MODUL 3 HUKUM OHM & KIRCHOFF, VOLTAGE & CURRENT DIVIDER, MESH NODAL & THEVENIN
1. Pendahuluan[kembali]
Hukum Ohm, Hukum Kirchhoff, Voltage & Current Divider, serta metode analisis Mesh, Nodal, dan Teorema Thevenin adalah konsep dasar dalam bidang teknik elektronika dan listrik yang digunakan untuk menganalisis dan merancang rangkaian listrik.
Hukum Ohm menyatakan hubungan antara tegangan, arus, dan resistansi dalam sebuah rangkaian listrik. Hukum Ohm menyatakan bahwa arus yang mengalir melalui suatu konduktor (seperti kawat) antara dua titik dalam suatu rangkaian listrik, berbanding lurus dengan tegangan listrik di antara kedua titik tersebut, dan berbanding terbalik dengan hambatan konduktor tersebut. Rumus matematisnya adalah V = I x R, di mana V adalah tegangan (Volt), I adalah arus (Ampere), dan R adalah hambatan (Ohm).
Hukum Kirchoff, terdiri dari Hukum Arus Kirchoff dan Hukum Tegangan Kirchoff, digunakan untuk menganalisis aliran arus dan tegangan dalam suatu rangkaian tertutup. Hukum Kirchoff terdiri dari dua hukum utama, yaitu Hukum Kirchhoff I (Hukum Arus Kirchoff) dan Hukum Kirchoff II (Hukum Tegangan Kirchoff). Hukum Arus Kirchoff menyatakan bahwa total arus yang masuk ke suatu simpul (node) dalam suatu rangkaian listrik sama dengan total arus yang keluar dari simpul tersebut. Hukum Tegangan Kirchoff menyatakan bahwa total penjumlahan tegangan dalam suatu lintasan tertutup (loop) dalam suatu rangkaian listrik adalah nol.
Voltage & Current Divider adalah teknik untuk membagi tegangan atau arus dalam rangkaian resistor yang terhubung seri atau paralel dalam rangkaian listrik. Voltage Divider digunakan untuk membagi tegangan listrik antara dua resistor dalam rangkaian seri, sedangkan Current Divider digunakan untuk membagi arus antara dua resistor dalam rangkaian paralel.
Metode analisis Mesh, Nodal, dan Teorema Thevenin adalah teknik matematis yang digunakan untuk menyederhanakan dan menganalisis rangkaian listrik yang kompleks.
Metode analisis Mesh digunakan untuk menganalisis rangkaian listrik dengan cara mendefinisikan arus yang mengalir dalam setiap loop tertutup dalam rangkaian dan menerapkan Hukum Tegangan Kirchhoff II. Metode analisis Nodal digunakan untuk menganalisis rangkaian listrik dengan cara mendefinisikan tegangan pada setiap simpul dalam rangkaian dan menerapkan Hukum Arus Kirchoff.
Teorema Thevenin menyatakan bahwa suatu rangkaian listrik linier yang terdiri dari sumber tegangan (V) dan hambatan (R) dapat digantikan oleh suatu sumber tegangan tunggal (Vth) dan hambatan tunggal (Rth) jika dilihat dari dua titik terminal tertentu. Ini memudahkan analisis rangkaian yang kompleks dengan menggantikan sebagian rangkaian dengan model yang lebih sederhana.
2. Tujuan [kembali]
- Dapat memahami prinsip Hukum Ohm.
- Dapat memahami prinsip Hukum Kirchoff.
- Dapat memahami cara kerja voltage dan current divider.
- Dapat membuktikan perhitungan arus dengan menggunakan Teorema Mesh.
- Dapat membuktikan perhitungan tegangan dengan menggunakan Analisis Nodal.
- Dapat menentukan tegangan ekivalen Thevenin dan resistansi Thevenin dari rangkaian DC dengan satu sumber.
3. Alat Dan Bahan [kembali]
A. Alat/Intrument
1. Module
2. DC Power Supply
3. Multimeter
4. Voltmeter (Model 2011)
5. Amperemeter (Model 2011)
6. Jumper 7. Base station
4. Dasar Teori [kembali]
“Kuat arus yang mengalir dalam suatu penghantar atau hambatan besarnya sebanding dengan beda potensial atau tegangan antara ujung-ujung penghantar tersebut. Pernyataan itu bisa dituliskan sebagai berikut yaitu I ∞ V.” Hukum Ohm dirumuskan oleh fisikawan Jerman Georg Simon Ohm pada tahun 1827 dan dinyatakan dalam persamaan matematis sederhana:
V = I⋅R
V = tegangan dalam volt (V),
I = arus dalam ampere (A), dan
R = resistansi dalam ohm (Ω).
Hukum Ohm menyatakan bahwa tegangan pada suatu komponen dalam suatu rangkaian sebanding dengan arus yang mengalir melaluinya, dengan resistansi sebagai faktor proporsionalitasnya. Artinya, jika resistansi tetap, maka arus dan tegangan akan memiliki hubungan linier. Jika resistansi meningkat, arus akan menurun untuk mempertahankan proporsionalitas dengan tegangan.
Hukum I Kirchoff:
"Jumlah kuat arus listrik yang masuk ke suatu titik cabang akan sama dengan jumlah kuat arus listrik yang meninggalkan titik itu."
Hukum I Kirchhoff biasa disebut Hukum Arus Kirchhoff atau Kirchhoff’s Current Law (KCL).
Berdasarkan gambar di atas, besar kuat arus total yang melewati titik percabangan a secara matematis dinyatakan
Σ Imasuk = Σ Ikeluar
yang besarnya adalah
I1 = I2 + I3.
