Monday, November 23, 2009

Pengubah Analog ke Digital

Pengantar
Salah satu komponen penting dalam sistem akuisisi data adalah pengubah besaran analog ke digital atau disebut juga ADC (Analog to Digital Converter). Pengubah ini akan mengubah besaran-besaran analog menjadi bilangan-bilangan digital sehingga bisa diproses dengan komputer. Peranan pengubah ini menjadi semakin penting karena sekarang sudah bisa didapatkan komputer-komputer yang "real time". Perubahan-perubahan satuan fisis bisa dengan cepat ditanggapi oleh komputer.
Contoh aplikasi ADC ini bisa kita lihat misalnya pada voltmeter digital, sampling suara dengan komputer, sehingga suara dapat disimpan secara digital dalam disket, dan kamera digital.
Konsep pengubah analog ke digital ini adalah sampling (mengambil contoh dalam waktu tertentu) kemudian mewakilinya dengan bilangan digital dengan batas yang sudah diberikan.
Parameter ADC
Kuantitas penting dalam ADC adalah rentang tegangan terkecil yang tidak dapat mengubah hasil konversi. Rentang tegangan ini sering disebut dengan Minimal Representable Voltage (MRV) atau LSB.
MRV = LSB = FS / 2 n.(1)
dimana LSB menunjukkan nilai analog dari suatu Least Significant Bit (LSB), dan FS (Full Scale) adalah nilai maksimum dari tegangan referensi. Karena semua tegangan dalam jangkauan ini diwakili oleh bilangan biner yang sama, maka akan terdapat ketidakpastian konversi sebesar ± _ LSB untuk setiap pengubahan. Masalah ini dapat dikurangi dengan menambah jumlah bit pada output pengubah.
Output maksimum suatu ADC tidak berada pada nilai FS akan tetapi pada 7/8 FS. Misalkan sebuah ADC 3 bit ideal, akan mempunyai LSB sebesar 1/8 FS. Jangkauan input akan dikuantisasikan pada delapan tingkat dari 0 sampai 7/8 kali FS. Lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 1.
Terdapat berbagai cara mengubah sinyal analog ke digital, dalam pekerjaan ini dipakai metode pendekatan berturutan atau succesive approximation. Karena ADC dengan jenis ini sudah banyak di pasaran dalam bentuk chip sehingga mempermudah pemakaian. Metode ini didasari pada pendekatan sinyal input dengan kode biner dan kemudian berturut-turut memperbaiki pendekatan ini untuk setiap bit pada kode sampai didapatkan pendekatan yang paling baik. Untuk meyimpan kode biner pada setiap tahapan dalam proses digunakan Succesive Approximation Register (SAR).

Gambar 2a, 2b, 2c adalah diagram langkah pengubahan untuk 3 bit SA-ADC. Konversi diawali dari most significant bit (MSB) diset tinggi, ini identik dengan memperkirakan nilai input adalah _ FS. Komparator akan membandingkan output DAC dengan tegangan input dan memerintahkan pengendali untuk mematikan MSB jika perkiraan mula-mula ternyata lebih besar dari tegangan input. Pada periode clock selanjutnya pengendali menyalakan MSB berikutnya, kemudian kembali membandingkan output dari DAC dengan sinyal input. Proses ini terus diulang sampai pada LSB. Setelah sampai pada tahap ini nilai konversi yang berada pada SAR adalah pendekatan yang terbaik dari sinyal input. Dalam proses ini diambil asumsi bahwa sinyal input konstan selama konversi.
Rancangan Pengubah Analog ke Digital
Sebenarnya rangkaian pengubah analog ke digital dapat dibuat dengan memakai komponen-komponen lepasan, akan tetapi ini akan memakan tempat dan kelinierannya pun tidak bagus. Karena itu dipilih pengubah dalam bentuk IC (Integrated Circuit) yang sudah ada dipasaran. Dari berbagai buku data ternyata didapatkan komponen dengan tipe ADC0804. Komponen ini memakai metode pendekatan berturutan dan hanya memerlukan sedikit komponen luar. Fungsi kaki-kaki ADC0804 diringkas pada Tabel 1.

Rangkaian lengkap pengubah analog ke digital berdasarkan IC ini ditunjukkan pada Gambar 3.
Opamp U2 dan komponen sekitarnya berfungsi sebagai sumber tegangan referensi bagi IC ADC0804. Tegangan referensi ini diset pada 2,5 volt dengan variabel resistor P1. Semua proses konversi dilaksanakan di dalam ADC0804. Input dengan batas tegangan antara 0 sampai 5 volt diberikan di kaki nomor 6. R1 dan C2 adalah komponen luar osilator yang dipakai oleh IC. Kaki CS dan RD dihubungkan ke ground. ADC dioperasikan dalam mode free running dengan menghubungkan kaki WR dan kaki INTR. Untuk meyakinkan mode ini berjalan dengan baik hubungan kaki WR dan INTR ini harus dihubungkan dengan ground sesaat dengan memakai saklar digital.

Mekatronika

Latar Belakang

Mekatronika (Inggris: Mechatronic) berasal dari kata mekanika, elektronika dan informatika. Secara sedehana pembentukan ilmu mekatronika terdiri atas dua lapisan fisika dan logika. dan tiga dasar ilmu utama elektronika, informatika dan mekanika. Dengan melihat asal katanya dapat dengan mudah dipahami, bahwa ilmu ini menggabungkan atau mensinergikan disiplin ilmu Mekanika, ilmu Elektronika dan Informatika

Istilah Mechatronik (Mechanical Engineering-Electronic Engineering) pertama kali dikenalkan pada tahun 1969 oleh perusahaan jepang Yaskawa Electric Cooperation. Awalnya berkembang dalam bidang Feinwerktechnik, yaitu cabang dari teknik yang mengedepankan aspek ketelitian. Misalnya pada pembuatan jam, alat optik dan sebagainya. Lalu ditambahkan setelah munculnya Informatik sebagai disiplin ilmu baru. Hingga saat ini dipandang sebagai hubungan antara ilmu Mekanik, Elektronik dan Informatik. Dalam masa yang akan datang, aplikasi mekatronika akan digunakan hampir disemua bidang, seperti Otomotif, Pemutar CD, Stasiun luar angkasa atau pada fasilitas produksi. Mekatronika dikategorikan oleh Majalah Technology Review pada tahun 2003 sebagai 10 Teknologi yang dalam waktu dekat dapat mengubah hidup kita!

Definisi

Menurut IEEE (IEEE Mechatronics Transaction, 1996), definisi mekatronika adalah sebagai berikut: Mechatronics is the synergistic integration of mechanical engineering with electronics and intelligent computer control in the design and manufacturing of industrial products and processes Berdasarkan hasil Musyawarah nasional mekatronika, Bandung 28 Juli 2006, Komunitas Mekatronika Indonesia merekomendasikan definisi Mekatronika sebagai berikut: Mekatronika adalah sinergis IPTEK teknik mesin, teknik elektronika, teknik informatika dan teknik pengaturan (atau teknik kendali) untuk merancang, membuat atau memproduksi, mengoperasikan dan memelihara sebuah sistem untuk mencapai tujuan yang diinginkan.

Aplikasi

Begitu banyaknya penggunaan sistem mekatronika dalam kehidupan kita memperkuat salah satu sifatnya yang multiguna (aplikatif)

Teknik Otomotif . Sebagai contoh sistem mekatronik pada kendaraan bermotor adalah sistem rem ABS ( Anti-lock Breaking system) atau sistem pengereman yang menghindari terkuncinya roda sehingga mobil tetap dapat dikendalikan dalam pengereman mendadak, ESP ( Elektronik Stability Programm), ABC ( Active Body Control) dan Motor-Managemen-System. Teknologi Penerbangan Dalam teknologi penerbangan modern digunakan Comfort-In-Turbulence System sehingga dapat meningkatkan kenyamanan penumpang walau ketika terjadi turbulensi. Gust Load Alleviation serta banyak contoh lainnya.

Teknik Produksi. Contoh dalam teknik produksi adalah penggunaan sensor pada robot. Sistem kendali umpan balik pada elektromotor berkecepatan rotasi tinggi dengan ‘pemegang as’ tenaga magnet. Serta pemutar CD, Harddisk serta mesin pencetak berkecepatan tinggi, atau alat-alat elektronika yang biasa kita gunakan sehari-hari aplikasi mekatronika akan sangat sering kita jumpai.

