Analisis Rangkaian Listrik Jilid-1

351 Pages·2012·1.93 MB·Indonesian

Sudaryatno Sudirham

AAAAnnnnaaaalllliiiissssiiiissss
RRRRaaaannnnggggkkkkaaaaiiiiaaaannnn LLLLiiiissssttttrrrriiiikkkk
JJJJiiiilllliiiidddd 1111
(Analisis di Kawasan Waktu dan
Kawasan Fasor)

Darpublic – Edisi April 2012
ii
Analisis
Rangkaian Listrik
Jilid 1

(Analisis di Kawasan Waktu dan Kawasan Fasor)

oleh
Sudaryatno Sudirham

i
Hak cipta pada penulis.

SUDIRHAM, SUDARYATNO
Analisis Rangkaian Listrik Jilid 1
(Analisis di Kawasan Waktu dan Kawasan Fasor)
Darpublic, Kanayakan D-30 Bandung, 40135
www.ee-cafe.org

ii
Pengantar
Buku Analisis Rangkaian Listrik pernah diterbitkan pada tahun
2002. Isi buku tersebut penulis tata-ulang dan penulis sajikan dalam
beberapa jilid agar lebih leluasa menambahkan materi bahasan
baru. 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 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.
Mudah-mudahan sajian ini bermanfaat bagi para pembaca. Penulis
mengharapkan saran dan usulan para pembaca untuk perbaikan
dalam publikasi selanjutnya.
Bandung, April 2012
Wassalam,
Penulis

iii
Darpublic
Kanayakan D-30, Bandung, 40135

Dalam format .pdf buku ini dapat diunduh bebas di
www.buku-e.lipi.go.id dan www.ee-cafe.org

Selain Buku-e, di
www.ee-cafe.org
tersedia juga open course
dalam format .ppsx beranimasi dan .pdf

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 9
Besaran Listrik. Sinyal dan Peubah Sinyal. Bentuk
Gelombang Sinyal.
Bab 3: Pernyataan Sinyal Dan Spektrum Sinyal 37
Pernyataan-Pernyataan Gelombang Sinyal. Spektrum
Sinyal.
Bab 4: Model Piranti Pasif 57
Resistor. Kapasitor. Induktor. Induktansi Bersama.
Saklar. Elemen Sebagai Model Dari Gejala.
Transformator Ideal.
Bab 5: Model Piranti Aktif, Dioda, dan OPAMP 83
Sumber Bebas. Sumber Praktis. Sumber Tak-Bebas.
Dioda Ideal. Penguat Operasional (OP AMP).
Bab 6: Hukum-Hukum Dasar 109
Hukum Ohm. Hukum Kirchhoff. Basis Analisis
Rangkaian.
Bab 7: Kaidah dan Teorema Rangkaian 121
Kaidah-Kaidah Rangkaian. Teorema Rangkaian.
Bab 8: Metoda Analisis Dasar 143
Metoda Reduksi Rangkaian. Metoda Keluaran Satu
Satuan. Metoda Superposisi. Metoda Rangkaian
Ekivalen Thévenin.
Bab 9: Metoda Analisis Umum 159
Metoda Tegangan Simpul. Metoda Arus Mesh. Catatan
Tentang Metoda Tegangan Simpul dan Arus Mesh.
v

Bab 10: Rangkaian Pemroses Energi (Arus Searah) 181
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 Pemroses Sinyal (Dioda, OP AMP) 201
Rangkaian Dengan Dioda. Rangkaian Dengan OP
AMP. Diagram Blok. Rangkaian OP AMP Dinamik .
Bab 12: Fasor, Impedansi, Dan Kaidah Rangkaian 227
Fasor Dan Impedansi. Resistansi, Reaktansi, Impedansi.
Kaidah-Kaidah Rangkaian Impedansi.
Bab 13: Teorema dan Metoda Analisis di Kawasan Fasor 249
Teorema Rangkaian di Kawasan Fasor. Metoda-Metoda
Analisis Dasar. Metoda-Metoda Analisis Umum.
Rangkaian Resonansi.
Bab 14: Analisis Daya 267
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 289
Transformator. Penyediaan Daya dan Perbaikan Faktor
Daya. Diagram Satu Garis.
Bab 16: Pengenalan Pada Sistem Tiga-fasa 307
Sumber Tiga-fasa dan Sambungan ke Beban. Analisis
Daya Pada Sistem Tiga-fasa. Diagram Satu Garis.
Lampiran I 327
Lampiran II 331
Daftar Pustaka 341
Biodata Penulis 342
Indeks 343

