1

BAB I

KONSEP DASAR RANGKAIAN LISTRIK

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa diharapkan mampu :

Mengenal syarat rangkaian listrik dasar

Menjadi familiar dengan simbol rangkaian

Menjadi familiar dengan skema rangkain listrik

Mengetahui konsep arus dan tegangan

Mengetahui hamabtan dan karakteristiknya

Menjadi familiar dengan ammeter, voltmeter dan ohmmeter

Mengetahui perbedaan antara aliran elektron dan aliran arus konvensional

Mengenal konsep arah referensi tegangan dan arus

Mengenal aplikasi hukum Ohm

Energi listrik/kelistrikan memiliki aplikasi langsung pada kehidupan manusia

karena terkait dengan fungsi listrik sebagai sumber dari berbagai peralatan rumah tangga

maupun industri. Berbicara mengenai rangkaian listrik, rangkaian listrik merupakan dasar

dari teori rangkaian pada bidang kelistrikan yang menjadi dasar bagi ilmu-ilmu lainnya

seperti elektronika, sistem komputer, dan semua bidang terkait.

Saat ini, teknologi kelistrikan, elektronika, dan teknologi komputer berkembang

sangat pesat sehingga terdapat banyak pilihan karir dalam bidang ini, antara lain adalah

engineer dalam bidang kelistrikan, engineer dalam bidang elektronik, engineer dalam

bidang instrumentasi, engineer dalam bidang proses dan system, dan lain-lain. Nama-nama

pada Tabel 1 di bawah ini merupakan ilmuwan yang memberikan kontribusi yang sangat

besar dalam mengembangkan teorema rangkaian listrik.

1.1 Konsep Dasar Rangkaian Listrik

Rangkaian listrik adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen

listrik pada suatu lintasan tertutup dimana muatan listrik mengalir melewatinya. Yang

dimaksud dengan satu lintasan tertutup adalah satu lintasan saat kita mulai dari titik yang

dimaksud akan kembali lagi ke titik tersebut tanpa terputus dan tidak memandang

seberapa jauh atau dekat lintas an yang kita tempuh.

2

Tabel 1. Daftar ilmuwan yang berkontribusi pada kelistrikan

Rangkaian listrik yang paling dasar terdiri dari 3 komponen seperti ditunjukkan dalam

Gambar 1.1, yaitu

a) Catu daya (Power supply)

b) Beban (Load)

c) Kawat penghantar (wire)

Gambar 1.1. Tiga unsur dalam sebuah rangkaian listrik

Catu daya atau power supply adalah alat untuk menyediakan energi listrik kepada load

(beban) pada rangkaian listrik. Contoh dari power supply adalah:

Baterai, mengubah energi kimia menjadi energi listrik.

Hydroelectric generator, mengubah energi dari pergerakan air menjadi energi

listrik.

Thermo generator, mengubah energi panas menjadi energi listrik.

3

Beban (load) adalah alat yang terhubung ke output terminal pada suatu rangkaian

listrik, dan mengkonsumsi energi listrik. Sebuah beban dapat berupa semua alat yang

dapat menerima energi listrik dan mengubahnya menjadi bentuk energi yang lain. Contoh

dari load (beban) adalah:

Lampu listrik, mengubah energi listrik menjadi energi cahaya.

Motor listrik, mengubah energi listrik menjadi energi gerak.

Speaker, mengubah energi listrik menjadi energi suara.

Kawat penghantar (wire) berfungsi menghubungkan komponen-komponen pada

rangkaian, dan membawa muatan listrik melewati rangkaian tersebut.

1.2 Skema (Diagram) Rangkaian dan Simbol

Lazimnya, suatu rangkaian listrik biasa direpresentasikan oleh sebuah skema.

Skema merupakan diagram yang menyajikan interkoneksi dari komponen-komponen

pada suatu rangkaian dengan lebih sederhana sehingga dapat lebih mudah untuk

dimengerti, dianalisa, dan dihitung. Dalam membuat skema digunakan simbol rangkaian

sesuai dengan tata letak sambungan rangkain yang sebenarnya. Simbol rangkaian adalah

idealisasi dan pendekatan dari komponen rangkaian yang sebenarnya.

Contoh dari penyederhanaan ini dapat dilihat pada rangkaian senter berikut.

Gambar 1.2. Rangkaian flashlight

Gambar 1.3. Skema rangkaian flashlight

4

Tabel 1.2 di bawah ini merupakan simbol dari semua komponen pada rangkaian

listrik yang dikenal

Tabel 1.2 Simbol-simbol komponen listrik yang umum digunakan.

.

