BAB 2 DASAR-DASAR KELISTRIKAN

Sistem Kelistrikan dan Elektronika pada Kendaraan

BAB

2 DASAR-DASAR KELISTRIKAN

2.1. Pendahuluan Mempelajari listrik dan elektronika akan selalu berkaitan dengan energi yang yang diakibatkan oleh aliran arus (dalam teori lain juga disebut aliran elektron) pada berbagai penghantar dan komponen-komponen yang membentuk suatu rangkaian. Istilah listrik merupakan nama yang diberikan terhadap bidang kajian yang berkaitan dengan sistem rangkaian di mana elektron mengalir terutama melalui konduktor atau penghantar dengan berbagai macam kawat atau kabel. Istilah elektronika digunakan untuk hal-hal yang berkaitan dengan sistem-sistem rangkaian di mana tabung-tabung elektron atau komponen semi konduktor seperti dioda dan transistor mengatur aliran elektron. Energi yang merupakan kemampuan untuk melakukan kerja, terbagi dalam dua bentuk yaitu energi potensial dan energi kinetik. Energi potensial didefinisikan sebagai energi yang tersimpan atau energi yang tidak aktif, misalnya energi yang ada pada terminal-terminal baterai. Energi ini (dalam bentuk tegangan) dapat melakukan kerja yang menyebabkan arus dapat mengalir jika suatu rangkaian dihubungkan ke terminal-terminal baterai tersebut. Aliran arus ini dapat menghasilkan kerja sehingga misalnya lampu menyala atau bel listrik berbunyi. Energi gerak (aliran arus) disebut dengan energi kinetik. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Namun, energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Energi listrik misalnya, dalam bentuk aliran arus dapat diubah menjadi energi panas, cahaya, energi kimia, atau energi magnetik. Rangkaian listrik merupakan suatu sistem yang terdiri dari penghantar dan komponen-komponen yang digunakan untuk keperluan mengubah energi listrik menjadi bentuk energi lain yang berbeda. Rangkaian listrik secara umum terdiri dari beberapa bagian penting, yaitu sumber energi (misalnya baterai), penghantar atau kabel untuk mengalirnya arus, komponen pengontrol (misalnya saklar), dan beban. Beban merupakan alat tempat terjadinya perubahan (konversi) energi. 2.2. Teori Dasar Listrik

Gambar 2.1. Struktur atom Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

21


Semua benda padat, cair atau gas yang mempunyai massa dan menempati ruang pada dasarnya tersusun dari molekul atau atom yang tergabung menjadi satu. Atom merupakan bagian terkecil dari suatu benda yang memiliki properties yang sama dari benda yang dibentuk olehnya. Inti dari sebuah atom disebut dengan nukleus yang terbentuk dari gabungan antara proton dan neutron dan dikelelingi oleh partikel lain yang disebut elektron. Setiap partikel atom mempunyai muatan listrik. Proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, dan neutron tidak bermuatan atau netral. Suatu atom berada dalam keadaan setimbang apabila banyaknya elektron sama dengan proton. Proton yang bermuatan positif mempertahankan elektron berada dalam orbitnya. Gaya sentrifugal mencegah elektron yang berada pada orbitnya untuk bergerak ke dalam. Neutron mempertahankan keadaan proton dengan mencegah atau menetralkan gaya tolak menolak proton untuk mempertahankan inti atom. Hidrogen mempunyai atom yang paling sederhana dengan satu buah proton di dalam nukleus dan satu buah elektron yang mengitarinya. Bentuk atom tembaga lebih kompleks karena terdiri dari 29 elektron pada empat orbit yang berbeda yang berputar mengitari sebuah nukleus yang di dalamnya terdiri dari 29 proton dan 29 neutron.

Gambar 2.2. Struktur atom hidrogen dan tembaga Sebuah atom yang mempunyai kelebihan elektron disebut dengan ion negatif sedangkan atom yang kekurangan elektron disebut dengan ion positif. Ion-ion positif akan menarik elektron-elektron yang ada pada atom yang berdekatan dengannya agar menjadi seimbang. Perpindahan elektron-elektron dari atom lain akibat adanya gaya tarik dari ion-ion positif suatu atom yang lain menyebabkan terjadinya aliran elektron.

Gambar 2.3. Ion positif dan ion negatif Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

22


Kemampuan mengalirkan arus listrik dari suatu atom tergantung dari jumlah elektron pada orbit bagian luar dari atom tersebut. Elektron yang berada pada orbit yang berdekatan dengan inti atom mempunyai gaya tarik yang kuat terhadap proton sehingga posisinya tetap atau terikat dan ini disebut elektron terikat (bound electrons). Elektron yang terletak pada orbit yang paling luar atau jauh dari inti atom mempunyai gaya tarik yang lemah terhadap proton sehingga mudah berpindah-pindah dan ini disebut elektron bebas (free elektron). Elektron dapat berpindah akibat adanya gaya atau paksaan dari luar misalnya aksi kimia, tekanan, cahaya, gesekan, panas, dan pengaruh magnetik. Elektron yang berpindah akibat pengaruh gaya tersebut berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Aliran elektron bebas ini menghasilkan suatu arus listrik.

Gambar 2.4. Aliran elektron Jumlah elektron bebas pada orbit paling luar dari suatu atom akan mempengaruhi sifat-sifat listrik dari suatu bahan. Sifat listrik dari suatu bahan dapat dibagi menjadi tiga macam yaitu 1) sifat bahan yang dapat menghantarkan arus listrik atau konduktor, 2) sifat bahan yang dapat menghantarkan dan tidak dapat menghantarkan atau semikonduktor, dan 3) sifat bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik atau isolator.

Gambar 2.5. Atom bahan konduktor, semikonduktor, dan isolator Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

23


Bahan yang termasuk konduktor adalah bahan yang mempunyai satu sampai tiga elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang baik, misalnya tembaga, besi, aluminium, dan logam-logam lain pada umumnya. Bahan yang termasuk semikonduktor adalah bahan yang mempunyai empat elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang baik pada kondisi tertentu dan sebagai isolator yang baik juga pada kondisi lainnya, misalnya karbon, germanium, dan silikon. Bahan yang termasuk dalam isolator adalah bahan yang mempunyai lima sampai delapan elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang tidak baik. Elektron tertahan sangat kuat dan elektron sangat sulit untuk mengalir. Bahan yang termasuk isolator misalnya kaca, plastik, karet, kayu, dll. Listrik terbagi menjadi dua macam, yaitu listrik statis dan listrik dinamis. Pada listrik statis, tidak terjadi aliran elektron. Apabila dua buah bahan bukan penghantar listrik misalnya sebatang kaca dan kain sutera saling digesekan satu sama lain, beberapa elektron dibebaskan sehingga kedua bahan tersebut menjadi bermuatan listrik. Salah satu bahan tersebut menjadi kekurangan elektron atau bermuatan positif, dan bahan yang lainnya menjadi kelebihan elektron atau bermuatan negatif. Muatanmuatan ini akan tetap berada pada permukaan kedua bahan tersebut dan tidak bergerak kecuali kedua bahan tersebut disentuhkan. Listrik dinamis (listrik yang dapat mengalir) terdiri dari dua macam, yaitu listrik arus searah (DC = direct current) dan listrik arus bolak-balik (AC = alternating current). Aliran listrik terjadi pada saat elektron-elektron lepas dari atom-atomnya dan mengalir melalui suatu penghantar atau konduktor. Karena listrik ini dapat mengalir, maka listrik ini disebut dengan listrik dinamis.

