Arus dan Teganga.n 2.1 ATOM DAN STRUKTUR

2 Arus dan Teganga.n

2.1

ATOM DAN STRUKTUR Pemahaman dasar mengenai konsep utama arus dan teganganmemerlukan tingkat pengenalan tentang atom dan strukturnya. Atom yang paling sederhana adalah atom hidrogen, yang terdiri dari dua partikel yaitu proton dan elektron, dengan posisi relatif yang diperlihatkan pada Gambar 2.1(a). Inti atom hidrogen adalah proton, yaitu sebuah partikel yang bermuatan positif. Elektron orbit membawa sebuah muatan negatif yang sarna besarnya dengan muatan positif proton. Di dalam semua elemen yang lain, inti juga berisi neutron yang sedikit lebih berat daripada proton dan tidak memiliki muatan listrik. Sebagai eontoh, atom helium memiliki dua neutron sebagai tambahan dua elektron dan dua proton yang diperlihatkan pada Gambar 2.1(b). Di dalam semua atom yang netral jumlah elektron sarna dengan jumlah proton. Massa elektron adalah 9.11 x 10-28gram, sedangkan proton dan neutron sebesar 1.672 x 10-24gram. Jadi massa proton (atau neutron) kira-kira 1836 kali massa elektron. Jari~4ariproton, neutron, dan elektron semuanya dalam orde yang besarnya 2 x 10. 5 meter. Untuk atom hydrofien, radius orbit yang paling keeil yang diikuti elektron adalah sekitar 5 x 10. . Radius orbit ini kira-kira 25,000 kali unsur dasar atom. Hal ini kira-kira sarna dengan sebuah bola yang ukurannya sarna dengan uang logam yang berputar sekitar bola yang sarna ukurannya dengan jarak lebih dari seperempat mil jauhnya. Atom-atom yang berbeda akan memiliki bermaearn-maearnjumlah elektron pada kulit yang konsentris sekitar inti. Kulit yang pertama, yang paling dekat dengan inti, hanya dapat berisi dua elektron. Jika sebuah atom seharusnya memiliki tiga elektron, maka elektron yang ketiga hams pergi ke kulit berikutnya. Kulit yang kedua dapat berisi sebanyak-banyaknya delapan elektron, kulit yang 39

40

Teknik Rangkaian Listrik

e-Electron ,

"' '" /'

.....

NUcIeus

,/

I I I

'\ \ I 1

,

\ \

\,

' I

// //

Proton

" ----

-----(a)

Hydrogen

atom

e~,

"'

/' /' / .

Pn){\)nj '

I

I

~

\ \ ,

Electron-

"

\ ,

I

\.../

}

I /

~udeus

e-----(b) Helium

GAMBAR 2.1

Electron

, 'v :-':eu(l't"ns

//'

/"

atom

Atom hidrogen dan helium.

ketiga 18 elektron, dan yang keernpat sebanyak 32 elektron, sebagaimana ditentukan oleh persamaan 2n, di mana n adalah jumlah kulit. Kulit ini biasanya dinyatakan dengan sebuah bilangan (n = 1,2,3, ...)atauhuruf(n = k, I, m, ...). Masing-masing kulit kemudian dipecah menjadi sub-kulit, di mana sub-kulit yang pertama dapat berisi sebanyak-banyaknya dua elektron, sub-kulit yang kedua berisi enam elektron, yang ketiga berisi 10 elektron, dan yang keempat sebanyak 14 elektron, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.2. Subkulit tersebut biasanya dinyatakan dengan huruf s,p, d, danJ, dengan urutan keluar dari inti. Telah ditentukan dengan percobaan bahwa ia tidak seperti muatan yang tarik menarik, akan tetapi sama dengan muatan yang saling tolak-menolak. Gaya tarik menarik maupun gaya tolak menolak antar dua muatan Ql dan Qz dapat ditentukan oleh hukum Coulomb: (2.1)

Arus dan Tegangan

\

\

\

:2electrons(2 e) 2 e

.

yS \

.

Nucleus

yS y P \ \

Ist shell

10 e

\

\

::!e

I/ I

3rd t1I

I

GAMBAR 2.2

\

10 e 14 e

ys y yd y p f \ \ \ \

r

I

\...

J

I

'

I

\...

In I I

!v1-1

! 0: /Ub'hIIS

\

6e

4th shell

I 1 SUb/II

\

6e

2nd shlI

+----+-.

k

\

::!e

ys y yd P \ \ \

i

j\

/

\

6e

41

/

jUbSjllS

/

/Ub/

/

Kulit dan subkulit struktur atom.

di mana F dalam newton, k= tetapan = 9.0 x 109, Q1 dan Q2 adalah muatan dalam

coulomb (akan diperkenalkan dalam Pasal 2.2), dan r adalah jarak dalam meter, antara dua muatan tersebut. Khususnya perlu dicatat bahwa suku "r" dalam pembagi akan menghasilkan penurunan harga F dengan cepat untuk pertambahan

harga "r". Dalam

-

suatu atom elektronakan saling tolak menolaksatu sarna lain, dan

proton dan elektron akan saling tarik menarik satu sama lain. Karena inti berisi banyak muatan positif (proton), maka gaya tarik menarik yang kuat terjadi pada elektron yang berada pada orbit yang dekat dengan inti [perlu dicatat pengaruh dari muatan Q yang besar dan jarak "r" yang kecil dalam Persamaan (2.1)]. Begitu jarak antara inti dan orbit elektron bertambah, maka gaya ikat akan berkurang sehingga mencapai tingkatnya yang paling rendah yaitu sub-kulit yang paling luar (r yang terbesar). Karena gaya ikat yang semakin lemah, maka sedikit energi yang dikeluarkan untuk mengambil sebuah elektron dari sebuah sub-kulit yang lebih luar daripada dari sub-kulit yang lebih dalam. Begitu juga, hal ini sebenarnya secara umum benar bahwa elektron lebih siap diambil dari atom yang memiliki subkulit luar yang tidak lengkap dlJD,sebagai tambahan, yang memiliki sedikit elektron. Sifat atom inilah yang memperbolehkan pengambilan elektron pada keadaan tertentu merupakan hal yang penting jika ada gerakan muatan. Tanpa gerakan ini, maka naskah ini akan mengandung resiko tidak ada kelanjutan - besaran dasar kita mengandalkan gerakan ini. Tembaga adalah metal yang paling umum digunakan dalam industri listriklelektronika. Sebuah pengujian mengenai struktur atomnya akan membantu untuk mengenal bagaimana ia memiliki aplikasi yang sangat luas. Atom tembaga

42


\

\ \ :!.. y

\ 2..\ 6.. V V s

s

\

\

I

,

k

,

,I

/

/

. I,

I

I I

I

l'ucku.

\ V\\2..\V 6..\0.. V s

2nd sheII

l.t shell

CD

\

\

/

/ /

/

\

p

d

---'\.1" \\\\ s

\I

\r

I I I / /

/

/ / /

p

d

\1'1 \

3rd shell , m

\29th

4th shell

I .I I

n , I'

\

f

l'.

I

Remaining subshells emptV

/

I / /.

IIII

GAMBAR 2.3 Atom tembaga.

(Gambar 2.3) memiliki satu elektron atau lebih yang diperlukan untuk melengkapi tiga kulit yang pertama. Subkulit terluar yang tidak lengkap ini hanya memiliki satu elektron, dan jarak antara elektron ini dengan inti, mengungkap bahwa elektron yang keduapuluh-sembilan kurang kuat ikatannya terhadap atom tembaga. Jika elektron yang keduapuluh-sembilan ini memperoleh energi yang cukup dari media di sekitamya maka akan meninggalkan atom induknya, inilah yang disebut elektron bebas. Dalam satu inci kubik tembaga pada suhu ruang ada sekitar 1.4 x 1024elektron bebas. Tembagajuga memiliki keuntungan yaitu dapat ditarik menjadi kawat tipis yang panjang dan ditempa menjadi bermacam-macam bentuk yang berbeda. Metal yang lain yang memiliki sifat yang sarna dengan tembaga, tetapi berbeda tingkatnya adalah perak, emas, platina, dan aluminium. Emas digunakan secara luas dalam rangkaianterpadu di mana tingkat kinerja danjumlah bahan yang diperlukanseimbang'denganfaktorbiayanya.Alumuniumbanyak digunakan secara komersial tetapi lebih peka terhadap suhu (mengembang dan menyusust) daripadatembaga.

