BAB II RANGKAIAN ELEKTRONIK DAN
KOMPONEN
2.1 PENDAHULUAN
Deskripsi Singkat 1. Penjelasan tentang rangkaian elektronik dengan didukung oleh komponen-komponen dasar seperti resistor, kapasitor dan induktor.
2. Penjelasan tentang hukum-hukum yang berlaku pada rangkaian listrik, terutama hukum ohm.
3. Penjelasan tentang hukum Kirchoof yang merupakan dasar untuk menganalisa rangkaian listrik
Manfaat Dengan mahasiswa memahami dasar dari rangkaian listrik beserta komponen pasifnya serta hukum-hukum yang
berlaku pada rangkaian listrik tersebut diharapkan mahasiwa memahami rangakain listrik dengan mudah dan menarik minat mereka untuk dapat merancang rangkaian-rangkaian listrik sederhana.
Relevansi Pemahaman tentang elektronika dimulai dari pemahaman tentang rangkaian listrik. Kemudian bagaimana rangkaian tersebut dapat dirangkai dibutuhkan komponen-komponen pendukung dan fungsinya masing-masing. Setelah itu untuk mendapatkan nilai-nilai nominal pada rangkaian elektronik tersebut diperlukan analisa rangakaian elektronik dengan berdasarkan hukum-hukum yang berlaku.
CapaianPembelajaran Dengan bekal pengetahuan yang telah diberikan pada bab ini diharapkan mahasiswa dapat memahami rangkaian
elektronikadengan benar, dapat merancang dan menganalisa rangakaian elektronik dasar serta merangsang ide-ide kreatif untuk sebuah rangkaian elektronika.
2.2 PENYAJIAN
2.2.1 Rangkaian Elektronik
Ragkaian elektronik atau biasa dikenal dengan rangkaian listrik adalah suatu kumpulan elemen atau komponen listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup. Elemen atau komponen yang akan dibahas terbatas pada elemen atau komponen yang memiliki dua buah terminal atau kutub pada kedua ujungnya. Untuk elemen atau
komponen yang lebih dari dua terminal dibahas pada mata kuliah Elektronika yang lebih lanjut. Gambar 2.1 memperlihatkan contoh sebuah perancangan rangkaian listrik yang dibangun di atas software aplikasi dan dapat disimulasikan sebelum diimplementasikan.
Gambar 2.1 Rangkaian elektronik dan software simulasinya
Pembatasan elemen atau komponen listrik pada Rangkaian Listrik dapat dikelompokkan kedalam elemen atau komponen aktif dan pasif. Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi dalam hal ini adalah sumber tegangan dan sumber arus, mengenai sumber ini akan dijelaskan pada bab berikutnya. Elemen lain adalah elemen pasif dimana elemen ini tidak dapat menghasilkan energi, dapat dikelompokkan menjadi elemen yang hanya dapat menyerap energi dalam hal ini hanya terdapat pada komponen resistor atau banyak juga yang menyebutkan tahanan atau hambatan dengan simbol R, dan komponen pasif yang dapat menyimpan energi juga diklasifikasikan menjadi dua yaitu komponen atau elemen yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini induktor atau sering juga disebut sebagai lilitan, belitan atau kumparan dengan simbol L, dan kompone pasif yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini adalah kapasitor atau sering juga dikatakan dengan kondensator dengan simbol C. Gambar 2.2 memperlihatkan komponen-komponen elektronik baik itu R, C maupun L
Gambar 2.2 Komponen dasar elektronik
Untuk dapat merancang sebuah rangkaian listrik dan berjalan sesuai dengan yang dikehendaki maka diperlukan pengetahuan tentang hukum-hukum atau aturan yang berjalan pada rangkaian listrik tersebut disamping itu juga perlu diketahui fungsi dan sifat masing-masing komponen.
