TEKNIK TENAGA LISTRIK DAN ELEKTRONIKA

Materi :1. Pendahuluan2. Pandangan singkat masalah Teknik tenaga

Listrik3. Element-element listrik dan Elektronika4. Penggunaan rumus-rumus Kelistrikan dan

Elektronika5. Dasar Mesin-mesin Listrik dalam Industri6. Model system pengendalian mesin-mesin

listrik7. Pembebanan motor-motor dalam Industri8. Stabilisitas sistem

Referensi :

1. Arismunandar, A., 1973, Teknik Tenaga Listrik jilid II, Pradya Paramita, Jakarta

2. Bolton W, Mechatronics Electronic Control

Systems In Mechanbical Enginering

3. D. Chattopadhyay., P.C. Rakshit, 1989, Dasar

Elektronika, UI press, Jakarta.

4. H.C. Yohannes., 1979, Dasar-Dasar Elektronika,

Ghalia Indonesia.

5. Thomas Sri Widodo, DEA, Dipl.Ing, 2002,

Elektronika Dasar, Salemba Teknika.

6. Michael Neidle., 1982, Elektrical Instalation Teknology, Macmillan Press Ltd.

1

7. Michael Neidle., 1979, Basic Elektrical Instalations, 2nd Edition, Macmillan Press Ltd.

8. Suyanto M, 2000, Diktat kuliah Instalasi listrik jilid 1, ISTA Jogjakarta.

9. Van Harten P, Setiawan E., 1991, Instalasi Listrik Arus Kuat Jilid III, Bina Cipta, Bandung

10. Zuhal, 1988, Dasar teknik Tenaga listrik Dan elektronika daya, PT Gramedia

Pendahuluan

Piranti-piranti pengontrol otomatis ini sangat

berguna bagi manusia. Apalagi jika ditambah

dengan suatu kecerdasan melalui program yang

ditanamkan dalam sistem tersebut akan semakin

meringankan tugas-tugas manusia. Akan tetapi

secerdas apapun sebuah mesin tentu masih

membutuhkan peranan manusia untuk mengatur

dan mengontrol piranti-piranti ini. Otomasi

kontrol bukan untuk menggantikan sepenuhnya

peranan manusia, tetapi mengurangi peranan

dan meringankan tugas-tugas manusia dalam

pengontrolan suatu proses.

2

Dengan adanya perkembangan teknologi, maka mata kuliah Teknik Tenaga Listrik atau Teknik Kendali (control automatic) memberikan kemudahan dalam :

1. Mendapatkan performansi dari sistem Dinamik,

2. Dapat mempertinggi kualitas produksi 3. Menurunkan biaya produksi, 4. Mempertinggi laju produksi, 5. Dan meniadakan pekerjaan- pekerjaan rutin

yang membosankan, yang harus dilakukan oleh manusia.

Maka dengan mencakup konsep-konsep teori jaringan (Network theori) akan mendapatkan suatu analisis system pengaturan dan pengendalian pada hasil keluaran (output) yang dikehendaki.Dengan demikian didalam permasalahan “Analisis Sistem Teknik” akan dibahas masalah:

• System dan model system, juga perumusan matematis system yang ditinjau dan serta cara penyelesaiannya.• Untuk teknik umpan balik (feedback ) adalah merupakan salah satu proses paling dasar dan hampir terdapat di semua system dinamik antara lain :

- Hal-hal yang berkaitan dengan diri manusia- Hubungan antara manusia dengan mesin-mesin- Peralatan-peralatan yang saling menunjang.

3

Sehingga system adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersama-sama dan dapat menjalannkan tugas-tugas tertentu antara lain:

- Sistem Elektris- Sistem Mekanis- Sistem Thermis- Sistem Biologis

Contoh : Open Loop System

Yaitu : akibat pengaruh output kepada input melalui operator ( Manusia )

Closed loop control System: Yaitu pengaruh output ke input disebut “ feedback “ yang berarti suatu komponen keadaan tiap saat dari output (akibat) diberitaukan ke input ( penyebab ). Jadi “ Input dan output berasama-sama mengatur kerja system sampai output mencapai harga yang diinginkan.