Mekatronika di Indonesia

Masyarakat mekatronik Indonesia adalah sebuah organisasi profesi yang bergerak di bidang mekatronik yang beranggotakan para peneliti, akademisi, praktisi, dan mahasiswa yang tertarik pada bidang mekatronik yang meliputi teknik mesin, teknik elektronika, teknik informatika, teknik telekomunikasi dan teknik kendali.

Sunday, November 22, 2009

Teori Dasar Listrik Lanjutan

Artikel kali ini lebih saya tujukan kepada orang awam yang ingin mengenal dan mempelajari teknik listrik ataupun bagi mereka yang sudah berkecimpung di dalam teknik elektro untuk sekedar mengingat kembali teori-teori dasar listrik.

1. Arus Listrik

adalah mengalirnya elektron secara terus menerus dan berkesinambungan pada konduktor akibat perbedaan jumlah elektron pada beberapa lokasi yang jumlah elektronnya tidak sama. satuan arus listrik adalah Ampere.

Arus listrik bergerak dari terminal positif (+) ke terminal negatif (-), sedangkan aliran listrik dalam kawat logam terdiri dari aliran elektron yang bergerak dari terminal negatif (-) ke terminal positif(+), arah arus listrik dianggap berlawanan dengan arah gerakan elektron.



Gambar 1. Arah arus listrik dan arah gerakan elektron.

“1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 628x10^16 atau sama dengan 1 Coulumb per detik melewati suatu penampang konduktor”

Formula arus listrik adalah:

I = Q/t (ampere)

Dimana:
I = besarnya arus listrik yang mengalir, ampere
Q = Besarnya muatan listrik, coulomb
t = waktu, detik

2. Kuat Arus Listrik

Adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu.

Definisi : “Ampere adalah satuan kuat arus listrik yang dapat memisahkan 1,118 milligram perak dari nitrat perak murni dalam satu detik”.

Rumus – rumus untuk menghitung banyaknya muatan listrik, kuat arus dan waktu:

Q = I x t
I = Q/t
t = Q/I

Dimana :
Q = Banyaknya muatan listrik dalam satuan coulomb
I = Kuat Arus dalam satuan Amper.
t = waktu dalam satuan detik.

“Kuat arus listrik biasa juga disebut dengan arus listrik”

“muatan listrik memiliki muatan positip dan muatan negatif. Muatan positip dibawa oleh proton, dan muatan negatif dibawa oleh elektro. Satuan muatan ”coulomb (C)”, muatan proton +1,6 x 10-19C, sedangkan muatan elektron -1,6x 10-19C. Muatan yang bertanda sama saling tolak menolak, muatan bertanda berbeda saling tarik menarik”

3. Rapat Arus

Difinisi :
“rapat arus ialah besarnya arus listrik tiap-tiap mm² luas penampang kawat”.



Gambar 2. Kerapatan arus listrik.

Arus listrik mengalir dalam kawat penghantar secara merata menurut luas penampangnya. Arus listrik 12 A mengalir dalam kawat berpenampang 4mm², maka kerapatan arusnya 3A/mm² (12A/4 mm2), ketika penampang penghantar mengecil 1,5mm², maka kerapatan arusnya menjadi 8A/mm2 (12A/1,5 mm²).

Kerapatan arus berpengaruh pada kenaikan temperatur. Suhu penghantar dipertahankan sekitar 300°C, dimana kemampuan hantar arus kabel sudah ditetapkan dalam tabel Kemampuan Hantar Arus (KHA).



Tabel 1. Kemampuan Hantar Arus (KHA)

Berdasarkan tabel KHA kabel pada tabel diatas, kabel berpenampang 4 mm², 2 inti kabel memiliki KHA 30A, memiliki kerapatan arus 8,5A/mm². Kerapatan arus berbanding terbalik dengan penampang penghantar, semakin besar penampang penghantar kerapatan arusnya mengecil.

Rumus-rumus dibawah ini untuk menghitung besarnya rapat arus, kuat arus dan penampang kawat:

J = I/A
I = J x A
A = I/J

Dimana:
J = Rapat arus [ A/mm²]
I = Kuat arus [ Amp]
A = luas penampang kawat [ mm²]


4. Tahanan dan Daya Hantar Penghantar

Penghantar dari bahan metal mudah mengalirkan arus listrik, tembaga dan aluminium memiliki daya hantar listrik yang tinggi. Bahan terdiri dari kumpulan atom, setiap atom terdiri proton dan elektron. Aliran arus listrik merupakan aliran elektron. Elektron bebas yang mengalir ini mendapat hambatan saat melewati atom sebelahnya. Akibatnya terjadi gesekan elektron denganatom dan ini menyebabkan penghantar panas. Tahanan penghantar memiliki sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan.

Tahanan didefinisikan sebagai berikut :

“1 Ω (satu Ohm) adalah tahanan satu kolom air raksa yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada temperatur 0° C"

Daya hantar didefinisikan sebagai berikut:

“Kemampuan penghantar arus atau daya hantar arus sedangkan penyekat atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri arus listrik”.

Rumus untuk menghitung besarnya tahanan listrik terhadap daya hantar arus:

R = 1/G
G = 1/R

Dimana :
R = Tahanan/resistansi [ Ω/ohm]
G = Daya hantar arus /konduktivitas [Y/mho]



Gambar 3. Resistansi Konduktor

Tahanan penghantar besarnya berbanding terbalik terhadap luas penampangnya dan juga besarnya tahanan konduktor sesuai hukum Ohm.

“Bila suatu penghantar dengan panjang l , dan diameter penampang q serta tahanan jenis ρ (rho), maka tahanan penghantar tersebut adalah” :

R = ρ x l/q

Dimana :
R = tahanan kawat [ Ω/ohm]
l = panjang kawat [meter/m] l
ρ = tahanan jenis kawat [Ωmm²/meter]
q = penampang kawat [mm²]

faktot-faktor yang mempengaruhi nilai resistant atau tahanan, karena tahanan suatu jenis material sangat tergantung pada :
• panjang penghantar.
• luas penampang konduktor.
• jenis konduktor .
• temperatur.

"Tahanan penghantar dipengaruhi oleh temperatur, ketika temperatur meningkat ikatan atom makin meningkat akibatnya aliran elektron terhambat. Dengan demikian kenaikan temperatur menyebabkan kenaikan tahanan penghantar"


5. potensial atau Tegangan

potensial listrik adalah fenomena berpindahnya arus listrik akibat lokasi yang berbeda potensialnya. dari hal tersebut, kita mengetahui adanya perbedaan potensial listrik yang sering disebut “potential difference atau perbedaan potensial”. satuan dari potential difference adalah Volt.

“Satu Volt adalah beda potensial antara dua titik saat melakukan usaha satu joule untuk memindahkan muatan listrik satu coulomb”

Formulasi beda potensial atau tegangan adalah:

V = W/Q [volt]

Dimana:
V = beda potensial atau tegangan, dalam volt
W = usaha, dalam newton-meter atau Nm atau joule
Q = muatan listrik, dalam coulomb


RANGKAIAN LISTRIK

Pada suatu rangkaian listrik akan mengalir arus, apabila dipenuhi syarat-syarat sebagai berikut :
1. Adanya sumber tegangan
2. Adanya alat penghubung
3. Adanya beban



Gambar 4. Rangkaian Listrik.

Pada kondisi sakelar S terbuka maka arus tidak akan mengalir melalui beban . Apabila sakelar S ditutup maka akan mengalir arus ke beban R dan Ampere meter akan menunjuk. Dengan kata lain syarat mengalir arus pada suatu rangkaian harus tertutup.

1. Cara Pemasangan Alat Ukur.
Pemasangan alat ukur Volt meter dipasang paralel dengan sumber tegangan atau beban, karena tahanan dalam dari Volt meter sangat tinggi. Sebaliknya pemasangan alat ukur Ampere meter dipasang seri, hal inidisebabkan tahanan dalam dari Amper meter sangat kecil.

“alat ukur tegangan adalah voltmeter dan alat ukur arus listrik adalah amperemeter”

2. Hukum Ohm
Pada suatu rangkaian tertutup, Besarnya arus I berubah sebanding dengan tegangan V dan berbanding terbalik dengan beban tahanan R, atau dinyatakan dengan Rumus :

I = V/R
V = R x I
R = V/I

Dimana;
I = arus listrik, ampere
V = tegangan, volt
R = resistansi atau tahanan, ohm

• Formula untuk menghtung Daya (P), dalam satuan watt adalah:
P = I x V
P = I x I x R
P = I² x R

3. HUKUM KIRCHOFF

Pada setiap rangkaian listrik, jumlah aljabar dari arus-arus yang bertemu di satu titik adalah nol (ΣI=0).