Gambar 2.6. Listrik statis Jika elektron bebas mengalir dalam satu arah, maka listrik itu disebut listrik arus searah (DC), dan jika elektron bebas mengalir berubah arah dari positif ke negatif dan sebaliknya secara berulang-ulang maka listrik ini disebut listrik arus bolak-balik (AC). Contoh untuk listrik arus searah adalah listrik yang dihasilkan oleh baterai (accu) pada kendaraan, dan batu baterai. Arus yang dihasilkan adalah arus searah (DC), sedangkan contoh arus bolak-balik adalah arus listrik yang dihasilkan oleh alternator pada sistem pengisian baterai (charging system) pada kendaraan, dan arus listrik PLN yang ada di rumah-rumah. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

24


Gambar 2.7. Listrik arus searah dan arus bolak-balik Teori aliran arus listrik yang digunakan dalam rangkaian listrik ada dua, yaitu teori konvensional dan teori elektron. Teori konvensional yang umumnya digunakan pada sistem-sistem otomotif menyatakan bahwan arus listrik mengalir dari positif ke negatif atau dari daerah yang kelebihan proton atau daerah yang berpotensial tinggi (+) ke daerah yang berpotensial rendah (-). Teori elektron yang umumnya digunakan pada bidang elektronika menyatakan bahwa arus mengalir dari negatif ke positif atau kelebihan elektron menyebabkan suatu daerah yang berpotensial negatif (-) mengalir ke daerah yang kekurangan elektron (daerah +) untuk menyeimbangkan muatan. Untuk tidak membingungkan, pembahasan rangkaian kelistrikan dalam buku ini menggunakan teori konvensional.

Gambar 2.8. Teori aliran arus Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

25


2.3. Efek-efek yang Ditimbulkan oleh Listrik Listrik merupakan suatu bentuk energi dan sering disebut dengan energi listrik. Energi listrik merupakan bentuk energi yang tidak dapat dilihat, tidak dapat didengar, tidak dapat disentuh, dan tidak dapat dicium dengan indra penciuman manusia. Meskipun begitu, adanya energi listrik dapat dilihat atau dirasakan dari efek-efek yang ditimbulkannya. Misalnya lampu yang tadinya padam menjadi terang setelah saklar diaktifkan, setrika listrik yang menjadi panas setelah dihubungkan dengan sumber listrik, bel listrik yang menghasilkan suara setelah tombol bel ditekan, adanya asap dan bau bahan terbakar yang keluar dari kabel listrik yang terbakar akibat adanya hubungan singkat, loncatan bunga api di antara elektroda busi, suara yang keras seperti bunyi petir, sengatan dan efek-efek lain yang dapat ditimbulkannya.

Gambar 2.9. Efek-efek yang diakibatkan oleh listrik Beberapa contoh alat-alat listrik yang menunjukkan efek-efek yang ditimbulkan oleh listrik dalam kehidupan sehari-hari dapat diuraikan sebagai berikut. 1. Energi listrik menjadi panas : kompor listrik, pemanas (heater) pada ceret untuk memasak air, setrika listrik, solder, penanak nasi listrik, pemantik rokok pada kendaraan, window defoger, dan lain-lain. 2. Energi listrik menjadi cahaya : lampu pijar, lampu tabung (lampu neon), lampulampu pada kendaraan, dan-lain-lain 3. Energi listrik menjadi kimia : pada baterai saat pengisian (recharging) 4. Energi listrik menjadi magnetik (elektromagnet) : solenoid pada motor starter, koil pada sistem pengapian mobil, kumparan rotor pada alternator, dan lain-lain. 2.4. Besaran-besaran Listrik dan Hukum Ohm Besaran-besaran listrik yang ditulis dalam buku ini dibatasi pada besaranbesaran listrik yang banyak digunakan pada rangkaian kelistrikan pada kendaraan. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

26


Besaran-besaran tersebut adalah tegangan, arus listrik, resistansi (tahanan), daya listrik, dan kapasitansi. 2.4.1. Tegangan Tegangan merupakan tekanan listrik yaitu suatu gaya potensial atau perbedaan muatan listrik pada dua tempat yang berbeda. Tegangan (dalam hukum Ohm ditulis dengan simbol E) diukur dengan satuan volt (V). Adanya perbedaan potensial atau tegangan dapat menyebabkan arus listrik mengalir melalui suatu penghantar yang menghubungkan antara satu titik yang berpotensial tinggi (+) ke titik lain yang berpotensial rendah (-). Berikut adalah tabel yang menjelaskan tentang tegangan dan satuannya. Tabel 2.1. Tegangan dan Satuannya Tegangan Simbol Sebutan Pengali

Satuan V Volt 1

Satuan dalam Skala Kecil µV mV Micro-volt Mili-volt 0,000001 0,001

Satuan dalam Skala Besar kV MV Kilo-volt Mega-volt 1.000 1.000.000

2.4.2. Arus Tegangan atau beda potensial akan menyebabkan arus listrik mengalir. Arus merupakan laju aliran muatan positif menuju daerah yang bermuatan negatif melalui suatu penghantar. Arus (dalam hukum Ohm ditulis dengan simbol I) dinyatakan dalam satuan Amper dan diukur dengan alat yang disebut amper meter. Berikut adalah tabel yang menjelaskan tentang arus dan satuannya. Tabel 2.2. Arus dan Satuannya Arus Simbol Sebutan Pengali

Satuan A Amper 1

Satuan dalam Skala Kecil µA mA Micro-amper Mili-amper 0,000001 0,001

Satuan dalam Skala Besar kA MA Kilo-amper Mega-amper 1.000 1.000.000

2.4.3. Resistansi Resistansi (dalam hukum Ohm ditulis dengan simbol R) merupakan tahanan dari suatu bahan konduktor untuk menghambat aliran arus listrik. Setiap logam yang digunakan sebagai penghantar mempunyai karakteristik hambatan yang berbeda. Besar tahanan suatu konduktor tergantung pada tahanan jenis bahan, panjang bahan, luas penampang bahan, dan temperatur. Luas penampang dan panjang konduktor yang sama, nilai tahanannya bisa berbeda jika bahan dan tahanan jenisnya berbeda. Berikut adalah tabel yang menjelaskan tentang tahanan dan satuannya. Tabel 2.3. Resistansi dan Satuannya Resistansi Simbol Sebutan Pengali

Satuan Ω Ohm 1

Satuan dalam Skala Kecil µΩ mΩ Micro-ohm Mili-ohm 0,000001 0,001

Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

Satuan dalam Skala Besar kΩ MΩ Kilo-ohm Mega-ohm 1.000 1.000.000

27


Luas penampang konduktor yang kecil mempunyai tahanan yang lebih besar dibanding konduktor dengan penampang yang lebih besar. Konduktor yang lebih panjang mempunyai tahanan yang lebih besar dibanding dengan konduktor yang pendek meskipun luas penampangnya sama. Konduktor dengan temperatur yang tinggi mempunyai nilai tahanan yang lebih besar dibanding dengan konduktor dengan temperatur yang rendah.