2.2

ARUS Perhatikan sebuah kawat tembaga pendek yang dipotong dengan arah tegak lurns dengan sumbu khayal akan menghasilkan potongan melingkar yang diperlihatkan dalam Gambar 2.4. Pada suhu ruang dengan"tanpa gaya luar yang diberikan, maka yang ada dalam kawat tembaga tersebut adalah gerakan elektron yang acak

Arus dan Tegangan

43

GAMBAR 2.4

karena pengaruh energi panas yang mana elektron memperolehnya dari media yang berada di sekitarnya. Bila sebuah atom kehilangan elektron bebasnya, maka ia menjadi bermuatan positif yang direferensikan sebagai sebuah ion positif. Elektron bebas tersebut dapat berpindah dalam ion positif ini dan meninggalkan atom induknya, sedangkan ion positif hanya berosilasi pada posisi tetap rataratanya. Karena alasan inilah elektron bebas adalah muatan pembawa listrik dalam sebuah kawat tembagq atau dalam sembarang penghantar padat. Sebuah larik ion positif dan elektron bebas dilukiskan pada Gambar 2.5. Dalam larik ini, elektron bebas secara terus menerus memperoleh atau kehilangan energi karena perubahan arah dan kecepatannya. Banyak faktor yang menye-

'"e

GAMBAR 2.5

Gerakan acak elektron bebas dalam sebuah struktur atom

44


babkan adanya gerakan acak ini yang meliputi (1) tabrakan dengan ion positif atau elektron yang lain, (2) gaya tarik menarik dari ion positif, dan (3) gaya tolak menolak yang terjadi antar eIektron. Gerakan acak elektron bebas ini sedemikian rupa setelah selang waktu tertentu jumlah elektron yang bergerak ke arah kanan melewati potongan melintang pada Garnbar 2.4 besamya tepat sarna dengan jumlah yang lewat ke sebelah kiri. Tanpa adanya gaya dari luar, aIiran total muatan dalam sebuah penghantar dalam salah satu arah besarnya noL Marilahkita hubungkan kawat tembaga ini antara dua terminal baterei seperti yang diperlihatkan dalarn Gambar 2.6. Baterei tersebut menggunakan energi kimia, yang mc:mempatkanmuatan positif pada salah satu terminal dan muatan negatif pada terminal yang lain. Begitu kawat dihubungkan antara dua terminal tersebut, maka elektron bebas pada kawat tembaga akan mengalir menuju terminal positif, sedangkan ion positif akan berosilasi dalarn posisi tetap rata-ratanya. Terminal negatif tersebut meropakan penyedia elektron yang akan diarnbil darinya bila elektron pada kawat tembaga mengalir menuju terminal positif. Reaksi kimia pada baterei akan menyerap elektron pada terminal positif dan menjaga penyediaan elektron yang tetap pada terminal negatif. . Jika 6.6242 x 1018elektron mengalir dengan kecepatan yang seragarn melalui potongan melintang sumbu khayal pada Garnbar 2.6 dalarn waktu satu detik,

/

Imaginary plane

lconventionaJ

Battery

I. II GAMBAR 2.6

Arus dan Tegangan

45

maka aliran muatan atau arus dikatakan sebesar 1 amper (A). Pembahasan pada

Bab 1telahmengungkapbahwainimerupakanjumlahelektronyangsangatbesar . yang melintasi permukaan tersebut dalarn waktu 1 detik. Arus yang hanya sedikit elektron saja per detik tidak akan bertalian dan harga praktis yang kecil. Untuk menetapkan harga numerik yang memungkinkan perbandingan antar tingkat, muatan satu coulomb (C) didefmisikan sebagai muatan total yang berhubungan 18 dengan 6.242 x 10 elektron. Muatan yang berhubungan dengan satu elektron dapat ditentukan dari

Muatanlelektron= Qe=

1C

6.242 X 1018

= 1.6 X 10-19 C

Arus dalarn arnper kini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: I. = amper(A) Q = coulomb(C)

1

=detik(s)

(2.2)

Huruf besar I dipilih dari kata dalam bahasa Perancis untuk arus, yaitu "intensite". Singkatan SI untuk masing-masing besaran dalam Persamaan (2.2) diberikan untuk persarnaan yang benar. Persarnaan tersebut secara jelas mengungkap bahwa untuk selang waktu yang sarna, semakin banyak muatan yang mengalir melalui kawat akan semakin besar arusnya. Melalui manipulasi aljabar, dua besaran lain yang dapat ditentukan adalah sebagai berikut: Q=II

(coulomb, C)

(2.3)

dan -Q 1-7

(detik, s)

(2.4)

CONTOH 2.1. Muatan yang mengalir melalui permukaan khayal pada Garnbar 2.6 sebesar 0.16 coulomb setiap 64 milidetik. Tentukan arus tersebut dalam arnper.

Penyelesaian:

Persamaan(2.2)

46


160 X 10-3 C = 2.50 A 1= Q = 0.16C t 64 x 10-3detik 64 X 10-3 detik

CONTOH 2.1. Tentukan waktu yang diperlukan bagi 4 x 1016elektron untuk melewati pennukaan khayal pada Gambar 2.6 jika arus besarnya 5 miliamper. Penyelesaian: 4 x 1016elektrOn

Tentukan Q:

I~

(6.242 x 10

~

elektro~)

=0.00641X 10-2C = 0.00641

C

= 6.41 mC

Hitunglah t [Persamaan (2.4)] t =Q

I

= 6.41

X

10-3 C - 1.282 detik

5 x 10-3A

Pandangan sekilas yang kedua pada Gambar 2.6 akan mengungkap bahwa dua arah aliran muatan telah ditandai. Yang satu disebut arah yang diperjanjikan sedangkan yang kedua disebut aliran elektron. Naskah ini hanya akan berhubungan dengan aliran yang diperjanjikan karena berbagai alasan, tennasuk kenyataan bahwa inilah yang paling banyak digunakan pada institusi pendidikan dan dalam industri, digunakan dalam rancangan semua simbol piranti elektronik, dan merupakan pilihan yang terkenal untuk semua paket perangkat-Iunak komputer. Aliran yang diperdebatkan merupakan hasil dari sebuah anggapan yang dibuat pada saat listrik ditemukan bahwa muatan positif adalah partikel yang bergerak dalam penghantar metal. Percayalah bahwa pilihan mengenai arus yang diperjanjikan tersebut tidak akan menghasilkan kesulitan besar dan kekacauan dalam bab-bab berikutnya. Begitu arah I ditetapkan, maka pennasalahan tersebut dihentikan dan analisis dapat berlanjut.

2.3

TEGANGAN Aliran muatan yang diuraikan dalam pasal sebelumnya ditetapkan oleh sebuah tekanan dari luar yang diperoleh dari energi yang mana sebuah massa memiliki energi karena posisinya yang disebut energi potensial (potential energy, PE).

Arus dan Tegangan

47

Energi, menurut definisi adalah kapasitas untuk melakukan kerja. Jika sebuah massa (m) dinaikkan sampai ketinggian tertentu (h) di atas bidang referensi maka ia memiliki energi potensial yang besarnya dinyatakan dalam joule (J) yang ditentukan oleh Energi potensial (PE) = mgh

Goule,1)

(2.5)

di mana g adalah percepatan gravitasi (9.754 m/s). Massa ini sekarang memiliki kemampuan untuk melakukan pekerjaan seperti menggilas obyek yang diletakkan pada bidang referensi. Jika ketinggiari kemudian dinaikkan lagi, maka ia akan memiliki ukuran energi potensial yang bertambah dan dapat melakukan pekerjaan tambahan. Ada perbedaan potensial yang jelas antara dua ketinggian di atas bidang referensi. Dalam baterei pada Gambar 2.6, reaksi kimia internal akan menetapkan (melalui pengeluaran energi) sebuah timbunan muatan negatif (elektron) pada salah satu terminal (terminal negatif) dan muatan positif (ion positif) pada terminal yang lain (terminal positif). Penempatan muatan telah ditetapkan yang akan menghasilkan perbedaan potensial antara terminal tersebut. Jika sebuah penghantar dihubungkan antara terminal baterei, maka elektron pada terminal negatif memiliki energi potensial yang cukup untuk menanggulangi tabrakan dengan partikellain dalam penghantar dan tolak menolak dari muatan yang sarna untuk mencapai terminal positif yang ditarik. Muatan dapat dinaikkan menuju sebuah tingkat potensial yang lebih tinggi melalui pengeluaran energi dari sebuah sumber dari luar, atau ia dapat kehilangan energi potensial bila ia berjalan melalui sebuah sistem listrik. Dalam sembarang kasus, menurut definisi: Sebuah perbedaan potensial sebesar 1 volt (V) ada di antara dua titik jika 1 joule (J) energi dipertukarkan dalam perpindahan 1 coulomb (C) muatan antara dua titik tersebut.

.