Gambar 5. loop arus“ KIRChOFF “

Jadi:
I1 + (-I2) + (-I3) + I4 + (-I5 ) = 0
I1 + I4 = I2 + I3 + I5

semoga bermanfaat,

Artikel Terkait

DASAR-DASAR RANGKAIAN LISTRIK

Rangakaian Terbuka dan Rangkaian Tertutup

Rangakaian listrik terdiri dari sumber arus listrik dan beban yang dihubungkan dengan menggunakan Konduktor. Beban dapat berupa komponen-komponen elektronik (transistor, resistor, dan lain-lain), pesawat elektronik (radio, televisi dan lain-lain) atau pesawat listrik (lampu, strika listrik, dan lain-lain). Sedangkan sumber arus listrik dapat berupa Baterai atau listrik PLN.

Rangakaian listrik dapat berupa rangkaian Terbuka atau rangkaian Tertutup. Rangkaian Terbuka tidak dapat mengalirkan arus karena jalannya arus diputus (dibuka). Sedangkan rangkaian tertutup dapat mengalir pada beban dan juga pada sumber. Pada beban, arus mengalir dari kutub positif menuju kutub negative. Sedangkan di dalam sumber, arus mengalir dari kutub negatif positimenuju kutub positif.

Penerapan Hukum Ohm pada Rangakaian Listrik

Telah disebut bahwa rangkaian listrik terdiri dari sumber arus dan beban. Yang perlu diketahui adalah bahwa pada beban terdapat hambatan listrik dan pada sumber arus listrik dan pada sumber arus terdapat tegangan listrik. Tinggi tegangan dan besarnya kuat arus yang mengalir pada rangakaian yang bersangkutan.

Antara ujung-ujung resistor dipasang Voltmeter, maka alat ini akan menunjukkan tinggi tegangan yang terdapat antara ujung-ujung resistor tersebut. Pada lintasan arus dipasang ameremeter, maka lat ini akan menunjukkan kuat arus yang mengalir pada resistor. Kuat arus tersebut tergantung pada tinggi tegangan dan besaran hambatan resistor.

Keterangan :

I = Kuat arus dalam satuan ampere

V= tegangan dalam satuan volt

R= hambatan dalam satuan ohm

Daya Listrik

Setiap pesawat listrik memerlukan energi listrik. Tanpa energi tersebut, pesawat listrik tidak dapat bekerja. Besarnya energi listrik setiap satu satuan Waktu disebut daya listrik. Satuan untuk menyatakan besarnya daya adalah joule/detik. Joule per detik disebut watt disingkat W turunan satuan yang sering digunakan adalah MW, kWdan mV. Contoh, sebuah lampu menggunakan daya listrik 100 W artinya setiap satu detik alat tersebut menggunakan energi sebesar 100 joule. Besarnya daya listrik yang digunakan oleh rangkaian listrik dapat dihitung dengan rumus:

Rangkaian Dasar Transistor Sebagai Saklar

Transistor dapat berfungsi sebagai Saklar bila transistor dapat mengalirkan arus dengan jenuh dan dapat pula menyumbat. Transistor yang mengalirkan arus jenuh sama dengan.sama artinya.

Saklar menutup (on), dan transistor yang menyumbat sama dengan Saklar yang sedang membuka (off). Agar transistor dapat mengalirkan arus maupun menyumbat, maka kepada transistor harus diberi tegangan cara tertentu.

1. Pemberian Tegangan pada Transistor.

Salah satu cara pemberian tegangan (sumber daya) Pada transistor adalah dengan menggunakan dua buah sumber tegangan. Satu sumber diberikan antara emitor dan kolektor dan satu lagi di berikan anatara emitor dan basisi. Sumber tegangan yang diberikan pada transistor harus tegangan dari sumber arus searah (DC = direct current). Adapun caranya adalah berikut:

a. Pemberian tegangan pada Transistor. Tipe PNP

• Antara kaki emito dan kolektor yaitu kaki emitor diberi tegangan positif dan kaki kolektor diberi tegangan negatif

• Antara kaki basis dan emitor yaitu kaki emitor diberi tegangan positif dan kaki basis kolektor diberitegangan negatif

b. Pemberian tegangan pada Transistor. Tipe NPN

• Antara kaki emito dan kolektor yaitu kaki emitor diberi tegangan negatif positif dan kaki kolektor diberi tegangan positif

• Antara kaki basis dan emitor yaitu kaki emitor diberi tegangan negatif dan kaki basis kolektor diberi tegangan positif

PERALATAN TEKNIK ELEKTRONIKA

MULTIMETER

  1. Papan skala
  2. Jarun penunjuk
  3. Tombol pengatur jarum penunjuk nol
  4. Pemutar jarum
  5. Zero ohm ajusment
  6. LED indicator
  7. Selektor putar
  8. Lubang probe hitam
  9. Lubang perobe merah

Multimeter adalah alat ukur kelistrikan serbaguna dapat digunakan untuk mengukur arus listrik, tegangan listrik dan habatan listrik. Multimeter disebut juga AVOmeter yang merupakan singkatan dari Amperemeter, Voltmeter dan Ohmmeter. Amperemeter adalah alat untuk mengukur arus listrik DC dan Ohm meter adalah alat untuk mengukur hambatan listrik sedangkan Voltmeter adalah alat untuk mengukur tegangan listrik DC maupun AC.

Solder. alat yang digunakan untuk melelehkan timah.

Klik Pada Gambar Untuk melihat VIDEO " PENYOLDERAN"

TANG. digunakan untuk membantu memegang, menjepit berbagai pekerjaan.

Ragum. digunakan untuk menjepit

Kikir. secara umum kikir digunakan untuk meratakan permukaan sisi-sisi komponen yang menonjol atau kurang lebar.

Kunci Pas. digunakan untuk membuka atau memasang baut

Pelubang. untuk membuat lubang . misalnya pada PCB

Teori Elektron

Benda terdiri dari molekul-molekul, molekul terdiri dari atom-atom dan atom terdiri dari elektron (e), proton (p) dan netron (n).

- Elektron bermuatan listrik negatif

- Proton bermuatan listrik positif.

- Netron berada di pusat atom disebut inti atom.

Elektron Bebas

Karena pengaruh energi dari luar, maka elektron bisa lepas dari ikatan atom dan menjadi elektron bebas. Atom yang ditinggalkan elektron menjadi tidak setimbang dan mempunyai muatan positif lebih besar dari muatan negatif. atom seperti ini dikatakan mempunyai muatan listrik positif (mempunyai potensial listrik positif). Elektron bebas dapat masuk pada atom lain.

Atom yang bertambah elektron menjadi tidak seimbang dan mempunyai muatan negatif lebih besar dari pada muatan positifnya. atom seperti ini dikatakan mempunyai muatan listrik negatif ( mempunyai potensial listrik negatif). Jika atom- atom bermuatan positif dihubungkan dengan atom-atom bermuatan negatif maka elektron akan berpindah dari atom bermuatan negarif menuju atom bermuatan positif sampai keduanya setimbang. Elektron yang berpindah disebut aliran elektron atau arus listrik (aliran muatan negatif).

Elektron Bebas

Karena pengaruh energi dari luar, maka elektron bisa lepas dari ikatan atom dan menjadi elektron bebas. Atom yang ditinggalkan elektron menjadi tidak setimbang dan mempunyai muatan positif lebih besar dari muatan negatif. atom seperti ini dikatakan mempunyai muatan listrik positif (mempunyai potensial listrik positif). Elektron bebas dapat masuk pada atom lain. Atom yang bertambah elektron menjadi tidak seimbang dan mempunyai muatan negatif lebih besar dari pada muatan positifnya. atom seperti ini dikatakan mempunyai muatan listrik negatif ( mempunyai potensial listrik negatif). Jika atom-atom bermuatan positif dihubungkan dengan atom-atom bermuatan negatif maka elektron akan berpindah dari atom bermuatan negatif menuju atom bermuatan positif sampai keduanya setimbang. Elektron yang berpindah disebut aliran elektron atau arus listrik (aliran muatan negatif).

Konduktor adalah bahan yang dapat menghantarkan listrik. pada bahan ini elektron-elektronnya mudah lepas dan berpindah dari atom satu keatom lainnya. contoh bahan konduktor yaitu tembaga, besi, alumuniaum, kuningan, timah dll. Bahan konduktor yang sering digunakan sebagai bahan penghantar listrik adalah tembaga dan alumunium yang dibuat dalam bentuk kabel.

Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik. pada bahan ini elektron-elektronnya itdak dapat lepas sehingga tidak dapat berpindah dari atom satu keatom lainnya. contoh bahan isolator yaitu mika, plastik, kaca, kertas, karet dll. Plastik dan karet banyak digunkan sebagai pembungkus atau kulit kabel.