Gambar 2.10. Perbedaan nilai resistansi pada beberapa kondisi 2.4.4. Daya Listrik dan Kerja Listrik Sebelum membahas tentang daya terlebih dahulu disinggung tentang energi. Energi merupakan kemampuan untuk melakukan kerja (dalam satuan Joule). Daya merupakan laju penggunaan energi atau kemampuan untuk melakukan kerja per satuan waktu dan diukur dalam satuan watt (W). Daya pada suatu rangkaian listrik sama dengan hasil perkalian antara tegangan dan arus atau P = E x I, dimana P adalah daya dalam satuan watt, E adalah tegangan dalam satuan volt, dan I adalah arus dalam satuan amper. Kerja merupakan ukuran energi yang digunakan dalam suatu periode waktu dan ditulis dengan satuan watt-detik atau watt-jam. Kerja listrik didapat dari hasil perkalian daya (satuan watt) dengan waktu (satuan detik atau jam) atau W = P x t. Berikut adalah tabel yang menjelaskan tentang daya dan satuannya. Tabel 2.4. Daya dan Satuannya Daya Simbol Sebutan Pengali

Satuan W Watt 1

Satuan dalam Skala Kecil mW Mili-watt 0,001

Satuan dalam Skala Besar kW MW Kilo-watt Mega-watt 1.000 1.000.000

2.4.5. Kapasitansi Kapasitansi atau kapasitas adalah kemampuan untuk menyimpan elektronelektron atau energi listrik. Komponen yang dapat menyimpan elektron atau energi listrik disebut dengan kapasitor atau kondensator/kondensor. Besar kecilnya kapasitas kondensator tergantung dari besar kecilnya luas plat pada kondensator, jenis bahan Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

28


dielektrikum, dan jarak antara kedua plat kondensator tersebut. Secara rinci penjelasan tentang kondensator dibahas pada Bab 3. Berikut adalah tabel yang menjelaskan tentang kapasitansi dan satuannya. Tabel 2.5. Kapasitansi dan Satuannya Kapasitansi Simbol Sebutan Pengali

Satuan F Farad 1

µF Mikro farad 1 x 10-6

Satuan dalam Skala Kecil nF Nano farad 1 x 10-9

pF Piko farad 1 x 10-12

Dalam suatu rangkaian, satu-satunya yang melawan aliran arus adalah resistansi atau tahanan. Hubungan antara tegangan yang diberikan pada suatu rangkaian (E), besarnya arus listrik yang mengalir pada rangkaian (I), dan tahanan (R) disebut Hukum Ohm. Karena arus terjadi akibat adanya tegangan yang diberikan pada rangkaian, maka arus berbanding lurus dengan tegangan. Apabila tegangan yang diberikan pada suatu rangkaian konstan, besarnya arus akan menurun jika besarnya tahanan dinaikan. Oleh karena itu besarnya arus berbanding terbalik dengan besarnya tahanan. Hubungan antara ketiga besaran tegangan, arus, dan tahanan dalam suatu rangkaian listrik secara matematis dinyatakan dengan persamaan berikut. atau atau

E=IxR I=E/R R=E/I

(2.1) (2.2) (2.3)

di mana E = tegangan (volt), I = arus (amper), dan R = tahanan (ohm). Daya pada suatu rangkaian listrik sama dengan hasil perkalian antara tegangan dan arus atau P=ExI (2.4) dimana P adalah daya dalam satuan watt, E adalah tegangan dalam satuan volt, dan I adalah arus dalam satuan amper Contoh penggunaan hukum Ohm. 1. Tentukan tegangan yang harus diberikan pada suatu lampu jika arus yang diperlukan adalah 1,5 amper dan tahanan lampu tersebut adalah 6 ohm. Berapa daya listrik pada rangkaian tersebut. Jawab : diketahui I = 1,5 A dan R = 6 ohm. Dengan hukum Ohm, E = I x R = 1,5 x 6 = 9 volt P = E x I = 9 x 1,5 = 13,5 W 2. Tentukan daya dan arus listrik yang mengalir pada suatu rangkaian jika tegangan yang diberikan sebesar 12 volt dan tahanan rangkaian tersebut 20 ohm. Jawab : diketahui E = 12 V dan R = 20 ohm. Dengan hukum Ohm, I = E / R = 12 / 20 = 0,6 A. P = E x I = 12 x 0,6 = 7,2 W


29


3. Tentukan tahanan suatu rangkaian yang dapat mengalirkan arus sebesar 3 A jika tegangan yang diberikan pada rangkaian tersebut 15 V. Jawab : diketahui E = 15 V dan I = 3 A. Dengan hukum Ohm, R= E / I = 15 / 3 = 5 Ω. P = E x I = 15 x 3 = 45 W 2.5. Alat Ukur Listrik Pengukuran-pengukuran yang umum dilakukan pada rangkaian kelistrikan otomotif adalah pengukuran tegangan, arus, dan resistansi/tahanan. Pengukuran besaran-besaran listrik tersebut dilakukan dengan menggunakan alat ukur multimeter atau multitester (gambar di bawah). Untuk kebutuhan pengukuran rangkaian listrik otomotif alat ini sudah cukup karena pada alat tersebut terdapat saklar pemilih (selektor) untuk memilih pengukuran yang akan dilakukan. Pengukuran yang dapat dilakukan di antaranya adalah pengukuran tegangan AC maupun DC dengan skala pembacaan 0 – 1000 V, pengukuran arus listrik DC dengan skala pengukuran sampai 0,25 A untuk arus kecil dan sampai 10 A untuk arus besar (pada model multitester digital skala pengukuran arus bisa lebih 10 A), dan pengukuran tahanan dengan skala 0 sampai 20 mega ohm. Pada merek multitester tertentu skala pembacaan bisa lebih besar atau lebih kecil dari yang disebutkan di atas tergantung spesifikasi dan kemampuan alat tersebut.

Gambar 2.11. Multitester analog (kiri) dan digital (kanan) Bagian-bagian utama multitester dapat dilihat pada gambar di bawah dan fungsi bagian-bagiannya dijelaskan sebagai berikut. 1. Jarum penunjuk, berfungsi untuk menunjukkan skala hasil pengukuran yang dilakukan. 2. Skala, berfungsi untuk menyatakan besaran-besaran pengukuran dan bersama jarum penunjuk menghasilkan besarnya atau nilai hasil pengukuran.


30


3. Sekrup kalibrasi jarum, berfungsi untuk mengeset jarum pada posisi nol (pada sisi sebelah kiri). 4. Tombol kalibrasi ohm, berfungsi untuk mengeset jarum ke posisi nol (pada sisi sebelah kanan) pada setiap akan melakukan pengukuran tahanan. 5. Terminal positif, berfungsi sebagai tempat dudukan kabel penguji yang berwarna merah (kabel positif) 6. Terminal negatif berfungsi sebagai tempat dudukan kabel penguji yang berwarna hitam (kabel negatif) 7. Selektor, berfungsi untuk memilih mode pengukuran sesuai dengan kebutuhan. Possisi selektor digeser ke skala Ω jika digunakan untuk mengukur tahanan, ke skala DCmA jika digunakan untuk mengukur arus, ke skala DCV jika digunakan untuk mengukur tegangan listrik arus searah (DC), dan ke skala ACV jika digunakan untuk mengukur tegangan listrik arus bolak-balik (AC).