Sebagai gambaran,jika satujoule (I J) energi diperlukan untuk menggerakkan muatan satu coulomb (I C) pada Gambar 2.7 dari posisi x menuju posisi y, maka perbedaan potensial atau tegangan antara dua titik tersebut sebesar satu volt (I V). Jika energi yang diperlukan untuk memindahkan muatan I C meningkat menjadi 12 J karena tambahan gaya yang berlawanan maka perbedaan potensial akan meningkat menjadi 12 V. Olehkarena itu tegangan merupakan tanda seberapa banyak energi yang diperlukan untuk memindahkan sebuah muatan antara dua titik dalam sistem listrik. Sebaliknya, semakin tinggi rating tegangan sebuah sumber energi seperti sebuah baterei, maka akan semakin banyak energi yang tersedia untuk menggerakkan muatan melalui sistem tersebut. Perlu dicatat bah-

48


w= I J \IC ~

--

---

(/"')

/

I

I

x

y VA)'=

GAMBAR 2.7.

I volt

Penentuan satuan pengukuran untuk tegangan

wa dua titik yang selalu disertakan bita membicarakan mengenai tegangan atau perbedaan potensial. Selanjutnya perlu diingat bahwa perbedaan potensial atau tegangan selalu diukur antara dua titik dalam suatu sistem. Dengan merubah salah satu titik dapat merubah perbedaan potensial antara dua titik yang sedang ditinjau.

Secara umum, perbedaan potensial antara dua titik ditentukan oleh

w V= 1! (volt)

(2.6)

Melalui manipulasi aljabar, kita memiliki persamaan W = QV

(joule)

(2.7)

dan W Q=-y

(coulomb)

(2.8)

CONtOH 2.3. Berapa perbedaan potensial antara 4ua titik di dalam sebuah sistem listrik jika energi sebesar 60 joule dikeluarkan oleh sebuah muatan 20 C antara dua titik ini.

Penyelesaian:

Persamaan(2.6) W 60J V = 1! = 1U""C = 3V

Arus don Tegangan

49

CONTOH 2.1. Tentukan energi yang digunakan untuk memindahkan sebuah muatan 50 C melalui perbedaan potensial 6 V. Penyelesaian:

Persamaan (2.7) W= QV= 50 x 10-6C)(6 V) = 300 x 10-6J = 300 J.W

Notasi memainkan peran yang sangat penting dalam analisis sistem listrik dan elektronika. Untuk membedakan antara sumber tegangan (baterei dan yang semisal) dan penurunan potensial pada elemen yang memancarkan panas, maka notasi berikut yang akan digunakan: E digunakan untuk sumber-sumber tegangan (volt) Vdigunakanuntukjatuhtegangan(volt) Secara ringkas, perbedaan potensial yang digunakan (dalam volt) pada sebuah sumber tegangan dalam rangkaian listrik adalah "tekanan" untuk menetapkan sistem agar bergerak dan "menyebabkan" aliran muatan atau arus melalui sistem listrik tersebut. Sebuah analogi mekanik untuk tegangan yang dipakai adalah tekanan yang digunakan pada air dalam sebuah pipa. Aliran air yang dihasilkan melalui sistem disamakan dengan aliran arus yang melalui sebuah rangkaian listrik. Tanpa menggunakan tekanan dad katup, maka air akan tetap dalam pipa, seperti elektron pada sebuah kawat tembaga tidak memiliki arah bila tidak diberi tegangan.

2.4

PENYEDIA TETAP (de) Istilah dc yang digunakan pada judul pasal ini adalah singkatan dari "direct current" (arus searah), yang mencakup bermacam-macam sistem listrik yang mana hanya ada satu arah aliran muatan. Istilah ini akan diulas lebih jelas lagi dalam bab berikutnya. Untuk saat ini, kita hanya akan memperhatikan pada penyedia yang menyediakan tegangan atau arus yang tetap.

GAMBAR 2.8

50


Sumber Tegangan de Karena sumber tegangan dc lebih mengenal dua jenis penyedia daya, maka ia akan diuji pertama kali. Simbol yang digunakan untuk semua penyedia tegangan dc dalam naskah ini tampak dalam Gambar 2.8. Panjang relatifbatang menunjukkan terminal yang mereka nyatakan. Sumber tegangan dc dapat dibagi menjadi tiga kategori umum: (1) baterei (reaksi kimia), (2) generator (elektromekanik), dan (3) penyedia daya (penyearahan).

.

Baterei Bagi orang awam, baterei adalah sumber dc yang paling umum. Menurut definisi, sebuah baterei (berasal dari pemyataan "battery of cell") yang berisi sebuah kombinasi dua atau lebih kombinasi sel-sel yang mirip, sebuah sel merupakan sumber energi listrik utama yang dihasilkan dari perubahan energi kimia atau energi surya. Semua sel dapat dibagi menjadijenis primer dan sekunder. Sel sekunder dapat diisi lagi, sedangkan sel primer tidak dapat. Jadi reaksi kimia pada sel sekunder dapat dibalik untuk mengembalikan kapasitasnya. Ada dua macam baterei yang dapat diisi lagi, yang paling terkenal adalah unit asam-timah (terutama digunakan pada kendaraan bermotor) dan baterei nikel-cadmium (digunakan dalam kalkulator, unit lampu kilat, pencukur, dan lain-lain). Keuritungan yang nyata dari unit yang dapat diisi lagi adalah pengurangan biaya yang berhubungan dengan penggantian baterei karena terus menerus mengganti sel-sel primer yang sudah habis. Semua sel yang tampak dalam bab ini selain sel surya, yang menyerap energi dari cahaya yang masuk dalam bentuk photon, menetapkan perbedaan potensial dengan mengeluarkan energi kimia. Sebagai tambahan, masing-masing sel memiliki sebuah elektrode positif dan negatif serta sebuah "electrolyte" untuk melengkapi rangkaian antar elektrode dalam baterei Electrolyte adalah elemen kontak dan sumber ion untuk menghantarkan antara terminal. Baterei primer seng-karbon yang terkenal menggunakan seng sebagai elektrode negatifnya, sebuah campuran dioxide manganese dan batang karbon sebagai elektrode positifnya, serta electrolyte yaitu campuran antara ammonium dan seng klorida, bubuk, dan kanji, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.9. Gambar 2.10 memperlihatkan sejumlah unit jenis primer yang lain dengan bidang pemakaian dan rating yang akan dibahaSkemudian dalam pasal ini. Untuk unit timah-asam sekunder yang tampak pada Gambar 2.11, yang menjadi electrolyte adalah asam sulfur dan elektrodenya berupa timah yang berporipori (Pb) dan timah peroxida (Pb02). Bila sebuah beban diberikan pada terminal baterei, maka ada perpindahan elektron dari elektrode timah yang berpori-pori menuju elektrode' timah peroxida melalui beban. Perpindahan elektron ini akan berlanjut sehingga baterei benar-benar telah habis muatannya. Waktu pengosong- .

Arus dan Tegangan

51

One-piece melal co\'cr (+) Venl w;'lshcrpaperboard

Jackel

Wax ring seal

polyethylenecoated Kraft and polyesterfilm label

Support w;lsh~'r-polyethylenecoaled paperboard

Paste of flour, starch, ammonium chloride. and zinc chloride

Mixman[!anc!;c dioxide. etc. Can-zinc

Star bonompaperboard Cross section of standard round cell

(a>

"C" cell 1.5 V 0-80 mA (b)

"AA" cell 1.5 V 0-25 mA

"AAA" cell 1.5 V 0-20 mA

GAMBAR2.9. Baterei primer karbon-sang. (a) Konstruksi,(b) tampak dan ratingnya. Kebaikan dari Eveready Batteries

an muatan ditentukan oleh bagaimana asam menjadi lamt dan seberapa kuat lapisan timah sulfat pada masing-masing keping. Keadaan pengosongan muatan pada sel timah penyimpan dapat ditentukan dengan pengukuran gaya berat khusus

* 7~::1!~

"';;,l.i-. i'i}ij

t' X ,;-:=:

,

'~;'~~3~:~~ (a> LithiodeS lithium-iodine cell 2.8 V. 870 mAh

(b) Lithium-iodine pacemaker cell 2.8 V. 2.0 Ah

(c) Eveready transistor bal\ery 9 V. 450 mAh

Long-lire power sources with printed circuit board mounting capability

GAMBAR2.10. Sel-sel primer. (Bagian-bagian (a) dan (b) kebaikan dari Catalyst Research Corp.; bagian (c) kebaikan dari Eveready Batteries

52

Teknik Rangroian Listrik

Extrusion.fusion

intercellconnection

/

,.. ...~~;-~,.'.

. -I

~

.'"

