Pertemuan 2 – Dasar Kelistrikan – AC & DC, Rangkaian Listrik (Kirchoff – Thevenin – Norton – Ohm) serta Rectifier dan Inverter

Tujuan Pembelajaran

1. Mahasiswa mampu menjelaskan Menjelaskan Rangkaian Listrik
2. Mahasiswa mampu menjelaskan Hukum Kirchoff, Hukum Thevenin, Hukum Norton, Hukum Ohm
3. Mahasiswa mampu menjelaskan Rectifier dan Inverter

2.1 Dasar Kelistrikan  – AC & DC, Rangkaian Listrik (Kirchoff – Thevenin – Norton – Ohm)serta Rectifier dan Inverter Catatan Penting Kuliah Pertemuan 2:

1. Interaktif (diperbolehkan untuk langsung bertanya saat Dosen menjelaskan)
2. Video Meeting wajib aktif

LISTRIK = Rangkaian fenomena fisika yang berhubungan dengan kehadiran dan aliran muatan listrik. Listrik menimbulkan berbagai macam efek yang telah umum diketahui, seperti petir, listrik statis, induksi elektromagnetik dan arus listrik.
Catatan :
*Thales, ilmuwan pertama yang meneliti listrik (membuat beberapa observasi pada listrik statis sekitar tahun 600 BC, di mana ia percaya bahwa friksi yang dihasilkan amber magnetik)
*Listrik tetap hanya menjadi bahan keingintahuan selama satu milenium hingga tahun 1600, ketika ilmuwan Inggris William Gilbert membuat studi khusus mengenai listrik dan magnetisme, membedakan efek lodestone dari listrik statis yang dihasilkan dengan menggosok ambar. Ia mengajukan kata Latin Baru electricus (“seperti amber”, seperti ἤλεκτρον, elektron, kata Yunani Kuno untuk “amber”) untuk merujuk pada sifat menarik benda ringan setelah digosok.
* Karya berikutnya yang dilakukan oleh Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray dan C. F. du Fay.
* Pada abad ke-18, Benjamin Franklin melakukan penelitian ekstensif pada kelistrikan. Bulan Juni 1752 ia berhasil menempelkan kunci logam ke bagian dasar senar layang yang dibasahi dan menerbangkan layang tersebut di langit berbadai. Adanya kilatan yang meloncat dari kunci ke tangannya menunjukkan bahwa kilat adalah listrik di alam.
* Tahun 1791, Luigi Galvani mempublikasikan penemuan biolistrik, menunjukkan bahwa listrik merupakan medium di mana sel saraf memberikan signal ke otot.
*Baterai Alessandro Volta atau tumpukan volta pada tahun 1800, dibuat dari lapisan seng dan tembaga, sehingga memberikan sumber yang lebih dipercaya bagi para ilmuwan bagi sumber energi listrik daripada mesin elektrostatis yang sebelumnya digunakan.
*Dikenalnya elektromagnetisme, kesatuan fenomena listrik dan magnetik, adalah karya Hans Christian Ørsted dan André-Marie Ampère tahun 1819–1820;
*Pertama kali di perkenalkan hukum kirchoff pada tahun 1824-1887 oleh ahli fisika jerman yang bernama Gustav Robert Kirchhoff.
*Michael Faraday menemukan motor listrik tahun 1821, dan Georg Ohm menganalisis secara matematis sirkuit listrik tahun 1827.
*Listrik dan magnet (dan cahaya) dihubungkan oleh James Clerk Maxwell, pada tulisannya “On Physical Lines of Force” tahun 1861 dan 1862.
*Di awal abad ke-19 mulai ada perkembangan yang cepat dalam ilmu kelistrikan. Beberapa penemu seperti Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, Lord Kelvin, Sir Charles Parsons, Ernst Werner von Siemens, Joseph Swan, Nikola Tesla dan George Westinghouse, listrik berubah dari keingintahuan sains menjadi peralatan berguna untuk kehidupan modern, menjadi penggerak bagi Revolusi Industri Kedua.
*Tahun 1887, Heinrich Hertz menemukan bahwa elektrode yang teriluminasi dengan cahaya ultraviolet dapatmenghasilkan percikan listrik lebih mudah.
*Tahun 1905 Albert Einstein mempublikasikan tulisan yang menjelaskan data percobaan dari efek fotolistrik sebagai hasil dari energi cahaya yang dibawa pada discrete quantized packets, menghidupkan elektron. Penemuan ini mengantarkan pada revolusi kuantum. Einstein mendapatkan Hadiah Nobel bidang Fisika tahun 1921 untuk “penemuannya dalam hukum efek fotolistrik”. Efek fotolistrik juga digunakan dalam fotosel seperti yang bisa ditemukan pada panel surya dan bisa digunakan untuk memproduksi listrik secara komersial. Tabel Besaran dan Satuan serta Imuan Penemu

