Lab TF 1 Modul 4kuliah.itera.ac.id/pluginfile.php/83564/mod_resource...Teknik Fisika ITERA Lab TF I...

Teknik Fisika ITERA Lab TF I - Rangkaian DC - 1

Lab TF 1 – Modul 4

4 Rangkaian DC

4.1. Tujuan Praktikum

Pada suatu rangkaian listrik yang dialiri oleh listrik DC (dirrect current) akan berlaku beberapa hukum. Untuk

memahami hukum-hukum tersebut, pada praktikum ini mahasiswa akan memperoleh:

• ketrampilan mengukur hambatan, tegangan DC, dan arus DC menggunakan multimeter

• ketrampilan membaca harga resistor

• kemampuan menganalisis rangkaian DC berdasar hukum kirchoff dan Superposisi

• kemampuan mengaplikasikan hukum thevenin dan norton pada rangkaian DC

4.2. Alat dan Bahan

Untuk pelaksanaan praktikum modul ini, alat dan bahan yang diperlukan adalah:

No Nama Banyak Keterangan

1 Multimeter 1 1 Disediakan

2 Tool-Kit (test-pen) 1 Disiapkan Praktikan

3 Kit Sumber Tegangan dan Arus 1 Disediakan

4 Kit Rangkaian DC 1 Disediakan

5 Trafo 1 Disediakan

6 Multimeter 2 1 Disediakan

7 Catu daya DC 1 Disediakan

4.3. Dasar Teori

4.1.1. Hukum Ohm

Hukum paling dasar dalam suatu rangkaian listrik DC adalah hukum ohm:

𝑅 =𝑉

𝐼 (4.1)

R : hambatan (Ohm)

V : tegangan (Volt)

I : arus (Ampere)

Sementara itu daya listrik dirumuskan sebagai :

𝑃 = 𝑉. 𝐼 (4.2)


4.1.2. Resistor dan Potensiometer

Resistor adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai hambatan. Ada tiga spesifikasi resistor yakni:

• Daya: menyatakan batas maksimum daya listrik yang bisa melalui resistor ini.

• Nilai hambatan : menyatakan besarnya hambatan dalam satuan ohm.

• Toleransi hambatan: menyatakan batas simpangan hambatan sebenarnya dari nilai tertera, dalam persen.

(Sumber: http://www.electronicshub.org/introduction-to-resistors/)

Bentuk fisik resistor menentukan dayanya seperti nampak pada Gambar 4.1. Daya resistor tersebut membatasi arus

atau tegangan yang bisa dikenakan padanya sesuai persamaan:

𝐼𝑚𝑎𝑥 =𝑃

𝑅2 atau 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 𝑃.𝑅2 (4.3)

P : daya resistor

R : hambatan resistor

Imax : arus maksimum

Vmax : tegangan maksimum PERHATIAN, resistor akan terbakar jika diberi arus atau tegangan melebihi maksimum !!!

Sementara itu nilai hambatan resistor tertera pada badannya. Untuk transistor 5W, nilainya tertulis dengan angka

sehingga langsung bisa dibaca. Sementara itu pada transistor yang lebih kecil, nilai hambatan dan toleransi diberikan

dalam kode gelang berwarna (colored ring) sebagai berikut.

Gambar 4.1: Bentuk resistor sesuai daya


(Sumber: http://www.williamson-labs.com/resistors.htm)

Sementara itu potensiometer adalah komponen yang memiliki 3 kaki, dimana resistansi antara kaki 1 dan 3 selalu

tetap (maksimum) sesuai nilai yang tertera pada padanya. Sementara itu hambatan kaki-2 terhadap kaki-1 dapat

berubah dari nol hingga maksimum jika poros aturnya (wiper) diputar.

http://www.electronics-tutorials.ws/resistor/potentiometer.html

Gambar 4.3: Potensiometer

4.1.3. Sumber Daya Listrik

Ada dua jenis sumber daya listrik ideal yakni :

• Sumber tegangan (voltage source): komponen yang mampu menghasilkan tegangan teratur (V regulated)

antara kedua kutubnya jika terhubung ke rangkaian beban yang berubah (R variabel), dengan konsekuensi

harus sanggup memberi arus sesuai beban:

Gambar 4.2: Kode cincin warna resistor

http://www.williamson-labs.com/resistors.htm


𝐼𝑣𝑎𝑟 =𝑉𝑟𝑅𝑣𝑎𝑟

• Sumber arus (current source): komponen yang mampu mengalirkan arus konstan (I regulated) jika

terhubung ke rangkaian beban (R variabel), dengan konsekuensi harus mengubah tegangan jepitnya sesuai

beban:

𝑉𝑣𝑎𝑟 = 𝐼𝑟 . 𝑅𝑣𝑎𝑟 Sumber tegangan ideal sulit diwujudkan. Pada umumnya sumber tegangan dimodelkan seperti Gambar 4.4. Sumber

tegangan tak ideal akan memiliki hambatan dalam seri bernilai kecil, namun lebih besar dari nol. Sementara itu

sumber arus tak ideal, memiliki hambatan dalam paralel bernilai besar, namun tidak sampai tak-hingga.