4

I(t)

S t=0

V1+

-

R2

S R OutputInput

Pengatur Penggerak

R

B

+

-

Input Output

Penggerak

Pengukur

B ( bimetal ) : yang terdiri dari dua buah keeping logam yang mempunyai koefisient expansitermal (ά ) yang berlainan dan dilekatkan menjadi satu. Dengan adanya perbedaan expansitermal tersebut, bila bimetal dipanaskan atau didinginkan akan mengalammi perubahan bentuk, atau berubah bentuk sehingga terjadi perubahan pada jari-jari tertentu.

Elemen-elemen Listrik

1. Elemen Listrik Pasif : Adalah elemen listrik yang mempunyai sifat menerima/membutuhkan tegangan listrik.• Resistor• Capasitor• Induktor

2. Elemen Listrik Aktif : Adalah elemen listrik yang mempunyai sifat membangkitkan atau memberikan tenaga listrik.

• Sumber Arus• Sumber tegangan

Komponen-komponen Listrik

5

Resistor : Adalah suatu hambatan dari suatu benda sebagai penghantar atau Isolator.

Besarnya hambatan (Resistansi ) dari bahan dapat dirumuskan sebagai berikut :

Tahanan suatu bahan /material tergantung pada :

A

LR ρ= dimana : R = Besarnya Hambatan ( Ω )

ρ = Hambatan Jenis (Ωm ) L = Panjang bahan ( m ) A = Luas penampang

( mm2 )

Hambatan yang sengaja dibuat untuk tujuan tertentu misalnya, akan dipakai untuk membatasi arus yang akan mengalir sehingga memberikan tegangan tertentu :Maka dapat dikatakan sebagai penghantar

( Konduktor ): karena mempunyai nilai tahanan yang rendah. Seperti

- Logam- Logam Campuran- Larutan asam

Disebut sebagai Isolator karena mempunyai hambatan isolasi yang tinggi

Misal : Mika, gelas, Karet, PVC

Hubungan Tahnan (R ) dengan temperature ( T ) adalah :

6

ά

R

t C

234,5 C

R0

Rt1

t1 ? tC

Sudut Linear selalu sama pada mumnya, bila temperature naik nilai tahnan ( R ) juga ikut naik. Apabila kenaikkannya linear,maka hubungan antara R dan T

dimana :

R0 = Tahanan pada 00C Rt = Tahanan pada t0C T = Temperature

ά = Koefisien suhu tahanan

( )

( ) ( )( ) ( ) ( ) 1

2020100

200

1

22002

1001

111

1....................1

1

−⋅+×⋅+=⋅+⋅+

=⇒⋅+=

⋅+=

tttR

tR

R

RtRR

tRR

ααααα

α

( )( ) =

⋅+⋅+=

100

200

1

2

1

1

tR

tR

R

R

αα ( ) ( ) 1

2020 11 −⋅+×⋅+ tt αα

= ( ) ( ) 12020 11 −⋅−×⋅+ tt αα

7

ά1

R

t C

234,5 C

R0

R2

t2 ? tC

ά2R1

t1

)(1 1212 ttRR −+= α

( )tRRt .101 α+=

= ( )212

020101 tttt ⋅⋅−⋅+⋅− ααα

( )[ ] ( ) kti.....terbuttα1RR1)....1(1 121212212 −+=⇒∴−+→⋅+⋅−= ttttR

R ααα

Sumber Arus dan Tegangan

Didalam elemen listrik aktip dapat dikatakan sebagai sumber arus atau sumber tenaga, tetapi untuk penekanan terhadap waktu yang panjang, apakah tegangan atau arus yang konstan.

• Untuk sumber Arus, berarti untuk waktu yang lama di,ana besarnya arus dapat dikatakan konstan.

Untuk sumber tegangan, dimana dapat konstan :

Contoh Soal :

8

I = sumber arus DC

I(t) = sumber arus AC

t=0 π 2πt

ФmФmEmax

Emin

V(AC)

t

E

V(dc)

V(dc)

+

Vin

+I

R1

R2 Vout

S t=0

a. Tuliskan persamaan system “ Open loop “ untuk V0(tegangan keluaran ) sebagai fungsi dari ( Vin, R1 dan R2 ).b. Tuliskan persamaan system “ Closed loop “ untuk V0(tegangan keluaran ) sebagai fungsi dari ( Vin, Vout, R1 dan R2 ).

