sangat bergantung pada sebesar 40 Ω intensitas cahaya yang menembus pelat, jumlah Paralel antara R7 , R8 , R9 dan R10 namakan sel yang ada, dan luas penampang yang terkena R710 sebesar 30 Ω cahaya. Contoh barang yang telah Seri antara R1 , R23 , R46 dan R710 menggunakan tenaga surya yaitu, mobil listrik menghasilkan RAB tenaga surya dan sumber energi pada satelit. RAB = 120 + 60 + 40 + 30 = 250 Ω Jadi, hambatan pengganti (hambatan total) Perbedaan Listrik Arus Searah Dan Arus Bolak antara titik A dan B yaitu 250 Ω Balik QUIZ 3.4 ( G ) Perbedaan yang paling mendasar dari arus searah dan arus bolak balik adalah terletak 1). Contoh barang yang menggunakan pada arah arusnya. Arah arus searah tenaga surya... mengalir dalam satu arah sedangkan arah arus bolak-balik mengalir dalam dua arah. 2). Perbedaan yang paling mendasar dari Bentuk grafik arus searah (AC) adalah grafik arus searah dan arus bolak balik lurus (tegangannya tetap terhadap waktu). adalah Bentuk grafik arus bolak-balik adalah siusoidal yang artinya tegangannya berubah 3). Bentuk grafik arus searah (AC) terhadap waktu. adalah... Tegangan listrik searah menghasilkan tegangan listrik yang kecil sehingga hanya 4). Tegangan listrik searah menghasilkan dapat digunakan pada alat elektronika yang tegangan listrik yang kecil sehingga... membutuhkan energi listrik yang kecil. Tegangan listrik bolak-balik menghasilkan tegangan yang besar sehingga bisa dipakai untuk alat elektronika yang membutuhkan energi listrik yang besar. Sumber arus listrik searah dari PLN. Sumber DC dari aki maupun batere kering. Gambar 4.9 Konsep Hukum Ohm 29 Tentukan hambatan pengganti (hambatan total) antara titik A dan B dari gambar rangkaian di atas! Teknik Instalasi Tenaga Listrik