/

I' r I"

GAMBAR 2.11. Baterei timah-asam 12 V yang bebas perawatan. (Kebaikan dari Delco-Remy, bagian dari General Motor Corp.)

pada electrolyte dengan sebuah hydrometer Gaya berat khusus sebuah zat didetinisikan sebagai perbandingan berat zat tersebut dengan volume tertentu dibandingkan dengan berat air pada suhu 4 C dengan volume yang sarna. Untuk baterei yang bermuatan penuh, gaya berat khusus berharga antara 1.28 dan 1.30. Bila gaya berat khusus tersebut jatuh sekitar 1.1 maka baterei harus dimuati lagi. Karena sel penyimpan timah berupa sel sekunder, maka ia dapat diisi lagi pada sembarang titik selarna fase pengosongan dengan menggunakan sumber dc luar yang dihubungkan ke sel yang akan melewatkan arus melalui sel dengan arah yang berlawanan dengan saat sel menyediakan arus untuk beban. Peristiwa ini akan mengarnbil timah sulfat dari plat dan mengembalikan konsentr-asi asarn sulfur. Keluaran sel penyimpan timah selarnafase pengosongan muatan sekitar 2 volt. Baterei penyimpan timah yang diperdagangkan yang digunakan untuk kendaraan bermotor, tegangan 12 volt dapat dihasilkan oleh enarn sel yang disusun seri, seperti yang diperlihatkan dalarn Garnbar 2.11. Penggunaan sebuah kisi yang dibuat dari sebuah lempengan carnpuran timah-kalsium yang ditempa bukan dari kisi timah-antimoni yang dicetak biasa digunakan untuk menghasilkan baterei yang bebas perawatan seperti yang tampak pada garnbar yang sarna. Struktur

Arus dan Tegangan

53

(a)

Eveready BH 500 cell 1.2 V, 500 mAh App: Where vertical height is severe limitation

Printed circuit board mountable battery 2.4 V, 70 mAh

(b)

(c)

GAMBAR2.12. Baterei nikel-kadmiumyang dapat diisilagi. (Bagian(a) dan (b) kebaikan Eveready Batteries; bagian (c) kebaikan General ElectricCo.)

timah-antimoni mudah kena karat, muatan berlebih, menghasilkan gas, menggunakan air, dan bisa kosong dengan sendirinya. Peningkatan rancangan dengan kisi timah-kalsium menghilangkan atau mengurangi kebanyakanpermasalahan ini. Baterei nikel-cadmium adalah sebuah baterei yang dapat diisi lagi yang telah mendapat perhatian yang cukup besar dan perkembangan pada tabun-tabun terakhir. Sejumlah baterei tersebut dibuat oleh Union Carbide Corporation dan General Electric Company yang tampak pada Gambar 2.12. Kpnstruksi internal sel jenis silinder tampak pada Gambar 2.13. Dalam keadaan muatan penuh elektrode positif berupa nikel hidroxida (Ni(OH)2); elektrode negatif, cadmium metal(Cd); dan electrolyte, potaSsiumhydroxide (KOH). Oksidasi (peningkatan kandungan oksigen) pada elektrode negatifterjadi secara serentak dengan pengurangan elektrode positif yang memberikan energi listrik yang diperlukan. Pemisah diperlukan untuk mengisolasi dua elektrode tersebut ~ memperta~ hankan lokasi electrolyte Keuntungan sel seperti ini adalah bahwa material aktif pergi melalui sebuah perubahan pada keadaan oksidasi yang diperlukan untuk met)etapkan tingkat ion tanpa merubah keadaan fisikoHal ini memberikan mekanisme pemulihan untuk fase pengisian kembali.

54


@_

0--

Cap

V~nt ball

~)-

~-

S~al Cor~

-----

PosiljH~ lab

Sin!~r~d posili\"~electrod~ Pressed powdered nega!i\'e electrode

GAMBAR 2.13.

Struktur internalsel nikel-cadmiumjenis silideryang dapat diisi lagi. (Kebaikan

EvereadyBatteries)

Arus dan Tegangan

40- W. high-density solar module IOO-mm x lOO-mm (4" x 4") used to provide maximum power space. The 33 series cell module 12- V battery charging current for temperatures ( - 40°C to 60°C)

55

square cells are in a minimum of provides a strong a wide range of -

GAMBAR2.14. Modulsurya. (Kebaikan MotorollaSemiconductor Products)

Sebuah sel surya 40 W dengan kepadatan yang tinggi tampak pada Gambar 2.14 dengan data dan penggunaannya. Karena watt maksimum yang tersedia pada cahaya matahari yang cerah pada siang hari sebesar 100 mW/cm dan efisiensi perubahan yang ada saat ini sekitar 10% sampai 14%, maka daya yang tersedia pada setiap satu centimeter persegi dari kebanyakan unit-unit yang dipasarkan adalah antara 10 mW sampai 14mW. Untuk satu meter persegi akan menjadi 100 W sampaH40 W. Uraian yang lebih rinei mengenai sel surya akan anda peroleh dalam kursus elektronika anda. Pada saat ini yang penting adalah menyadari bahwa pencahayaan yang tetap pada sel surya akan memberikan tegangan dc

56


yang eukup mantap untuk mengemudikan bennaeam-maeam beban, mulai dari jam sampai pada kendaraan bennotor. Baterei memiliki rating kemampuan yang ditentukan dalam amper-jam (Ah) atau miliamper-jam (mAh). Beberapa rating ini telah dieantumkan dalam gambar-gambar di atas. Sebuah baterei dengan rating amper-jam 100 seeara teoritis akan menyediakan arus mantap sebesar 1 amper selama 100jam, 2 amper selama 50 jam, 10 amper selama 10jam, dan seterusnya, sebagaimana ditentukan oleh persamaan berikut: Waktu hidup' Gam)

= ratingamper-jam

(Ah) amper yang ditarik (A)

(2.9)

Ada dua faktor yang mempengaruhi rating ini, yaitu suhu dan pesat pengosongan. Sel jenis eakram EVEREADY BH 500 tampak pada Gambar 2.15. Gambar 2.15 mengungkap bahwa: kapasitas sebuah baterei de berkurang dengan peningkatan kebutuhan akan arus 600 ~500 .c ~400 ;300 'gc.. 200 " U 100 o

l

r--.

-

IT T

r--..: r--:.: 0.9 v

j'o.......... 1.0 V 1.1 V I

T

200 400 600 800 Discharge current (mA) (a)

1000

1200

600 :;:500 g400 ~300 "G 2..200

G 100 o -10 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100110120130 of ,..-L-.., ' , A-.. ,..J<-., ~ ,..A-." ~ r-"-. (0C) (- 23.31(- 12.21(-1.11 (10, (21.1) (32.2) (43.3) (S4.4) (b)

GAMBAR2.15. Karakteristik sel EVEREADy8 BH 500. (a) KM>asitasdibandingkan dengan arus pengosongan; (b) kapasitas dibandingkandengan suhu. (Kebaikan Eveready. Batteries)

-

-------

---:------

Arus dan Tegangan

57

dan kapasitas sebuah baterei de beikurang relatif terhadap (dibandingkan. dengan suhu ruang) suhu rendah dan tinggi. Untuk unit I-V pada Gambar 2.l5(a), rating di atas 500 rnAh pada arus pengosongan 100 mA tetapi jatuh rnenjadi 300 rnAh pada arus sekitar I A. Untuk unit yang kurang dari 1.5 inci diameternya dan kurang dari 0.5 inci tipisnya, rnaka ini rnempakan karakteristik terminal yang sangat bagus. Gambar 2.15(b) rnengungkap bahwa rating rnaksirnum rnAh (pada arus pengosongan 50 rnA) terjadi pada suhu sekitar 75° F (= 24° C), atau hanya di atas suhu rata-rata mango Catatlah bahwa kurva jatuh di sebelah kanan dan kiri harga rnaksirnurn ini. Kita sernua sadar bahwa pengurangan "kekuatan" sebuah baterei pada suhu rendah. Catatlah bahwa ia jatuh hampir 300 rnAh pada suhu _20°C. Sebuah kurva lain yang rnenarik tampak dalam Garnbar 2.16. Ia rnenyediakan tegangan sel yang diharapkan pada pengosongan selarna berjam-jarn penggunaan. Perlu dicatat bahwa kehiiangaIiyang berjarn-jarn antara 50 rnA dan 100 rnAjauh lebih besar daripada antara 100 rnA dan 150 rnA, rneskipun bertambahnya arus sarna antar tingkat. Secara urnurn, tegangan terminal sebuah baterei de berkurang dengan lama waktu pengosongan pada arus pengosongan tertentu. CONTOH 2.5.

1.5 I.

"

I

.

g' 1..:C> J.:!