Penyelesaian :

Menurut Hukum Kirchoff I dan II Bahwa ( KCL da KVL )a). “ OPEN LOOP”

2120 ......

RR

VRV in

+=Ι→Ι⋅=

[ ]2121

20 ,.,.)(..... RRVffungsimemenuhiSehinggaV

RR

RV inin →×

+

=∴

b). “CLOSED LOOP”

Ι⋅=→−

= 21

......... RVSehinggaR

VVI out

outin

outinoutin

out VR

RV

R

R

R

VVRV ×

−×

=

−×=

!

2

1

2

12

21..... ,,,.()..(...... RRVVadalahfdarifungsiMemenuhiV outinout∴

Besaran-besaran listrik secara umum :Besaran listrik secara umum terdiri dari beberapa komponen

9

Komponen – komponen listrik

1. Resistansi :

Secara umum fungsi dari komponen resistor

adalah sebagai pengatur kuat arus yang

mengalir. Nilai resistor dinyatakan dalam satuan

ohm (Ω ). Resistor dilambangkan dengan huruf R,

sedangkan dalam skema disimbolkan sebagai :

Gambar 1. a. Simbol tahanan tetap

b. Simbol tahanan variabel

Jika resistor (R) dipasang pada tegangan (V) yang

tetap, maka :

a. Kuat arus I akan menjadi kecil, bila resistor R

besar.

10

a b

b. Kuat arus I akan menjadi besar, bila resistor

R kecil.

Menurut hukum ohm I bahwa : ixRVr = volt

maka : ( )tV ( )tRxi=

Daya yang dikeluarkan :

xRxiixRVrxiP i2

)( === watt

Energi (watt detik) dtpdw .= dimana :

∫= dww

Sehingga besarnya Energi adalah : ∫=∴ dtPw .

joule

Macam-macam resistor :

a. Resistor tetap, disebut weerstand (bahasa

Belanda) yang kaki-kakinya terletak pada

ujung-ujungnya dan dalam praktek dapat

dipasang bolak-balik. Nilai resistor dinyatakan

dengan warna gelang yang melingkar pada

bagian luar resistor tersebut. Kode warna

11

gelang diciptakan oleh perkumpulan pabrik-

pabrik radio Eropa dan Amerika yang bernama

RMA (Radio Manufactores Association). Setiap

resistor ditandai dengan 4 warna gelang,

dimana warna-warna tersebut melambangkan

angka-angka sebagai berikut :

Hitam : 0 (nol); Coklat: 1 (satu); Merah: 2

(dua); Jingga: 3 (tiga); Kuning : 4 (empat);

Hijau : 5 (lima); Biru: 6 (enam); Ungu: 7

(tujuh);Kelabu : 8 (delapan); Putih: 9

(sembilan)

Warna-warna untuk toleransinya sebagai

berikut :

Emas : 5%

Perak : 10%

Tanpa Warna : 20%

Gambar 2. Penunjuk Kode Warna

12

Keterangan :

• Pita pertama melambangkan angka

pertama.

• Pita kedua melambangkan angka kedua.

• Pita ketiga melambangkan banyaknya

angka nol.

• Pita warna keempat melambangkan

toleransi.

Contoh :

1) Merah, ungu, jingga, emas ; artinya 27 K

Ohm toleransi 5%.

2) Hijau, biru, coklat, emas ; artinya 560

Ohm toleransi 5%.

3) Jingga, putih, jingga, perak ; artinya 39 K

Ohm toleransi 10%.

Bila hanya terdapat tiga pita warna, sedang

pita warna keempat tidak ada berarti

toleransinya adalah 20%.

Contoh :

13

A n gka P e r ta m aA n g ka Ke d u a

B an ya k A n g ka n o lT o le r an si

1) Jingga, putih, merah ; artinya 3 K 9 Ohm

toleransi 20%.

2) Hijau, biru, kuning ; artinya 360 K Ohm

toleransi 20%.

Jika pita warna ketiga itu emas, maka dua

angka yang dilambangkan pita warna pertama

dan kedua dikalikan dengan 0,1 dan bila pita

warna ketiga itu perak pengalinya adalah 0,01.

