MEMPELAJARI KOMPONEN DALAM RANGKAIAN LISTRIK SERTA MEMBANDINGKAN NILAI ARUS SECARA TEORITIS DAN INSTRUMENTAL

Transkripsi

1 MEMPELAJARI KOMPONEN DALAM RANGKAIAN LISTRIK SERTA MEMBANDINGKAN NILAI ARUS SECARA TEORITIS DAN INSTRUMENTAL Listiana Cahya Lestari 2* dan Zulhan Arif MSi 1 1 Divisi Kimia Analitik, Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Dramaga Bogor 16680, Indonesia 2 Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Dramaga Bogor 16680, Indonesia *G Abstrak Rangkaian listrik merupakan bagian penting dalam instrumen kimia yang dapat mendukung proses pembangkitan dan transformasi data. Rangkaian listrik dibuat secara seri maupun pararel dengan diberikan resistor untuk menentukan besarnya potensial dan pengaruh rangkaian yang digunakan. Potensial pada rangkaian paralel menghasilkan nilai yang relatif sama sedangkan pada rangkaian seri berlaku sebaliknya. Rangkaian Kirchoff dan rangkaian transistor disusun dengan membuat beberapa titik yang bertujuan mengukur arus yang dihasilkan pada semua titik. Percobaan yang dilakukan berbeda dengan teori yang menyatakan: arus yang dihasilkan semakin menurun dengan bertambahnya nilai hambatan pada suatu titik. Hukum kelistrikan yang dipelajari adalah hukum Ohm dan hukum Kirchoff. Komponen listrik yang dipelajari antara lain resistor, transistor, kapasitor, dan diode. Hasil pengukuran resistansi dengan alat multimeter secara teoritis dan eksperimental yang dibandingkan mempunyai nilai yang tidak berbeda jauh. LDR dapat digunakan sebagai detektor dalam rangkaian fotometer sederhana karena memunyai respon yang berbeda pada berbagai kondisi intensitas cahaya. Pendahuluan Rangkaian listrik merupakan hubungan antara komponen-komponen dua terminal yang minimal terdapat satu arus loop yang mengalir. Arus listrik dibagi ke dalam dua jenis, yaitu arus listrik searah (DC, direct current) dan arus listrik bolakbalik (AC, alternating current), sedangkan komponen listrik dibagi dua jenis berdasarkan kinerjanya, yaitu komponen aktif dan komponen pasif. Komponen aktif yaitu komponen aktif disebut juga komponen yang mampu mengalirkan energi ke suatu rangkaian listrik, contohnya adalah transistor dan diode. Komponen lainya yaitu pasif yang bersifat menyerap atau menyimpan energi dari suatu sumber dalam bentuk medan listrik atau medan magnet, contohnya adalah resistor (R), kapasitor (C), dan induktor (L) (Navi dan Edminister 2005). Resistor berfungsi untuk menghambat aliran arus listrik. Sebagian besar resistor dibuat dari karbon yang dinamakan resistor film karbon. Resistor karbon menggunakan cincin sandi warna pada resistor untuk

2 menunjukan nilai hambatan. Kapasitor merupakan piranti elektronika yang mampu menyimpan muatan listrik (kapasitansi). Umumnya, nilai kapasitansi sebuah kapasitor ditentukan oleh bahan dielektrik yang digunakan (Suciati dan Dzakwan 2009). Transistor adalah sebuah alat semikonduktor non-linier yang bermanfaat memperkuat sinyal dan menghubungkan sinyal elektronik dan daya listrik. Komponen ini mempunyai tiga terminal yang dilabeli sebagai base, collector, dan emiter. Diode berfungsi menghantarkan arus pada tegangan maju dan menghambat arus pada tegangan balik (Theraja 2008). Sifat-sifat kelistrikan dan aliran listrik dalam suatu rangkaian dapat dipelajari dengan memahami beberapa hukum kelistrikan diantaranya hukum Ohm dan hukum Kirchoff. Hukum Ohm menyatakan bahwa tegangan yang melintasi berbagai jenis bahan pengantar berbanding lurus terhadap arus yang mengalir melalui bahan tersebut. Dan hukum Kirchoff menyatakan bahwa penjumlah aljabar semua arus yang memasuki sebuah simpul bernilai nol (Hayt et al. 2005). Tujuan Percobaan Percobaan bertujuan mempelajari komponen-komponen rangkaian listrik serta cara merangkai komponen tersebut. Perilaku arus yang mengalir serta besaran arus secara teoritis dan arus sebenarnya dipelajari kemudian dibandingkan hasilnya. Alat dan Bahan Metode percobaan Alat dan Bahan yang digunakan adalah PCB bread, resistor dengan berbagai ukuran, kapasitor dengan berbagai ukuran, diode berbagai jenis, transistor berbagai jenis, IC berbagai jenis, kabel koneksi, dan lampu LED berbagai warna. Alat yang digunakan adalah catu daya (variasi tegangan sampai 12 V) dan multimeter. Prosedur Percobaan Resistor Sejumlah resistor yang disiapkan. Nilai resistans resistor-resistor tersebut dihitung berdasarkan pita warna. Resistor-resistor tersebut kemudian dihubungkan dengan catu daya dan ditentukan besarnya hambatan dengan menggunakan multimeter. Selanjutnya pembacaan secara teoretis dan hasil pengukuran dibandingkan. Kapasitor Sejumlah kapasitor yang diberikan. Jenis kapasitor, ukuran kapasitans, dan tegangan operasi kapasitor dicatat. Masing-masing kapasitor dihubungkan dengan catu daya