2.2.2 Resistor
Resistor adalah komponen elektronik dua kutub yang didesain untuk menahan arus listrik dengan memproduksi tegangan listrik di antara kedua kutubnya, nilai tegangan terhadap resistansi berbanding dengan arus yang mengalir. Resistor digunakan sebagai bagian dari jejaring elektronik dan sirkuit elektronik, dan merupakan salah satu komponen yang paling sering digunakan. Resistor dapat dibuat dari bermacam-macam kompon dan film, bahkan kawat resistansi (kawat yang dibuat dari paduan resistivitas tinggi seperti nikel-kromium). Gambar 2.4 memperlihatkan jenis-jenis resistor
Gambar 2.4 Beragam jenis Resistor
Karakteristik utama dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, desah listrik, dan induktansi.Resistor dapat diintegrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan
sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Ukuran dan letak kaki bergantung pada desain sirkuit, kebutuhan daya resistor harus cukup dan disesuaikan dengan kebutuhan arus rangkaian agar tidak terbakar.
Nilai sebuah resistor dapat dibaca dengan cara melihat warna gelang yang terdapat pada badan resistor tersebut. Pembacaan cara lain dapat dilakukan dengan menggunakan multimeter. Gambar 2.5 menunjukkan cara melakukan pembacaan resistor
Gambar 2.5 Warna gelang resistor dan cara pembacaannya
Sedangkan untuk simbol resistor diperlihatkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Simbol resistor
Selain berbentuk tunggal resistor juga diproduksi dalam bentuk paket dan larik. Untuk reisitor berbentuk larik menggunakan nilai yang sama. Gambar 2.7.(a) menunjukkan resistor resistor berbentuk paket dan larik.
(a)
(b)
Gambar 2.7 Resistor berbentuk paket
Satuan untuk resistor adalah ohm (simbol: Ω adalah satuan SI untuk resistansi listrik, diambil dari nama Georg Ohm.Satuan yang digunakan prefix :
1. Ohm = Ω 2. Kilo Ohm = KΩ 3. Mega Ohm = MΩ KΩ = 1 000Ω MΩ = 1 000 000Ω 2.2.3 Kapasitor/Kondensator (Capacitor)
Kondensator atau sering disebut sebagai kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan
ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut Farad dari nama Michael Faraday. Kondensator juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya. Kebanyakan bahasa dan negara yang tidak menggunakan bahasa Inggris masih mengacu pada
perkataan bahasa Italia "condensatore", bahasa
Perancis condensateur, Indonesia dan Jerman Kondensator atau Spanyol Condens ador.
Kondensator diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua kutub yaitu positif dan negatif serta memiliki cairan elektrolit dan biasanya berbentuk tabung.
Lambang kondensator (mempunyai kutub) pada skema elektronika.
Sedangkan jenis yang satunya lagi kebanyakan nilai kapasitasnya lebih
rendah, tidak mempunyai kutub positif atau negatif pada kakinya, kebanyakan berbentuk bulat pipih berwarna coklat, merah, hijau dan lainnya seperti tablet atau kancing baju.
Lambang kapasitor (tidak mempunyai kutub) pada skema elektronika.
Namun kebiasaan dan kondisi serta artikulasi bahasa setiap negara tergantung pada masyarakat yang lebih sering menyebutkannya. Kini kebiasaan orang
tersebut hanya menyebutkan salah satu nama yang paling dominan digunakan atau lebih sering didengar. Pada masa kini, kondensator sering disebut kapasitor
(capacitor) ataupun sebaliknya yang pada ilmu elektronika disingkat dengan huruf (C).
Satuan dari kapasitansi kondensator adalah Farad (F). Namun Farad adalah satuan yang terlalu besar, sehingga digunakan:
Pikofarad ( ) =
Nanofarad ( ) =
Microfarad ( ) =
Adapun cara memperbesar kapasitansi kapasitor atau kondensator dengan jalan: 1. Menyusunnya berlapis-lapis.