Gambar 4.4: Model sumber tegangan dan sumber arus

Adanya hambatan dalam menyebabkan sebagian daya tak terpakai oleh beban. Dengan demikian efisiensi suatu

sumber tegangan adalah:

𝜂 =𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑

𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑+𝑃𝑠𝑒𝑟=

𝐼𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑

𝐼𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑+𝐼𝑅𝑠𝑒𝑟=

𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑

𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑+𝑅𝑠𝑒𝑟 (4.4)

Nampak bahwa semakin kecil Rser, efisiensi akan makin tinggi.

4.1.4. Hukum Kirchoff

Pada suatu rangkaian listrik yang mengandung berbagai hambatan dan interkoneksi, berlaku dua hukum Kirchoff

yang setara:

• Pada suatu titik koneksi, berlaku Kirchoff Current Law: ∑𝐼𝑖 = 0 (3.5.a)

• Pada suatu loop koneksi berlaku Kirchoff Voltage Law: ∑𝑉𝑖 = 0 (3.5.b)

Sebagai contoh, perhatikan rangkaian pada Gambar berikut. Perhatikan bahwa dalam simulasi ini dipakai sumber

tegangan tak ideal, memiliki Rser = 0.001 (cukup kecil).


Gambar 4.5: Rangkaian DC resistor

Dengan Kirchoff Current Law (KCL) dapat dipastikan bahwa pada:

Titik B : 𝐼11 + 𝐼12 + 𝐼22 = 0

Titik D : 𝐼31 + 𝐼32 + 𝐼22 = 0

Untuk mengamati hal ini dengan LTSpice, simulasikan rangkaian tersebut lalu tampilkan trace arus di R11, R12 dan

R22 seperti nampak pada Gambar 3.6.a. Perhatikan ARAH dari arus saat membuat plot. Dalam hal ini arah I(R11)

dan I(R12) adalah MASUK ke titik B, sementara I(R22) adalah KELUAR dari titik B. Dalam perhitungan hukum

Kirchoff, I(R22) harus diberi tanda negatif.

Sementara itu untuk mengamati KVL, bisa diamati pada beberapa loop:

Loop A-B-C : 𝑉1 + 𝑉11 + 𝑉12 = 0

Loop A-F-D-C : 𝑉1 + 𝑉21 + 𝑉31 + 𝑉32 = 0

Dengan simulasi Ltspice, trace tegangannya dapat dilihat pada Gambar 4.6.b. Pahami bahwa nilai tegangan pada

plot adalah terhadap ground. Sehingga V21 misalnya, adalah V(a) – V(f).


a. Arus di titik B

b. Tegangan di loop A-F-E-D

Gambar 4.6: Trace simulasi LTSpice rangkaian DC resistor

4.1.5. Fungsi Resistor

Adanya hambatan pada suatu rangkaian listrik selalu membuat sejumlah daya terbuang, sehingga hambatan sebisa

mungkin ditiadakan. Namun secara alamiah, hambatan muncul karena:

• Menjadi bagian dari sifat fisik komponen. Contoh nyata adalah kabel, selalu memiliki hambatan.

• Menjadi tempat terjadinya konversi energi. Misalnya saja pemanas (heater) memakai kawat nikelin dengan

hambatan tinggi, untuk mengubah daya listrik menjadi panas.

Sementara itu pada suatu rangkaian elektronika, komponen resistor memiliki beberapa fungsi, antara lain sebagai:

a. Pembatas arus

b. Pembagi arus

c. Pembagi tegangan

Sebagai contoh, ingin dinyalakan suatu LED yang memiliki spesifikasi :

• Daya nominal : 0,75 watt

• Arus nominal : 100 mA

• Tegangan nominal: 3.3 Volt


(a)

(b)

(c)

Gambar 4.7: Rangkaian fungsi resistor

Kondisi yang paling sering ditemui adalah, LED tersebut akan dicatu oleh suatu sumber tegangan V1. Jika langsung

dihubungkan, maka LED akan terbakar. Untuk itu diperlukan resistor pembatas arus seperti Gambar 4.7.a. Dengan

asumsi bahwa tahanan dalam D1 cukup kecil, maka R1 bisa dihitung dengan hukum ohm:

𝑅1 =𝑉1

𝐼𝐷1; V1 = 6 Volt; ID1 = 100mA

Jika yang dipakai adalah sumber arus I1, biasanya sumber arus tersebut digunakan langsung untuk mencatu LED

jika arusnya lebih kecil atau sama dengan rating arus LED (dalam hal ini 100mA). Jika lebih besar, maka bisa

digunakan rangkaian pembagi arus Gambar 4.7.b. Harga R1 bisa dihitung berdasar KVL, yaitu:

(𝑅1 + 𝑅2)𝐼1 = 𝑅1𝐼𝐷1 ; I1 = 500mA; R2 = 100; ID1 = 100mA

Kegunaan lain resistor adalah sebagai pembagi tegangan. Fungsi ini biasanya dipakai jika ada rangkaian dengan

impedansi (tahanan) besar membutuhkan tegangan masukan tertentu. Sebagai contoh, Gambar 4.7.c.

memperlihatkan bahwa LED diberi komponen transistor (akan dipelajari pada praktikum lanjut), sehingga tahanan

antara titik A ke ground (melalui transistor dan LED) menjadi sangat besar. Sementara itu, sesuai rating LED dan

sifat transistor, tegangan pada titik A haruslah:

VA = VD1 + 0,6 ; VD1 = 3.3V.