3 dengan rangkaian seri dan juga paralel dan diukur tegangan yang tersimpan dengan menggunakan multimeter. Transistor Sejumlah transistor yang diberikan. Jenis, ukuran, dan spesifikasi dari transistor yang diberikan diidentifikasi. Diode yang terdapat pada praktikum dan ditentukan jenisnya, kode, dan tegangannya. Rangkaian Listrik Rangkaian Seri dan Paralel (Hukum Ohm). Komponen listrik di rangkai dengan bentuk rangkaian berikut ini dengan R 1 = 2200 Ω, dan R 2 = 1000 Ω pada tegangan 5,56 V. Arus dan tegangan di ukur pada I 1 dan I 2 sebelum dan sesudah posisi R 1 serta R 2. Pengukuran dilakukan kembali dengan mekanisme yang sama tetapi ukuran R 1 dan R 2 diganti dengan berbagai variasi ukuran resistor yang lain. Hasil pengukuran dari percobaan dibandingkan dengan hasil perhitungan secara teoretis. Hukum penjumlahan kirchoff Alat dirangkai sesuai dengan diagram di bawah ini. Digunakan R 1 dengan ukuran 2200 Ω, R 2 sebesar 1000 Ω, R 3 sebesar 5600 Ω, R 4 sebesar 270 Ω, dan R Ω. Catu daya pada V 1 diatur sebesar +6 V, V 2 sebesar +9 V, dan V 3 sebesar +12 V. Besarnya arus dan tegangan yang mengalir di dalam siklus yang terjadi pada Rangkaian Kirchoff. Penggunaan tegangan dan resistor dapat diubah sesuai yang diinginkan pada saat praktikum. Praktikan diminta untuk mennetukan tegangan dan arus yang mengalur pada siklus 1, siklus 2, dan siklus 3. Kapasitor Komponen listrik dirangkai pada sesuai dengan skema berikut ini. Arus dan tegangan diukur pada titik-titik diatara C 1, C 2, C 3, C 4 dari rangkaian 1 dan rangkaian 2. Ukuran tegangan C 1, C 2, C 3, dan C 4 menyesuaikan dengan nilai tegangan catu daya yang digunakan yaitu +12 V. (nilai tegangan catu daya tidak boleh melewati batas maskimum tegangan aplikasi kapasitor) Transistor Komponen listrik dirangkai pada sesuai dengan skema berikut ini. Digunakan tegangan +9 V dengan resistor masing-masing yaitu 10 kω dan 470 Ω. Lampu LED B dan LED C diamati nyalanya. Apabila resistor pada di titik B dengan angka 20k Ω dan amati yang terjadi pada LED B dan LED C. Demikian juga bila resistor pada posisi C diganti dengan nilai yang lebih besar. Transistor yang digunakan tipe NPN BC108, BC182 atau BC548.