1.3 Arus Listrik

Arus listrik adalah aliran muatan listrik pada suatu rangkaian listrik, atau muatan

listrik yang mengalir pada suatu rangkaian listrik tiap satuan waktu. Jika Q

merepresentasikan banyaknya muatan yang bergerak pada selang waktu t, maka besarnya I

adalah:

5

Alat untuk mengukur kuat arus adalah Ammeter. Alat ini harus dipasang secara

seri pada rangkaian sehingga arus yang akan diukur dapat mengalir melalui Ammeter.

Gambar 1.4. rangkaian pengukuran arus menggunakan Ammeter

Arah arus listrik

Terdapat 2 versi untuk menunjukkan arah dari arus listrik, yaitu:

a. Aliran arus konvensional, arus didefinisikan sebagai aliran dari muatan positif

(proton) dari kutubl positif power supply menuju kutub negatifnya.

b. Aliran elektron, arus didefinisikan sebagai aliran muatan negatif (elektron) dari

kutub negatif power supply menuju kutub positifnya.

(a) (b)

Gambar 1.5. Arah arus listrik. (a) arah arus konvensional, (b) arah arus elektron

1.4 Tegangan Listrik

Tegangan / Electromotive force (EMF) / Gaya Gerak Listrik (GGL)

Prinsip kerja tegangan dapat dianalogikan dengan prinsip kerja pistol air. Jika tidak

ada tekanan dari pistol (trigger tidak ditekan), maka tidak akan ada air yang keluar dari

6

moncongnya. Sama seperti tekanan air yang dibutuhkan pada pistol air, tekanan listrik

atau tegangan juga dibutuhkan pada rangkaian listrik. Tegangan memiliki tanggung jawab

untuk mendorong dan menarik elektron atau arus dalam melewati suatu rangkaian.

Semakin tinggi tegangan, maka akan semakin besar arus yang mengalir.

Baterai adalah salah satu contoh sumber tegangan yang menghasilkan

electromotive force (EMF) diantara dua terminalnya. Ketika EMF diberikan pada suatu

rangkaian, dia akan menggerakkan elektron di sekitar rangkaian atau menyebabkan arus

mengalir melalui rangkaian karena EMF sendiri merupakan gaya gerak elektron / gaya

gerak listrik. Tegangan disimbolkan dengan V, dan memiliki satuan volt (V). EMF

disimbolkan dengan E, dan memiliki satuan volt (V).

Beda potensial

Diasumsikan bahwa terdapat 2 buah tangki air A dan B, air hanya akan dapat

mengalir dari tangki A ke tangki B apabila tinggi air di tangki A lebih tinggi daripada

tinggi air di tangki B. Begitu juga dengan rangkaian listrik, arus hanya akan dapat

mengalir di antara 2 titik apabila terdapat beda potensial listrik.

Beda potensial atau tegangan ini dihasilkan oleh GGL pada sumber tegangan, dan

itu merupakan banyaknya energi (work) yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron

diantara 2 titik. Jika energi (work) direpresentasikan oleh W, dan muatan yang

dipindahkan dari titik A ke B adalah Q, maka beda potensial antara 2 titik tersebut adalah

EMF disebut juga source voltage atau applied voltage karena EMF di supply oleh

sumber tegangan dan diterapkan pada load (beban) pada rangkaian. Tegangan antara 2

terminal load (beban) disebut load voltage (tegangan beban). Tegangan di antara suatu

komponen pada rangkaian kadang disebut voltage drop (tegangan turun), yaitu ketika arus

listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah pada rangkaian, atau disebut

7

voltage rise (tegangan naik), yaitu ketika arus listrik mengalir dari potensial rendah ke

potensial tinggi pada rangkaian.

Alat untuk mengukur tegangan adalah voltmeter. Alat ini harus dihubungkan

secara paralel pada rangkaian listrik agar bisa digunakan untuk mengukur tegangan.

Gambar 1.6. Rangkaian pengukur tegangan dengan volmeter

1.5 Resistansi dan Hukum Ohm

Resistor

Hambatan atau resistansi suatu penghantar berguna untuk mengatur besarnya kuat

arus listrik yang mengalir melalui suatu rangkaian listrik. Semakin besar nilai

resistansinya, maka arus yang mengalir akan semakin kecil.

Lampu, kompor listrik, dan motor listrik adalah beberapa contoh komponen listrik

yang biasanya direpresentasikan oleh resistor R karena apabila salah satu dari komponen

tersebut dihubungkan pada suatu rangkaian listrik, maka dia akan mengkonsumsi energi

listrik, menyebabkan resistansi, dan mengurangi besarnya arus yang mengalir pada

rangkaian.

Resistor dibagi menjadi 2 kategori, yaitu fixed resistor dan variable resistor.

Fixed resistor memiliki nilai resistansi yang tetap dan tidak dapat diubah-ubah.

