Analisis
Analisis
Analisis
Analisis
Rangkaian Listrik
Rangkaian Listrik
Rangkaian Listrik
Rangkaian Listrik
Di Kawasan Waktu
BAB 1
Pendahuluan
Dua dari sekian banyak kebutuhan manusia adalah kebutuhan akan energi dan kebutuhan akan informasi. Salah satu cara yang dapat dipilih untuk memenuhi kedua kebutuhan tersebut adalah melalui teknologi elektro. Energi yang tersedia di alam tidak selalu dalam bentuk yang kita perlukan akan tetapi terkandung dalam berbagai bentuk sumber energi misalnya air terjun, batubara, sinar matahari, angin, ombak, dan lainnya. Selain itu sumber energi tersebut tidak selalu berada di tempat di mana energi tersebut dibutuhkan. Teknologi elektro melakukan konversi energi non-listrik menjadi energi listrik dan dalam bentuk listrik inilah energi dapat disalurkan dengan lebih mudah ke tempat ia diperlukan dan kemudian dikonversikan kembali ke dalam bentuk yang sesuai dengan kebutuhan, misalnya energi mekanis, panas, cahaya. Proses penyediaan energi berlangsung melalui berbagai tahapan; salah satu contoh adalah sebagai berikut:
Energi non listrik, misalnya energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam boiler → energi panas diubah menjadi energi mekanis di turbin → energi mekanis diubah menjadi energi listrik di generator → energi listrik diubah menjadi energi listrik namun pada tingkat tegangan yang lebih tinggi di transformator → energi listrik bertegangan tinggi ditransmisikan → energi listrik bertegangan tinggi diubah menjadi energi listrik bertegangan menengah pada transformator → energi listrik didistribusikan ke pengguna, melalui jaringan tegangan menengah tiga fasa, tegangan rendah tiga fasa, dan tegangan rendah satu fasa → energi listrik diubah kembali ke dalam bentuk energi yang sesuai dengan kebutuhan pengguna. Demikian pula halnya dengan informasi. Teknologi elektro melakukan konversi berbagai bentuk informasi ke dalam bentuk sinyal listrik dan menyalurkan sinyal listrik tersebut ke tempat ia diperlukan kemudian dikonversikan kembali dalam bentuk-bentuk yang dapat ditangkap oleh indera manusia ataupun dimanfaatkan
untuk suatu keperluan tertentu, misalnya pengendalian. Dengan mudah kita dapat mengetahui apa yang sedang terjadi di belahan bumi yang lain dalam waktu yang hampir bersamaan dengan berlangsungnya kejadian, tanpa harus beranjak dari rumah. Tidak hanya sampai di situ, satelit di luar angkasa pun dikendalikan dari bumi, dan jantung yang lemah pun dapat dibantu untuk dipacu.
1.1. Pengertian Rangkaian Listrik
Rangkaian listrik (atau rangkaian elektrik) merupakan interkoneksi berbagai piranti (divais – device) yang secara bersama melaksanakan suatu tugas tertentu. Tugas itu dapat berupa pemrosesan energi ataupun pemrosesan informasi. Melalui rangkaian listrik, energi maupun informasi dikonversikan menjadi energi listrik dan sinyal listrik, dan dalam bentuk sinyal inilah energi maupun informasi dapat disalurkan dengan lebih mudah ke tempat ia diperlukan.
Teknologi elektro telah berkembang jauh. Dalam konversi dan transmisi energi listrik misalnya, walaupun masih tetap memanfaatkan sinyal analog berbentuk sinus, namun kuantitas energi yang dikonversi dan ditransmisikan semakin besar mengikuti pertumbuhan kebutuhan. Teknologi yang dikembangkan pun mengikuti kecenderungan ini. Kemampuan peralatan semakin tinggi, alat perlindungan (proteksi) semakin ketat baik perlindungan dalam mempertahankan kinerja sistem maupun terhadap pengaruh alam. Demikian pula pertimbangan-pertimbangan ekonomi maupun kelestarian lingkungan menjadi sangat menentukan. Bahkan perkembangan teknologi di sisi penggunaan energi, baik dalam upaya mempertinggi efisiensi maupun perluasan penggunaan energi dalam mendukung perkembangan teknologi informasi, cenderung memberikan dampak kurang menguntungkan pada sistem penyaluran energi listrik; dan hal ini menimbulkan persoalan lain yaitu persoalan kualitas daya yang harus diantisipasi dan diatasi. Kalau dalam pemrosesan energi masih digunakan sinyal analog, tidak demikian halnya dengan pemrosesan informasi. Pemanfaatan sinyal analog telah digantikan oleh sinyal-sinyal digital sehingga kualitas informasi video, audio, maupun data, menjadi sangat meningkat. Pemanfaatan sinyal digital sudah sangat meluas, mulai dari lingkungan rumah tangga sampai luar angkasa.