8

1.1

..... 1501\ \100

-

-

mA

1.0 0.9

-

r-.;;::::

o

1

2

3

mA

-

'\.50 mA

\

\ T

\

\

1\

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14

Discharge lime (hI

GAMBAR 2.16. Kurva pengosongan sel EVEREADYBH 500. (Kebaikan Eveready Batteries)

58


a. Tentukan kapasitas dalarn miliarnper-jarn untuk sel BH 500 0.9-V pada Garnbar 2. 15(a)jika arus pengosongan sebesar 600 mA. b. Pada suhu berapakah rating mAh sel pada Garnbar 2.15(b) akan sebesar 90% harga ~aksimumnya jika arus pengosongan sebesar 50 mA? Penye/esaian: a. Dari Garnbar 2. 15(a),kapasitas pada 600 mA adalah sekitar 450 mAh. Jadi dari persarnaan (2.9),

Waktuhidup= 450mAh 600 Ah - 0.75 h =45 min b. Dari Garnbar 2.15(b), harga maksimum sekitar 520 mAh. Oleh karena itu 90%-nya sarna dengan 468 mAh, yang terjadi tepat di atas titik beku, atau 1C, dan lebih tinggi pada suhu 45°C.

Generator Generator de begitu berbeda, baik dalarn hal konstruksi (Garnbar 2.17) dan dalarn mode operasi, dengan baterei. Bila poros generator berputar sesuai dengan keeepatan yang terdapat pada panelnya karena adanya torsi atau sumber daya mekanis dari luar, maka tegangan ratingnya akan tampak melintas pada terminal luarnya. Tegangan terminal dan kemarnpuan untuk menangani daya pada generator de biasanya lebih tinggi daripada kebanyakan baterei, dan masa hidupnya hanya ditentukan oleh konstruksinya. Generator yang digunakan seeara komersial biasanya menghasilkan tegangan 120-V atau 240-V. Sebagaimana ditunjukkan sebelumnya dalam pasal ini, untuk maksud dalam naskah ini tidak ada perbedaan antara simbol baterei dan generator. Catu Daya Catu de yang sering dihadapi di laboratorium menggunakan proses penyearahan dan penyaringan untuk memperoleh tegangan tegangan de yang

GAMBAR 2.17 Generator dc.

Arus dan Tegangan

-

59

+

-~ -

GAMBAR 2.18

Catu dc untuk laboratorium. (Kebaikan Lambda Electronics Corp.)

mantap. Dengan prosesini, teganganyang berubahterhadapwaktu (seperti tegangan yang tersedia pada stop kontak listrik rumah tangga) diubah menjadi satu besaranyang harganyatetap. Prosesini akan dicakup seeararinci dalarn perkuliahan elektronika dasar. Catu de untuk laboratoriumjenis ini tampak pada Garnbar 2.18. Kebanyakan eatu de untuk laboratorium memiliki sebuah pengatur, tegangan keluaran dapat diatur dengan tiga terminal yang tersedia, seperti yang ditunjukkan pada Garnbar 2.18 dan 2.l9(a). Simbol untuk tanah atau potensial nol (referensi) juga diperlihatkan pada Garnbar 2. I9(a). Jika diperlukan tegangan sebesar 10 volt di atas potensial tanah, maka hubungan dibuat seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.19(b). Jika diperlukan tegangan sebesar 15 volt di bawah potensial tanah, maka hubungan dibuat seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.19(e). Jika hubungan seperti yang diperlihatkan pada Garnbar 2.19( d), maka kita mengatakan bahwa kita memiliki tegangan mengarnbang sebesar 5 volt karena harga referensi tidak disertakan. Susunan pada Garnbar 2.19(d) jarang digunakan karena tidak dapat melindungi operator dengan menyediakan lintasan yang memiliki harnbatan yang rendah menuju tanah dan menetapkan pentanahan bersarna bagi sistem tersebut. Dalarn banyak kasus, terminal positif dan negatifharus merupakan bagian dari sembarang konfigurasi rangkaian.

Sumber Arus de Bermaearn-macamjenis dan aplikasi yang sangat luas bagi sumber tegangan de membuatnya menjadi piranti yang eukup dikenal, karakteristiknya dimengerti,

60


+. IOV

+8 .... GOO(0V)

-8

-

(a)

+.

Jum

,r+ -

8

(e)

GAMBAR 2.19

-

....

+1+10 V)

_IIOV

Jumper (b)

-1(-15V) rl5V +-::-

-

(

5V

\. -

Hubungan keluaran yang memungkinkan

....

(d)

15V

J

bagi eatu de untuk laboratorium.

setidak-tidaknya dasarnya, oleh orang awam. Sebagai eontoh, ini merupakan pengetahuan yang umum bahwa sebuah baterei mobil 12-V memiliki tegangan terminal (kira-kira sekurang-kurangnya) 12 V meskipun arus pengosongan oleh mobil tersebut bisa berubah-ubah tergantung pada kondisi operasi yang berbeda. Dengan kata lain, sebuah sumber tegangan idealnya akan menyediakan tegangan terminal yang tetap meskipun arus pengosongan berubah-ubah, seperti yang dilukiskan pada Gambar 2.20(a). Sebuah sumber arus de merupakan sumber tegangan rangkap (dual). Jadi, sumber arus akan, idealnya, menyediakan arus yang tetap kepada beban meskipun tegangan terminal berubah-ubah karena ditentukan oleh beban, sebagaimana dilukiskan pada Gambar 2.20(b). (Jangan khawatir jika konsep mengenai sumber arus merupakan hal yang asing dan agak membingungkan pada saat ini. la akan diulas lebih rinci dalam bab-bab berikutnya.) Pengenalan mengenai piranti-piranti semi-penghantar seperti transistor telah diperhitungkan dalam ukuran besar untuk meningkatkan keperluan akan sumber arus. Sebuah eontoh sumber arus de yang ada di pasaran tampak pada Gambar 2.21.

Arus dan Tegangan

61

Voltage 12 V

o

lorr (a)

Current IOmA

o

Vor I (b)

GAMBAR2.20. Karakteristik-karakteristikterminal. (a) sumber tegangan ideal; (b) sumber arus ideal.

GAMBAR2.21. Sumber arus dc. (Kebaikan Lambda Electronics Corp.)

62

2.5


PENGHANTAR DAN PENYEKAT Kawat yang berbeda yang ditempatkan melintas dua terminal baterei yang sarna akan memungkinkan perbedaan jumlah muatan yang mengalir antara terminal tersebut. Banyak faktor seperti kepadatan, mobilitas, dan kestabilan bahan, akan mempengaruhi perubahan aliran muatan. Secara umum, pengllantar ada/all ballan yang memungkinkan aliran e/ektron yang banyak sekali dengan gaya pemaksa dari /uar yang sangat keci/. Sebagai tambahan, pengllantar yang bagus kllususnya IIanya memiliki satu e/ektron da/am cincin va/ensi Oarak yang paling jaull dari inti).

Karena tembaga paling sering digunakan, maka ia digunakan sebagai standar perbandingan untuk hantaran relatif dalam Tabel 2.1. Perlu dicatat bahwa alumunium yang terlihat pada penggunaan yang diperdagangkan hanya memiliki tingkat hantaran 61% bila dibandingkan dengan dengan tembaga, tetapi ingatlah bahwa hal ini harus dipertimbangkan dengan faktor antara biaya dan berat. Penyekat penyekat ada/all ballan yang memiliki e/ektron bebas yang sangat sedikit sekali dan memer/ukan penggunaan potensia/ (tegangan) yang besar untuk mene~apkan IIarga arus yang dapat diukur. Penggunaan bahan penyekat yang umum adalah untuk melapisi kawat pembawa arus, yang mana jika tidak diberi penyekat akan menyebabkan pengaruh sampingan yang berbahaya. Orang-orang yang memperbaiki saluran listrik mengLogam Perak Tembaga Emas Aluminum Tungsten Nekel Besi Constantan Nichrome Calorite

T ABEL 2.1

Hantaran relatif (%) 105 100 70.5 61 3\.2 22.1 14 3.52 \.73 \.44

Hantaran relatif bermacam-macam

bahan.

Arus dan Tegangan

(a)

(b)

63

(e)

GAMBAR 2.22 Penyekat-penyekat. (a) Penyekat thru-panel bushing; (b) penyekat antena strain; (c) Penyekat stand-off porselen.

gunakan sarung tangan karet dan menggunakan penahan yang beralaskan karet sebagai perlengkapan keselamatan bila bekerja pada saluran transmisi tegangan tinggi. Sejumlah jenis penyekat yang berbeda-beda dan pemakaiannya tampak pada Gambar 2.22. Akan tetapi harus ditunjukkan bahwa meskipun penyekat yang paling baik akan tembus (yang memungkinkan muatan untuk mengalir melaluinya) jika potensial yang cukup besar diberikan kepadanya. Kekuatan tembus beberapa bahan penyekat yang umum diberikan dalam Tabel 2.2. Sesuai dengan tabel ini, untuk penyekat dengan bentuk geometris yang sarna, ia akan memerlukan 270/30 = 9 kali potensial untuk melewatkan arus melalui karet bila dibandingkan udara dan 67 kali lebih besar tegangan untuk melewatkan arus melalui mika daripada lewat udara.