4 Rangkaian aplikasi fotometer Fotometer ini akan menentukan arus yang mengalir dalam suatu rangkaian dna pengaruh dari cahaya terhadap sensor LDR (light dependant resistor). LDR akan meningkatkan resistansi bila terkena radiasi cahaya. Apabila antara lampu led dan LDR diletakkan kuvet maka prinsip spektrofotometer sederhana berlaku. Instrumen dirangkai sesuai dengan skema seperti di bawah ini dari komponen telah disediakan dan tinggal dipilih. Lampu led dengan berbagai warna digunakan dan potensial diukur pada titik luaran (output). Pengukuran dilakukan di dalam wadah gelap/terhindar dari sinar yang bersala dari luar. Rangkaian fotometer ditunjukkan pada Gambar 6. (perlu Op Amp tipe 3140 dan soket 8 kaki). Hasil dan Pembahasan Percobaan rangkaian listrik diawali dengan menyiapkan resistor sebanyak 15 buah dengan variasi warna yang berbeda-beda. Resistor biasanya berbentuk silinder dengan dua kawat sebagai terminalnya, bagian tengahnya terdapat pita-pita warna yang dikenal juga sebagai kode resistor. Pita-pita warna ini dapat digunakan untuk melihat nilai resitansi, toleransi, dan juga koefisien temperatur. Nilai resistansi dihitung nilai resistansinya secara manual dengan melihat urutan pita warna pada bagian tengah resistor. Setiap warna pada urutan yang berbeda mempunyai arti nilai yang berbeda juga. Contohnya adalah data nomor 1 pada Tabel 1. Warna merah pada pita pertama melambangkan nilai 2, selanjutnya warna merah pada pita kedua melambangkan nilai 2, dan warna merah pada pita ketiga melambangkan nilai Oleh karena itu, nilai resistansinya yang terhitung adalah Ω atau 2200 Ω. Nilai resistansi juga diukur dengan alat multimeter sehingga hasilnya dapat dibandingkan dengan nilai resistansi yang diukur secara manual dengan melihat urutan warna pita. Berdasarkan hasil percobaan pada Tabel 1 dapat dilihat bahwa nilai resistansi hasil pengukuran menggunakan multimeter dengan perhitungan secara manual memiliki nilai yang mirip, karena hanya dibedakan oleh toleransi dari pita keempat yaitu emas sebesar ± 5%. Hal tersebut menandakan resistor yang digunakan dalam percobaan kondisinya dalam keadaan yang baik. Pada percobaan rangkaian listrik, dilakukan pengamatan untuk membandingkan nilai hambatan, tegangan, dan arus yang diukur menggunakan alat multimeter dari suatu rangkaian listrik dengan nilai yang dihitung berdasarkan teori dari hukum Ohm. Ada dua rangkaian listrik, yaitu rangkaian listrik seri dan paralel. Tabel 2 memperlihatkan hasil yang diperoleh pada percobaan. Perbandingan nilai hambatan total pada kedua rangkaian nilainya tidak berbeda jauh, tetapi untuk nilai tegangan dan nilai arus dari kedua rangkaian diperoleh hasil yang jauh secara signifikan. Hal ini dapat disebabkan oleh adanya kesalahan antara lain kesalahan dalam rangkaian listrik seri maupun paralel atau penempatan titik pengukuran yang dilakukan menggunakan multimeter belum tepat.