BESARAN dan Simbol	SATUAN dan Simbol	ILMUAN	Negara
Tegangan (V)	Volt (v)	Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Gerolamo Umberto Volta	(Italia)
Gaya Gerak Listrik (E)	Volt (v)	Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Gerolamo Umberto Volta	(Italia)
Arus Listrik (I/i)	Ampere (A)	André-Marie Ampère	(Prancis)
Daya Listrik (P)	Watt (W)	James Watt	(Britania Raya)
Energi (W)	Joule (J)	James Prescott Joule	(Inggris)
Muatan Listrik (q)	Coloumb (C)	Charles-Augustin de Coulomb	(Prancis)
Kapasitansi (C)	Farad (F)	Michael Faraday	(Inggris)
Konduktansi (G)	Siemens (S)	Ernst Werner Siemens	(Jerman)
Induktansi (L)	Henry (H)	Joseph Henry	(Amerika-Skotlandia)
Resistansi (R)	Ohm (Ω)	Georg Simon Ohm	(Jerman)
Frekuensi (f)	Hertz (Hz)	Heinrich Rudolf Hertz	(Jerman)
Waktu (t)	Second (s)

2.2 AC (Alternating Current) dan DC (Direct Current)

Arus listrik AC adalah arus listrik yang memiliki arah arus berubah-ubah secara bolak-balik terhadap waktu. Bentuk gelombang arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida/sinus wave Generator listrik AC (altenator) tiga phase memiliki empat kabel keluaran, yaitu Kabel phase 1 (Phase R) Kabel Phase 2 (Phase S),Kable Phase 3 (Phase T) dan Kabel Nol (Netral)

2.2.1 Altenator

Alternator atau pembangkit listrik arus bolak – balik 3 phase memiliki 3 kumparan Phase yang menghasilkan tegangan keluaran (Output voltage) 380 Volt, diukur antara phase dengan phase yang berbeda, dan tegangan keluaran 220 Volt diukur antara salah satu phase dengan Netral.

Ketiga phase pada Alternator ini biasa diberi simbol Phase R, S, T. Dan N untuk kabel keluaran Netral. A (biru) = phase 1 (R), B (Merah) = phase 2 (S), C (Hijau) = phase 3 (T).  

Gambar Gelombang dengan Cycle dan derajat serta radian   Satuan waktu periodik, (T) meliputi: Detik (s), milidetik (ms) dan mikrodetik (mikrodetik). Dapat menyatakan waktu periodik bentuk gelombang dalam derajat atau radian(rad), karena 1 siklus penuh = 360°( T = 360°) / dalam Radian (rad) sebagai 2pi, 2π ( T = 2π ), maka 2π radian = 360°. Nilai Maksimum (peak) Nilai maksimum dari gelombang sinus adalah nilai tegangan (arus) pada maksimum positif atau maksimum negatif terhadap titik nol. Untuk gelombang sinus tertentu nilai peak adalah konstan dan dinyatakan dengan Vm (tegangan maksimum) dan Im (arus maksimum).  

Jarak antara awal Vm sampai akhir Vm disebut dengan 1 cycle (1siklus)
Nilai Puncak ke Puncak (peak-to-peak) dari gelombang sinus adalah tegangan atau arus dari peak positif ke peak negatif. Bila dua nilai maksimum tersebut dijumlahkan disebut sebagai nilai puncak-ke-puncak (peak-to-peak). Dengan demikian, nilai p-p selalu dua kali dari nilai peak yang dinyatakan dalam persamaan berikut: Vpp = 2Vm atau Ipp = 2 Im …………………… f=1/t …………….  

Gbr. Simulasi Pergerakan Gelombang arus AC (I) terhadap (t)/arus menyentuh garis t(time)

Example :
JIka Load (beban) diberi tegangan AC dengan arus (Im) sebesar 0.02A, maka Ipp = 2*0.02A = 0.04A, terhadap nilai waktu
0.02s hitung nilai frekuensi??f=1/tf = 1/0.02sf = 50Hz  

Gbr. Simbol DCArus listrik DC adalah arus listrik yang memiliki arah arus yang tidak berubah terhadap waktu. Arah pengaliran arus listriknya hanya positif atau hanya negatif saja. Arus searah didefinisikan sebagai arus listrik yang mempunyai nilai tetap atau konstan terhadap satuan waktu.
1. bentuk gelombang DC rata/murni
2. bentuk gelombang DC setengah gelombang
3. bentuk gelombang DC gelombang penuh  