2. Memperluas permukaan variabel.
Permeabilitas dielektrik kapasitor diperlihatkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Permeabilitas dielektrik kapasitor
Sedangkan karakteristik dari kapasitor diperlihatkan pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Karakteristik kapasitor
Berdasarkan kegunaannya kapasitor dibagi dalam
1. Kondensator tetap (nilai kapasitasnya tetap tidak dapat diubah) 2. Kondensator elektrolit (Electrolite Condenser = Elco)
3. Kondensator variabel (nilai kapasitasnya dapat diubah-ubah) Beragam bentuk kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.8
Gambar 2.8 Beragam jenis kapasitor 2.2.4 Induktor
Sebuah induktor atau reaktor adalahsebuah komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan/lilitan. Lilitan ini akan menghasilkan medan magnet yang kuat di dalam kumparan dikarenakan arus listrik yang melintas pada kumparan tersebut. Hal ini sesuai dengan hukum induksi Faraday. Induktor adalah salah satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah. Hal ini dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses arus bolak-balik. Gambar 2.9 memperlihatkan berbagai jenis induktor.
Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi
tanpa resistansi atau kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Namun pada kenyataannya sebuah induktor merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada frekuensi tertentu, induktor dapat menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga
memboroskan daya di dalam inti oleh karena adanya efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan.
Gambar 2.9 Bermacam-macam jenis induktor
Induktansi (L) (diukur dalam Henry) adalah efek dari medan magnet yang terbentuk disekitar konduktor pembawa arus yang bersifat menahan perubahan arus. Arus listrik yang melewati konduktor membuat medan magnet sebanding dengan besar arus. Perubahan dalam arus menyebabkan perubahan medan magnet yang mengakibatkan gaya elektromotif lawan melalui GGL induksi yang bersifat menentang perubahan arus. Induktansi diukur berdasarkan jumlah gaya
elektromotif yang ditimbulkan untuk setiap perubahan arus terhadap waktu. Sebagai contoh, sebuah induktor dengan induktansi 1 Henry menimbulkan gaya elektromotif sebesar 1 volt saat arus dalam indukutor berubah dengan kecepatan 1 ampere setiap sekon. Jumlah lilitan, ukuran lilitan, dan material inti menentukan induktansi.
Induktor sering digunakan pada sirkuit analog dan pemroses sinyal. Induktor berpasangan dengan kondensator dan komponen lain membentuk sirkuit tertala. Penggunaan induktor bervariasi dari penggunaan induktor besar pada pencatu daya untuk menghilangkan dengung pencatu daya, hingga induktor kecil yang terpasang pada kabel untuk mencegah interferensi frekuensi radio untuk dprd melalui kabel. Kombinasi induktor-kondensator menjadi rangkaian tala dalam pemancar dan penerima radio. Dua induktor atau lebih yang terkopel secara magnetik membentuk transformator.
Induktor digunakan sebagai penyimpan energi pada beberapa pencatu daya moda sakelar. Induktor dienergikan selama waktu tertentu, dan dikuras pada sisa siklus. Perbandingan transfer energi ini menentukan tegangan keluaran. Reaktansi induktif XL ini digunakan bersama semikonduktor aktif untuk menjaga tegangan
dengan akurat. Induktor juga digunakan dalam sistem transmisi listrik, yang digunakan untuk mengikangkan paku-paku tegangan yang berasal dari petir, dan juga membatasi arus pensakelaran dan arus kesalahan. Dalam bidang ini,
indukutor sering disebut dengan reaktor.Induktor yang memiliki induktansi sangat tinggi dapat disimulasikan dengan menggunakan girator. Contoh dan simbol dari induktor diperlihatkan pada Gambar 2.10
Gambar 2.10 Contoh beberapa jenis induktor serta simbolnya
Sebuah induktor biasanya dikonstruksi sebagai sebuah lilitan dari bahan penghantar berupa kawat tembaga, digulung pada inti magnet berisi udara atau bahan feromagnetik. Bahan inti yang mempunyai permeabilitas magnet yang lebih tinggi dari udara meningkatkan medan magnet dan menjaganya tetap dekat pada induktor, sehingga meningkatkan induktansi induktor. Induktor frekuensi rendah dibuat dengan menggunakan baja laminasi untuk menekan arus eddy. Ferit lunak biasanya digunakan sebagai inti pada induktor frekuensi tingi, dikarenakan ferit tidak menyebabkan kerugian daya pada frekuensi tinggi seperti pada inti besi. Ini dikarenakan ferit mempunyai lengkung histeresis yang sempit dan resistivitasnya
yang tinggi mencegah arus eddy. Induktor dibuat dengan berbagai bentuk. Sebagian besar dikonstruksi dengan menggulung kawat tembaga email disekitar bahan inti dengan kaki-kali kawat terlukts keluar. Beberapa jenis menutup penuh gulungan kawat di dalam material inti, dinamakan induktor terselubungi.
