Analisis Rangkaian Listrik 1

361 Pages·2013·1.94 MB·Indonesian

Analisis
Rangkaian
Listrik
Jilid-1
Sudaryatno Sudirham

Darpublic
Edisi Oktober 2012

ii
Analisis
Rangkaian Listrik
Jilid-1
(Rangkaian Arus Searah dan Arus Bolak-
Balik Keadaan Mantap)

oleh
Sudaryatno Sudirham

i
Hak cipta pada penulis.

SUDIRHAM, SUDARYATNO
Analisis Rangkaian Listrik Jilid-1
(Rangkaian Arus Searah dan Arus Bolak-Balik)
Darpublic, Kanayakan D-30 Bandung, 40135
www.darpublic.com

ii
Kata Pengantar
Buku Analisis Rangkaian Listrik pernah diterbitkan pada tahun 2002
oleh Penerbit ITB. Isi buku tersebut penulis tata-ulang dan penulis
sajikan dalam tiga jilid agar lebih leluasa memperbaiki materi
bahasan, disesuaikan dengan kebutuhan. Buku jilid pertama ini
berisi pokok-pokok bahasan yang diarahkan untuk membangun
kemampuan melakukan analisis rangkaian listrik, ditujukan kepada
para pembaca yang untuk pertama kali mempelajari rangkaian
listrik. Materi bahasan mencakup analisis di kawasan waktu yang
penulis sajikan dalam sebelas bab, dan analisis di kawasan fasor
(analisis Rangkaian Arus Bolak-Balik keadaan mantap) dalam lima
bab.
Lima bab pertama dari keseluruhan materi bahasan, berisi bahasan
mengenai perilaku piranti-piranti listrik maupun besaran fisis yang
ada dalam rangkaian. Dengan pengertian tentang kedua model ini,
bahasan masuk ke landasan-landasan untuk melakukan analisis
rangkaian listrik di empat bab berikutnya, disusul dengan dua bab
yang berisi contoh aplikasi analisis rangkaian. Lima bab terakhir
berisi analisis rangkaian di kawasan fasor sistem satu-fasa serta
pengenalan pada sistem tiga-fasa berbeban seimbang. Dengan
memahami materi bahasan pada buku jilid pertama ini, pembaca
akan mampu melakukan analisis rangkaian yang biasa disebut
rangkaian arus searah dan rangkaian arus bolak-balik.
Tulisan ini dibuat untuk umum, dapat diunduh secara cuma-cuma di
www.darpublic.com. Mudah-mudahan sajian ini bermanfaat bagi
para pembaca. Penulis mengharapkan saran dan usulan para
pembaca untuk perbaikan dalam publikasi selanjutnya.
Bandung, Oktober 2012
Wassalam,
Penulis

iii
Darpublic
Kanayakan D-30, Bandung, 40135

iv
Daftar Isi
Kata Pengantar iii
Daftar Isi v
Bab 1: Pendahuluan 1
Pengertian Rangkaian Listrik . Pengertian Analisis
Rangkaian Listrik. Struktur Dasar Rangkaian, Besaran
Listrik, Kondisi Operasi. Landasan Untuk Melakukan
Analisis.Cakupan Bahasan
Bab 2: Besaran Listrik Dan Model Sinyal 7
Besaran Listrik. Sinyal dan Peubah Sinyal. Bentuk
Gelombang Sinyal.
Bab 3: Pernyataan Sinyal Dan Spektrum Sinyal 35
Pernyataan-Pernyataan Gelombang Sinyal. Spektrum
Sinyal.
Bab 4: Model Piranti Pasif 55
Resistor. Kapasitor. Induktor. Induktansi Bersama.
Saklar. Elemen Sebagai Model Dari Gejala.
Transformator Ideal.
Bab 5: Model Piranti Aktif, Dioda, dan OPAMP 81
Sumber Bebas. Sumber Praktis. Sumber Tak-Bebas.
Dioda Ideal. Penguat Operasional (OP AMP).
Bab 6: Hukum-Hukum Dasar 107
Hukum Ohm. Hukum Kirchhoff. Basis Analisis
Rangkaian.
Bab 7: Kaidah dan Teorema Rangkaian 119
Kaidah-Kaidah Rangkaian. Teorema Rangkaian.
Bab 8: Metoda Analisis Dasar 141
Metoda Reduksi Rangkaian. Metoda Keluaran Satu
Satuan. Metoda Superposisi. Metoda Rangkaian
Ekivalen Thévenin.
Bab 9: Metoda Analisis Umum 157
Metoda Tegangan Simpul. Metoda Arus Mesh. Catatan
Tentang Metoda Tegangan Simpul dan Arus Mesh.
v
Bab 10: Rangkaian Arus Searah 179
Pengukur Tegangan dan Arus Searah. Pengukuran
Resistansi. Resistansi Kabel Penyalur Daya. Penyaluran
Da
ya Melalui Saluran Udara. Diagram Satu Garis.
Jaringan Distribusi Daya. Batere. Generator Arus
Searah.
Bab 11: Rangkaian Dioda dan OP AMP 199
Rangkaian Dengan Dioda. Rangkaian Dengan OP
AMP. Diagram Blok. Rangkaian OP AMP Dinamik .
Bab 12: Rangkaian Arus Bolak-Balik 225
Fasor Dan Impedansi. Resistansi, Reaktansi, Impedansi.
Kaidah-Kaidah Rangkaian Impedansi.
Bab 13: Teorema dan Metoda Analisis di Kawasan Fasor 247
Teorema Rangkaian di Kawasan Fasor. Metoda-Metoda
Analisis Dasar. Metoda-Metoda Analisis Umum.
Rangkaian Resonansi.
Bab 14: Analisis Daya 265
Umum. Tinjauan Daya di Kawasan waktu : Daya Rata-
Rata dan Daya Reaktif. Tinjauan Daya di Kawasan
Fasor: Daya Kompleks, Faktor Daya. Alih Daya. Alih
Daya Maksimum.
Bab 15: Penyediaan Daya 287
Transformator. Penyediaan Daya dan Perbaikan Faktor
Daya. Diagram Satu Garis.
Bab 16: Pengenalan Pada Sistem Tiga-fasa 305
Sumber Tiga-fasa dan Sambungan ke Beban. Analisis
Daya Pada Sistem Tiga-fasa. Diagram Satu Garis.
Lampiran I 325
Lampiran II 329
Lampiran III 339
Daftar Pustaka 353
Biodata Penulis 354
Indeks 335