Gbr. Simulasi perbedaan elektron

ARUS
Arus adalah muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu. i = q/t ……. (iii)   DAYA
Daya adalah jumlah usaha yang dilakukan tiap satu satuan waktu/kecepatan melakukan kerja. Daya sama dengan jumlah energi yang dihabiskan per satuan waktu. Dalam sistem SI, satuan daya adalah joule per detik (J/s), maka 1 watt = 1 J/s P=W/t …….. (iv) W = Energi (Joule), properti fisika dari suatu objek, dapat berpindah melalui interaksi fundamental, yang dapat diubah bentuknya namun tak dapat diciptakan maupun dimusnahkan.

TEGANGAN
Tegangan adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik, dan dinyatakan dalam satuan volt *kerja yang dilakukan untuk menggerakkan satu muatan (sebesar satu colomb) pada elemen dari satu terminal/kutub ke terminal/kutub lainnya. Catatan penting:
*tegangan jepit (V) didefiniskan sebagai beda potensial antara ujung-ujung kutub sumber arus listrik ketika sumber arus listrik mengalirkan arus listrik.
*perbedaan dengan ggl(E/ε/Epsilon) didefinisikan sebagai beda potensial antara ujung-ujung kutub sumber arus listrik ketika sumber arus listrik tersebut tidak mengalirkan arus listrik.

Ketika tidak ada arus yang ditarik dari baterai, tegangan kutub sama dengan ggl, yang ditentukan oleh reaksi kimia pada baterai: Vab= ε. Jika I mengalir dari baterai, ada penurunan tegangan di dalam baterai yang nilainya sama dengan I.r. Dengan demikian, tegangan kutub baterai (tegangan yang sebenarnya diberikan) dirumuskan: Vab = ε – I.r ……. (v) dimana;:
Vab = tegangan jepit (V)
ε = ggl baterai (V)
I = arus yang mengalir (A)
r = hambatan dalam baterai (Ω)

RESISTANSI (dikenal dengan Hukum Oh)
Resistansi Listrik (Electrical Resistance) Kemampuan suatu bahan benda/penghantar untuk menghambat atau mencegah aliran arus listrik.  

dimana ; P = Daya Listrik (w)
V = Tegangan Listrik (v)
I = Arus Listrik (A)
R = Hambatan Listrik (Ω) Catatan penting :
*untuk mempermudah mengingat juga bisa digunakan metode piramida untuk menentukan rumus
*perhatikan hubungan linear dan hubungan terbalik

HUKUM OHM
Pada tahun 1827, seorang fisikawan asal Jerman, George Simon Ohm merumuskan suatu hukum kelistrikan yang disebut hukum Ohm. Hukum tersebut termuat dalam paper hasil penelitiannya yang berjudul “The Galvanic Circuit Investigated Mathematically”. Ohm menyatakan bahwa kenaikan arus listrik sebandingan dengan kenaikan beda potensial/kuat arus dipengaruhi tegangan. Secara matematis, pernyataan Ohm ini bisa dituliskan sebagai berikut. i ~ V ……..  

Besarnya kuat arus yang mengalir pada penghantar, ternyata tidak hanya dipengaruhi oleh beda potensial. Melainkan ada besaran lain yang mampu menghambat aliran elektron pada penghantar. Besaran itu kemudian disebut sebagai hambatan listrik.

Hambatan ini mampu memperlambat aliran elektron karena adanya interaksi dengan atom-atom pada penghantar. Oleh karena itu, semakin besar hambatan listriknya, semakin kecil arus yang akan mengalir, ohm menyimpulkan : i ~ V
i ~ 1/R
i = V/R = V = i.R ……………. (viii)  

RANGKAIAN LISTRIK adalah sambungan dari bermacam-macam susunan komponen pasif dan aktif (resistor, kapasitor, induktor, transformator, dioda, transistor, dll) dan elemen listrik seperti sumber tegangan, sumber arus, dan saklar (switch) yang dirangkai seraca seri atau paralel serta kombinasi (seri paralel).

2.2 Rangkaian Listrik Terbuka dan Tertutup

*Rangkaian listrik terbuka/open circuit adalah rangkaian listrik yang dirangkai (seri, paralel), dimana salah satu bagian sumber listriknya (AC/DC) terbuka/kondisi saklar terbuka/normally open/NO, sehingga tidak terjadi aliran listrik dari sumber listrik (AC atau DC) tersebut ke komponen/elemen listrik.
*Rangkaian listrik tertutup/close circuit adalah rangkaian listrik yang dirangkai (seri, paralel), dimana salah satu bagian sumber listriknya (AC/DC) tertutup /kondisi saklar terbuka/normally open/NO, sehingga terjadi aliran listrik dari sumber listrik (AC atau DC) tersebut ke komponen/elemen listrik.  