Beberapa induktor mempunyai inti yang dapat diubah letaknya, yang
memungkinkan pengubahan induktansi. Induktor yang digunakan untuk menahan frekuensi sangat tinggi biasanya dibuat dengan melilitkan tabung atau manik-manik ferit pada kabel transmisi.Induktor kecil dapat dicetak langsung pada papan rangkaian cetak dengan membuat jalur tembaga berbentuk spiral. Beberapa
induktor dapat dibentuk pada rangkaian terintegrasi menhan menggunakan inti planar. Tetapi bentuknya yang kecil membatasi induktansi. Dan girator dapat menjadi pilihan alternatif.
Induktor juga dibagi-bagi menjadi beberapa jenis diantaranya
Lilitan ferit sarang madu
Lilitan sarang madu dililit dengan cara bersilangan untuk mengurangi efek kapasitansi terdistribusi. Ini sering digunakan pada rangkaian tala pada
penerima radio dalam jangkah gelombang menengah dan gelombang panjang. Karena konstruksinya, induktansi tinggi dapat dicapai dengan bentuk yang kecil.
Lilitan inti toroid
Sebuah lilitan sederhana yang dililit dengan bentuk silinder menciptakan medan magnet eksternal dengan kutub utara-selatan. Sebuah lilitan toroid dapat dibuat dari lilitan silinder dengan menghubungkannya menjadi berbentuk donat, sehingga menyatukan kutub utara dan selatan. Pada lilitan toroid, medan magnet ditahan pada lilitan. Ini menyebabkan lebih sedikit radiasi magnetik dari lilitan, dan kekebalan dari medan magnet eksternal. Sebuah induktor menolak perubahan arus. Sebuah induktor ideal tidak menunjukkan resistansi kepada arus rata, tetapi hanya induktor superkonduktor
yang benar-benar memiliki resistansi nol. Pada umumnya, hubungan antara perubahan tegangan, induktansi, dan perubahan arus pada induktor ditentukan oleh rumus diferensial:
Jika ada arus bolak-balik sinusoida melalui sebuah induktor, tegangan sinusoida diinduksikan. Amplitudo tegangan sebanding dengan amplitudo arus dan
frekuensi arus.
Pada situasi ini, fase dari gelombang arus tertinggal 90 dari fase gelombang tegangan. Jika sebuah induktor disambungkan ke sumber arus searah, dengan harga "I" melalui sebuah resistansi "R" dan sumber arus berimpedansi nol,
persamaan diferensial diatas menunjukkan bahwa arus yang melalui induktor akan dibuang secara eksponensial:
Jejaring induktor
Induktor dalam konfigurasi kakap memiliki beda potensial yang sama. Untuk menemukan induktansi ekivalen total (Leq):
Arus dalam induktor deret adalah sama, tetapi tegangan yang
membentangi setiap induktor bisa berbeda. Penjumlahan dari beda potensial dari beberapa induktor seri sama dengan tegangan total. Untuk menentukan todu total digunakan rumus:
Hubungan tersebut hanya benar jika tidak ada kopling magnetis antar kumparan.
Energi yang tersimpan
Energi yang tersimpan di induktor ekivalen dengan usaha yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus melalui induktor, dan juga medan magnet:
DimanaLadalah induktansi danIadalah arus yang melalui induktor.