Variable resistor memiliki nilai resistansi yang dapat diubah dengan mudah atau

diatur secara manual maupun otomatis.

8

Kode warna pada resistor

Gambar 1.7. Kode warna pada resistor

Faktor yang mempegaruhi resistansi

Ada 4 faktor utama yang menyebabkan besarnya resistansi pada suatu penghantar,

yaitu luas penampang kawat penghantar (A), panjang kawat penghantar ( ), temperatur

(T), dan resistivitas material tersebut ( ).

Gambar 1.8 Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya hambatan resistor

Secara matematis, resistansi dari suatu konduktor dapat dinyatakan dengan,

(1.1)

R = 2500 5% R = 25 5%

9

Tabel 1.3 menunjukkan daftar nilai resistivitas beberapa material pada suhu 20 °C.

Tabel 1.3. Nilai hambatan beberapa material

Dari Persamaan (1) maka:

Semakin besar diameter dari suatu penghantar/konduktor, semakin besar luas

penampangnya, maka semakin kecil resistansi konduktor tersebut, dan semakin banyak

pula arus yang mengalir.

Semakin panjang suatu penghantar/konduktor, semakin besar resistansi dan semakin

banyak waktu yang dibutuhkan arus untuk mengalir.

Resistansi bergantung pada jenis konduktornya / resistivitas dari konduktor tersebut.

Temperatur di sekitar konduktor juga mempengaruhi besar resistivitas material

tersebut.

Alat untuk mengukur besarnya resistansi adalah Ohmmeter. Untuk mengukur

resistansi, resistor harus dikeluarkan dari rangkaian.

Gambar 1.9 Rangkaian pengukur hambatan dengan ohmmeter

Konduktansi

Konduktansi merupakan kebalikan dari resistansi. Konduktansi merupakan

kemampuan material untuk melewatkan arus listrik. Konduktansi merupakan

konduktivitas suatu material, semakin kecil nilai resistansi R suatu material, semakin

10

besar nilai konduktansi G, sehingga akan semakin baik konduktivitas material tersebut,

begitu juga sebaliknya. Secara matematis, konduktansi dapat dinyatakan sebagai berikut.

(

) (1.2)

dengan meningkatkan luas penampang (A) atau mengurangi panjang suatu

penghantar/konduktor tersebut ( ), maka akan semakin baik konduktivitasnya.

Satuan dari konduktansi adalah siemens (S) dan mho ( ).

Hukum Ohm

Hukum Ohm menunjukkan hubungan antara hubungan antara I, V, dan R. Arus

listrik I melewati suatu konduktor adalah sebanding dengan V, dan berbanding terbalik

dengan R.

(1.3)

Karakteristik I-V dari hokum Ohm

Menggunakan sistem koordinat kartesian, tegangan V (sumbu x) di plot terhadap

arus I (sumbu y), grafik yang terbentuk berupa garis lurus, seperti yang ditunjukkan pada

gambar berikut.

Gambar 1.10 Karakteristik arus-tegangan (R = 20 )

Ketika tegangan V sebesar 10 V dan arus I sebesar 0,5 A

(1.4)

Ketika tegangan V sebesar 5 V dan arus I sebesar 0,25 A

(1.5)

Jadi garis lurus yang terbentuk pada grafik di atas menggambarkan hubungan antara arus

dan tegangan pada resistor 20 .

Garis lurus yang terbentuk pada karakteristik I-V menggambarkan perilaku dari

resistor linear, bahwa resistansi tidak berubah karena perubahan tegangan dan arus. Ketika

11

tegangan turun dari 10 V menjadi 5 V, resistansi akan tetap sama yaitu sebesar 20

seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.15 di atas. Ketika hubungan antara tegangan dan

arus bukan merupakan garis lurus, maka resistor yang dihasilkan adalah resistor non-

linear.

Konduktansi pada hokum Ohm

Hukum Ohm dapat menyajikan besar konduktansi yang diberikan melalui hubungan,

(

)

1.6 Referensi Arah Arus dan Tegangan

Referensi arah arus

Diasumsikan suatu arah arus dipilih secara sembarang, kemudian dijadikan sebagai

referensi arah untuk arus I.

Jika diperoleh I > 0, artinya arah arus yang sebenarnya sesuai/konsisten dengan

referensi arah arus yang telah diasumsikan sebelumnya.

Jika diperoleh I < 0, artinya arah arus yang sebenarnya tidak konsisten/berlawanan

dengan referensi arah arus yang telah diasumsikan sebelumnya.

Pada gambar di bawah ini, anak panah dengan garis yang utuh menunjukkan referensi arah

arus, sedangkan anak panah dengan garis putus-putus menunjukkan arah arus yang

sebenarnya.

