Konsep Dasar Rangkaian Listrik [Elektronika Dasar]

Konsep Dasar Rangkaian Listrik

Rangkaian

Rangkaian Listrik adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen penyusunnya, ditambah dengan rangkaian penghubungnya. Dimana disusun dengan cara-cara tertentu, dan minimal memiliki satu lintasan tertutup. Contohnya seperti gambar di bawah ini.

Gambar di atas merupakan salah satu contoh dari suatu rangkaian tertutup atau lintasan tertutup yang diantaranya tidak ada jalur yang terbuka, semuanya saling terhubung dan membentuk sebuah rangkaian.

Syarat suatu gabungan komponen-komponen elektronika yaitu memiliki Lintasan tertutup atau biasa disebut loop, Loop merupakan suatu lintasan yang dimulai dari titik awal dan akan kembali lagi ke titik awal tersebut tanpa terputus dan tidak memandang seberapa jauh atau dekat lintasan yang ditempuh.

Elemen

Elemen pada sebuah rangkaian adalah suatu jenis komponen yang membentuk suatu rangkaian. Pada dasarnya elemen dibagi menjadi dua kelompok, yaitu Elemen aktif dan Elemen pasif.

Elemen Aktif adalah elemen yang menghasilkan energi atau sumber tegangan dan sumber arus.

Elemen Pasif adalah komponen elektronika yang tidak dapat menghasilkan energi, contohnya Resistor, Induktor, dan Kapasitor.

R atau Resistor memiliki sifat menyerap energi, oleh sebab itu resistor disebut juga sebagai tahanan atau hambatan. Pada suatu rangkaian resistor sangat berguna untuk menahas suatu energi dari sebuah sumber agar porsi energi yang masuk bisa tersalurkan sesuai dengan kebutuhan. Satuan dari Resistor adalah Ohm (Ω).

L atau Induktor fungsinya hampir sama seperti resistor yaitu menyerap energi, tetapi induktor memiliki fungsi yang spesial yaitu dapat menyimpan energi ke dalam bentuk medan magnet. Induktor biasanya memiliki bentuk seperti lilitan atau kumparan dan Induktor sendiri mempunyai satuan yaitu Henry(H).

C atau Kapasitor berguna untuk menyerap energi dan dapat menyimpan energi ke dalam bentuk medan listrik. Kapasitor ini biasanya memiliki bentuk fisik seperti sebuah batu batre, bentuk kapasitor sendiri berbeda beda tergantung dengan besar atau kecilnya nilai suatu kapasitor. Semakin besar nilai kapasitor maka semakin besar pula bentuk fisiknya, dan juga sebaliknya.

Elemen dikelompokan berdasarkan jumlah terminal. 

Yang pertama yaitu elemen listrik dua terminal, Elemen listrik dua terminal ini biasanya tergolong kepada komponen komponen elektronika yang hanya memiliki sisi positif dan sisi negatif. Diantaranya yaitu, Sumber tegangan, Sumber arus, Resistor (R), Induktor (L), dan Kapasitor (C).

Yang kedua yaitu elemen listrik lebih dari dua terminal, biasanya komponen elektronika ini memiliki lebih dari dua terminal. Contohnya Transistor, Op-Amp, dan IC.

Jenis Sumber Elemen Aktif

1. Sumber Tegangan Bebas/ Independent Voltage Source.

2. Sumber Tegangan Tidak Bebas/ Dependent Voltage Source.

Jenis Arus Elemen Aktif

1. Sumber Arus Bebas/Independent Current Source.

2. Sumber Arus Tidak Bebas/Dependent Current Source.

Sumber Ideal dan Tidak Ideal

Sumber Idela adalah sebuah sumber yang tidak memiliki tahanan dalam, dan sumber tidak ideal sebaliknya yaitu mempunyai tahanan dalam. Apa yang dimaksud dengan tahanan dalam? Tahanan dalam adalah sebuah hambatan yang terdapat pada suatu sumber arus atau tegangan, contohnya seperti gambar di bawah ini.

*rd adalah tahanan dalam

Arus Listrik

Arus merupakan sebuah perubahan muatan terhadap waktu atau banyaknya muatan yang melintasi suatu luasan penampang dalam satu satuan waktu. Simbul dari arus listrik yaitu i (dari bahasa Perancis : intensite), i (kecil) untuk fungsi waktu dan I (besar) untuk nilai sesaat, satuannya adalah Ampere (A).

Secara matematis definisi arus adalah :

Mengapa ada Arus???