Hambatan Listrik (R) adalah gaya pada bahan yang melawan terhadap jalannya arus listrik. Pada bahan ini, elektron-elektron sulit lepas atau hanya sedikit saja yang lepas. contoh bahan yang memunyai hambatan listrik besar adalah karbon. Bahan ini banyak digunakan sebagai alat penghambat arus listrik yang disebut Resistor.

Tegangan Listrik (V) adalah beda potensial antara dua titik.

Arus Listrik (I) adalah aliran muatan listrik.

Daya Listrik (P) adalah besarnya energi listrik yang digunakan setiap satuan waktu.

Power MOSFET dan IGBT, Piranti Elektronika yang Saling Bersaing di Bidang Elektronika Daya

Pada tahun-tahun yang lalu, gelanggang piranti penyakelar daya (switching device) memang didominasi oleh transistor, juga SCR yang sulit untuk dimatikan serta bekerja relatif lambat. Kondisi ini mendorong para perancang di berbagai laboratorium pembuatan piranti semikonduktor seperti di Motorola, IR, APT, IXYS, Siemens, Samsung dan lainnya saling berlomba untuk menemukan piranti penyakelar yang memiliki kemampuan lebih baik. Sebagai hasilnya, di pasaran, kini muncul piranti penyakelar Power MOSFET dan IGBT yang saling bersaing.

Para rekayasawan yang berkecimpung di bidang elektronika daya pun kini dihadapkan pada suatu pilihan yang perlu lebih cermat dalam mempertimbangkan beberapa kriteria, saat harus memilih mana dari kedua piranti elektronik tersebut yang akan dipakai.

Tulisan ini membahas kinerja Power MOSFET dan IGBT serta proses pengembangannya sampai saat ini.

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor) maupun IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), keduanya merupakan piranti atau komponen aktif pokok yang kini banyak digunakan dalam bidang Elektronika Daya; yakni UPS (Uninterruptible Power Supply), dan sistem pengendali daya/motor-motor besar di bidang industri.

Sebelum adanya kemajuan kinerja Power MOSFET, gelanggang penyakelar daya dulunya memang didominasi oleh BJT (bipolar junction transistor), dan SCR yang sulit untuk dimatikan (turn-off) dan lambat. Para perancang di berbagai laboratorium pembuatan piranti semikonduktor selalu berusaha menemukan piranti penyakelar (switching device) yang memiliki kemampuan lebih baik. Beberapa waktu kemudian, barulah dikembangkan MOSFET, dan berikutnya IGBT.

Sebenarnya, pasar pun pernah ditawari MCT (MOS-Controlled Thyristor), yang saat itu merupakan semikonduktor yang memiliki kinerja terbaik untuk daya tinggi dan tegangan tinggi, tetapi kenyataannya tak pernah menjadi populer. Kini pabrik-pabrik semikonduktor terus mengembangkan kedua piranti tersebut di atas menuju peningkatan dalam hal mempertinggi tegangan dadal (breakdown voltage), memperbesar kemampuan arusnya, dan memperkecil rugi penyakelaran atau peralihannya .

IGBT memang telah muncul sebagai pesaing bagi Power MOSFET konvensional yang beroperasi pada tegangan tinggi dan rugi konduksi yang rendah. Berbagai usaha telah dilakukan dalam tahun-tahun terakhir ini untuk dapat membuat penyakelar IGBT dapat bekerja seperti halnya MOSFET, sembari mendapatkan kemampuan yang setara dengan transistor daya bipolar, baik yang bekerja pada tegangan menengah maupun tegangan tinggi. Para pembuat IGBT memang sedang berusaha untuk membuat piranti elektronik ini menjadi pilihan alternatif yang menarik untuk rentang yang luas di bidang elektronika daya, tempat yang semula didominasi oleh power MOSFET dan transistor bipolar. Dampaknya, para rekayasawan yang berkecimpung di bidang elektronika dayapun kini dihadapkan pada suatu pilihan yang perlu lebih cermat dalam mempertimbangkan beberapa kriteria, saat memilih mana dari kedua piranti elektronik tersebut yang akan dipergunakan. Sebab, seri-seri baru kini terus bermunculan di pasaran, beserta masing-masing keunggulannya.

Struktur Dasar

Dalam pembuatannya, MOSFET dan IGBT menempuh langkah-langkah pemrosesan yang identik, namun masing-masing menempuh langkah yang berbeda dalam hal polaritas substratnya. Perbedaan langkah ini menghasilkan struktur MOSFET dan IGBT seperti dinyatakan pada Gambar 1a dan 1b. Untuk IGBT, strukturnya lebih kompleks, karena terdiri dari; sebuah MOSFET kanal -N, sebuah transistor NPN, dan sebuah FET junction yang mengemudikan transistor keluaran PNP. Label 'kolektor' dan 'emitor' dalam Gambar 1b dan 1c tersebut tampaknya memang menjadi rancu atau membingungkan, namun yang ditunjukkan itu sebenarnya adalah kolektor dan emitor transistor npn pada lambangnya.

Transistor bipolar PNP dan NPN dalam Gambar 1 membentuk sebuah SCR. Jika penguatan dari keduanya tersebut cukup tinggi, maka SCR akan dapat terkunci. Resistansi basis R berfungsi mencegah pengguliran dari kondisi saat menyambung (on). Secara prinsip, rangkaiannya dapat disetarakan dan direduksi sehingga menjadi seperti terlhat pada Gambar 1c. Struktur yang demikian ini dapat menawarkan yang terbaik dari dua kubu, yakni; impedansi masukan yang tinggi, yang merupakan ciri dari sebuah power MOSFET, dan tegangan saturasi yang rendah, yang merupakan ciri dari sebuah transistor bipolar.

Pada hakekatnya, MOSFET dan IGBT konvensional dibangun melalui proses DMOS (double diffused MOS), yang menggunakan teknik, yakni; suatu lapisan silikon epitaksi tebal yang dibangun di atas substrat silikon yang besar dan beresistansi tinggi. Namun demikian, pada tegangan dalam orde 1200 volt, ketebalan lapisan epitaksi serta resistansi kondisi menyambung pada piranti tersebut menjadi terlalu besar untuk tegangan yang setinggi itu. Dampaknya, harga piranti tersebut menjadi terlalu mahal. Kinerja yang jelek dan biaya yang lebih tinggi mendorong pabrik semikonduktor tertarik untuk mencoba usaha lain, misalnya saja, menghubungkan MOSFET dalam moda seri-paralel dan lain-lain.

Perbandingan Umum Antara Kinerja MOSFET dan IGBT

Perbandingan kinerja penyakelaran MOSFET dan IGBT secara singkat dinyatakan dalam Tabel 1. Untuk tujuan komparasi, Tabel 1 tersebut juga menyertakan pula perbandingannya dengan transistor bipolar. Besaran tegangan kolektor-emitor dalam kondisi menyambung atau jenuh (VCEsat) yang biasa digunakan untuk menggambarkan karakter suatu IGBT, dalam Tabel 1 tersebut ditranslasikan ke dalam besaran resistansi kolektor-emitor dalam kondisi menyambung (Ron).

Tabel 1. Perbandingan tiga piranti penyakelar daya untuk kemampuan (rating) yang setara

Karakteristik
MOSFET
IGBT
Bipolar
Kemampuan arus (A)
20
20
20
Kemampuan tegangan (V)
500
600
500
Ron (ohm)
Pada 25º C
0,2
0,24
0,18
Ron (ohm)
Pada 150º C
0,6
0,23
0,24
Waktu turun (nanodetik)
40
200
200

Dua fakta yang bersumber pada Tabel 1 tersebut adalah bahwa; pertama, transistor bipolar sangat lebih lambat daripada MOSFET. Secara prinsip, hal ini disebabkan oleh waktu gulir mati (turn-off) piranti bipolar yang lebih panjang. Kedua adalah resistansi saat kondisi menyambung (on-state) piranti bipolar yang relatif tak bergantung (bersifat invarian) terhadap temperatur, dibandingkan dengan adanya nilai koefisien temperatur yang tinggi pada MOSFET. Informasi koefisien temperatur ini merupakan pertimbangan penting dalam perencanaan batas aman thermal pada sistem-sistem yang berdaya tinggi.