Gambar 2.12. Bagian-bagian multitester Skala yang terdapat pada multitester lebih jelas tergambar pada gambar di bawah. Skala paling atas (skala no. 1 terdapat simbol Ω pada sisi sebelah kanan) adalah skala untuk pembacaan nilai tahanan dari komponen yang diukur. Skala yang kedua dari atas (skala no. 2 tertulis DCV & ACV di sisi sebelah kanan dan kiri) dapat digunakan untuk membaca hasil pengukuran tegangan baik tegangan AC maupun DC tergantung posisi selektor apakah di ACV atau DCV. Skala 0 – 10 dapat digunakan untuk membaca hasil pengukuran tegangan 0 sampai 10 V DC atau 0 sampai 1000 V DC dan AC, sedangkan untuk pembacaan 0 sampai 10 V AC digunakan skala di bawahnya (skala no. 3 tertulis AC10V di sisi sebelah kiri dan kanan). Untuk membaca hasil pengukuran tagangan 0 – 50 V angka yang digunakan adalah angka 0 sampai Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

31


50 dengan garis skala yang digunakan tetap garis skala no. 2, begitu pula untuk pembacaan tegangan 0 sampai 250 V. Skala no. 4 (tertulis hFE di sisi sebelah kiri) digunakan untuk mengukur atau menentukan perbandingan arus kolektor dan arus basis dari suatu transistor. Skala no.5 (tertulis mA di sisi kanan) digunakan untuk membaca hasil pengukuran arus. Skala no. 6 (tertulis LV di sisi kanan) digunakan untuk membaca hasil pengukuran tegangan rendah antara 0 sampai 3 volt. Skala no. 7 digunakan untuk membaca hasil pengukuran decibel.

Gambar 2.13. Skala pada multitester Contoh pembacaan hasil pengukuran nilai tahanan. Jika posisi selektor ditempatkan pada Ω posisi X1 (lihat gambar 2.14), hubungkan kaki kabel penguji berwarna merah dan hitam. Lihat posisi jarum, jika belum menunjuk ke nol Ω, set jarum dengan memutar tombol kalibrasi ohm sehingga jarum menunjuk nol Ω. Lakukan pengukuran pada objek yang akan diukur tahanannya. Jika jarum (dengan garis putus-putus) menunjuk ke posisi seperti gambar 2.14 (menunjuk angka 20), maka nilai tahanannya adalah 20 x 1 = 20 Ω Jika selektor berada di Ω posisi X1k, jarum juga menunjuk angka 20 maka nilai tahanannya adalah 20 x 1k = 20 kΩ atau 20 x 1000 Ω = 20.000 Ω Begitu seterusnya, angka yang ditunjukkan oleh jarum saat pengukuran tahanan dikalikan dengan angka yang tertera pada selektor, sehingga diperoleh hasil pengukuran. Perlu diingat, setiap kali mengubah posisi selektor dari posisi x1 ke posisi x1k atau lainnya, jarum harus diset kembali ke posisi nol karena setiap perubahan posisi akan menyebabkan posisi nol jarum pada skala Ω berubah. Hal ini harus dilakukan agar hasil pembacaan selalu akurat.


32


Gambar 2.14. Contoh pengukuran tahanan dan posisi jarum multitester (garis putus-putus) Contoh pembacaan hasil pengukuran nilai tegangan. Apabila selektor berada pada posisi seperti ditunjukkan pada gambar 2.16 (sebelah kiri), dan setelah kaki-kaki tester dihubungkan dengan suatu sumber tegangan atau rangkaian secara parallel (gambar 2.15) jarum menunjukkan posisi seperti gambar 2.16 kanan, maka hasil pembacaannya ditentukan dengan memperhatikan hal-hal berikut. Jarum menunjuk pada skala DCV, perhatikan angka pada skala 0 sampai 50 V. Angka yang ditunjukkan oleh jarum adalah 34. Jadi hasil pengukuran tersebut adalah 34 V. Perlu diperhatikan bahwa untuk mengukur tegangan, skala pada selektor yang dipilih harus lebih besar dari tegangan yang akan diukur agar tidak merusak alat ukur. Apabila tidak mengetahui dengan pasti berapa tegangan yang akan diukur, sebaiknya menggunakan skala yang terbesar. Jika tidak terbaca, turunkan skala pada selektor dan begitu seterusnya sampai tegangan yang diukur terbaca dengan jelas. Hal yang sama dapat dilakukan untuk mengukur tegangan AC. Perbedaannya hanya pada posisi selektor saja. Untuk mengukur tegangan AC selektor harus ditempatkan pada posisi ACV pada skala tertentu tergantung berapa tegangan yang akan diukur. Untuk mengukur tegangan yang tidak diketahui, caranya sama dengan penjelasan di atas menggunakan skala yang tinggi terlebih dahulu.

Gambar 2.15. Pengukuran tegangan baterai Perlu diperhatikan, untuk mengukur tegangan DC, kabel atau kaki multitester tidak boleh terbalik. Kaki tester yang berwarna merah harus dihubungkan dengan terminal posisitf baterai (atau terminal positif rangkaian) dan terminal negatif tester Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

33


yang berwarna hitam dihubungkan dengan terminal negatif baterai (atau massa dari rangkaian) yang akan diukur. Pemasangan kaki yang terbalik akan menyebabkan jarum bergerak ke arah yang salah dan dapat menyebabkan kerusakan alat ukur.

Gambar 2.16. Contoh posisi selektor, dan posisi jarum multitester (garis putus-putus) Pengukuran Arus. Pengukuran arus pada suatu rangkaian listrik dilakukan dengan memasang alat ukur secara seri dengan rangkaian tersebut. Selektor pada multitester harus berada pada posisi DCA atau DCmA. Kabel positif tester dihubungkan dengan sumber arus dan kabel negatif tester dihubungkan dengan rangkaian tersebut. Jadi, sebelum masuk ke rangkaian, arus terlebih dahulu melewati ampermeter atau multitester. Besarnya arus yang mengalir pada rangkaian dapat dibaca melalui skala.

Gambar 2.17. Pengukuran arus pada rangkaian 2.6. Rangkaian Listrik (Seri, Paralel, Gabungan) Energi listrik yang terdapat pada sumber tegangan seperti baterai tidak dapat mengalir tanpa ada pengantar yang menghubungkan antara terminal positif dan terminal negatifnya. Penghantar yang dipakai untuk mengalirkan arus berupa Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

34


rangkaian listrik yang merupakan suatu jalur yang lengkap sebagai tempat arus mengalir saat tegangan diberikan pada rangkaian tersebut. Rangkaian yang lengkap biasanya terdiri dari sumber arus, penghantar atau kabel-kabel penghubung, beban atau komponen yang dapat bekerja bila diberi arus listrik (lampu, motor listrik, kumparan, dll), alat atau komponen pengontrol (saklar, relay), alat pengaman (sekering, pemutus rangkaian / circuit breaker, fusiblelink), dan massa. Gambar berikut menunjukkan komponen-komponen dasar rangkaian kelistrikann.

Gambar 2.18. Komponen dasar rangkaian kelistrikan Pengukuran pada rangkaian kelistrikan yang umum dilakukan adalah pengukuran tegangan, pengukuran arus, dan pengukuran tahanan atau resistansi. Hal yang perlu diperhatikan dalam pengukuran adalah 1) pengukuran tegangan dilakukan dengan menghubungkan alat ukur (volt meter) secara paralel terhadap rangkaian, 2) pengukuran arus dilakukan dengan memasang alat ukur (amper meter) secara seri pada rangkaian, dan 3) pengukuran tahanan dilakukan dengan menghubungkan alat ukur (amper meter) ke komponen yang akan diukur tahanannya. Saat pengukuran tahanan, komponen harus dalam keadaan terlepas (tidak dalam rangkaian tertutup yang masih terhubung dengan komponen lain atau masih terdapat tegangan yang bekerja pada komponen tersebut). Gambar berikut memberikan ilustrasi prinsip pengukuran tegangan, arus, dan tahanan.