Hukum Kirchoff (Kirchoff’s Law)

Salah satu hukum dalam ilmu Elektronika yang berfungsi untuk menganalisis ARUS dan TEGANGAN dalam rangkaian.
Hukum Kirchoff 1 (ARUS) / Kirchhoff’s Current Law (KCL). = Suatu total arus listrik yang masuk melalui suatu titik percabangan dalam suatu rangkaian listrik memiliki besar yang sama dengan arus total yang keluar dari titik percabangan tersebut.
Iin = Iout ……. (ix)
I1+I2+I3 = I4+I5+I6

2.3 Theorema Norton

Hukum Kirchoff 2 (TEGANGAN) / Kirchhoff’s Voltage Law (KVL).= Total Tegangan (beda potensial) pada suatu rangkaian tertutup adalah nol
Vtotal = 0
Vab+Vbc+Vcd+Vda = 0

2.4 Rectifier dan Inverter

Inverter adalah alat/perangkat yang digunakan untuk mengubah tegangan input DC menjadi tegangan AC. Keluaran inverter dapat berupa tegangan yang dapat diatur dan tegangan yang tetap. Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan battery, cell bahan bakar, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain. Tegangan output yang biasa dihasilkan adalah 120 V 60 Hz, 220 V 50 Hz, 115 V 400 Hz. Inverter biasanya menggunakan rangkaian modulasi lebar pulsa (pulse width modulation – PWM).
Inverter dapat diklasifikasikan menjadi 2 macam :
(1) inverter 1 fasa, (2) inverter 3 fasa.
Inverter juga dapat dibedakan dengan cara pengaturan tegangannya, yaitu :
(1) jika yang diatur tegangan input konstan disebut Voltage Fed Inverter (VFI)
(2) jika yang diatur arus input konstan disebut Current Fed Inverter (CFI), dan (3) jika tegangan input yang diatur
disebut Variable DC linked inverter.
Contoh alat/perangkat = UPS Rectifier adalah alat yang digunakan untuk mengubah sumber arus bolak-balik (AC) menjadi sinyal sumber arus searah (DC). Gelombang AC yang berbentuk gelombang sinus hanya dapat dilihat dengan alat ukur CRO. Rangkaian rectifier banyak menggunakan transformator step down yang digunakan untuk menurunkan tegangan sesuai dengan perbandingan transformasi transformator yang digunakan. Penyearah dibedakan menjadi 2 jenis, penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh, sedangkan untuk penyearah gelombang penuh dibedakan menjadi penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT), dan penyearah gelombang penuh dengan menggunakan dioda bridge.
Contoh alat/perangkat = Adaptor, Charger Hp, Charger Laptop

Tugas

Daftar Pustaka

1. Teraja. B.L. 1984. Electrical Technology. India : S. Chand and Company.Ltd. 2. Istiyanto. Jazi Eko. 2014. Pengantar Elektronika & Instrumentasi. Yogyakarta : C. V Andi Offset (Penerbit Andi) 3. Budiharto. Widodo, Firmansyah. Sigit. 2010. Elektronika Digital + Mikroprosesor. Yogyakarta : C. V Andi Offset (Penerbit Andi). 4. Muhammad. Muhsin. 2004. Elektronika Digital. Yogyakarta : C. V Andi Offset (Penerbit Andi)
5. https://rumusrumus.com/rumus-energi-listrik/
6. https://id.wikipedia.org/wiki/Listrik
7. http://www.sengpielaudio.com/calculator-ohm.htm
8. https://in.pinterest.com/pin/592293788476669615/
9. https://www.build-electronic-circuits.com/difference-ac-vs-dc/
10. https://sandiinverter.com/tentanginverter.html
11. https://abdulelektro.blogspot.com/2019/06/hukum-ohm-energi-daya-listrik.html 12. https://www.samrasyid.com/2020/05/pengertian-amplitudo-periode-dan.html
13. https://abdulelektro.blogspot.com/2019/11/perbedaan-arus-ac-dan-dc.html
14. https://rumusrumus.com/rumus-energi-listrik/
15. https://rezadonadoni.wordpress.com/2009/02/25/pengertian-arus-tegangan-dan-daya/
16. https://www.abcpowergenset.com/pahami-genset-1-phase-dan-3-phase/
17. https://www.quipper.com/id/blog/mapel/fisika/hukum-ohm-fisika-g12/
18. https://elekkomp.blogspot.com/2018/10/pengertian-analog-dan-digital.html