Gambar 1.11 Arah arus listrik dalam rangkaian

Terdapat 2 metode untuk merepresentasikan referensi arah arus listrik:

a. Ditunjukkan dengan anak panah, arah dari anak panah tersebut menunjukkan

referensi arah arus.

12

b. Ditunjukkan dengan dobel subscript, misalnya Iab, menunjukkan referensi untuk

arah arus dari titik a ke titik b.

Gambar 1.12 Arah arus listrik, (a) dari atas ke bawah atau (b) dari titik a ke b

Referensi polaritas tegangan

Diasumsikan muatan kutub suatu tegangan dipilih secara sembarang, kemudian dijadikan

sebagai referensi untuk muatan kutub tegangan.

Jika diperoleh V > 0, artinya muatan kutub tegangan yang sebenarnya sesuai

dengan referensi muatan kutub tegangan yang telah diasumsikan sebelumnya.

Jika diperoleh V < 0, artinya muatan kutub tegangan yang sebenarnya berlawanan

arah dengan referensi muatan kutub tegangan yang telah diasumsikan sebelumnya.

Pada gambar di bawah ini, kutub positif (+) dan negatif (-) merepresentasikan referensi

muatankutub suatu tegangan, dan anak panah merepresentasikan muatan kutub tegangan

yang sesungguhnya.

Gambar 1.13 Arah arus listrik dan polarisasinya

Terdapat 3 metode untuk merepresentasikan referensi muatan kutub tegangan:

13

a. Ditunjukkan dengan anak panah, arah dari anak panah tersebut menunjukkan arah

dari kutub positif ke kutub negatif.

b. Ditunjukkan dengan polaritas / muatan kutub, tanda pofitif (+) menunjukkan

potensial yang lebih tinggi, tanda negatif (-) menunjukkan potensial yang lebih

rendah.

c. Ditunjukkan dengan dobel subscript, misalnya Vab, menunjukkan bahwa di titik a

potensialnya lebih tinggi daripada di titik b.

Gambar 1.14 Arah dan polaritas tegangan

Keterkaitan antara referensi polaritas arus / tegangan

Jika referensi arah arus ditetapkan sebagai aliran dari sisi positif ke sisi negatif dari

tegangan suatu komponen (arah anak panah menunjukkan arah dari + ke - ), maka

referensi arah arus dan referensi polaritas tegangan adalah konsisten.

Gambar 1.15 Arah dan polaritas arus dan tegangan

Rangkuman

Rangkaian listrik adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen

listrik pada suatu lintasan tertutup dimana muatan listrik mengalir melewatinya.

Komponen dasar rangkaian listrik : catu daya (power supply), beban dan kawat

penghantar.

Simbol rangkaian adalah idealisasi dan pendekatan dari komponen rangkaian yang

sebenarnya.

14

Arus listrik adalah aliran muatan listrik pada suatu rangkaian listrik, atau muatan

listrik yang mengalir pada suatu rangkaian listrik tiap satuan waktu (I=Q/t).

Ada dua arah aliran arus : aliran arus konvensional dan aliran elektron.

Electromotive force (EMF) merupakan gaya gerak elektron / gaya gerak listrik.

Beda potensial : banyaknya energi (work) yang dibutuhkan untuk memindahkan

elektron diantara 2 titik.

Hambatan atau resistansi suatu penghantar berguna untuk mengatur besarnya kuat

arus listrik yang mengalir melalui suatu rangkaian listrik.

Ada 4 faktor utama yang menyebabkan besarnya resistansi pada suatu penghantar,

yaitu luas penampang kawat penghantar (A), panjang kawat penghantar ( ),

temperatur (T), dan resistivitas material tersebut ( ).

Konduktansi merupakan kemampuan material untuk melewatkan arus listrik.

Hukum Ohm menunjukkan hubungan antara hubungan antara I, V, dan R (I= V/R).

Tes formatif. Berupa kuis . Kuis berupa pertanyaan pendek tentang bahan kuliah,

digunakan untuk melihat apakah mahasiswa sudah membaca bahan ajar. Contoh

kuis adalah sebagai berikut :

1. Apa yang dimaksud dengan arus listrik?

2. Sebutkan nilai tahanan dari resistor yang memiliki cincin warna berikut :

a. Jingga, biru, dan coklat.

b. Hijau, biru, dan kuning.

c. Coklat, hitam dan merah

d. Mera, merah dan jingga.

3. Apakah warna cincin-cincin pada badan resistor yang nilai tahanannya adalah 33

Ω, 200 Ω, 750 Ω, 43 M Ω 1,2 Ω.

Petunjuk penilaian. Nilai kuis ditentukan dengan skor berdasarkan jawaban yang

benar.

Tindak lanjut. Bagian-bagian yang kurang dipahami akan dibahas lebih lanjut,

baik dengan cara ceramah maupun dengan diskusi.