Gambar 2.19. Prinsip pengukuran tegangan, arus, dan tahanan Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

35


Rangkaian listrik terdiri dari tiga macam, yaitu rangkaian seri, rangkaian paralel, dan rangkaian gabungan seri dan paralel. Secara rinci masing-masing rangkaian dijelaskan sebagai berikut. 2.6.1. Rangkaian Seri Contoh rangkaian seri yang sederhana ditunjukkan pada gambar 2.18. pada gambar tersebut tampak bahwa komponen alat pengaman, alat pengontrol, dan beban terpasang secara seri. Gambar 2.20 memperlihatkan rangkaian seri dengan dua beban (dua buah lampu yang dipasang secara seri).

Gambar 2.20. Rangkaian seri Dua buah lampu pada rangkaian di atas merupakan beban atau tahanan listrik. Pada rangkaian seri, total tahanan sama dengan jumlah seluruh nilai tahanan pada pada rangkaian tersebut. Secara matematis, nilai tahanan total pada rangkaian seri adalah Rtotal = R1 + R2 + ..... + Rn

(2.5)

Contoh : Jika pada rangkaian gambar 2.20 harga tahanan R1 adalah 4 Ω dan R2 adalah 2 Ω, maka tahanan total pada rangkaian seri tersebut (tahanan pada sekering dan saklar diabaikan) adalah RTotal RTotal RTotal

= R1 + R2 = 4 + 2 = 6 Ω

Apabila saklar pada gambar 2.20 diaktifkan (ditutup), arus akan mengalir dari positif baterai ke semua komponen yang ada pada rangkaian tersebut (lihat gambar 2.21) kemudian ke massa / negatif baterai (maka kedua lampu menyala). Karena terpasang secara seri, besarnya arus yang mengalir ke semua komponen dalam rangkaian adalah sama. Hukum Ohm menyatakan bahwa intensitas arus (dalam amper) pada suatu rangkaian listrik sama dengan perbedaan tegangan (dalam volt) pada rangkaian dibagi dengan tahanan (dalam ohm) rangkaian tersebut atau dapat ditulis dengan persamaan berikut. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

36


I

= E / R

(2.2)

Berdasarkan persamaan 2.2, maka besarnya arus yang mengalir pada rangkaian seperti pada gambar 2.21, dapat dihitung. Dengan asumsi tegangan baterai adalah 12 volt, maka I = E / RTotal I = 12 / 6 I = 2A Jadi, arus yang mengalir pada rangkaian tersebut sebesar 2 A. Karena nilai tahanan kedua beban tersebut berbeda, maka tegangan yang bekerja pada tiap beban akan berbeda. Tegangan pada tiap beban dapat dihitung dengan persamaan 2.1. Karena arus yang mengalir pada semua beban sama, maka I1 = I2 = I sehingga tegangan pada beban 1 dan beban 2 dapat dinyatakan

Dengan demikian, dan

E1 E2 E1 = 2 x E2 = 2 x

= = 4 2

I x R1 I x R2 = 8 volt = 4 volt

(2.6) (2.7)

Jumlah tegangan E1 + E2 = 8 + 4 = 12 volt = EBat (tegangan baterai). Jadi jumlah tegangan yang bekerja pada setiap tahanan (beban atau lampu) sama dengan besarnya tegangan baterai.

Gambar 2.21. Aliran arus pada rangkaian seri dan tegangan pada tiap beban Berdasarkan hukum Ohm dan contoh perhitungan di atas, maka karakteristik rangkaian seri adalah 1) arus yang mengalir ke semua komponen/tahanan pada rangkaian besarnya sama, 2) tegangan pada tiap tahanan berbeda, 3) jumlah tegangan pada semua tahanan dalam rangkaian sama dengan besarnya tegangan pada sumber (baterai), 4) jumlah tahanan dari tiap tahanan sama dengan tahanan total rangkaian, dan 5) jika salah satu komponen / tahanan rusak atau putus, maka rangkaian tidak akan bekerja. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

37


Latihan : Perhatikan gambar 2.21, jika nilai tahanan pada lampu 1 adalah 4 Ω dan tahanan pada lampu 2 adalah 8 Ω, berapa tegangan yang bekerja pada lampu 1 dan lampu 2? Cek jawabannya apakah jumlah tegangan pada kedua beban tersebut sama dengan tegangan sumbernya. 2.6.2. Rangkaian Paralel Tahanan pada rangkaian paralel terpasang secara berjajar. Contoh rangkaian paralel yang sederhana ditunjukkan pada gambar 2.22. Pada gambar tersebut tampak dua beban (lampu) terpasang secara paralel. Kabel dari saklar yang menuju lampu bercabang, satu cabang untuk lampu 1 dan cabang lainnya untuk lampu 2. Dengan demikian arus listrik dapat mengalir baik ke lampu 1 (R1) maupun ke lampu 2 (R2). Besarnya arus yang mengalir pada tiap tahanan bisa berbeda tergantung dari nilai tahanan lampu-pampu tersebut.

Gambar 2.22. Rangkaian paralel Dua buah lampu pada rangkaian di atas merupakan beban atau tahanan listrik. Pada rangkaian paralel, tahanan total dapat dinyatakan dengan persamaan berikut. Untuk dua tahanan,

1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 + ..... + 1/Rn 1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 Rtotal = (R1 x R2) / (R1 + R2)

(2.8) (2.9) (2.10)

Contoh : Jika pada rangkaian gambar 2.22 harga tahanan lampu 1 (R1) adalah 4 Ω dan lampu 2 (R2) adalah 6 Ω, maka tahanan total pada rangkaian paralel tersebut (tahanan pada sekering dan saklar diabaikan) adalah Rtotal RTotal RTotal RTotal

= = = =

(R1 x R2) / (R1 + R2) (4 x 6) / (4 + 6) 24/10 2,4 Ω

Apabila saklar pada gambar 2.22 diaktifkan (ditutup), arus akan mengalir dari positif baterai ke semua komponen yang ada pada rangkaian tersebut (lihat gambar Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

38


2.23) kemudian ke massa / negatif baterai (maka kedua lampu menyala). Karena terpasang secara paralel, arus mengalir ke lampu 1 dan ke lampu 2. Berdasarkan persamaan 2.2, maka besarnya arus yang mengalir pada rangkaian seperti pada gambar 2.23 dapat dihitung. Dengan asumsi tegangan baterai adalah 12 volt, maka I = E / RTotal I = 12 / 2,4 I = 5A Jadi, arus yang mengalir pada rangkaian tersebut sebesar 5 A. Jika dilakukan pengukuran tegangan pada lampu 1 dan lampu 2 (lihat gambar 2.23), pengukuran pada kedua lampu tersebut menghasilkan harga tegangan yang sama. Jadi E1 = E2 = tegangan baterai. Karena nilai tahanan kedua beban tersebut berbeda, maka arus yang mengalir pada tiap beban berbeda (I1 ≠ I2). Arus pada tiap beban dihitung dengan persamaan 2.2. I = E / R Karena E1 = E2 = E (tegangan baterai), maka Arus ke Lampu 1 Arus ke Lampu 2 Dengan demikian, arus ke lampu 1 adalah Arus ke lampu 2 adalah

I1 = E / R1 I2 = E / R2 I1 = E / R1 I1 = 12 / 4 I1 = 3 A I2 = E / R2 I2 = 12 / 6 I2 = 2 A

Jumlah arus ke semua lampu I1 + I2 = 3 + 2 = 5 A = I (arus rangkaian). Jadi besarnya arus yang mengalir pada rangkaian sama dengan penjumlahan arus yang mengalir pada tahanan 1 dan tahanan 2.