vi
Pendahuluan
BAB 1
Pendahuluan

Pengatahuan tentang analisis rangkaian listrik merupakan salah satu
pengetahuan dasar yang diperlukan dalam teknik elektro, termasuk di
dalamnya teknik biomedika.
1.1. Pengertian Rangkaian Listrik
Rangkaian listrik (atau rangkaian elektrik) merupakan interkoneksi
berbagai piranti (divais – device) yang secara bersama melaksanakan
suatu tugas tertentu. Tugas itu dapat berupa pemrosesan energi ataupun
pemrosesan informasi. Melalui rangkaian listrik, energi maupun
informasi dikonversikan menjadi energi listrik dan sinyal listrik, dan
dalam bentuk sinyal inilah energi maupun informasi dapat disalurkan
dengan lebih mudah ke tempat ia diperlukan.
Kalau dalam pemrosesan energi masih digunakan sinyal analog, tidak
demikian halnya dengan pemrosesan informasi. Pemanfaatan sinyal
analog telah digantikan oleh sinyal-sinyal digital sehingga kualitas
informasi video, audio, maupun data, menjadi sangat meningkat.
Pemanfaatan sinyal digital sudah sangat meluas, mulai dari lingkungan
rumah tangga sampai luar angkasa.
Walaupun terdapat perbedaan yang nyata pada bentuk sinyal dalam
pemrosesan energi dan pemrosesan informasi, yaitu sinyal analog dalam
pemrosesan energi dan sinyal digital dalam pemrosesan informasi,
namun hakekat pemrosesan tidaklah jauh berbeda; pemrosesan itu adalah
konversi ke dalam bentuk sinyal listrik, transmisi hasil konversi tersebut,
dan konversi balik menjadi bentuk yang sesuai dengan kebutuhan.
Sistem pemroses energi maupun informasi, dibangun dari rangkaian-
rangkaian listrik yang merupakan interkoneksi berbagai piranti. Oleh
karena itu langkah pertama dalam mempelajari analisis rangkaian listrik
adalah mempelajari model sinyal dan model piranti. Karena pekerjaan
analisis menggunakan model-model, sedangkan model merupakan
pendekatan terhadap keadaan yang sebenarnya dengan pembatasan-
pembatasan tertentu, maka hasil suatu analisis harus juga difahami
sebagai hasil yang berlaku dalam batas-batas tertentu pula.
1

