ii

Analisis Rangkaian

Listrik Jilid-1

Sudaryatno Sudirham

Darpublic Edisi Oktober 2012

i

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

oleh Sudaryatno Sudirham

ii

Hak cipta pada penulis.

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

iii

Kata Pengantar

Buku Analisis Rangkaian Listrik pernah diterbitkan pada tahun 2002 oleh Penerbit ITB. Isi buku tersebut penulis tata-ulang dan penulis sajikan dalam tiga jilid agar lebih leluasa memperbaiki materi bahasan, disesuaikan dengan kebutuhan. Buku jilid pertama ini berisi pokok-pokok bahasan yang diarahkan untuk membangun kemampuan melakukan analisis rangkaian listrik, ditujukan kepada para pembaca yang untuk pertama kali mempelajari rangkaian listrik. Materi bahasan mencakup analisis di kawasan waktu yang penulis sajikan dalam sebelas bab, dan analisis di kawasan fasor (analisis Rangkaian Arus Bolak-Balik keadaan mantap) dalam lima bab.

Lima bab pertama dari keseluruhan materi bahasan, berisi bahasan mengenai perilaku piranti-piranti listrik maupun besaran fisis yang ada dalam rangkaian. Dengan pengertian tentang kedua model ini, bahasan masuk ke landasan-landasan untuk melakukan analisis rangkaian listrik di empat bab berikutnya, disusul dengan dua bab yang berisi contoh aplikasi analisis rangkaian. Lima bab terakhir berisi analisis rangkaian di kawasan fasor sistem satu-fasa serta pengenalan pada sistem tiga-fasa berbeban seimbang. Dengan memahami materi bahasan pada buku jilid pertama ini, pembaca akan mampu melakukan analisis rangkaian yang biasa disebut rangkaian arus searah dan rangkaian arus bolak-balik.

Tulisan ini dibuat untuk umum, dapat diunduh secara cuma-cuma di www.darpublic.com. Mudah-mudahan sajian ini bermanfaat bagi para pembaca. Penulis mengharapkan saran dan usulan para pembaca untuk perbaikan dalam publikasi selanjutnya.

Bandung, Oktober 2012 Wassalam,

Penulis

iv

Darpublic Kanayakan D-30, Bandung, 40135

v

Daftar Isi Kata Pengantar iii

Daftar Isi v

Bab 1: Pendahuluan 1 Pengertian Rangkaian Listrik . Pengertian Analisis Rangkaian Listrik. Struktur Dasar Rangkaian, Besaran Listrik, Kondisi Operasi. Landasan Untuk Melakukan Analisis.Cakupan Bahasan

Bab 2: Besaran Listrik Dan Model Sinyal 7 Besaran Listrik. Sinyal dan Peubah Sinyal. Bentuk Gelombang Sinyal.

Bab 3: Pernyataan Sinyal Dan Spektrum Sinyal 35 Pernyataan-Pernyataan Gelombang Sinyal. Spektrum Sinyal.

Bab 4: Model Piranti Pasif 55 Resistor. Kapasitor. Induktor. Induktansi Bersama. Saklar. Elemen Sebagai Model Dari Gejala. Transformator Ideal.

Bab 5: Model Piranti Aktif, Dioda, dan OPAMP 81 Sumber Bebas. Sumber Praktis. Sumber Tak-Bebas. Dioda Ideal. Penguat Operasional (OP AMP).

Bab 6: Hukum-Hukum Dasar 107 Hukum Ohm. Hukum Kirchhoff. Basis Analisis Rangkaian.

Bab 7: Kaidah dan Teorema Rangkaian 119 Kaidah-Kaidah Rangkaian. Teorema Rangkaian.

Bab 8: Metoda Analisis Dasar 141 Metoda Reduksi Rangkaian. Metoda Keluaran Satu Satuan. Metoda Superposisi. Metoda Rangkaian Ekivalen Thvenin.

Bab 9: Metoda Analisis Umum 157 Metoda Tegangan Simpul. Metoda Arus Mesh. Catatan Tentang Metoda Tegangan Simpul dan Arus Mesh.

vi

Bab 10: Rangkaian Arus Searah 179 Pengukur Tegangan dan Arus Searah. Pengukuran Resistansi. Resistansi Kabel Penyalur Daya. Penyaluran Da ya Melalui Saluran Udara. Diagram Satu Garis. Jaringan Distribusi Daya. Batere. Generator Arus Searah.

Bab 11: Rangkaian Dioda dan OP AMP 199 Rangkaian Dengan Dioda. Rangkaian Dengan OP AMP. Diagram Blok. Rangkaian OP AMP Dinamik .

Bab 12: Rangkaian Arus Bolak-Balik 225 Fasor Dan Impedansi. Resistansi, Reaktansi, Impedansi. Kaidah-Kaidah Rangkaian Impedansi.

Bab 13: Teorema dan Metoda Analisis di Kawasan Fasor 247 Teorema Rangkaian di Kawasan Fasor. Metoda-Metoda Analisis Dasar. Metoda-Metoda Analisis Umum. Rangkaian Resonansi.

Bab 14: Analisis Daya 265 Umum. Tinjauan Daya di Kawasan waktu : Daya Rata-Rata dan Daya Reaktif. Tinjauan Daya di Kawasan Fasor: Daya Kompleks, Faktor Daya. Alih Daya. Alih Daya Maksimum.

Bab 15: Penyediaan Daya 287 Transformator. Penyediaan Daya dan Perbaikan Faktor Daya. Diagram Satu Garis.

Bab 16: Pengenalan Pada Sistem Tiga-fasa 305 Sumber Tiga-fasa dan Sambungan ke Beban. Analisis Daya Pada Sistem Tiga-fasa. Diagram Satu Garis.