Gambar 2.23. Aliran arus pada rangkaian paralel Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

39


Berdasarkan hukum Ohm dan contoh perhitungan di atas, maka karakteristik rangkaian paralel adalah 1) jika nilai tahanan pada tiap percabangan tidak sama, arus yang mengalir ke tiap tahanan atau beban pada rangkaian besarnya tidak sama, 2) jika nilai tahanan pada tiap percabangan sama, maka arus yang mengalir ke tiap tahanan akan sama, 3) tegangan pada tiap tahanan sama, 4) jumlah arus pada semua tahanan dalam rangkaian sama dengan besarnya arus yang mengalir pada rangkaian, 5) tahanan total rangkaian makin kecil, dan 6) jika salah satu komponen / tahanan rusak atau putus, maka arus masih dapat mengalir ke komponen yang tidak rusak atau rangkaian masih dapat bekerja. Latihan : Perhatikan gambar 2.23, jika nilai tahanan pada lampu 1 adalah 4 Ω dan tahanan pada lampu 2 adalah 2 Ω, berapa arus yang mengalir pada lampu 1 dan lampu 2? Cek jawabannya apakah penjumlahan arus pada kedua beban tersebut sama dengan besarnya arus yang mengalir pada rangkaian paralel tersebut. Bandingkan besarnya arus yang mengalir pada rangkaian ini dengan arus yang mengalir pada rangkaian seperti pada contoh perhitungan pada rangkaian seri (harga R1 dan R2nya sama pada kedua contoh ini). Buat kesimpulan hasil perbandingan tersebut. 2.6.3. Rangkaian Gabungan Rangkaian gabungan sering disebut juga rangkaian seri-paralel. Pada rangkaian seri, arus hanya mempunyai satu jalur untuk mengalir. Pada rangkaian paralel arus mempunyai beberapa jalur untuk mengalir. Pada rangkaian seri-paralel arus mengalir pada bagian seri dari rangkaian, kemudian arus terbagi menjadi beberapa jalur pada percabangan rangkaian paralel. Sistem kelistrikan pada kendaraan banyak menggunakan rangkaian seri-paralel. Berikut salah satu contoh rangkaian seri-paralel.

Gambar 2.24. Rangkaian seri-paralel Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

40


Dua buah lampu pada rangkaian di atas merupakan beban atau tahanan listrik yang terpasang secara paralel. Tahanan total (tahanan pengganti) dari kedua lampu paralel tersebut adalah RPar. Antara tahanan pengganti RPar dan tahanan geser R1 terangkai secara seri. Tahanan total rangkaian seri-paralel dari rangkaian tersebut adalah Rtotal = R1 + RPar (2.11) Dari persamaan 2.10 : Rtotal(paralel) = (R1 x R2) / (R1 + R2) Persamaan 2.11 menjadi Rtotal = R1 + {(R2 x R3) / (R2 + R3)} (2.12) Keterangan : R1 dan R2 pada persamaan 2.10 menjadi R2 dan R3 pada persamaan 2.12 karena notasi tersebut disesuaikan dengan notasi yang ada pada rangkaian paralel di gambar 2.24. Contoh : Jika pada rangkaian gambar 2.24 harga tahanan geser (R1) adalah 2 Ω, R2 adalah 4 Ω, dan R3 adalah 6 Ω, maka tahanan total pada rangkaian tersebut adalah Rtotal RTotal RTotal RTotal RTotal

= = = = =

R1 + {(R2 x R3) / (R2 + R3)} 2 + {(4 x 6) / (4 + 6)} 2 + {24 / 10) 2 + 2,4 → 2,4 = RPar 4,4 Ω

Apabila saklar pada gambar 2.24 diaktifkan (ditutup), arus akan mengalir dari positif baterai ke semua komponen yang ada pada rangkaian tersebut (lihat gambar 2.25) kemudian ke massa / negatif baterai (maka kedua lampu menyala). Berdasarkan persamaan 2.2, maka besarnya arus yang mengalir pada rangkaian seperti pada gambar 2.25, dapat dihitung. Dengan asumsi tegangan baterai adalah 12 volt, maka I = E / RTotal I = 12 / 4,4 I = 2,7273 A Jadi, arus yang mengalir pada rangkaian tersebut sebesar 2,7273 A. Karena R1 terhubung seri pada rangkaian tersebut, maka besarnya arus yang mengalir ke R1 sama dengan arus yang mengalir pada rangkaian yaitu 2,7273 A. Jika dilakukan pengukuran tegangan pada tahanan geser (R1) maka didapat E1 dan pengukuran pada lampu 1 (R2) dan lampu 2 (R3) (lihat gambar 2.25), didapat E2 dan E3. Karena lampu 1 dan lampu 2 paralel, maka E2 = E3. Dari persamaan 2.1, tegangan pada R1 adalah E1 = I x R1 E1 = 2,7273 x 2 E1 = 5,45 V Tegangan pada rangkaian paralel E2 atau E3 adalah E2,3 = I x RPar E2,3 = 2,7273 x 2,4 E2,3 = 6,55 V Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

41


Jumlah tegangan E1 + E2,3 = 5,45 V + 6,55 V = 12 V (= tegangan baterai). Karena nilai tahanan kedua lampu tersebut berbeda, maka arus yang mengalir pada tiap lampu juga berbeda (I2 ≠ I3). Arus pada tiap lampu dihitung dengan persamaan 2.2. I

= E / R

Karena E2 = E3, maka Arus ke Lampu 1 Arus ke Lampu 2

I2 = E2,3 / R2 I3 = E2,3 / R3

Dengan demikian, arus ke lampu 1 adalah

Arus ke lampu 2 adalah

I2 = 6,55 / 4 I2 = 1,64 A I3 = 6,55 / 6 I3 = 1,09

Jumlah arus ke tiap lampu I2 + I3 = 1,64 A mengalir ke rangkaian.

+ 1,09 A = 2,73 A ≈ arus yang

Gambar 2.25. Aliran arus pada rangkaian seri-paralel Karakteristik rangkaian paralel adalah 1) arus yang mengalir pada bagian seri sama dengan jumlah arus cabang pada bagian paralel, 2) tahanan rangkaian merupakan jumlah tahanan pengganti paralel dengan tahanan seri, 3) tegangan yang bekerja pada bagian paralel sama dengan tegangan sumber dikurangi tegangan yang ada pada bagian seri, 4) jika salah satu komponen / tahanan pada bagian seri rusak atau putus, maka rangkaian tidak dapat bekerja. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

42


Latihan : Perhatikan gambar 2.25, jika nilai tahanan pada R1 adalah 4 Ω , R2 adalah 2 Ω dan tahanan pada R3 adalah 6 Ω, berapa arus yang mengalir pada lampu 1 dan lampu 2? Berapa tegangan R2 dan R3 ? 2.6.4. Rangkaian Seri dan Paralel pada Baterai Selain beban dan komponen pada rangkaian kelistrikan yang dapat dihubungkan secara seri atau paralel, sumber tegangan atau baterai juga dapat dihubungkan secara seri dan paralel. Berikut digambarkan hubungan seri dan paralel pada baterai.