vi
Pendahuluan

BAB 1
Pendahuluan

Dua dari sekian banyak kebutuhan manusia adalah kebutuhan akan
energi dan kebutuhan akan informasi. Salah satu cara yang dapat dipilih
untuk memenuhi kedua kebutuhan tersebut adalah melalui teknologi
elektro. Energi yang tersedia di alam tidak selalu dalam bentuk yang kita
perlukan akan tetapi terkandung dalam berbagai bentuk sumber energi
misalnya air terjun, batubara, sinar matahari, angin, ombak, dan lainnya.
Selain itu sumber energi tersebut tidak selalu berada di tempat di mana
energi tersebut dibutuhkan. Teknologi elektro melakukan konversi energi
non-listrik menjadi energi listrik dan dalam bentuk listrik inilah energi
dapat disalurkan dengan lebih mudah ke tempat ia diperlukan dan
kemudian dikonversikan kembali ke dalam bentuk yang sesuai dengan
kebutuhan, misalnya energi mekanis, panas, cahaya. Proses penyediaan
energi berlangsung melalui berbagai tahapan; salah satu contoh adalah
sebagai berikut:
Energi non listrik, misalnya energi kimia yang terkandung dalam
bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam boiler fi energi
panas diubah menjadi energi mekanis di turbin fi energi mekanis
diubah menjadi energi listrik di generator fi energi listrik diubah
menjadi energi listrik namun pada tingkat tegangan yang lebih tinggi
di transformator fi energi listrik bertegangan tinggi ditransmisikan fi
energi listrik bertegangan tinggi diubah menjadi energi listrik
bertegangan menengah pada transformator fi energi listrik
didistribusikan ke pengguna, melalui jaringan tegangan menengah
tiga-fasa, tegangan rendah tiga-fasa, dan tegangan rendah satu-fasa fi
energi listrik diubah kembali ke dalam bentuk energi yang sesuai
dengan kebutuhan pengguna.
Demikian pula halnya dengan informasi. Teknologi elektro melakukan
konversi berbagai bentuk informasi ke dalam bentuk sinyal listrik dan
menyalurkan sinyal listrik tersebut ke tempat ia diperlukan kemudian
dikonversikan kembali dalam bentuk-bentuk yang dapat ditangkap oleh
indera manusia ataupun dimanfaatkan
1

Pendahuluan
untuk suatu keperluan tertentu, misalnya pengendalian. Dengan mudah
kita dapat mengetahui apa yang sedang terjadi di belahan bumi yang lain
dalam waktu yang hampir bersamaan dengan berlangsungnya kejadian,
tanpa harus beranjak dari rumah. Tidak hanya sampai di situ, satelit di
luar angkasa pun dikendalikan dari bumi, dan jantung yang lemah pun
dapat dibantu untuk dipacu.
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.
Teknologi elektro telah berkembang jauh. Dalam konversi dan transmisi
energi listrik misalnya, walaupun masih tetap memanfaatkan sinyal
analog berbentuk sinus, namun kuantitas energi yang dikonversi dan
ditransmisikan semakin besar mengikuti pertumbuhan kebutuhan.
Teknologi yang dikembangkan pun mengikuti kecenderungan ini.
Kemampuan peralatan semakin tinggi, alat perlindungan (proteksi)
semakin ketat baik perlindungan dalam mempertahankan kinerja sistem
maupun terhadap pengaruh alam. Demikian pula pertimbangan-
pertimbangan ekonomi maupun kelestarian lingkungan menjadi sangat
menentukan. Bahkan perkembangan teknologi di sisi penggunaan energi,
baik dalam upaya mempertinggi efisiensi maupun perluasan penggunaan
energi dalam mendukung perkembangan teknologi informasi, cenderung
memberikan dampak kurang menguntungkan pada sistem penyaluran
energi listrik; dan hal ini menimbulkan persoalan lain yaitu persoalan
kualitas daya yang harus diantisipasi dan diatasi.
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.
2 Sudaryatno Sudirham, Analisis Rangkaian Listrik (1)
Pendahuluan
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.
1.2. 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.
3