Pendahuluan
1.2. Pengertian Analisis Rangkaian Listrik
Untuk mempelajari perilaku suatu rangkaian listrik kita melakukan
analisis rangkaian listrik. Rangkaian listrik itu mungkin hanya
berdimensi beberapa sentimeter, tetapi mungkin juga membentang
ratusan bahkan ribuan kilometer. Dalam pekerjaan analisis, langkah
pertama yang kita lakukan adalah memindahkan rangkaian listrik itu ke
atas kertas dalam bentuk gambar; gambar itu kita sebut diagram
rangkaian.
Suatu diagram rangkaian memperlihatkan interkoneksi berbagai piranti;
piranti-piranti tersebut digambarkan dengan menggunakan simbol
piranti. Jadi dalam suatu diagram rangkaian (yang selanjutnya kita sebut
dengan singkat rangkaian), kita melihat bagaimana berbagai macam
piranti saling dihubungkan.
Perilaku setiap piranti kita nyatakan dengan model piranti. Untuk
membedakan piranti sebagai benda nyata dengan modelnya, maka
model itu kita sebut elemen rangkaian. Sinyal listrik yang hadir dalam
rangkaian, kita nyatakan sebagai peubah rangkaian yang tidak lain
adalah model matematis dari sinyal-sinyal tersebut. Jadi dalam pekerjaan
analisis rangkaian listrik, kita menghadapi diagram rangkaian yang
memperlihatkan hubungan dari berbagai elemen, dan setiap elemen
memiliki perilaku masing-masing yang kita sebut karakteristik elemen;
besaran-fisika yang terjadi dalam rangkaian kita nyatakan dengan
peubah rangkaian (variable rangkaian) yang merupakan model sinyal.
Dengan melihat hubungan elemen-elemen dan memperhatikan
karakteristik tiap elemen, kita melakukan perhitungan peubah-peubah
rangkaian.
Perhitungan-perhitungan tersebut mungkin berupa perhitungan untuk
mencari hubungan antara peubah yang keluar dari rangkaian (kita sebut
dengan singkat keluaran) dan peubah yang masuk ke rangkaian (kita
sebut dengan singkat masukan); ataupun mencari besaran keluaran dari
suatu rangkaian jika masukan dan karakteristik setiap elemen diketahui.
Inilah pekerjaan analisis yang memberikan hanya satu hasil perhitungan,
atau jawaban tunggal. Pekerjaan lain yang belum tercakup dalam buku
ini adalah pekerjaan perancangan, yaitu mencari hubungan elemen-
elemen jika masukan dan keluaran ditentukan. Hasil pekerjaan
perancangan akan memberikan lebih dari satu jawaban dan kita harus
memilih jawaban mana yang kita ambil dengan memperhitungkan tidak
saja aspek teknis tetapi juga aspek lain misalnya aspek ekonomi, aspek
lingkungan, dan bahkan estetika.
2 Sudaryatno Sudirham, Analisis Rangkaian Listrik (1)
Pendahuluan
Telah dikatakan di atas bahwa hasil suatu analisis harus difahami sebagai
hasil yang berlaku dalam batas-batas tertentu. Kita akan melihat bahwa
rangkaian yang kita analisis kita anggap memiliki sifat linier dan kita
sebut rangkaian linier; ia merupakan hubungan elemen-elemen
rangkaian yang kita anggap memiliki karakteristik yang linier. Sifat ini
sesungguhnya merupakan pendekatan terhadap sifat piranti yang dalam
kenyataannya tidak linier namun dalam batas-batas tertentu ia bersifat
hampir linier sehingga dalam pekerjaan analisis kita anggap ia bersifat
linier.
1.3. Struktur Dasar Rangkaian, Besaran Listrik, dan Kondisi
Operasi
Struktur Dasar Rangkaian. Secara umum suatu rangkaian listrik terdiri
dari bagian yang aktif yaitu bagian yang memberikan daya yang kita
sebut sumber, dan bagian yang pasif yaitu bagian yang menerima daya
yang kita sebut beban; sumber dan beban terhubung oleh penyalur daya
yang kita sebut saluran.
Besaran Listrik. Ada lima besaran listrik yang kita hadapi, dan dua di
antaranya merupakan besaran dasar fisika yaitu energi dan muatan
listrik. Namun dalam analisis rangkaian listrik, besaran listrik yang
sering kita olah adalah tegangan, arus, dan daya listrik. Energi dihitung
sebagai integral daya dalam suatu selang waktu, dan muatan dihitung
sebgai integral arus dalam suatu selang waktu.
Sumber biasanya dinyatakan dengan daya, atau tegangan, atau arus yang
mampu ia berikan. Beban biasa dinyatakan dengan daya atau arus yang
diserap atau diperlukan, dan sering pula dinyatakan oleh nilai elemen;
elemen-elemen rangkaian yang sering kita temui adalah resistor,
induktor, dan kapasitor, yang akan kita pelajari lebih lanjut.
Saluran adalah penghubung antara sumber dan beban, dan pada
rangkaian penyalur energi (di mana jumlah energi yang disalurkan cukup
besar) ia juga menyerap daya. Oleh karena itu saluran ini dilihat oleh
sumber juga menjadi beban dan daya yang diserap saluran harus pula
disediakan oleh sumber. Daya yang diserap saluran merupakan susut
daya dalam produksi energi listrik. Susut daya yang terjadi di saluran ini
merupakan peristiwa alamiah: sebagian energi yang dikirim oleh sumber
berubah menjadi panas di saluran. Namun jika daya yang diserap
saluran tersebut cukup kecil, ia dapat diabaikan.
3