>Karena ada muatan yang bergerak pada suatu rangkaian,

>Karena adanya kecepatan pada muatan,

>Karena adanya percepatan yang dialami muatan,

>Karena ada gaya (F=ma),

>Karena ada medan listrik,

>Beda potensial (E=V/d),

>Beda muatan,

>Pemisahan muatan positif dengan muatan negatif,

>Karena ada kerja yang memisahkan muatan,

>Arah arus listrik searah dengan arah pergerakan muatan positif (proton) atau berlawanan arah dengan arah pergerakan muatan negatif (elektron).

Muatan positif > Atom yang kekurangan elektron (Proton lebih banyak dari elektron)

Muatan negatif > Atom yang kelebihan elektron

Simbolnya yaitu,

Q = Muatan Konstan

q = muatan tergantung waktu

Muatan 1 elektron

1 Coulomb

Jenis Arus

Arus terbagi menjadi dua jenis yaitu,

Arus Searah (Direct Current/DC), arus searah adalah arus yang mengalir dengan nilai konstan. Biasanya arus searah harus dibentuk dengan sebuah rangkaian yang dinamakan Rectifier. 

Arus Bolak-Balik (Alternating Current/AC), mempunyai nilai yang berubah-ubah secara periodik. Pada dasarnya arus bolak-balik merupakan sinyal keluaran dari sumber tegangan PLN.

Tegangan

Tegangan atau beda potensial yang bisa disebut dengan Voltage. Adalah kerja yang dilakukan untuk menggerakkan satu muatan (sebesar satu coulumb) pada elemen atau komponen dari satu terminal/kutub ke terminal/kutub lainnya. Atau pada kedua terminal/kutub akan mempunyai beda potensial jika kita menggerakan/memindahkan muatan sebesar satu coulumb dari satu terminal ke terminal lainnya.

Kerja yang dilakukan adalah energi yang dikeluarkan, sehingga pengertian diatas dapat dipersingkat bahwa tegangan adalah energi per satuan muatan.

Secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut :

Voltage (V)/ Beda Potensial

Ada dua cara memandang beda potensial

1. Tegangan Turun/Voltage Drop --> Jika dipandang dari potensial lebih tinggi ke potensial lebih rendah.

2. Tegangan Naik/Voltage Rise --> Jika dipandang dari potensial lebih rendah ke potensial lebih tinggi.

Cara pendang yang pertama lebih banyak digunakan.

Misal : Sesuai notasi polaritas pada gambar, V = 5 Volt

--> Beda potensial antara titik A dengan titik B sebesar 5 V

--> Titik A memiliki tegangan 5 Volt lebih tinggi dari titik B.

--> VA - VB = VAB = 5 Volt dan VBA = VB - VA = -5 Volt

Energi

Energi adalah kerja yang dilakukan oleh gaya sebesar satu Newton untuk memindahkan benda sejauh satu meter. Pada energi berlakunya hukum kekekalan Energi yaitu energi tidak dapat dihasilkan dan tidak dapat dihilangkan, energi hanya berpinda dari satu bentuk ke bentuk yang lainnya.

Contoh:

1. Pada pembangkit listrik tenaga air, energi dari air yang bergerak berubah menjadi energi listrik.

2. Energi listrik akan berubah menjadi energi cahaya dan energi panas jika energi listrik tersebut melewati suatu lampu.

Pada rangkaian listrik, bila ada suatu elemen yang mengirim energi, maka akan ada elemen/komponen lain yang menyerap energi tersebut.

Menyerap Energi

Jika arus positif masuk ke terminal positif elemen atau meninggalkan terminal negatif elemen tersebut.

Mengirim Energi
Jika arus positif masuk ke terminal negatif atau meninggalkan terminal positif elemen tersebut.

Energi yang diserap/dikirim pada suatu elemen bertegangan v dan muatan yang melewati Δq adalah :

Keterangan :
Satuannya adalah Joule (J)

Daya

Daya adalah suatu rata-rata kerja yang dilakukan. Satuannya adalah Watt (W) <-- James Watt
Daya secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut :

Arus listrik mengalir selama t detik, maka energi listrik yang terpakai adalah :

W = P . t
W = V . I . t

Daya juga memiliki dua jenis yaitu:
Daya Positif --> Menyerap energi
Daya Negatif --> Mengirim energi

Untuk pemakaian energi listrik dalam jumlah besar dipakei satuan kilowatt-jam (Kwh)

Dimana dapat dinyatakan :

1kwh = 1000 watt x 3600 detik
1kwh = 3,6 x 100000 joule

Alat yang dapat digunakan untuk mengukur daya listrik adalah wattmeter, sedangkan voltmeter dan amperemeter dapat digabungkan untuk mengukur daya listrik, gabungan ini disebut dynamometer.