Hukum II Kirchoff:
"Jumlah aljabar beda potensial (tegangan) pada suatu rangkaian tertutup adalah sama dengan nol."
Hukum II Kirchhoff biasa disebut Hukum Tegangan Kirchhoff atau Kirchhoff’s Voltage Law (KVL).
Berdasarkan gambar di atas, total tegangan pada rangkaian adalah Vab + Vbc + Vcd + Vda = 0. Hukum II Kirchhoff ini menjelaskan bahwa jumlah penurunan beda potensial sama dengan nol artinya tidak ada energi listrik yang hilang dalam rangkaian atau semua energi listrik diserap dan digunakan.
- Voltage & Current Divider
a. Rangkaian pembagi tegangan
Rangkaian pembagi tegangan adalah suatu rangkaian listrik yang dirancang untuk membagi tegangan input menjadi tegangan yang lebih kecil pada beberapa resistor yang terhubung secara seri atau paralel. Prinsip kerja dari rangkaian pembagi tegangan dapat dijelaskan dengan menggunakan hukum Ohm dan aturan pembagian tegangan Kirchhoff.
Prinsip Kerja Rangkaian Pembagi Tegangan:
- Resistansi Total (Rtotal): Rangkaian pembagi tegangan terdiri dari dua atau lebih resistor yang terhubung. Resistansi total dari rangkaian dapat dihitung dengan menggabungkan resistansi-resistansi tersebut sesuai dengan koneksi (seri atau paralel).
- Hukum Ohm: Hukum Ohm menyatakan bahwa arus dalam rangkaian sebanding dengan tegangan dan invers sebanding dengan resistansi. Dalam rangkaian pembagi tegangan, hukum Ohm digunakan untuk menghitung arus pada rangkaian.
I = Vin/Rtotal
- Aturan Pembagian Tegangan Kirchhoff: Aturan ini menyatakan bahwa dalam suatu simpul (node) dalam suatu rangkaian listrik, jumlah aliran arus menuju simpul tersebut sama dengan jumlah arus yang meninggalkan simpul tersebut. Dalam rangkaian pembagi tegangan, aturan ini diterapkan untuk simpul pada kedua ujung resistor pembagi.
Vin = V1 + V2 + ... + Vn
Dimana V1, V2, ..., Vn adalah tegangan pada masing-masing resistor.
- Tegangan Keluaran (Vout): Tegangan keluaran pada titik tertentu diambil dari resistor tertentu dalam rangkaian. Tegangan pada setiap resistor dihitung dengan menggunakan aturan pembagian tegangan Kirchhoff.
Vout = Vin x (Rtarget/Rtotal)
Dimana Rtarget adalah resistansi resistor yang terhubung pada titik keluaran.
b. Rangkaian pembagi arus
Rangkaian pembagi arus menggunakan sifat rangkaian paralel, yaitu jumlah arus yang masuk sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik percabangan. Rangkaian pembagi arus membagi arus total yang masuk ke dalam cabang-cabang rangkaian sesuai dengan perbandingan hambatan pada masing-masing cabang. Rumus untuk menghitung arus pada cabang ke-n adalah:
In = I × R~n/Rtotal
Dimana In adalah arus pada cabang ke-n, I adalah arus total yang masuk, Rtotal adalah hambatan pengganti rangkaian paralel, dan R~n adalah hambatan pada cabang selain cabang ke-n.
Metode arus Mesh merupakan prosedur langsung untuk menentukan arus pada setiap resistor dengan menggunakan persamaan simultan. Langkah pertamanya adalah membuat loop tertutup (disebut juga mesh) pada rangkaian. Loop tersebut tidak harus memiliki sumber tegangan, tetapi setiap sumber tegangan yang ada harus dimasukkan ke dalam loop. Loop haruslah meliputi seluruh resistor dan sumber tegangan. Dengan arus Mesh, dapat ditulis persamaan Kirchoff’s Voltage Law untuk setiap loop.
Analisis node adalah metode untuk menganalisis rangkaian listrik dengan menggunakan hukum arus Kirchhoff (KCL), yaitu jumlah arus yang masuk dan keluar dari suatu titik percabangan sama dengan nol. Analisis node membutuhkan penentuan simpul referensi (ground), yang merupakan titik acuan untuk mengukur tegangan node di rangkaian. Tegangan node adalah perbedaan potensial antara suatu simpul dengan simpul referensi.
Analisis node menghasilkan persamaan tegangan node independen sebanyak n-1, di mana n adalah jumlah simpul termasuk simpul referensi. Persamaan-persamaan ini dapat diselesaikan dengan metode eliminasi, substitusi, atau matriks untuk mendapatkan nilai tegangan node di setiap simpul.
Teorema Thevenin merupakan salah satu metode penyelesaian rangkaian listrik kompleks menjadi rangkaian sederhana yang terdiri atas tegangan thevenin dan hambatan thevenin yang terhubung secara seri. Beberapa aturan dalam menetapkan Vth dan Rth, yaitu:
1. Vth adalah tegangan yang terlihat melintasi terminal beban. Dimana pada rangkaian asli, beban resistansinya dilepas (open circuit). Jika dilakukan pengukuran, maka diletakkan multimeter pada titik open circuit tersebut.
2. Rth adalah resistansi yang terlihat dari terminal pada saat beban dilepas (open circuit) dan sumber tegangan yang dihubung singkat (short circuit).
.png){kind=logo}
.jpg)
.jpg)
.jpg)