Gambar 2.26. Baterai dihubungkan secara seri Jika baterai dihubungkan secara seri, maka terminal positif baterai pertama dihubungkan dengan terminal negatif baterai kedua. Terminal negatif baterai pertama dihubungkan dengan massa, dan terminal positif baterai kedua dihubungkan dengan rangkaian. Jika tiap baterai mempunyai tegangan 12 volt, maka tegangan baterai yang dihubungkan secara seri tersebut menjadi 12 + 12 = 24 volt. Jadi tegangan yang bekerja pada rangkaian menjadi 24 volt. Dengan demikian, jika dua baterai atau lebih dihubungkan secara seri, maka tegangan menjadi naik dan total tegangannya adalah jumlah dari semua tegangan baterai yang dihubungkan secara seri.

Gambar 2.27. Baterai dihubungkan secara paralel Jika baterai dihubungkan secara paralel, maka terminal positif baterai pertama dihubungkan dengan terminal positif baterai kedua dan bagian ini dihubungkan dengan rangkaian. Terminal negatif baterai pertama dihubungkan dengan terminal Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

43


negatif baterai kedua dan dan bagian ini kemudian dihubungkan dengan massa. Jika tiap baterai mempunyai tegangan 12 volt, maka tegangan baterai yang dihubungkan secara paralel tersebut akan tetap 12 volt. Namun, kemampuan mengalirkan arus pada baterai yang dihubungkan secara paralel menjadi dua kali lipat. Jadi tegangan yang bekerja pada rangkaian tetap 12 volt tetapi arus yang mengalir pada rangkaian dapat lebih besar. Secara ringkas dapat dinyatakan bahwa baterai yang dihubungkan secara seri tegangannya akan meningkat, sedangkan baterai yang dihubungkan secara paralel arus yang dapat mengalir jadi meningkat. 2.7. Istilah-istilah dalam Pengukuran Listrik Beberapa istilah dalam pengukuran rangkaian listrik yang sering dijumpai adalah 1) tegangan sumber (source voltage), 2) tegangan yang tersedia (available voltage), dan 3) penurunan tegangan (voltage drop). Tegangan sumber adalah tegangan yang terdapat pada baterai sebagai sumber arus pada suatu rangkaian kelistrikan. Tegangan yang tersedia adalah tegangan dalam suatu rangkaian yang yang ada pada beban untuk mengoperasikan beban listrik tersebut. Penurunan tegangan diakibatkan oleh adanya tahanan listrik. Adanya tahanan ini menyebabkan terjadinya penurunan tegangan. Ilustrasi tegangan-tegangan tersebut dalam rangkaian sistem kelistrikan dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 2.28. Pengukuran tegangan pada rangkaian kelistrikan Pengukuran tegangan sumber dilakukan dengan secara langsung mengukur terminal-terminal baterai menggunakan volt meter dengan skala yang sesuai. Untuk mengukur tegangan baterai (12 V), selektor pada multi tester dapat diset pada skala DCV 50. Pengukuran tegangan yang tersedia dapat dilakukan misalnya dengan mengukur tegangan yang ada pada kunci kontak. Kaki merah volt meter dihubungkan dengan terminal pada kunci kontak, sementara kaki hitam volt meter dihubungkan Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

44


dengan massa. Maka, akan terukur tegangan yang tersedia pada kunci kontak. Penurunan tegangan merupakan salah satu pengujian yang penting. Pengetesan penurunan tegangan dapat dilakukan dengan cara berikut. Tempatkan kabel merah multitester ke bagian positif dari komponen yang dites dan kabel hitam ke bagaian negatif atau massa. Aktifkan rangkaian saat alat ukur terpasang dan kemudian baca hasil penunjukkan alat ukur. 2.8. Kemagnetan Elektromagnet berarti magnet yang dihasilkan oleh adanya listrik. Hubungan antara listrik dan magnet sangat dekat karena listrik dapat digunakan untuk mengasilkan magnet dan magnet dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Pada saat arus listrik mengalir melalui suatu penghantar, terbentuk medan magnet di sekitar penghantar tersebut. Keberadaan medan magnet tersebut tidak dapat dilihat namun dapat diketahui dengan mendekatkan kompas ke pengahantar tersebut. Jarum pada kompas akan bergerak akibat pengaruh medan magnet yang dihasilkan oleh aliran arus tersebut. Fenomena lain juga akan terlihat apabila dua buah kumparan yang dialiri arus listrik didekatkan satu sama lain. Kedua kumparan tersebut akan saling tarik menarik atau tolak menolak tergantung kutub-kutub mana yang berdekatan.

Gambar 2.29. Medan magnet di sekitar penghantar yang dialiri arus listrik Arus listrik yang mengalir melewati penghantar yang lurus, medan magnet mengitari penghantar berbentuk garis-garis gaya magnet melingkar yang tersusun secara seri. Pada penghantar yang berbentuk melingkar (gulungan), medan magnet Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

45


dapat terkonsentrasi di pusat lingkaran dan menghasilkan medan magnet yang kuat. Kuat medan magnet dapat ditingkatkan dengan menambah jumlah kumparan dan memperbesar arus. Contoh medan magnet yang sederhana dapat dibuat dengan melilitkan kawat berisolasi pada sebuah paku, kemudian ujung-ujung kumparan itu dihubungkan dengan sebuah baterai. Pada saat arus mengalir ke kumparan tersebut, terjadi medan magnet dan bila beberapa penjepit kertas yang terbuat dari besi didekatkan, maka penjepit kertas tersebut akan menempel pada paku tersebut.

Gambar 2.30. Elektromagnet Elektromagnet banyak digunakan pada sistem kelistrikan pada kendaraan. Beberapa penggunaan elektromagnet dalam bidang otomotif di antaranya adalah motor starter untuk menggerakan mesin (engine) pada saat pertama kali dihidupkan, generator atau alternator untuk menghasilkan arus listrik yang dimanfaatkan untuk mengisi baterai, relai sebagai saklar elektromagnet yang dimanfaatkan untuk mengaktifkan rangkaian kelistrikan yang membutuhkan arus yang besar, solenoid (untuk menggerakan punyer pada motor starter, injektor pada sistem electronic fuel injection, kopling magnet pada AC, koil untuk menghasilkan tegangan tinggi pada sistem pengapian, dan lain-lain). 2.9. Ringkasan Semua benda padat, cair atau gas yang mempunyai massa dan menempati ruang pada dasarnya tersusun dari molekul atau atom yang tergabung menjadi satu. Atom merupakan bagian terkecil dari suatu benda yang memiliki propertis atau sifat yang sama dari benda yang dibentuk olehnya. Inti dari sebuah atom disebut dengan nukleus yang terbentuk dari gabungan antara proton dan neutron dan dikelelingi oleh partike lain yang disebut elektron. Setiap patikel atom mempunyai muatan listrik. Proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, dan neutron tidak bermuatan atau netral. Bahan yang termasuk konduktor adalah bahan yang mempunyai satu sampai tiga elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang baik, misalnya tembaga, besi, aluminium, dan logam-logam lain pada umumnya. Bahan yang termasuk semikonduktor adalah bahan yang mempunyai empat elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang baik pada kondisi tertentu dan sebagai isolator yang baik juga pada kondisi lainnya, misalnya karbon, germanium, dan silikon. Bahan yang termasuk Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