Tabel 2 menyatakan perbandingan yang lebih umum mengenai karakteristik penyakelarannya. Disebabkan oleh struktur masukan gate-nya, MOSFET dan IGBT merupakan piranti elektronik yang dikemudikan oleh tegangan, dengan kebutuhan akan daya pengemudi yang relatif kecil saja. Sementara itu, pada transistor bipolar yang sifatnya dikemudikan oleh arus (arus keluaran dibagi oleh hFE), ia memerlukan pengemudi dengan daya yang relatif lebih besar.

Dalam hal kapasitansi masukan, untuk MOSFET dan IGBT, bergantung pada ratingnya (kemampuan arusnya). Kapasitansi ini dapat menjadi demikian besar, sehingga rangkaian pengemudinya dituntut memiliki kemampuan untuk mengisi dan membuang dengan cepat muatan kapasitansi yang besar ini.

IGBT tampaknya memang menawarkan rating kemampuan arus yang lebih baik. Namun demikian, kekurangan dan kelebihan masing-masing piranti yang tercantum pada Tabel 2 tersebut dapat digunakan sebagai acuan untuk memilih salah satu di antara ketiganya.

Tabel 2. Perbandingan karakteristik piranti penyakelar daya

Karakteristik
MOSFET
IGBT
Bipolar
Tipe pengemudi Tegangan Tegangan Arus
Daya pengemudi minimum Minimum Besar
Tingkat kerumitan pengemudi Sederhana Sederhana Cukupan atau sedang
Kemampuan arus pada nilai tegangan drop di ujung-ujung terminal piranti Tinggi pada teg. rendah; rendah pada teg. tinggi Sangat tinggi (terpengaruh oleh kecepatan penyakelaran) Cukupan (sangat terpengaruh oleh kecepatan penyakelaran
Rugi penyakelaran Sangat rendah Rendah sampai sedang (dipengaruhi oleh rugi konduksi) Sedang sampai tinggi (dipengaruhi oleh rugi konduksi)

Untuk mempertahankan nilai resistansi yang tetap rendah, pembuat IGBT membuat kemampuan arus yang lebih rendah untuk tipe yang lebih cepat. Sebagai contoh, Perusahaan International Rectifier (IR) di pasaran menawarkan tiga tipe IGBT; yakni tipe standar, cepat dan ultra cepat. IR mendeskripsikan kemampuan arus dengan perbandingan terbalik terhadap kecepatan penyakelarannya. Sementara itu VCE saturasinya naik berturut-turut untuk masing-masing tipe tersebut menjadi; 1,3 1,5, dan 1,9 volt.

Parameter terakhir dalam Tabel 2 tersebut adalah rugi penyakelaran (switching losses) , yang mencerminkan kecepatan penyakelaran dari ketiga piranti elektronik tersebut. Untuk MOSFET, baik transisi saat menyambung (turn-on) dan memutus (turn-off) sangat cepat. Sedang untuk IGBT, kita dihadapkan pada kenyataan bahwa ada perimbangan dalam hal kecepatan penyakelaran versus kemampuan arus; jenis yang lebih cepat akan mengalami rugi konduksi yang lebih tinggi.

Waktu penyakelaran pada IGBT sebagian besar didominasi oleh waktu saat menyambung, sehingga secara garis besar membatasi penggunaannya dalam sistem yang beroperasi pada laju penyakelaran yang lebih rendah daripada 100 kHz.

Tabel 3. Perbandingan tegangan drop dan rating tegangan antara IGBT dan MOSFET pada kemampuan arus maupun luasan yang sama

Rating tegangan (Volt) IGBT 100 300 600 1200
MOSFET 100 250 500 1000
Tegangan drop untuk 1,7 ampere per mm2 pada temperatur 100º C (Volt) IGBT 1,5 2,1 2,4 3,1
MOSFET 2,0 11,2 26,7 100

Tabel 3 menunjukkan perbandingan IGBT dengan MOSFET dalam hal rugi konduksi yang dinyatakan dalam bentuk tegangan drop (tegangan yang terdapat pada kedua ujung terminalnya saat pirantai tersebut dalam keadaan menyambung) untuk kondisi kemampuan arus pada luasan (area) piranti maupun temperatur yang sama . Pada MOSFET, untuk kemampuan arus yang sama per satuan luasan silikon, resistansi dalam kondisi menyambung naik secara ekponensial terhadap rating tegangannya. Sementara itu, untuk piranti IGBT (yang dinyatakan dalam besaran tegangan kolektor-emitor jenuh ketimbang resistansi dalam kondisi menyambung) lebih mampu mempertahankan rugi konduksi yang rendah untuk semua rating tegangan. Dari Tabel 3 tersebut juga dapat diketahui bahwa MOSFET memiliki rating tegangan yang sedikit lebih rendah daripada IGBT.

Perbandingan MOSFET dan IGBT untuk luasan die (irisan tipis bahan semikonduktor yang dipakai untuk membuat transistor atau piranti semikonduktor lainnya) yang sama, secara grafis dinyatakan dalam Gambar 2. Pada Gambar 2, jelas tampak bahwa IGBT memiliki rugi pada kondisi menyambung lebih rendah. Grafik tersebut menunjukkan tegangan drop dalam kondisi menyambung untuk sebuah MOSFET dan dua IGBT hasil produksi IR untuk arus beban 10 ampere. Piranti yang memiliki rugi yang paling rendah dalam gambar tersebut adalah IRGBC40S, yakni IGBT tipe standar. Tipe ultra cepatnya; IRGBC40U menawarkan penyakelaran yang lebih cepat, namun rugi dalam kondisi menyambungnya juga lebih tinggi.

Perkembangan MOSFET dan IGBT

1. Perkembangan dalam Kemasan

Beberapa tahun yang lalu, sebagian besar MOSFET dan IGBT tegangan tinggi yang berkemampuan arus besar dikemas dalam kemasan diskret yang membutuhkan tempat yang besar sekali (istilahnya disebut high profile), maupun berbentuk modul-modul yang terdiri dari dua atau tiga piranti daya (misalnya bagian lengan dari sistem setengah rangkaian jembatan). Piranti-piranti ini mengendalikan kecepatan motor-motor yang besar ( multihorsepower) maupun dalam aplikasi-aplikasi daya besar seperti off-line (3 phase) uninterruptible power supply. Namun kini kemasan piranti telah berubah dan bergerak bergerak menuju ke bentuk low-profile, yakni berbentuk terintegrasi secara padat maupun ada yang berbentuk modul-modul hybrid. Piranti-piranti dengan kemasan seperti ini kemungkinan juga telah memuat penyearah jembatan gelombang penuh, jembatan setengah gelombang yang terdiri dari tiga FET atau IGBT, juga telah memiliki fast power diode ataupun catch and free-wheeling yang biasanya dipasang pada setiap penyakelar daya dan pengemudi-pengemudi MOS tegangan tinggi.

Tak peduli seberapa besar sumber dayanya, semua aplikasi sekarang ini memang menuntut efisiensi dan kemasan rangkaian kendali yang lebih kecil, yang untuk banyak pekerjaan daya tinggi, para penggunanya tidak perlu dirisaukan oleh keharusan untuk membuang panas yang dihasilkan oleh sistem-sistem kendali ini. Di lain pihak, pabrik-pabrik pembuat motor listrik sekarang inipun membutuhkan kemasan pengendali daya yang kecil, karena mereka ingin memasang rangkaian-rangkaian kendali itu di dalam motornya. Terutama untuk tipe-tipe motor baru yang membutuhkan rangkaian-rangkaian kendali yang canggih, termasuk untuk motor-motor reluktansi tersakelar dan tipe tanpa sikat (brushless). Tentu saja sistem kendalinya menjadi hangat ataupun bahkan panas jika dipasang di dalam motor, yang bahkan pada motor-motor yang didinginkan dengan kipas angin sekalipun. Memang lokasi seperti bukan merupakan tempat yang mudah untuk membuang panas, apalagi pada FET yang berdaya dan bertegangan tinggi, yang dirancang untuk memperoleh pembuangan panas yang cukup memadai.

Dalam hal usaha untuk memperoleh drop tegangan maju (forward) yang lebih rendah, pengembangannya adalah menuju kemasan-kemasan baru yang dapat menampung irisan silikon yang lebih besar dalam luasan piranti yang sama. Usaha terakhir pabrik semikonduktor IXYS dalam arena ini adalah apa yang mereka sebut sebagai kemasan TO-247 'tanpa lubang', yakni mengeliminasi lubang yang biasanya disediakan untuk menyekrupkan pirantinya, yang membuat IXYS dapat meletakkan lebih banyak silikon dalam kemasan tersebut sehingga kemampuan arus keluarannya dapat ditingkatkan sampai 50%. Dua piranti pertama yang diluncurkan ke pasar dalam kemasan model ini adalah IGBT dengan rating 600 dan 1200 volt, masing-masing pada 75 dan 10 ampere, yang juga memiliki ketahanan terhadap hubung singkat.