Material Udara Porselen Oli Bakelite Karet Kertas Teflon Kaca Mika

TABEL 2.2

Rata-rata Kekuatan Tembus (kV/cm) 30 70 140 150 270 500 600 900 2000

Kekuatan tembus beberapa bahan penyekat yang umum.

64

2.6


SEMIPENGHANTAR Semipenghantar adalah kelompok elemen khusus yang memiliki karakteristik antara penyekat dan penghantar.

Istilah semi, yang terdapat dalam istilah ini, dalam kamus memiliki definisi "setengah, sebagian, atau antara" sebagaimana ditentukan oleh penggunaannya. Seluruh industri eIektronika tergantung pada kelompok material ini, karena piranti elektronika dan rangkaian terpadu (ICs) dibuat dari bahan semipenghantar. Meskipun silikon (Si) merupakan bahan yang paling banyak dipakai, namun germanium (Ge) dah galium arsenida (GaAs) juga digunakan dalam sejumlah piranti penting. Bahan semipenghantar lensi yang paling luar.

khususnya

memiliki empat elektron dalam cincin va-

Selanjutnya semipenghantar dicirikan menjadi "photoconductive" yang memiliki koefisien suhu negatif. "Photoconductivity" adalah sebuah fenomena di mana foton (paket kecil energi) dari sinar yang datang dapat meningkatkan kepadatan pembawa di dalam bahan demikian juga aras aliran muatan. Koefisien suhu negatif menunjukkan bahwa stfat menghambat (sebuah karakteristik yang akan diuraikan secara rinci dalam bab berikutnya) akan berkurang dengan meningkatnya suhu (kebalikan dari kebanyakan penghantar). Pembahasan yang lebih rinci lagi mengenai semipenghantar ada dalam bab berikutnya dan dalam kursus elektronika dasar anda.

2.7

AMMETER DAN VOLTMETER Penting kiranya untuk dapat mengukur besar arus dan tegangan dalam suatu jaringan untuk memeriksa operasinya, kegagalan isolasi, dan pemeriksaan pengaruh tidak mungkin diterka hanya dari kertas saja. Sebagaimana menyertai namanya, ammeter digunakan untuk mengukur besar arus, dan voltmeter digunakan untuk mengukur beda potensial antara dua titik. Jika besar arus dalam orde milliamper, maka alat tersebut direferensikan sebagai milliammeter, dan jika dalam orde mikroamper, maka disebut mikroammeter. Begitu juga pemyataanpemyataan untuk tegangan dapat juga dibuat sedemikian rupa. Dalam suatu industri, besar tegangan lebih sering diukur daripada besar arus terutama karena pengukuran tegangan tidak perlu mengganggu hubungan jaringan.

Arus dan Tegangan

GAMBAR 2.23.

65

Hubungan voltmeter untuk pembacaan skala naik.

Perbedaan potensial antara dua titik dapat diukur hanya dengan menghubungkan ujung meter pada dua titik tersebut seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.23. Pembacaanskala yang naik diperolehdengancara menempatkan posisi ujung positif meter menuju titik yang lebih tinggi potensialnya padajaringan dan menempatkan ujung negatif meter menuju titik yang lebih rendah potensialnya. Hubungan yang terbalik akan menghasilkan pembacaan negatif atau penunjukan di bawah DOl. Ammeter dihubungkan dalam cabang yang sarna di mana arus akan diukur, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.24. Karena ammeter mengukur pesat aliran muatan, maka meter harus ditempatkan sedemikian rupa sehingga muatan akan mengalir melalui meter tersebut. Salah satu cara untuk mengatasi hal ini adalah dengan cara membuka cabang di mana arus akan diukur dan menempatkan meter di antara dua terminal tersebut. Untukjaringan pada Gambar 2.24, kawat sumber harus dilepaskan darijaringan dan ammeter disisipkan seperti yang diperlihatkan.

G~~--IT

E

GAMBAR 2.24

-.L "T"'

I :'\c=twork

Hubungan ammeter untuk pembacaan skala naik.

66

TelenikRangkaian Listrik

Pembacaan skala naik akan diperoleh jika polaritas tenninal pada ammeter sedemikian rupa sehingga arus dalam jaringan memasuki tenninal positif atau tenninal pada potensial yang lebih tinggi. Dengan diperkenalkannya sembarang meter kedalam suatu jaringan menimbulkan pemikiran .apakah meter tersebut akan mempengaruhi watak jaringan. Pertanyaan ini dan 'yang lain akan dibahas dalam Bab 5 dan Bab 6 setelah diperkenalkan sistilah dan konsep tambahan. Alat yang ada dirancang hanya untuk mengukur besar arus atau tegangan. Akan tetapi kebanyakan meter untuk laboratorium yang umum mencakup Vo/tOhm-Milliammeter (YOM) dan Digital Multimeter (DMM) masing-masing pada Gambar 2.25 dan 2.26. Kedua alat tersebut akan mengukur tegangan dan arus serta besaran yang ketiga, yaitu hambatan, yang akan diperkenalkan dalam bab berikutnya. YOM menggunakan skala analog, yang memerlukan penerjemahan posisi sebuah penunjuk pada sebuah skala kontinyu, sedangkan DMM menye-' diakan sebuah tampilan bilangan-bilangan dengan titik desimal yang ketelitian-

GAMBAR 2.25. Volt-Ohm-Milliammeter (VOM).

GAMBAR 2.25. Digital Multimeter.

Arus dan Tegangan

67

nya ditentukan oleh skala yang dipilih. Komentar mengenai karakteristik dan penggunaan bermacam-macam meter akan dimuat dalam naskah ini. Akan tetapi, pelajaran yang utama mengenai meter akan ditinggalkan untuk acara praktikum.

2.8 MASUKAN KOMPUTER UNTUK SUMBER TEGANGAN de Dalam usaha untuk mengembangkan kebiasaan menggunakan paket perangkatlunak PSPICE dan bahasa BASIC, bab-bab awal dalam naskah ini akan mengulas bagaimana banyak elemen dasar sebuahjaringan dimasukkan ke dalam komputer. Dalam bab ini karena sumber tegangan bebas telah diperkenalkan, maka kita akan mengulas prosedur untuk memasukkan informasi. Kata kunci dalam memasukkan sembarang data ke dalam sebuah komputer adalah "format". Data harus dimasukkan dengan cara tertentu, atau ia akan ditolak atau, masih buruk, sehingga disalah-artikan. Tidak ada toleransi bagi kecerobohan memasukkan data. Satu peletakan koma yang salah atau sebuah huruf yang salah akan membuat data masukan tidak valid atau sepenuhnya merubah harganya. Baik SPICE maupun BASIC tidak membedakan antara hurufbesar dan kecil, tetapi karena program komputer tradisional ditulis dengan huruf besar, maka dalam naskah ini kita menggunakan huruf besar. Beberapa komentar berikut boleh jadi merupakan pengulangan bahan yang ada dalam Lampiran A, tetapi mereka diulang untuk kelengkapan. Sebagai tambahan, ingat dalam naskah ini bahwa isi komputer tidak berarti membuat anda menjadi seorang yang ahli dalam menggunakan PSPICE atau BASIC namun hanya sekedar perlakuan masing-masing dengan tujuan agar kenai dan bisa membandingkan. Untuk kedua pendekatan, masing-masing literatur harus ditinjau lagi dengan menggunakan sarana yang tersedia bagi anda melalui institusi pendidikan anda.