2.2.5 Hukum Ohm
Hukum Ohm menyatakan bahwa besar arus listrik yang mengalir melalui sebuah penghantar selalu berbanding lurus dengan beda potensial yang diterapkan kepadanya. Sebuah benda penghantar dikatakan mematuhi hukum Ohm apabila nilai resistansinya tidak bergantung terhadap besar dan polaritas beda potensial yang dikenakan kepadanya. Secara matematis hukum Ohm diekspresikan dengan persamaan:
𝑉 = 𝐼 𝑅
Dimana V adalah beda tegangan antara kedua kutub (volt), I merupakan arus yang mengalir antara kedua kutub tersebut (amper) dan R adalah hambatanya (ohm). Dalam bentuk ilustrasi dapat diperlihatkan pada Gambar 2.3
Gambar 2.10 Hukum ohm
2.2.6 Hukum Kirchoof
Hukum kirchhoff merupakan salah satu teori elektronika untuk
menganalisa lebih lanjut tentang rangkaian elektronika. Dengan hukum kirchhoff kita dapat menganalisa lebih lanjut tentang arus yang mengalir dalam rangkaian dan tegangan yang terdapat pada titik-titik rangkaian elektronika. Hukum kirchhoff ini berlaku untuk analisis rangkaian loop tertutup seperti pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Rangkaian tertutup berlaku hukum Kirchoof
Dalam hukum kirchhoff dikenal 2 teori yang dapat digunakan untuk analisis rangkaian elektronika yaitu Hukum Kirchhoff Arus (KCL, Kirchhoff Current Law) dan Hukum Kirchhoff Tegangan (KVL, Kirchhoff Voltage Law).
Hukum kirchhoff arus merupakan hukum kirchhof pertama (1) yang menyatakan bahwa “Arus total yang masuk pada suatu titik sambungan atau percabangan adalah nol“. Hukum kirchhoff arus ini dapat dinyatakan dalam persamaan matematika sebagai berikut.
Arah setiap arus ditunjukkan dengan anak panah, jika arus berharga positif maka arus mengalir searah dengan anak panah, demikian sebaliknya. Dengan demikian untuk rangkaian seperti pada gambar diatas dapat dituliskan persamaan matematik berdasarkan hukum kirchhoff arus sebagai berikut:
Tanda negatif pada I1 menunjukkan bahwa arus keluar dari titik cabang dan jika arus masuk titik cabang diberi tanda positif.
Hukum Kirchhoff Tegangan (KVL, Kirchhoff Voltage Law)
Pada hukum kirchhoff tegangan atau yang sering disebut hukum kirchhoff ke II ini menyatakan “Pada setiap rangkaian tertutup (loop), jumlah penurunan tegangan adalah nol” . Hukum kirchhoff tegangan ini dapat juga dinyatakan dengan persamaan matematika sebagai berikut.
Dari contoh rangkaian pada gambar diatas dengan hukum kirchhoff dapat dituliskan beberapa persamaan matematis untuk menyatakan hukum kirchhoff tegangan sesuai loop sebagai berikut.
Loop kiri Loop kanan Loop luar
Semua komponen pada contoh gambar rangkaian diatas dilewati arus sehingga sesuai hukum kirchhoff tegangan berlaku persamaan sebagai berikut.
Dengan r adalah resistansi internal baterai maka besarnya arus yang mengalir dapat dituliskan sebagai berikut.
Persamaan diatas memperlihatkan bahwa tegangan V merupakan hasil penurunan tegangan akibat adanya beban yang dialiri arus. Terlihat dalam hukum kirchhoff tegangan bahwa V merupakan bagian dari E.
2.3.1 Tes Kemampuan
1. Sebutkan perbedaan antara elektronika analog dengan elektronika dijital 2. Sebuah resistor diketahui bernilai 220 k dengan toleransi 5%, dapatkah
saudara sebutkan warna gelang pada resistor tersebut?
3. Lakukan analisa dengan menggunakan hukum ohm jika 3 buah resistor dihubungkan secara seri maka berapakah nilai resistor totalnya atau dapat disebut juga dengan resistor penggantinya. Kemudian pada resistor yang sama apabila diparalel maka berapakah nilai resistor penggantinya.
4. Jika diketahui 3 buah kapasitor masing masing bernilai 50µF, 30µF, 10µF dihubungkan secara seri maka berapakah nilai kapasitor penggantinya. Demikian pula apabila kapasitor tersebut dibungkan secara paralel maka berapakah nilai kapasitor penggantinya.
5. Jika diketahui 3 buah induktor masing-masing 3H, 15H dan 25 H maka berapakah nilai induktor penggantinya apabila ketiga induktor tersebut dihubungkan secara seri dan berapakah nilai induktor penggantinya apabila dihubungkan secara paralel.