Contoh :

1) Coklat, hitam, emas ; artinya 1 Ohm

toleransi 20%.

2) Merah, hijau, perak ; artinya 0,25 Ohm

toleransi 20%.

b. Variabel Resistor (VR)

Adalah resistor yang nilai hambatannya

dapat diubah-ubah, variabel resistor dapat

digolongkan menjadi 2 macam :

14

1)Potensimeter, ada 2 macam :

• Potensio Linier, ialah potensio yang

apabila kontak gesenya dipindah nilai

hambatannya berubah sesuai dengan

perhitungan linier.

• Potensio logaritmis, ialah potensio yang

apabila kontak gesenya dipindah nilai

hambatannya berubah sesuai dengan

perhitungan logaritma.

Potensiometeer kebanyakan dipergunakan

sebagai alat pengatur, misal :

1. Alat pengatur suara (Volume Control)

2. Alat pengatur nada (Tone Control)

3. Alat pengatur nada tinggi (Treble

Control)

4. Alat pengatur nada rendah (Bass

Control)

15

Gambar 2.3 Potensiometer dan lambangnya

2)Trimmer potensio = Trimpot

Cara merubah nilai hambatan pada

tripot adalah dengan jalan memutar

memakai obeng (drei).

Gambar 2.4 Trimer Potensio dan lambangnya

2.Kapasitor

Kapasitor atau biasa juga disebut

Kodensator, adalah merupakan komponen

elektronika yang dapat menyimpan tenaga listrik

16

A 50 K

dalam waktu tertentu, tanpa disertai reaksi kimia.

Kapasitor berlainan dengan aki, dimana aki juga

dapat menyimpan tenaga listrik, tetapi dengan

disertai reaksi kimia.

Pada dasarnya kapasitor terdiri dari 2 keping

penghantar (konduktor) yang disekat satu

dengan yang lain. Bahan penyekat keping ini

disebut Dielektrika (Gambar 3.5). Berdasarkan

bahan dielektikanya, maka kapasitor dibagi atas

berbagai macam-maca, diantaranya :

a. Kapasitor keramik : jika dielektikanya

keramik

b. Kapasitor kertas : jika dielektikanya

kertas

c. Kapasitor mika : jika dielektikanya mika

d. Kapasitor elektrolit (elco) : jika

dielektikanya oksida alumunium

17

e. Kapasitor variable (varco)

f. Kapasitor trimmer

Gambar 2.5 Dielektrika Kondensator

Dari bermacam-macam kapasitor

mempunyai kemampuan menyimpan tenaga

listrik yang berbeda-beda. Kemampuan

menyimpan tenaga listrik dari kapasitor disebut

kapasitansi (C), besar muatan (Q) diukur dengan

satuan coulomb. Dan kapasitor yang memperoleh

muatan listrik akan mempunyai tegangan antar

terminal sebesar (V) volt. Kapasitansi dapat

diukur berdasarkan besar muatan yang dapat

disimpan pada suatu kenaikan tegangan.

C = V

Q

18

Dielektika

Konduktor

Konduktor

Tegangan (V) : ∫= idtC

Vc1 Juga untuk

( ) ∫= idtC

tV1

Arus (i) : dt

dVcCi = sehingga ∫= idt

CVc

1

Maka : dt

dVcC

dtC

dVci ==

1

Permukaan kapasitor yang berhubungan

biasanya berbentuk plat rata. Ukuran kapasitor

bergantung pada luas plat (A), jarak antar plat (d)

dan medium penyekat. Kapasitansi juga dapat

diukur dengan rumus :

C = d

A∈

Dimana : ∈ = ∈ o .∈ r

∈ o = permitivitas tempat

∈ r = permitivitas relatif

Daya (P) : P = Vc x i =

∫idtc

1= dtc i∫

21 watt

19

Energi (w) yang tersimpan pada kapsitor dapat

dihitung dengan rumus :

dtdt

dVcVcxCdtVcxiPdtdw ∫ ∫ ∫=== .