Sementara itu, pabrik semikonduktor APT (Advanced Power Technology) menggunakan pendekatan yang sedikit berbeda untuk mengemas MOSFET tegangan tinggi yang diproduksinya. APT menyelipkan batangan silikon sebesar mungkin ke dalam kemasan. Sebagai contoh, pada FET 500 volt yang menggunakan teknologi D3PAK (tipe surface mount yang eivalen dengan TO247)) dan kemasan TO-247 yang memiliki resistansi dalam kondisi menyambung sebesar 200 miliohm dapat turun sehingga menjadi 170 miliohm pada piranti produk terbaru mereka. Sedang resistansi pada FET 500 volt dalam kemasan TO-227 telah turun dari 60 ke 50 miliohm.

Pabrik lainnya; yakni IR memproduksi FET tipe low-gate-charge, juga IGBT jenis WARP-speed dalam kemasan daya tipe surface mount baru yang disebut SMD 10. Kemasan tipe ini juga digunakan untuk FET 500 volt/40 ampere maupun WARP-speed IGBT 600 dan 1200 volt pada rating 95 dan 65 ampere. Pada saat sekarang ini, low-charge FET tersedia dalam kemasan TO-220 dan TO-247.

Teori Dasar Listrik

Hukum Ohm menyatakan bahwa besar arus yang mengalir pada suatu konduktor pada suhu tetap sebanding dengan beda potensial antara kedua ujung-ujung konduktor
I = V / R

HUKUM OHM UNTUK RANGKAIAN TERTUTUP

I = n E
R + n rd
I = n
R + rd/p

n = banyak elemen yang disusun seri
E = ggl (volt)
rd = hambatan dalam elemen
R = hambatan luar
p = banyaknya elemen yang disusun paralel

RANGKAIAN HAMBATAN DISUSUN SERI DAN PARALEL

SERI

R = R1 + R2 + R3 + ...
V = V1 + V2 + V3 + ...
I = I1 = I2 = I3 = ...

PARALEL

1 = 1 + 1 + 1
R R1 R2 R3

V = V1 = V2 = V3 = ...
I = I1 + I2 + I3 + ...

ENERGI DAN DAYA LISTRIK

ENERGI LISTRIK (W)
adalah energi yang dipakai (terserap) oleh hambatan R.

W = V I t = V²t/R = I²Rt

Joule = Watt.detik
KWH = Kilo.Watt.jam

DAYA LISTRIK (P) adalah energi listrik yang terpakai setiap detik.

P = W/t = V I = V²/R = I²R

HUKUM KIRCHOFF I : jumlah arus menuju suatu titik cabang sama dengan jumlah arus yang meninggalkannya.


S Iin = Iout

HUKUM KIRCHOFF II : dalam rangkaian tertutup, jumlah aljabar GGL (e) dan jumlah penurunan potensial sama dengan nol.

Se = S IR = 0

ALAT UKUR LISTRIK TERDIRI DARI

1. JEMBATAN WHEATSTONE

digunakan untuk mengukur nilai suatu hambatan dengan cara mengusahakan arus yang mengalir pada galvanometer = nol (karena potensial di ujung-ujung galvanometer sama besar). Jadi berlaku rumus perkalian silang hambatan :

R1 R3 = R2 Rx

2. AMPERMETER

untuk memperbesar batas ukur ampermeter dapat digunakan hambatan Shunt (Rs) yang dipasang sejajar/paralel pada suatu rangkaian.

Rs = rd 1/(n-1)
n = pembesaran pengukuran

3. VOLTMETER

untuk memperbesar batas ukur voltmeter dapat digunakan hambatan multiplier (R-) yang dipasang seri pada suatu rangkaian. Dalam hal ini R. harus dipasang di depan voltmeter dipandang dari datangnya arus listrik.

Rm = (n-1) rd
n = pembesaran pengukuran

TEGANGAN JEPIT (V.b) :


adalah beda potensial antara kutub-kutub sumber atau antara dua titik yang diukur.



1. Bila batere mengalirkan arus maka tegangan jepitnya adalah:

Vab = e - I rd

2. Bila batere menerima arus maka tegangan jepitnya adalah:

Vab = e + I rd

3. Bila batere tidak mengalirkan atau tidak menerima arus maka


tegangan jepitnya adalah .

Vab = e

Dalam menyelesaian soal rangkaian listrik, perlu diperhatikan :


1. Hambatan R yang dialiri arus listrik. Hambatan R diabaikan jika tidak dilalui arus listrik.

2. Hambatan R umumnya tetap, sehingga lebih cepat menggunakan

rumus yang berhubungan dengan hambatan R tersebut.



3. Rumus yang sering digunakan: hukum Ohm, hukum Kirchoff, sifat


rangkaian, energi dan daya listrik.



Contoh 1 :

Untuk rangkaian seperti pada gambar, bila saklar S1 dan S2 ditutup maka hitunglah penunjukkan jarum voltmeter !

Jawab :

Karena saklar S1 dan S2 ditutup maka R1, R2, dan R3 dilalui arus listrik, sehingga :

1 = 1 + 1
Rp R2 R3

Rp = R2 R3 = 2W
R2 + R1
V = I R = I (R1 + Rp)

I = 24/(3+2) = 4.8 A

Voltmeter mengukur tegangan di R2 di R3, dan di gabungkan R2 // R3, jadi :

V = I2 R2 = I3 R3 = I Rp


V = I Rp = 0,8 V

Contoh 2:

Pada lampu A dan B masing-masing tertulis 100 watt, 100 volt. Mula-mula lampu A den B dihubungkan seri dan dipasang pada tegangan 100 volt, kemudian kedua lampu dihubungkan paralel dan dipasang pada tegangan 100 volt. Tentukan perbandingan daya yang dipakai pada hubungan paralel terhadap seri !

Hambatan lampu dapat dihitung dari data yang tertulis dilampu :
RA = RB = V²/P = 100²/100 = 100 W

Untuk lampu seri : RS = RA + RB = 200 W
Untuk lampu paralel : Rp = RA × RB = 50 W
RA + RB

Karena tegangan yang terpasang pada masing-masing rangkaian sama maka gunakan rumus : P = V²/R



Jadi perbandingan daya paralel terhadap seri adalah :


Pp = : = Rs = 4


Ps Rp Rs Rp 1

Contoh 3:

Dua buah batere ujung-ujungnya yang sejenis dihubungkan, sehingga membentuik hubungan paralel. Masing-masing batere memiliki GGL 1,5 V; 0,3 ohm dan 1 V; 0,3 ohm.Hitunglah tegangan bersama kedua batere tersebut !

Jawab :

Tentakan arah loop dan arah arus listrik (lihat gambar), dan terapkan hukum Kirchoff II,

Se + S I R = 0
e1 + e2 = I (r1 + r2)

I = (1,5 - 1) = 5 A
0,3 + 0,3 6

Tegangan bersama kedua batere adalah tegangan jepit a - b, jadi :



Vab = e1 - I r1 = 1,5 - 0,3 5/6 = 1,25 V



1= e2 + I R2 = 1 + 0,3 5/6 = 1,25 V



Contoh 4:

Sebuah sumber dengan ggl = E den hambatan dalam r dihubungkan ke sebuah potensiometer yang hambatannya R. Buktikan bahwa daya disipasi pada potensiometer mencapai maksimum jika R = r.

Jawab :

Dari Hukum Ohm : I = V/R = e
R+r

Daya disipasi pada R : P = I²R = e ²R
(R+r)²

Agar P maks maka turunan pertama dari P harus nol: dP/dR = 0 (diferensial parsial)

Jadi (R+r)² - E² R.2(R+r) = 0
(R+r)4
e² (R+r)² = e² 2R (R+r) Þ R + r = 2R
R = r (terbukti)

ARUS/TEGANGAN BOLAK-BALIK

Arus/tegangan bolak-balik adalah arus/tegangan yang besarnya selalu berubah-ubah secara periodik. Simbol tegangan bolak-balik adalah ~ dan dapat diukur dengan Osiloskop (mengukur tegangan maksimumnya).


NILAI EFEKTIF KUAT ARUS/TEGANGAN AC

Nilai efektif kuat arus/tegangan AC adalah arus/tegangan AC yang dianggap setara dengan kuat arus/tegangan AC yang menghasilkan jumlah kalor yang sama ketika melalui suatu penghantar dalam waktu yang sama.