Lampiran I 325

Lampiran II 329

Lampiran III 339

Daftar Pustaka 353

Biodata Penulis 354

Indeks 335

Pendahuluan

1

BAB 1 Pendahuluan

Pengatahuan tentang analisis rangkaian listrik merupakan salah satu pengetahuan dasar yang diperlukan dalam teknik elektro, termasuk di dalamnya teknik biomedika.

1.1. Pengertian Rangkaian Listrik

Rangkaian listrik (atau rangkaian elektrik) merupakan interkoneksi berbagai piranti (divais device) yang secara bersama melaksanakan suatu tugas tertentu. Tugas itu dapat berupa pemrosesan energi ataupun pemrosesan informasi. Melalui rangkaian listrik, energi maupun informasi dikonversikan menjadi energi listrik dan sinyal listrik, dan dalam bentuk sinyal inilah energi maupun informasi dapat disalurkan dengan lebih mudah ke tempat ia diperlukan.

Kalau dalam pemrosesan energi masih digunakan sinyal analog, tidak demikian halnya dengan pemrosesan informasi. Pemanfaatan sinyal analog telah digantikan oleh sinyal-sinyal digital sehingga kualitas informasi video, audio, maupun data, menjadi sangat meningkat. Pemanfaatan sinyal digital sudah sangat meluas, mulai dari lingkungan rumah tangga sampai luar angkasa.

Walaupun terdapat perbedaan yang nyata pada bentuk sinyal dalam pemrosesan energi dan pemrosesan informasi, yaitu sinyal analog dalam pemrosesan energi dan sinyal digital dalam pemrosesan informasi, namun hakekat pemrosesan tidaklah jauh berbeda; pemrosesan itu adalah konversi ke dalam bentuk sinyal listrik, transmisi hasil konversi tersebut, dan konversi balik menjadi bentuk yang sesuai dengan kebutuhan.

Sistem pemroses energi maupun informasi, dibangun dari rangkaian-rangkaian listrik yang merupakan interkoneksi berbagai piranti. Oleh karena itu langkah pertama dalam mempelajari analisis rangkaian listrik adalah mempelajari model sinyal dan model piranti. Karena pekerjaan analisis menggunakan model-model, sedangkan model merupakan pendekatan terhadap keadaan yang sebenarnya dengan pembatasan-pembatasan tertentu, maka hasil suatu analisis harus juga difahami sebagai hasil yang berlaku dalam batas-batas tertentu pula.

Pendahuluan

2 Sudaryatno Sudirham, Analisis Rangkaian Listrik (1)

1.2. Pengertian Analisis Rangkaian Listrik

Untuk mempelajari perilaku suatu rangkaian listrik kita melakukan analisis rangkaian listrik. Rangkaian listrik itu mungkin hanya berdimensi beberapa sentimeter, tetapi mungkin juga membentang ratusan bahkan ribuan kilometer. Dalam pekerjaan analisis, langkah pertama yang kita lakukan adalah memindahkan rangkaian listrik itu ke atas kertas dalam bentuk gambar; gambar itu kita sebut diagram rangkaian.

Suatu diagram rangkaian memperlihatkan interkoneksi berbagai piranti; piranti-piranti tersebut digambarkan dengan menggunakan simbol piranti. Jadi dalam suatu diagram rangkaian (yang selanjutnya kita sebut dengan singkat rangkaian), kita melihat bagaimana berbagai macam piranti saling dihubungkan.

Perilaku setiap piranti kita nyatakan dengan model piranti. Untuk membedakan piranti sebagai benda nyata dengan modelnya, maka model itu kita sebut elemen rangkaian. Sinyal listrik yang hadir dalam rangkaian, kita nyatakan sebagai peubah rangkaian yang tidak lain adalah model matematis dari sinyal-sinyal tersebut. Jadi dalam pekerjaan analisis rangkaian listrik, kita menghadapi diagram rangkaian yang memperlihatkan hubungan dari berbagai elemen, dan setiap elemen memiliki perilaku masing-masing yang kita sebut karakteristik elemen; besaran-fisika yang terjadi dalam rangkaian kita nyatakan dengan peubah rangkaian (variable rangkaian) yang merupakan model sinyal. Dengan melihat hubungan elemen-elemen dan memperhatikan karakteristik tiap elemen, kita melakukan perhitungan peubah-peubah rangkaian.

Perhitungan-perhitungan tersebut mungkin berupa perhitungan untuk mencari hubungan antara peubah yang keluar dari rangkaian (kita sebut dengan singkat keluaran) dan peubah yang masuk ke rangkaian (kita sebut dengan singkat masukan); ataupun mencari besaran keluaran dari suatu rangkaian jika masukan dan karakteristik setiap elemen diketahui. Inilah pekerjaan analisis yang memberikan hanya satu hasil perhitungan, atau jawaban tunggal. Pekerjaan lain yang belum tercakup dalam buku ini adalah pekerjaan perancangan, yaitu mencari hubungan elemen-elemen jika masukan dan keluaran ditentukan. Hasil pekerjaan perancangan akan memberikan lebih dari satu jawaban dan kita harus memilih jawaban mana yang kita ambil dengan memperhitungkan tidak saja aspek teknis tetapi juga aspek lain misalnya aspek ekonomi, aspek lingkungan, dan bahkan estetika.

Pendahuluan

3

Telah dikatakan di atas bahwa hasil suatu analisis harus difahami sebagai hasil yang berlaku dalam batas-batas tertentu. Kita akan melihat bahwa rangkaian yang kita analisis kita anggap memiliki sifat linier dan kita sebut rangkaian linier; ia merupakan hubungan elemen-elemen rangkaian yang kita anggap memiliki karakteristik yang linier. Sifat ini sesungguhnya merupakan pendekatan t