Sehingga : VcxCxVcxdVcCw2

2

1∫ ==∴

Maka Energi mutlak = 2

1 C V2

Kapasitansi total dapat diubah dengan cara

menghubungkan beberapa kapasitor secara seri

atau pararel. Kapasitor total dapat dikurangi

dengan cara dihubungkan secara seri dan dapat

dicari dengan rumus :

n21 C

1...

C

1

C

1

CT

1 +++=

Sedangkan kapasitas total dapat ditambah

dengan cara dihubungkan secara pararel dan

dapat dicari dengan rumus :

CT = C1 + C2 + … + Cn

20

Satuan kapasitas dari kapasitor itu

dinyatakan dalam farad. 1 farad ialah

kemampuan kapasitor untuk menyimpan tenaga

listrik atau mesin listrik 1 coulomb, apabila

kapasitor itu diberi tegangan listrik 1 volt. Dalam

praktek, dibuat satuan-satuan yang lebih kecil,

yaitu :

1 mikrofarad (µ fd) = 10-6 farad

1 nanofarad (nf) = 10-9 farad

1 pikofarad (pfd) = 10-12 farad

Disamping untuk menyimpan tenaga atau

muatan listrik, kapasitor juga dapat digunakan

untuk :

a. Peredam bunga api (kapasitor keramik)

b. Perata denyut arus listrik (kapasitor

elektrolit)

21

c. Rangkaian resonansi dalam tuning sirkuit,

atau mencari gelombang radio (kapasitor

variable)

d. Menggeser gelombang atau menepatkan

frekuensi (kapasitor trimmer)

3. Transformator

Transformator atau biasa disebut dengan

trafo adalah alat untuk mengubah tegangan

bolak-balik menjadi lebih tinggi atau lebih rendah

dan digunakan untuk memindahkan energi dari

suatu rangkaian listrik ke rangkaian berikutnya

tanpa merubah frekuensi.

Dalam aplikasinya trafo dapat dibedakan

menjadi 2 macam yaitu :

22

1. Transformator Step-Up atau tranformator

penaik tegangan adalah tranformator yang

digunakan untuk menaikkan tegangan dari

rendah ke tegangan yang lebih tinggi.

2. Transformator Step-Down atau transformator

penurun tegangan adalah transformator yang

digunakan untuk menurunkan tegangan dari

tinggi ke tegangan yan lebih rendah.

Cara kerja transformator adalah sebagai berikut :

1. Jika kumparan primer dihubungkan dengan

sumber tegangan arus AC, maka pada

kumparan primer timbul garis-garis gaya

magnet yang berubah-ubah.

2. Perubahan garis-garis gaya dari kumparan

primer ini menginduksi kumparan sekunder

sehingga pada kumparan sekunder timbul arus

bolak-balik.

23

Dengan memilih jumlah lilitan yang sesuai

untuk tiap kumparan dapat dihasilkan GGL

kumparan sekunder yang berbeda dengan GGL

kumparan primer. Hubungan GGL atau tegangan

primer (Vp) tegangan sekunder (Vs), jumlah

lilitan kumparan primer (np) dan jumlah lilitan

kumparan sekunder (ns) dapat dinyatakan

dengan rumus :

sekunderlilitan Jumlah

primerlilitan Jumlah

sekunderTegangan

primerTegangan =

yang biasa disebut dengan perbandingan

transformasi. Dengan memperhatikan

perbandingan transformasi kita dapat

mengetahui jenis dari transformator tersebut

apakah trafo Step-Up atau Step-Down.

Pada transformator terdiri dari banyak belitan, sehinga dapat dipandang sebagai Induktor,

24

ns

np

Vs

Vp =

dengan demikian dapat diuraikan sebagai berikut :

Induktor mempunyai tegangan (V) : ( ) ( )dt

tdiLtV =

( ) dtxVlL

tdi .1=

Dimana : ( i) menyatakan sebagai fungsi waktu (t)

(L) menyatakan panjang lilitan (H)

Sehingga besarnya arus adalah ( ) ∫= dtVLL

i .1

Besarnya daya (P) : VLxiP = maka xi

dt

diLP = =

dt

diLxi watt

Energi yang tersimpan (w) : Pdtdw = maka ∫=∴ dtpw .

Sehingga : ∫∫ == diiLdtdt

diLxiw . maka (Energi) adalah

( ) ixLxW2

2

1= joule

25