Walaupun terdapat perbedaan yang nyata pada bentuk sinyal dalam pemrosesan energi dan pemrosesan informasi, yaitu sinyal analog dalam pemrosesan energi dan sinyal digital dalam pemrosesan informasi, namun hakekat pemrosesan tidaklah jauh berbeda; pemrosesan itu adalah konversi ke dalam bentuk sinyal listrik, transmisi hasil konversi tersebut, dan konversi balik menjadi bentuk yang sesuai dengan kebutuhan.
Sistem pemroses energi maupun informasi, dibangun dari rangkaian-rangkaian listrik yang merupakan interkoneksi berbagai piranti. Oleh karena itu langkah pertama dalam mempelajari analisis rangkaian listrik adalah mempelajari model sinyal dan model piranti. Karena pekerjaan analisis menggunakan model-model, sedangkan model merupakan pendekatan terhadap keadaan yang sebenarnya dengan pembatasan-pembatasan tertentu, maka hasil suatu analisis harus juga difahami sebagai hasil yang berlaku dalam batas-batas tertentu pula.
1.2. Pengertian Analisis Rangkaian Listrik
Untuk mempelajari perilaku suatu rangkaian listrik kita melakukan analisis rangkaian listrik. Rangkaian listrik itu mungkin hanya berdimensi beberapa sentimeter, tetapi mungkin juga membentang ratusan bahkan ribuan kilometer. Dalam pekerjaan analisis, langkah pertama yang kita lakukan adalah memindahkan rangkaian listrik itu ke atas kertas dalam bentuk gambar; gambar itu kita sebut diagram rangkaian.
Suatu diagram rangkaian memperlihatkan interkoneksi berbagai piranti; piranti-piranti tersebut digambarkan dengan menggunakan simbol piranti. Jadi dalam suatu diagram rangkaian (yang selanjutnya kita sebut dengan singkat rangkaian), kita melihat bagaimana berbagai macam piranti saling dihubungkan.
Perilaku setiap piranti kita nyatakan dengan model piranti. Untuk membedakan piranti sebagai benda nyata dengan modelnya, maka model itu kita sebut elemen rangkaian. Sinyal listrik yang hadir dalam rangkaian, kita nyatakan sebagai peubah rangkaian yang tidak lain adalah model matematis dari sinyal-sinyal tersebut. Jadi dalam pekerjaan analisis rangkaian listrik, kita menghadapi diagram rangkaian yang memperlihatkan hubungan dari berbagai elemen, dan setiap elemen memiliki perilaku masing-masing yang kita sebut karakteristik elemen; besaran-fisika yang terjadi dalam rangkaian
kita nyatakan dengan peubah rangkaian (variable rangkaian) yang merupakan model sinyal. Dengan melihat hubungan elemen-elemen dan memperhatikan karakteristik tiap elemen, kita melakukan perhitungan peubah-peubah rangkaian.
Perhitungan-perhitungan tersebut mungkin berupa perhitungan untuk mencari hubungan antara peubah yang keluar dari rangkaian (kita sebut dengan singkat keluaran) dan peubah yang masuk ke rangkaian (kita sebut dengan singkat masukan); ataupun mencari besaran keluaran dari suatu rangkaian jika masukan dan karakteristik setiap elemen diketahui. Inilah pekerjaan analisis yang memberikan hanya satu hasil perhitungan, atau jawaban tunggal. Pekerjaan lain yang belum tercakup dalam buku ini adalah pekerjaan perancangan, yaitu mencari hubungan elemen-elemen jika masukan dan keluaran ditentukan. Hasil pekerjaan perancangan akan memberikan lebih dari satu jawaban dan kita harus memilih jawaban mana yang kita ambil dengan memperhitungkan tidak saja aspek teknis tetapi juga aspek lain misalnya aspek ekonomi, aspek lingkungan, dan bahkan estetika.
Telah dikatakan di atas bahwa hasil suatu analisis harus difahami sebagai hasil yang berlaku dalam batas-batas tertentu. Kita akan melihat bahwa rangkaian yang kita analisis kita anggap memiliki sifat linier dan kita sebut rangkaian linier; ia merupakan hubungan elemen-elemen rangkaian yang kita anggap memiliki karakteristik yang linier. Sifat ini sesungguhnya merupakan pendekatan terhadap sifat piranti yang dalam kenyataannya tidak linier namun dalam batas-batas tertentu ia bersifat hampir linier sehingga dalam pekerjaan analisis kita anggap ia bersifat linier.