PSPICE Di dalam PSPICE semua elemen jaringan dimasukkan dengan sebuah format khusus yang diikuti sebuah pernyataan yang menyatakan informasi keluaran apakah yang anda perlukan. Anda akan mendapatkan bahwa beberapa penggunaan yang pertama pada PSPICE akan menghasilkan daftar masukan data yang sangat pendek, dan mempersilahkan paket perangkat-Iunak untuk mengerjakan semua cara dan perhitungan yang diperlukan. Di dalam PSPICE setiap elemen ditentukan antara terminal yang disebut titik. Pada saat ini anda cukup mengatakan bahwa sebuah titik adalah sebuah titik

68


hubung antara sebuah elemen dan elemen yang lain. Yang jelas, karena masingmasing somber tegangan de memiliki dua terminal yang dihubungkan dalam suatu jaringan, maka ia memiliki dua titik yang harus ditentukan. Format dasar untuk pemasukan sebuah sumber tegangan de ke dalam SPICE adalah sebagai berikut: specifies voltage source

type of source

-1-

'.J1

name

2

1

(+)

(-)

DC

t t L-lpositi\'e

20V

:

magmtudeof source node first

Masukan harus dimulai dengan huruf besar yang diikuti dengan nama apakah yang ingin anda berikan kepada sumber tersebut. Biasanya nama dibatasi sampai delapan karakter, yang dapat berupa bilangan dan huruf. Bilangan yang berikut-. nya adalah titik yang berhubungan dengan sisi positif baterei, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.27(a). Nomor-nomor titik dapat berupa sembarang harga antara (dan termasuk) 0 dan 9999 tetapi tidak harus urut dalam penggunaannya selamajaringan ditentukan didefinisikan dengan benar. DC menyatakan bahwa ia merupakan sumber tegangan dc, dan 20V adalah besamya. Satuan V sebenamya tidak diperlukan tetapi dicantumkan agar jelas. Dalam SPICE sembarang huruf yang mengikuti sebuah bilangan diabaikan, namun mereka sering dicantumkan bagi pemakai dan sebagai referensi selanjutnya. Spasi antara item-item tidak perlu, tetapi spasi genap akan memberikan format yang bagus. Format dasamya sebenarnya tidak sulit untuk diikuti dan ada sedikit kesulitan dalam memasukkan atau membaea. Sebagai eontoh, yang berikut ini mendefinisikan sumber tegangan pada Gambar 2.27(b). I,'DCELL

LIB

211

DC

1 .51,1

BASIC Di dalam BASIC sebuah baris program harns memiliki sebuah lokasi tertentu (alamat) yang diikuti dengan kata INPUT untuk menentukan bahwa sebuah besaran akan dimasukkan ke dalam komputer agar dioperasikan. Kata INPUT segera diikuti dengan sebuah pemyataan pengenal dalam tanda kutip yang menentukan besaran

,: -.r "V (a)

(b)

GAMBAR 2.27

Arus dan Tegangan

69

yang dimasukkan. Tanda kutip yang mengikuti diikuti dengan sebuah semicolon (;) dan besaran yang dimasukkan, seperti diperlihatkan di bawah ini: program line or location ,l, 120 INPUT operation

III.Jolta5e

IE = II jE

call fur ~lalemcnt quantity

T

to be entered

Bila program dijalankan maka pernyataan berikut akan muncul pada layar:

Pernyataan di dalam tandci petik akan muncul persis sarna dengan yang dimasukkan pada nomor baris 120 (kesalahan dan semuanya) dengan tambahan tanda tanya. Tidak perlu menambahkan tanda tanya; karena secara otomatis akan tercantum sebagai bagian dari pernyataan INPUT. Bila memasukkan baris 120 ke dalarn komputer, maka kesalahan sederhana yang berupa penulisan colon (:) dan bukan semicolon(;) atau salaheja INPUT akan menyebabkanperintahmenjaditidak benar - jadi segala sesuatu harns persis sarna dengan yang telah ditentukan dalarn format khusus. Anda boleh berpindah ke Pasal 4.8 untuk mengulas masukanmasukan INPUT yang lain denganmenggunakanBASIC. Kenyataannya tidak memungkinkan untuk mencakup semua nuansa yang berhubungan dengan masukan sumber tegangan dc dalam PSPICE dan BASIC dalam pasal yang singkat ini. Akan tetapi, yang terdapat di atas tersebut adalah masukan yang benar dan dapat direferensikan dalam program dan perangkat-lunak yang berjalan mengikutinya. Pasal ini hanya merupakan dasar bagi penyelidikan selanjutnya dan merupakan kesempatan untuk mengenal diri anda sendiri dengan format dasar masing-masing masukan.

SOAL PASAL 2.1 1.

Jumlah eIektron otbit dalarn alumunium dan perak masing-masing adalah 13 dan 47. Garnbarlah konfigurasi elektronika yang mencakup semua kulit dan sub-kulit, dan bahaslah dengan ringkas mengapa masing-masing merupakan penghantar yang bagus.

70

Teknik Rangknian Listrik

2.

Tentukan gaya tarik menarik antara dua sebuah proton dan sebuah elektron yang dipisahkan oleh jarak yang sarna dengan jari-jari orbit yang paling keeil yang diikuti oleh sebuah elektron (5 x lOll) dalam sebuah atom hidrogen.

3.

Tentukan gaya tarik menarik dalam newton antara muatan QI dan Q2 pada Gambar 2.28 bila a. r = 1mb. r=3m c.r=IOm (Catat berapa eepat penurunan gaya terhadap kenaikan r.)

*4.

Tentukan gaya tolak menolak dalamn newton antara QI dan Q2 dalam Gambar 2.29 bila a. r = I mil b. r = 0.0 I m c. r = 1/16 inei

r

GAMBAR 2.28.

r

GAMBAR 2.29.

5.

Tentukan jarak 4antara dua muatan 20 f..lCjika gaya antara dua muatan sebesar 3.6 x 10 N.

6.

Dua buah muatan Ql dan Q2 bila dipisahkan padajarak 2 meter mengalami gaya tolak menolak yang besarnya sarna dengan 1.8N. a. Berapakah besar gaya tolak menolak bila mereka dipisahkan sejauh 10 meter? b. Jika perbandinganQl/Q2==1/2, tentukan Ql dan Q2 (r = 10 m).

7. Gambarlah gaya tolak menolak antara dua muatan If..lCsebagai sebuah fungsi dari jarak antar muatan. Gunakan jangkauan r mulai dari I mm sampai 0.5 em. Pilihlah sebuah skala yang sesuai untuk sumbu tegak dan datar.

PASAL 2.2 8. Tentukan besar arus dalam amper jika muatan sebesar 650 C melewati sebuah kawat dalam waktu 50 detik. 9. Jika muatan sebesar 465 C melewati sebuah kawat dalam waktu 2.5 menit, tentukan besar arus dalam amper.

Arus dan Tegangan

71

10. Jika arus sebesar 40 amper ada selama satu menit, berapa coulomb muatan yang melewati kawat tersebut? 11. Berapa coulomb muatan yang melewati sebuah lampu dalam waktu dua menit bila arusnya tetap sebesar 750 mA? 12. Jika arus dalam sebuah penghantar besarnya tetap 2 mA, berapa waktu yang diperlukan bagi muatan sebesar 46000 x 10-6C untuk melewati penghantar tersebut? 13. Jika 21.847 x 1018elektron melewati sebuah kawat dalam waktu 7 detik, maka tentukan besar arusnya. 14. Berapa banyak elektron yang melewati sebuah penghantar dalam waktu 1 menitjika arus sebesar lA? 15. Apakah sebuah sekring yang memiliki rating 1 A akan putus bila muatan sebesar 86 C melewatinya dalam waktu 1.2 menit? *16. Jika 0.784 x 1018 elektron melewati sebuah kawat dalam waktu 643 milidetik, maka tentukan besar arus. *17. Yang manakah yang anda lebih suka? a. Satu "penny" untuk setiap elektron yang melewati sebuah kawat dalam waktu 0.01 Jls dengan arus sebesar 2 mA, atau b. Satu "dollar" untuk setiap elektron yang melalui sebuah kawat dalam waktu 1.5 Jls bila arus sebesar 100 JlA.

PASAL2.3. Tegangan 18. Berapakah tegangan antara dua titik jika energi sebesar 96 mJ diperlukan untuk memindahkan 50 x 1018elektron antara dua titik tersebut? 19. Jika perbedaan potensial antara dua titik sebesar 42 volt, maka berapa besar kerja yang diperlukan untuk membawa muatan sebesar 6 C dari salah satu titik menuju titik yang lain? 20. Tentukan muatan Q yang memerlukan energy 96 joule agar dipindahkan melalui perbedaan potensial sebesar 16 volt. 21. Berapa banyak muatan yang melewati sebuah baterei 22.5 volt jika energi yang diperlukan sebesar 90 joule? 22. Jika sebuah penghantar dengan arus sebesar 200 mA melewatinya sehingga merubah energi listrik sebesar 40 J m~njadi panas dalam waktu 30 detik, maka berapakah jatuh tegangan pada penghantar tersebut?

72


*23. Muatan mengalir melalui sebuah penghantar dengan pesat 420 coulomb/menit. Jika energi listrik 472 joule diubah menjadi panas dalam waktu 30 detik, maka berapakah jatuh tegangan pada penghantar tersebut? *24. Perbedaan potensial antara dua titik dalam sebuah rangkaian listrik adalah 24 volt. Jika energi sebesar 0.4 joule dilesapkan dalam waktu 5 milidetik, berapakah arus yang mengalir di antara dua titik tersebut?