5 Cara kerja kapasitor adalah membentuk lapisan muatan yang berbeda di dua sisi lapisan dielektrik. Lapisan listrik akan tetap ada sampai terdapat sambungan yang dapat menyebabkan lapisan listrik terlepas dan jika ada sumber listrik yang lain maka lapisan listrik tersebut akan terbentuk kembali, sehingga terjadi suatu siklus yang berulang. Bahan dielektrik ini jenisnya bermacam-macam, ada yang terbuat dari kertas, keramik, polipropilena, elektrolit dan beberapa bahan lainnya. Kapasitor yang diamati semuanya berjenis kapasitor elektrolit seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1 dengan kapasitansi yang digunaka, yaitu 25 V 6800 µf. Untuk mebedakan muatan positif atau negatifnya dapat dilihat pada bagian luar kapasitor, yang kakinya lebih pendek (atau disamping label terdapat lambang negatif) bermuatan negatif dan yang lebih panjang bermuatan positif terlihat pada Gambar 1. Salah satu pasang kapasitor dengan nilai kapasitansi yang sama dihubungkan dengan rangkaian seri dan paralel dan diberi tegangan dari catu daya. Hasil pengukuran diperlihatkan pada Tabel 3, tegangan yang tersimpan pada rangkain seri akan berbeda satu sama lain, sedangkan pada rangkaian paralel tegangan yang terukur akan sama atau tidak berbeda jauh. Hal ini menujukkan untuk menghasilkan tegangan yang besar kapasitor harus disusun secara pararel. Untuk spesifikasi dioda, cara membedakan kakinya dilihat dari kaki yang dekat dengan garis berwarna silver akan dihubungkan dengan sumber negatif, sedangkan yang berjauhan akan dihubungkan dengan sumber positif pada multimeter.pada percobaan hukum penjumlahan Kirchoff, digunakan rangkaian dengan lima buah transistor yang dihubungkan secara seri dan juga paralel sehingga membentuk 3 loop yang berbeda. Hukum tegangan Kirchoff menyatakan jumlah aljabar seluruh tegangan pada sistem tertutup adalah nol. Hasil yang diperoleh pada Tabel 4 relatif mempunyai perbedaan yang tidak terlalu jauh dengan yang terukur. Oleh karena itu sudah mengikuti hukum tegangan Kirchoff. Transistor memunyai prinsip kerja mentransfer atau memindahkan arus. Transistor memiliki 3 kaki, yaitu Base (B), Collector (C), dan Emiter (E). Kaki Collector pada transistor NPN (negatif-positif-negatif) selalu berada pada kutub positif, sedangkan pada transistor PNP (positif-negatif-positif) selalu pada kutub negatif (Clack et al. 2015). Transistor dirangkai terlebih dahulu, kemudian digunakan tegangan +9 V dengan resistor masing-masing, yaitu 10 kω dan 470 Ω. Lambu LED B mempunyai nyala yang lebih redup dibandingkan dengan lampu LED C. Hal ini disebabakan adanya hambatan pada LED B yang lebih besar dibandingkan LED C. Apabila lampu LED C dicabut maka arus listrik akan tetap berjalan sehingga lampu LED B tetap nyala. Sedangkang lambu B dicabut maka listrik tidak dapat berjalan karena aliran listrik tidak dapat tersambungkan ke lampu LED C. Pada rangkaian aplikasi fotometer digunakan light dependent resistor (LDR) sebagai detektor cahaya. LDR terdiri dari sebuah cakram semikonduktor yang mempunyai dua buah elektrode pada permukaannya. LDR adalah resistor yang nilai hambatannya berubah karena pengaruh cahaya. Hasil pengkuran LED pada kondisi ruangan terbuka nilai resistannya sebesar 355 Ω namun, setelah LDR ditutup nilai resistannya sebesar 2.66x10 3 Ω. Hal ini mununjukkan bila kekurangan cahaya maka nilai potensialnya semakin kecil, sedangkan bila cahayanya terang nilai potensialnya menjadi lebih besar. Prinsipnya pada saat LDR kekurangan cahaya, cakram semikonduktor akan

6 menghasilkan elektron dengan jumlah yang sedikit, sehingga memiliki resistansi yang besar. Akan tetapi saat cahaya terang, cakram semikonduktor akan menghasilkan elektron dengan jumlah yang lebih banyak, sehingga memiliki resistansi yang kecil. Simpulan Hasil nilai pengukuran hambatan secara teoritis menunjukkan nilai yang dihasilkan tidak berbeda jauh dengan nilai pengukuran hambatan menggunakan alat multimeter. Rangkaian listrik secara seri maupun paralel sesuai dengan hukum Ohm yang dibuktikan arus yang terukur semakin kecil dengan bertambahnya nilai hambatan dari resistornya. LDR dapat digunakan sebagai detektor pada rangkaian fotometer sederhana karena memberikan respon yang berbeda pada berbagai kondisi intensitas cahaya. Daftar Pustaka Clack CTM, Xie Y, and Donald M Linear programming techniues for developing an optimal electrical system incluiding high-voltage direct-current transmission and storage. International Journal of Electrical Power and Energy 68: Hayt Jr. WH, JE Kemmerly, Steven Durbin Rangkaian Listrik Jilid 2. Jakarta (ID) : Erlangga. Navi M, Edminister JA Schaum s Easy Outlines: Rangkaian Listrik. Jakarta (ID): Erlangga. Suciati SW, Dzakwan A Analisis Jembatan Schering Sebagai Pengondisi Sinyal Sensor Kapasitansi Dielektrrik Suatu Kapasitor. Lampung (ID): Universitas Lampung Press. Theraja, B Basic Electronics, Third Edition. New Delhi (IN): S.Chand and Company LTD.