1.3. Struktur Dasar Rangkaian, Besaran Listrik, dan Kondisi Operasi
Struktur Dasar Rangkaian. Secara umum suatu rangkaian listrik
terdiri dari bagian yang aktif yaitu bagian yang memberikan daya yang kita sebut sumber, dan bagian yang pasif yaitu bagian yang menerima daya yang kita sebut beban; sumber dan beban terhubung oleh penyalur daya yang kita sebut saluran.
Besaran Listrik. Ada lima besaran listrik yang kita hadapi, dan dua
di antaranya merupakan besaran dasar fisika yaitu energi dan muatan listrik. Namun dalam analisis rangkaian listrik, besaran listrik yang sering kita olah adalah tegangan, arus, dan daya listrik. Energi dihitung sebagai integral daya dalam suatu selang waktu, dan muatan dihitung sebgai integral arus dalam suatu selang waktu. Sumber biasanya dinyatakan dengan daya, atau tegangan, atau arus yang mampu ia berikan. Beban biasa dinyatakan dengan daya atau arus yang diserap atau diperlukan, dan sering pula dinyatakan oleh nilai elemen; elemen-elemen rangkaian yang sering kita temui adalah resistor, induktor, dan kapasitor, yang akan kita pelajari lebih lanjut.
Saluran adalah penghubung antara sumber dan beban, dan pada rangkaian penyalur energi (di mana jumlah energi yang disalurkan cukup besar) ia juga menyerap daya. Oleh karena itu saluran ini dilihat oleh sumber juga menjadi beban dan daya yang diserap saluran harus pula disediakan oleh sumber. Daya yang diserap saluran merupakan susut daya dalam produksi energi listrik. Susut daya yang terjadi di saluran ini merupakan peristiwa alamiah: sebagian energi yang dikirim oleh sumber berubah menjadi panas di saluran. Namun jika daya yang diserap saluran tersebut cukup kecil, ia dapat diabaikan.
Dalam kenyataan, rangkaian listrik tidaklah sesederhana seperti di atas. Jaringan listrik penyalur energi perlu dilindungi dari berbagai kejadian tidak normal yang dapat menyebabkan terjadinya lonjakan arus atau lonjakan tegangan. Jaringan perlu sistem proteksi yaitu proteksi arus lebih dan proteksi tegangan lebih. Jaringan listrik juga memerlukan sistem pengendali untuk mengatur aliran energi ke beban. Pada jaringan pemroses informasi, gejala-gejala kebocoran sinyal serta gangguan sinyal baik dari dalam maupun dari luar sistem yang disebut interferensi, memerlukan perhatian tersendiri. Pada jaringan penyalur energi, sumber mengeluarkan daya sesuai dengan permintaan beban. Pada rangkaian penyalur informasi, daya sumber terbatas; oleh karena itu alih daya dari sumber ke beban perlu diusahakan terjadi secara maksimal; alih daya ke beban akan maksimal jika tercapai keserasian (matching) antara sumber dan beban.
Peristiwa Transien. Kondisi operasi jaringan listrik tidak selalu
mantap. Pada waktu-waktu tertentu bisa terjadi keadaan peralihan atau keadaan transien. Besar dan bentuk tegangan dan arus pada saat-saat setelah penutupan ataupun setelah pembukaan saklar tidaklah seperti keadaan setelah saklar lama tertutup atau setelah lama terbuka. Di samping itu kejadian sesaat di luar jaringan juga bisa menimbulkan keadaan transien, misalnya petir.
Suatu selang waktu diperlukan antara saat kemunculan peristiwa transien dengan saat keadaan menjadi mantap. Waktu yang diperlukan untuk mencapai keadaan akhir tersebut tergantung dari nilai-nilai elemen rangkaian. Oleh karena itu kita harus hati-hati untuk memegang peralatan listrik walaupun ia sedang tidak beroperasi; yakinkan lebih dulu apakah keadaan sudah cukup aman. Yakinkan lebih dulu bahwa peralatan listrik yang terbuka sudah tidak bertegangan, sebelum memegangnya.
1.4. Landasan Untuk Melakukan Analisis
Agar kita bisa melakukan analisis, kita perlu memahami beberapa hal yang sangat mendasar yaitu hukum-hukum yang berlaku dalam suatu rangkaian, kaidah-kaidah rangkaian, teorema-teorema rangkaian, serta metoda-metoda analisis.
Hukum-Hukum Rangkaian. Hukum-hukum rangkaian merupakan
dasar untuk melakukan analisis. Ada dua hukum yang akan kita pelajari yaitu Hukum Ohm dan Hukum Kirchhoff. Hukum Ohm memberikan relasi linier antara arus dan tegangan resistor. Hukum Kirchhoff mencakup Hukum Arus Kirchhoff (HAK) dan Hukum Tegangan Kirchhoff (HTK). HAK menegaskan bahwa jumlah arus yang menuju suatu pencabangan rangkaian sama dengan jumlah arus yang meninggalkan pencabangan; hal ini dibuktikan oleh kenyataan bahwa tidak pernah ada penumpukan muatan di suatu pencabangan rangkaian. HTK menyatakan bahwa jumlah tegangan di suatu rangkaian tertutup sama dengan nol, dan hal ini sesuai dengan prinsip konservasi energi.