Kuat arus efektif : Ief = Imaks / Ö2

Tegangan efektif : Vef = Vmaks / Ö2

Besaran yang ditunjukkan oleh voltmeter/amperemeter DC adalah tegangan/kuat arus DC yang sesungguhnya,sedangkan yang ditunjukan oleh voltmeter/amperemeter AC adalah tegangan/kuat arus efektif, bukan tegangan/kuat arus sesungguhnya.

Listrik

Kelistrikan adalah sifat benda yang muncul dari adanya muatan listrik. Listrik, dapat juga diartikan sebagai berikut:

  • Listrik adalah kondisi dari partikel subatomik tertentu, seperti elektron dan proton, yang menyebabkan penarikan dan penolakan gaya di antaranya.
  • Listrik adalah sumber energi yang disalurkan melalui kabel. Arus listrik timbul karena muatan listrik mengalir dari saluran positif ke saluran negatif.

Bersama dengan magnetisme, listrik membentuk interaksi fundamental yang dikenal sebagai elektromagnetisme. Listrik memungkinkan terjadinya banyak fenomena fisika yang dikenal luas, seperti petir, medan listrik, dan arus listrik. Listrik digunakan dengan luas di dalam aplikasi-aplikasi industri seperti elektronik dan tenaga listrik.

Sifat-sifat listrik

Listrik memberi kenaikan terhadap 4 gaya dasar alami, dan sifatnya yang tetap dalam benda yang dapat diukur. Dalam kasus ini, frase "jumlah listrik" digunakan juga dengan frase "muatan listrik" dan juga "jumlah muatan". Ada 2 jenis muatan listrik: positif dan negatif. Melalui eksperimen, muatan-sejenis saling menolak dan muatan-lawan jenis saling menarik satu sama lain. Besarnya gaya menarik dan menolak ini ditetapkan oleh hukum Coulomb. Beberapa efek dari listrik didiskusikan dalam fenomena listrik dan elektromagnetik.

Satuan unit SI dari muatan listrik adalah coulomb, yang memiliki singkatan "C". Simbol Q digunakan dalam persamaan untuk mewakili kuantitas listrik atau muatan. Contohnya, "Q=0,5 C" berarti "kuantitas muatan listrik adalah 0,5 coulomb".

Jika listrik mengalir melalui bahan khusus, misalnya dari wolfram dan tungsten, cahaya pijar akan dipancarkan oleh logam itu. Bahan-bahan seperti itu dipakai dalam bola lampu (bulblamp atau bohlam).

Setiap kali listrik mengalir melalui bahan yang mempunyai hambatan, maka akan dilepaskan panas. Semakin besar arus listrik, maka panas yang timbul akan berlipat. Sifat ini dipakai pada elemen setrika dan kompor listrik.

Berkawan dengan listrik

Listrik mengalir dari saluran positif ke saluran negatif. Dengan listrik arus searah jika kita memegang hanya kabel positif (tapi tidak memegang kabel negatif), listrik tidak akan mengalir ke tubuh kita (kita tidak terkena strum). Demikian pula jika kita hanya memegang saluran negatif.

Dengan listrik arus bolak-balik, Listrik bisa juga mengalir ke bumi (atau lantai rumah). Hal ini disebabkan oleh sistem perlistrikan yang menggunakan bumi sebagai acuan tegangan netral (ground). Acuan ini, yang biasanya di pasang di dua tempat (satu di ground di tiang listrik dan satu lagi di ground di rumah). Karena itu jika kita memegang sumber listrik dan kaki kita menginjak bumi atau tangan kita menyentuh dinding, perbedaan tegangan antara kabel listrik di tangan dengan tegangan di kaki (ground), membuat listrik mengalir dari tangan ke kaki sehingga kita akan mengalami kejutan listrik ("terkena strum").

Listrik dapat disimpan, misalnya pada sebuah aki atau batere. Listrik yang kecil, misalnya yang tersimpan dalam batere, tidak akan memberi efek setrum pada tubuh. Pada aki mobil yang besar, biasanya ada sedikit efek setrum, meskipun tidak terlalu besar dan berbahaya. Listrik mengalir dari kutub positif batere/aki ke kutub negatif.

Sistem listrik yang masuk ke rumah kita, jika menggunakan sistem listrik 1 fase, biasanya terdiri atas 3 kabel:

  • Pertama adalah kabel fase yang merupakan sumber listrik bolak-balik (positif dan negatifnya berbolak-balik terus menerus). Kabel ini adalah kabel yang membawa tegangan dari pembangkit tenaga listrik (PLN misalnya); kabel ini biasanya dinamakan kabel panas (hot), dapat dibandingkan seperti kutub positif pada sistem listrik arus searah (walaupun secara fisika adalah tidak tepat).
  • Kedua adalah kabel netral. Kabel ini pada dasarnya adalah kabel acuan tegangan nol, yang biasanya disambungkan ke tanah di pembangkit tenaga listrik (di kantor PLN misalnya); dapat dibandingkan seperti kutub negatif pada sistem listrik arus searah; jadi jika listrik ingin dialirkan ke lampu misalnya, maka satu kaki lampu harus dihubungkan ke kabel fase dan kaki lampu yang lain dihubungkan ke kabel netral; jika dipegang, kabel netral biasanya tidak menimbulkan efek strum yang berbahaya, namun karena ada kemungkinan perbedaan tegangan antara acuan nol di kantor PLN dengan acuan nol di lokasi kita, ada kemungkinan si pemegang merasakan kejutan listrik. Dalam kejadian-kejadian badai listrik luar angkasa (space electrical storm) yang besar, ada kemungkinan arus akan mengalir dari acuan tanah yang satu ke acuan tanah lain yang jauh letaknya. Fenomena alami ini bisa memicu kejadian mati lampu berskala besar.
  • Ketiga adalah kabel tanah atau Ground. Kabel ini adalah acuan nol di lokasi pemakai, yang biasanya disambungkan ke tanah di rumah pemakai; kabel ini benar-benar berasal dari logam yang ditanam di tanah dekat rumah kita; kabel ini merupakan kabel pengamanan yang biasanya disambungkan ke badan (chassis) alat2 listrik di rumah untuk memastikan bahwa pemakai alat tersebut tidak akan mengalami kejutan listrik. Walaupun secara teori, acuan nol di rumah (kabel tanah ini) harus sama dengan acuan nol di kantor PLN (kabel netral), kabel tanah seharusnya tidak boleh digunakan untuk membawa arus listrik (misalnya menyambungkan lampu dari kabel fase ke kabel tanah). Tindakan ceroboh seperti ini hanya akan mengundang bahaya karena chassis alat-alat listrik di rumah tersebut mungkin akan memiliki tegangan tinggi dan akan menyebabkan kejutan listrik bagi pemakai lain. Pastikan teknisi listrik anda memasang kabel tanah di sistem listrik di rumah. Pemasang ini penting, karena merupakan syarat mutlak bagi keselamatan anda dari bahaya kejutan listrik yang bisa berakibat fatal dan juga beberapa alat-alat listrik yang sensitif tidak akan bekerja dengan baik jika ada induksi listrik yang muncul di chassisnya (misalnya karena efek arus Eddy).

Pengenalan Listrik dan Rangkaian Listrik

Electricity Tutorial

This tutorial is a brief introduction to the concepts of charge, voltage, and current. This tutorial is not as long and tedious as a college textbook, yet it contains more information than students are likely to find in an elementary schoolbook.

The Atom

A drawing of an atomOn the left is a conceptual drawing of an atom. Atoms are the building blocks of matter. Everything is made of atoms, from rocks, to trees, to stars, to even yourself. An atom consists of a tightly packed nucleus containing one or more protons (colored red in the picture), and usually an equal number of neutrons (gray). Electrons (blue) surround the nucleus, forming an electron cloud. The number of electrons in an electrically stable atom is always equal to the number of protons in the nucleus.

Electric Charge

Opposite charges attract. Like charges repel. A curious thing happens between protons and electrons: a proton and an electron are always attracted to one another, while a proton will repel other protons, and an electron will repel other electrons. This behavior is caused by something called the electric force. Protons are said to have a positive electric charge, while electrons have a negative electric charge. Two objects with the same type of charge push away from each other, while two objects with opposite charges attract to each other. Since a proton and an electron have opposite electric charges, they are attracted to each other. Two protons, however, move away from each other because of their equal electric charges. The same is true of two electrons, which push away from each other because of their equal negative charges.

Electric Balance

Electric balance Most matter contains an equal number of protons and electrons. The negative electrons balance out the positive protons, and the matter has no overall electrical charge. The word overall is important, since the charges are still there, bouncing around inside the matter. Electrical charges are everywhere, but we just can't sense them because they are in balance. In fact, if you take chemistry, you'll learn that the electric force is the very thing that holds matter together. The next time you pick something up, just think that whatever you are holding is literally filled with electric charge. This is an important fact that many people miss when they study electricity.