PASAL2.4.

Penyedia Tetap (de)

25.

Berapakah besar arus jika sebuah baterei yang memiliki rating 200 Ah secara teoritis menyediakan arus selama 40 jam?

26.

Berakah rating Ah sebuah baterei yang dapat menyediakan arus sebesar 0.8 amper selama 76jam?

27.

Berapa jam sebuah baterei akan bertahan jika memiliki rating 32 Ah dan secara teoritis menyediakan arus 1.28 amper?

28.

Tentukan rating baterei EVEREADY@BH 500 dalam mAh pada 100F dan OCpada arus pengosongan sebesar 50 mA dengan menggunakan Gambar 2.15(b).

29.

Tentukan rating baterei I-V EVEREADY@BH 500 jika arus pengosongan sebesar 550 mA dengan menggunakan gambar 2. I5(a). Berapa lama ia dapat menyediakan arus sebesar ini?

30.

Berapa lama arus sebesar 50 mA dapat ditarik dari baterei pada Gambar 2.16 sebelum tegangan terminalnya jatuh di bawah I V? Tentukan berapa jam pada arus pengosongan 150 mA, dan bandingkan berapa lama masih bisa dipergunakan antara arus pengosongan dan arus yang dihasilkan.

31. Sebuah baterei mobil standar 12-V memiliki rating amper-jam sebesar 40 Ah, sedangkan baterei yang berkemampuan tinggi memiliki rating 60 Ah. Bagaimana anda akan membandingkan tingkat energi masing-masing dan energi yang tersedia untuk tujuan menghidupkan kendaraan (starting)? *32. Dengan menggunakan persamaan yang relevan pada beberapa pasal terakhir, tentukan energi yang tersedia dari baterei transistor Eveready pada Gambar 2.10. *33. Sebuah televisi portabel menggunakan sebuah baterei yang dapat diisi dengan tegangan 8-V dan rating 3 Ah dapat beroperasi dalam waktu sekitar 5.5 jam. Berapa arus rata-rata yang ditarik selama periode ini? Berapakah energi yang dikeluarkan oleh baterei dalam joule?

_..

._

_u.__ ..

u_ -

_.

Arus don Tegangan

73

34. Bahaslah seeara ringkas mengenai perbedaan antara tiga jenis penyedia tegangan de (baterei, penyearah, dan generator). 35. Bandingkan karakteristik sumber arus de dengan sumber tegangan de. Apakah mereka mirip dan apakah mereka berbeda?

PASAL2.5 Penghantardan Penyekat 36. Bahaslah dua sifat struktur atom tembaga yang membuatnya menjadi penghantar yang bagus. 37. Sebutkan dua bahan yang tidak terdapat dalam Tabel 2.1 yang berupa penghantar listrik yang bagus. 38. Jelaskan istilah-istilah penyekat (insulator) dan kekuatan tembus (breakdown strength). 39. Sebutkan tiga penggunaan penyekat yang tidak diberikan dalam Pasal 2.5.

PASAL 2.6.

Semipenghantar

40. Apakah semipenghantar itu? Bagaimana ia dibandingkan dengan penghantar dan penyekat? 41. Tinjaulah sebuah naskah mengenai elektronika semipenghantar dan eatatlah penggunaan bahan semipenghantar germanium dan silikon. Ulaslah karakteristik masing-masing bahan tersebut.

PASAL 2.7. Ammeter dan Voltmeter 42. Apakahperbedaan eara menghubungkan voltmeter dan ammeter? 43. Jika sebuahammetermembaea2.5 amperselama4 menit, maka tentukan besar muatan yang melewati meter tersebut. 44.

Antara dua titik dalam sebuah rangkaian listrik, sebuah voltmeter membaea tegangan 12.5 volt selama 20 detik. Jika arus yang diukur dengan sebuah ammeter sebesar 10 miliamper, maka tentukan berapa energi yang dikeluarkan dan muatan yang dialirkan antara dua titik tersebut.

PASAL 2.8.

Masukan Komputer pada Sumber Tegangan de

45. Dengan menggunakan SPICE, apakah masukan komputer untuk sebuah baterei de yang dihubungkan antara terminal 6 dan 7 dengan terminal positif pada titik 7? Pilihlah sembarang nama yang sumber yang anda sukai.

74


46.

Untk bahasa BASIC, a. Bagaimana anda meminta besarnya baterei de pada latihan sebelumnya yang menggunakan baris 60 dan baterei diberi label VEE? b. Bagaimana anda meminta agar VEE muneul?

DAFT AR ISTILAH Ammeter: Sebuah alat yang diraneang untuk membaea arus yang melalui elemen yang tersusun seri dengan meter tersebut. Ampere (A): Satuan pengukuran SI yang diterapkan terhadap aliran muatan melalui sebuah penghantar. Ampere-hour rating: Rating yang diterapkan terhadap sebuah sumber energi yang akan mengungkap berapa lama besar arus tertentu yang dapat ditarik dari sumber tersebut. Cell: Sumber utama energi listrik yang dihasilkan melalui perubahan energi kimia atau energi surya. Conductors: Bahan yang memungkinkan aliran elektron yang sangat besar dengan diterapkan tegangan yang keeil saja. Copper: Sebuah bahan yang sifat-sifatnya diolah seeara tisik yang membuatnya sangat berguna sebagai penghantar listrik. Coulomb (C): Satuan pengukuran dasar SI untuk muatan. Besarnya sarna dengan muatan yang dibawa oleh 6.242 x 1018elektron. Coulomb's law: Sebuah persamaan yang mendetinisikan gaya tarik menarik atau tolak menolak antara dua muatan. dc current source: Sebuah sumber yang menyediakan besar arus yang tetap meskipun beban yang diterapkan dapat menyebabkan tegangan terminal berubah. dc generator: Sebuah sumber tegangan de yang tersedia melalui pemutaran poros suatu piranti dengan beberapa alat dari luar. Direct current: Arus yang besarnya tidak berubah dalam selang waktu tertentu. Ductility: Sifat-sifat bahan yang memungkinkannya ditarik menjadi kawatkawat tipis yang panjang. Electrolytes: Elemen kontak dan sumber ion antara elektrode suatu baterei. Electron: Suatu partikel dengan polaritas negatif yang mengitari sebuah inti atom. Free electron: Sebuah elektron yang tidak berhubungan dengan sembarang atom khusus, relatif bebas untuk berpindah melalui sebuah struktur kristal karena pengaruh gaya dari luar.

Arus dan Tegangan

75

Insulators: Bahan yang mana tegangan yang sangat tinggi harus diterapkan untuk menghasilkan sembarang aliran arus yang dapat diukur. Malleability: Sifat sebuah bahan yang memungkinkannya ditempa menjadi beberapa bentuk yang berbeda. ~eutron: Partikel yang tidak bermuatan listrik, yang terdapat dalam inti atom. Node: Sebuah titik terminal antara eIemen sebuah jaringan. Nucleus: Pusat struktur sebuah atom yang berisi beberapa proton dan neutron. Positive ion: Sebuah atom yang memiliki sebuah muatan total positif karena kehilangan salah satu elektron yang bermuatan negatif. Potential difference: Perbedaan potensial antara dua titik dalam sebuah sistem listrik. Potential energi: Energi yang dimiliki oleh sebuah massa karena posisinya. Primary Cell: Sumber tegangan yang tidak dapat diisi lagi. Proton: Suatu partikel berkutub positifyang ditemukan dalam inti suatu atom. Rectification: Suatu proses di mana sebuah isyarat ac diubah menjadi sesuatu yang memiliki besar rata-rata de. Secondary cell: Sumber tegangan yang dapat diisi lagi. Semiconductor: Sebuah bahan yang memiliki harga hantaran antara penyekat dan penghantar. Ia merupakan bahan yang penting dalam pabrik piranti elektronika semipenghantar. Solar cell: Sumber tegangan yang tersedia melalui perubahan energi cahaya (foton) menjadi energi listrik. Specific gravity: perbandingan antara berat substansi terhadap berat air yang bervolume sarna pada suhu 4C. Volt (V): Satuan pengukuran yang dirapkan terhadap perbedaan potensial antara dua titik. Jika energi sebesar satu joule diperlukan untuk memindahkan muatan satu coulomb antara dua titik, maka perbedaan potensialnya disebut sebesar satu volt. Voltmeter: Sebuah alat yang dirancang untuk membaca tegangan sebuah elemen atau antara sembarang dua titik dalam sebuah jaringan.

Arus dan Teganga.n 2.1 ATOM DAN STRUKTUR

Recommend Documents