Kaidah-Kaidah Rangkaian. Kaidah rangkaian merupakan konsekuensi dari hukum-hukum rangkaian. Dengan kaidah-kaidah ini kita dapat menggantikan susunan suatu bagian rangkaian dengan
mudah dianalisis. Dengan menggunakan kaidah-kaidah ini pula kita dapat melakukan perhitungan pada bentuk-bentuk bagian rangkaian tertentu secara langsung. Salah satu contoh adalah kaidah pembagi arus: untuk arus masukan tertentu, besar arus cabang-cabang rangkaian yang terhubung paralel sebanding dengan konduktansinya; hal ini adalah konsekuensi dari hukum Ohm dan HAK.
Teorema Rangkaian. Teorema rangkaian merupakan pernyataan
dari sifat-sifat dasar rangkaian linier. Teorema rangkaian yang penting akan kita pelajari sesuai keperluan kita, mencakup prinsip proporsionalitas, prinsip superposisi, teorema Thévenin, teorema #orton, teorema substitusi, dan teorema Tellegen.
Prinsip proporsionalitas berlaku untuk rangkaian linier. Jika masukan suatu rangkaian adalah yin dan keluarannya adalah yo maka
in
o Ky
y = dengan K adalah nilai tetapan.
Prinsip superposisi menyatakan bahwa pada rangkaian dengan beberapa masukan, akan mempunyai keluaran yang merupakan jumlah keluaran dari masing-masing masukan jika masing-masing masukan bekerja secara sendiri-sendiri pada rangkaian tersebut. Kita ambil contoh satu lagi yaitu teorema Thévenin. Teorema ini menyatakan bahwa jika seksi sumber suatu rangkaian (yaitu bagian rangkaian yang mungkin saja mengandung lebih dari satu sumber) bersifat linier, maka seksi sumber ini bisa digantikan oleh satu sumber yang terhubung seri dengan satu resistor ataupun impedansi; sementara itu beban boleh linier ataupun tidak linier. Teorema ini sangat memudahkan perhitungan-perhitungan rangkaian.
Metoda-Metoda Analisis. Metoda-metoda analisis dikembangkan
berdasarkan teorema rangkaian beserta hukum-hukum dan kaidah rangkaian. Ada dua kelompok metoda analisis yang akan kita pelajari; yang pertama disebut metoda analisis dasar dan yang ke-dua disebut metoda analisis umum. Metoda analisis dasar terutama digunakan pada rangkaian-rangkaian sederhana, sedangkan untuk rangkaian yang agak lebih rumit kita memerlukan metoda yang lebih sistematis yaitu metoda analisis umum. Kedua metoda ini kita pelajari agar kita dapat melakukan analisis rangkaian sederhana
secara manual. Kemampuan melakukan analisis secara manual sangat diperlukan untuk dapat memahami sifat dan perilaku rangkaian.
Selain perbedaan jangkauan penggunaannya, metoda analisis dasar berbeda dari metoda analisis umum dalam hal sentuhan yang kita miliki atas rangkaian yang kita hadapi. Dalam menggunakan metoda analisis dasar, kita masih merasakan bahwa kita sedang mengolah perilaku rangkaian. Dalam menggunakan metoda analisis umum kita agak kehilangan sentuhan tersebut; sekali kita sudah mendapatkan persamaan rangkaian, maka selanjutnya kita hanya melakukan langkah-langkah matematis atas persamaan tersebut dan kita akan mendapatkan hasil analisis tanpa merasa telah menghadapi rangkaian listrik. Kehilangan sentuhan ini mendapat kompensasi berupa lebih luasnya jangkauan kerumitan rangkaian yang bisa dipecahkan dengan metoda analisis umum.
Selain dua kelompok metoda tersebut ada metoda analisis berbantuan komputer. Untuk rangkaian-rangkaian yang sangat rumit, analisis secara manual tidaklah efektif bahkan tidak mungkin lagi dilakukan. Untuk itu kita memerlukan bantuan komputer. Metoda ini tidak dibahas khusus dalam buku ini namun pembaca perlu mempelajarinya dengan menggunakan buku-buku lain beserta perangkat lunaknya, seperti misalnya program SPICE.
Landasan untuk melakukan analisis tersebut di atas akan kita pelajari dan setelah kita memahami landasan-landasan tersebut kita akan siap untuk melakukan analisis rangkaian. Berbagai contoh pekerjaan analisis akan kita jumpai dalam buku ini.