Static Electricity

A drawing of two ions Let's say we steal an electron from one atom and give the electron to another atom. One atom will have an overall positive charge and the other will have an overall negative charge. When this happens, the two atoms are called ions. Because ions have an overall electric charge, they can interact with other charged objects. Since like charges repel and opposite charges attract, a positive ion will attract negatively charged objects, such as electrons or other ions, and will repel positively charged objects. A negatively charged ion will attract positively charged objects, and will repel other negatively charged objects.

The same is true for larger objects. If you take electrons from one object and place them on another object, the first object will have an overall positive charge while the second will have an overall negative charge. Depending on the types of objects and the amount of charge involved, the electric force may be enough to cause the objects to stick together. This phenomenon is often referred to as "static electricity."

There are several ways to steal electrons from one object and give them to another. Some of the ways include chemical reactions, mechanical motion, light, and even heat. If you rub a glass rod with silk, the electrons in the glass rod will be knocked off and collected on the silk. The glass rod gains an overall positive charge, and the silk gains an overall negative charge. In a battery, chemical reactions are used to force electrons from the positive terminal and place them on the negative terminal.

Measuring Charges

The amount of overall electric charge possessed by an object is measured in coulombs. One coulomb is roughly equal to the amount of charge possessed by 6,000,000,000,000,000,000 (six billion billion) electrons. While this may seem like a huge number at first, it is not really that much, since electrons are so tiny. Just to give you an idea, one coulomb is roughly the amount of charge that flows through a 12-watt automotive light bulb in one second.

If the amount of charge possessed by two objects and the distance between them are known, it is possible to calculate the amount of force between the objects using a formula known as Coulomb's law. This law was discovered by Charles Augustin de Coulomb in 1784, and states that the force between two charged objects varies directly as the charges of the objects and inversely as the square of the distance between them. Coulomb's law is given below in formula form:

F=kqq'/r^2
F is the force, in Newtons.
q and q' are the charges of the two objects, in coulombs.
r is the distance between the objects, in meters.
k is a constant equal to 8.98755×109 N m2 C-2

Voltage

Whenever electrons are taken from one object and placed on another object, causing an imbalance of charge, we say that a voltage exists. That is what somebody means when they say that something has so many volts of electricity. They are describing a difference of charge in two different places. A standard AA battery has a difference of 1.5 volts between its positive and negative terminal, while car battery has a difference of 12 volts between its two terminals, and the everyday type of static electricity that causes things to stick together and occasionally gives you a jolt when you touch a metal object is usually measured in thousands of volts.

Two parallel charged plates.Another way to understand voltage is to think of an "electric field." Imagine a plate with positive charge next to a plate with negative charge. If I place a positive charge between these plates, the plates’ electric field will attract the charge to the negative side. Imagine that I place a 1 coulomb positive charge next to the negative plate, and then pull it towards the positive plate. Because the electric field creates a force in the opposite direction, moving the charge requires energy. The amount of energy depends on the distance between the plates and the strength of the electric field created by the plates. We call this energy the electric field’s "voltage." One volt is the amount of energy in joules required to move 1 coulomb of charge through an electric field. Mathematically, 1Volt = 1Joule / 1Coulomb.

Volts are useful, because they neatly describe the size and strength of any electric field. Visualizing the electric field between two simple plates is easy, but visualizing the field in a complicated circuit with batteries, motors, light bulbs, and switches is very difficult. Voltage simplifies circuits like these by describing the entire electric field with a single number.

Electric Current

Current in motion animaiton. The word current comes from the Latin word currere, which means to run or to flow. An electric current is nothing more than the flow of electric charges. Electric charges can only flow through certain materials, called conductors. Although the electrons in most materials are confined to fixed orbits, some materials, including most metals, have many loose electrons which are free to wander around through the material. Materials with this property act as conductors. When a conductor is placed between two charged objects, these loose electrons are pushed away by the negatively charged object and are sucked into the positively charged object. The result is that there is a flow of charge, called a current, and the two object's charges become balanced. The amount of current flowing through a conductor at any given time in measured in amperes, or amps for short. When you read that something uses so many amps, what you are being told is the amount of current flowing through the device. One ampere is equal to the flow of one coulomb of charge in one second.

Batteries and Current

Batteries and current In the previous paragraph, we looked at how current flows from one charged object to another, canceling out the charges of the two objects. Once the charges were canceled, the current stopped. If current were always this short-lived, it would be very impractical. Imagine a flashlight that only lasted a fraction of a second before needing to be recharged! While current does tend to cancel out charges on two objects and then stop flowing, if a charge can be placed on the objects faster than the current can drain the charge, it is possible to keep a current flowing indefinitely. That is what happens in a battery. Chemical reactions within the battery pump electrons from the positive terminal to the negative terminal faster than the device connected to the battery can drain them. The battery will continue to supply as much current as the device requires until the chemicals within the battery are used up, at which point the battery is dead and must be replaced.

Resistance

All conductors offer some degree of resistance to the flow of electric current. What happens is this: As electrons travel through the conductor, they bump into atoms, losing some of their movement in jiggling the atom. The result is that the current flowing through the conductor is slowed down, and the conductor is heated. The amount that a given conductor resists the flow of electric current is measured in ohms.

Power

Whenever current flows, work is done. A conductor may be heated, a motor may be spun, a bulb might give off light, or some other form of energy may be released. There is a simple law that tells exactly how much work may be done by a flowing current. The amount of work done is equal to the voltage of the supply times the current flowing through the wire. This law is expressed in the form P=IV, where P is the power in watts, I is the current in amps, and V is the voltage in volts. For example, if we find that a light bulb draws half of an amp at 120 volts, we simply multiply the 120 volts by half an amp to find that the bulb draws 60 watts of power.

Ohm's Law

V=IR Let's say you have a six volt battery and you need to draw two amps of current. What resistance should you make the conductor? Or let's say you have a three volt power supply and a thousand ohm resistor. How much current would flow through the resistor if you were to connect the resistor to the power supply? In order to find the answers to these questions, all you need to do is to use a simple mathematical formula called ohm's law. Ohm's law states that the amount of current flowing through a conductor times the resistance of the conductor is equal to voltage of the power supply. This law is often expressed in the form V=IR, where V is the voltage measured in volts, I is the current measured in amps, and R is the resistance measured in ohms.

electric circuit, unbroken path along which an electric current exists or is intended or able to flow. A simple circuit might consist of an electric cell (the power source), two conducting wires (one end of each being attached to each terminal of the cell), and a small lamp (the load) to which the free ends of the wires leading from the cell are attached. When the connections are made properly, current flows, the circuit is said to be “closed,” and the lamp will light. The current flows from the cell along one wire to the lamp, through the lamp, and along the other wire back to the cell. When the wires are disconnected, the circuit is said to be “open” or “broken.” In practice, circuits are opened by such devices as switches, fuses, and circuit breakers (see fuse, electric; circuit breaker; short circuit). Two general circuit classifications are series and parallel. The elements of a series circuit are connected end to end; the same current flows through its parts one after another. The elements of a parallel circuit are connected so that each component has the same voltage across its terminals; the current flow is divided among its parts. When two circuit elements are connected in series, their effective resistance (impedance if the circuit is being fed alternating current) is equal to the sum of the separate resistances; the current is the same in each component throughout the circuit. When circuit elements are connected in parallel, the total resistance is less than that of the element having the least resistance, and the total current is equal to the sum of the currents in the individual branches. A battery-powered circuit is an example of a direct-current circuit; the voltages and currents are constant in magnitude and do not vary with time. In alternating-current circuits, the voltage and current periodically reverse direction with time. A standard electrical outlet supplies alternating current. Lighting circuits and electrical machinery use alternating current circuits. Many other devices, including computers, stereo systems, and television sets, must first convert the alternating current to direct current. That is done by a special internal circuit usually called a power supply. A digital circuit is a special kind of electronic circuit used in computers and many other devices. Magnetic circuits are analogous to electric circuits, where magnetic materials are regarded as conductors of magnetic flux. Magnetic circuits can be part of an electric circuit; a transformer is an example. Equivalent circuits are used in circuit analysis as a modeling tool; a simple circuit made up of a resistor, and an inductor might be used to electrically represent a loudspeaker. Electrical circuits can also be used in other fields of studies. In the study of heat flow, for example, a resistor is used to represent thermal insulation. Operating electric circuits can be used for general problem solving (as in an analog computer).