46


dalam isolator adalah bahan yang mempunyai lima sampai delapan elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang tidak baik. Teori aliran arus listrik yang digunakan dalam rangkaian listrik ada dua, yaitu teori konvensional dan teori elektron. Teori konvensional yang umumnya digunakan pada sistem-sistem otomotif menyatakan bahwan arus listrik mengalir dari positif ke negatif atau dari daerah yang kelebihan proton atau daerah yang berpotensial tinggi (+) ke daerah yang berpotensial rendah (-). Teori elektron yang umumnya digunakan pada bidang elektronika menyatakan bahwa arus mengalir dari negatif ke positif atau kelebihan elektron menyebabkan suatu daerah yang berpotensial negatif (-) mengalir ke daerah yang kekurangan elektron (daerah +) untuk menyeimbangkan muatan. Energi listrik merupakan bentuk energi yang tidak dapat dilihat, tidak dapat didengar, tidak dapat disentuh, dan tidak dapat dicium dengan indra penciuman manusia. Meskipun begitu, adanya energi listrik dapat dilihat atau dirasakan dari efekefek yang ditimbulkannya. Misalnya lampu yang tadinya padam menjadi terang setelah saklar diaktifkan, setrika listrik yang menjadi panas setelah dihubungkan dengan sumber listrik, bel listrik yang menghasilkan suara setelah tombol bel ditekan, adanya asap dan bau bahan terbakar yang keluar dari kabel listrik yang terbakar akibat adanya hubungan singkat, loncatan bunga api di antara elektroda busi, suara yang keras seperti bunyi petir, sengatan dan efek-efek lain yang dapat ditimbulkannya. Tegangan merupakan tekanan listrik yaitu suatu gaya potensial atau perbedaan muatan listrik pada dua tempat yang berbeda. Tegangan (dalam hukum Ohm ditulis dengan simbol E) diukur dengan satuan volt (V). Adanya perbedaan potensial atau tegangan dapat menyebabkan arus listrik mengalir melalui suatu penghantar yang menghubungkan antara satu titik yang berpotensial tinggi (+) ke titik lain yang berpotensial rendah (-). Arus merupakan laju aliran muatan positif menuju daerah yang bermuatan negatif melalui suatu penghantar. Arus (dalam hukum Ohm ditulis dengan simbol I) dinyatakan dalam satuan Amper dan diukur dengan alat yang disebut ampermeter. Resistansi (dalam hukum Ohm ditulis dengan simbol R) merupakan tahanan dari suatu bahan konduktor untuk menghambat aliran arus listrik. Hubungan antara ketiga variabel tersebut dinyatakan dalam Hukum Ohm (I = E / R). Setiap logam yang digunakan sebagai penghantar mempunyai karakteristik hambatan yang berbeda. Besar tahanan suatu konduktor tergantung pada tahanan jenis bahan, panjang bahan, luas penampang bahan, dan temperatur. Luas penampang dan panjang konduktor yang sama nilai tahanannya bisa berbeda jika bahan dan tahanan jenisnya berbeda. Daya merupakan laju penggunaan energi atau kemampuan untuk melakukan kerja per satuan waktu dan diukur dalam satuan watt (W). Daya pada suatu rangkaian listrik sama dengan hasil perkalian antara tegangan dan arus atau P = E x I, dimana P adalah daya dalam satuan watt, E adalah tegangan dalam satuan volt, dan I adalah arus dalam satuan amper. Kerja merupakan ukuran energi yang digunakan dalam suatu periode waktu dan ditulis dengan satuan watt-detik atau watt-jam. Kerja listrik didapat dari hasil perkalian daya (satuan watt) dengan waktu (satuan detik atau jam) atau W = P x t. Kapasitansi atau kapasitas adalah kemampuan untuk menyimpan elektronelektron atau energi listrik. Komponen yang dapat menyimpan elektron atau energi listrik disebut dengan kapasitor atau kondensator/kondensor. Besar kecilnya kapasitas kondensator tergantung dari besar kecilnya luas plat pada kondensator, jenis bahan dielektrikum, dan jarak antara kedua plat kondensator tersebut. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan

47


Pengukuran besaran-besaran listrik tersebut dilakukan dengan menggunakan alat ukur multimeter atau multitester. Pengukuran pada rangkaian kelistrikan yang umum dilakukan adalah pengukuran tegangan, pengukuran arus, dan pengukuran tahanan atau resistansi. Hal yang perlu diperhatikan dalam pengukuran adalah 1) pengukuran tegangan dilakukan dengan menghubungkan alat ukur (volt meter) secara paralel terhadap rangkaian, 2) pengukuran arus dilakukan dengan memasang alat ukur (amper meter) secara seri pada rangkaian, dan 3) pengukuran tahanan dilakukan dengan menghubungkan alat ukur (amper meter) ke komponen yang akan diukur tahanannya. Rangkaian listrik terdiri dari tiga macam, yaitu rangkaian seri, rangkaian paralel, dan rangkaian gabungan seri dan paralel. Karakteristik rangkaian seri adalah 1) arus yang mengalir ke semua komponen/tahanan pada rangkaian besarnya sama, 2) tegangan pada tiap tahanan berbeda, 3) jumlah tegangan pada semua tahanan dalam rangkaian sama dengan besarnya tegangan pada sumber (baterai), 4) jumlah tahanan dari tiap tahanan sama dengan tahanan total rangkaian, dan 5) jika salah satu komponen / tahanan rusak atau putus, maka rangkaian tidak akan bekerja. Karakteristik rangkaian paralel adalah 1) jika nilai tahanan pada tiap percabangan tidak sama, arus yang mengalir ke tiap tahanan atau beban pada rangkaian besarnya tidak sama, 2) jika nilai tahanan pada tiap percabangan sama, maka arus yang mengalir ke tiap tahanan akan sama, 3) tegangan pada tiap tahanan sama, 4) jumlah arus pada semua tahanan dalam rangkaian sama dengan besarnya arus yang mengalir pada rangkaian, 5) tahanan total rangkaian makin kecil, dan 6) jika salah satu komponen / tahanan rusak atau putus, maka arus masih dapat mengalir ke komponen yang tidak rusak atau rangkaian masih dapat bekerja. Karakteristik rangkaian paralel adalah 1) arus yang mengalir pada bagian seri sama dengan jumlah arus cabang pada bagian paralel, 2) tahanan rangkaian merupakan jumlah tahanan pengganti paralel dengan tahanan seri, 3) tegangan yang bekerja pada bagian paralel sama dengan tegangan sumber dikurangi tegangan yang ada pada bagian seri, 4) jika salah satu komponen / tahanan pada bagian seri rusak atau putus, maka rangkaian tidak dapat bekerja. 2.10. Soal-soal Latihan Jawablah soal-soal berikut secara singkat dan jelas. 1. Jelaskan tentang teori dasar listrik: struktur atom, arus searah, arus bolak balik, dan teori aliran arus. 2. Jelaskan efek-efek yang ditimbulkan oleh listrik. 3. Sebut dan jelaskan besaran-besaran listrik yang sering digunakan dalam sistem kelistrikan pada kendaraan. 4. Sebutkan alat-alat ukur listrik yang umum digunakan dan jelaskan cara penggunaannya 5. Sebut dan jelaskan istilah-istilah yang sering digunakan dalam pengukuran listrik. 6. Buatlah rangkaian seri, paralel dan rangkaian gabungan seri paralel dan jelaskan karakteristik rangkaian tersebut. 7. Sebutkan komponen-komponen kelistrikan pada bidang kelistrikan kendaraan yang bekerja berdasarkan kemagnetan yang diakibatkan oleh aliran arus listrik dan jelaskan cara kerjanya.


48

BAB 2 DASAR-DASAR KELISTRIKAN

Recommend Documents