Maka diperlukan R1 dan R2 sebagai pembagi tegangan agar VA bisa tercapai. Sesuai hukum Kirchoff, berlaku:

𝑉1

(𝑅1+𝑅2)=

𝑉𝐴

𝑅2 ; V1 = 6 Volt; R2 = 1K; VA = 3.9 V

4.1.6. Teorema Thevenin dan Norton

Kedua teori ini saling komplemen, berguna untuk menyederhanakan rangkaian DC yang rumit. Dinyatakan bahwa

suatu rangkaian listrik apapun, dengan sumber daya apapun, dapat disederhanakan menjadi:

• Satu sumber tegangan yang di-seri dengan sebuah tahanan (teorema Thevenin)

• Satu sumber arus yang di-paralel dengan sebuat tahanan (teorema Norton)

Misalkan suatu rangkaian DC asli seperti pada Gambar 3.8.a, dimana luaran dari rangkaian ini adalah titik A dan D,

sehingga beban adalah R21 dan R31. Rangkaian ekivalen thevenin dan norton nampak pada Gambar 3.8.c dan

Gambar 3.8.d. Jika dibandingkan dengan sumber daya Gambar 3.4, maka dapat dikatakan bahwa rangkaian ekivalen

thevenin adalah sumber tegangan tak ideal, sementara rangkaian ekivalen norton adalah sumber arus tak ideal.


(a) Rangkaian DC asli

(b) Rangkaian resistor dalam

(c) Rangkaian Ekivalen Thevenin (c) Rangkaian Ekivalen Norton

Gambar 4.8: Rangkaian thevenin dan norton

Untuk menemukan harga tegangan thevenin (Vth) maupun resistor thevenin (Rth) dapat dilakukan dengan cara

analitikal maupun eksperimental. Secara analitikal, rangkaian dalam dari rangkaian DC asli harus diketahui seperti

pada Gambar 3.8.a tersebut. Tahap-tahapnya adalah:

• Lepas tahanan pada port luaran (dalam hal ini R21 dan R31). Maka tegangan pada port luaran (dalam hal

antara A dan D) adalah tegangan thevenin (Vth).

• Hubung singkat kedua port luaran (dalam hal antara A dan D). Maka antara port luaran tersebut akan

mengalir arus norton (Int).

• Lepas beban dari kedua port luaran. Gantilah seluruh sumber daya dengan tahanan dalamnya (dalam hal

ini V1) seperti nampak pada Gambar 3.8.b. Hitung harga tahanan seluruh rangkaian dari port luaram

(dalam hal ini dari A ke D). Ini adalah tahanan thevenin (Rth), sekaligus tahanan norton (Rnt).

Sementara cara eksperimental dapat dilakukan tanpa mengetahui detail dari rangkaian dalam. Yang perlu dilakukan

cukup:

1. Lepas beban (dalam hal ini R21 dan R31), dan ukur tegangan luaran (dalam hal ini titik A dan D). Ini

disebut tegangan open circuit (Voc).

2. Sambung port luaran (dalam hal ini A ke D) dan ukur arus yang mengalir. Arus ini disebut arus short circuit

(Isc).

Dari situ dapat ditentukan :

𝑉𝑡ℎ = 𝑉𝑜𝑐 (4.6.a)

𝑅𝑡ℎ =𝑉𝑜𝑐

𝐼𝑠𝑐 (4.6.b)

Sementara itu untuk rangkaian ekivalen Norton, bisa ditentukan bahwa:

𝐼𝑛𝑡 = 𝐼𝑠𝑐 (4.7.a)


𝑅𝑛𝑡 =𝑉𝑜𝑐

𝐼𝑠𝑐 (4.7.b)

Apabila harga Vth dan Rth sudah diketahui, maka bila port luaran diberi beban RL, dengan mudah arus dan tegangan

jatuh pada RL dapat dihitung.

4.1.7. Sifat Linearitas

Suatu sistem memiliki sifat linier jika antara input dan outputnya berlaku :

• Scaling: 𝑦 = 𝑓(𝑎𝑥) = 𝑎𝑓(𝑥); 𝑎 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 (4.8)

• Superposisi: 𝑦 = 𝑓(𝑥1+. . . +𝑥𝑛) = 𝑓(𝑥1)+. . . +𝑓(𝑥𝑛) (4.9)

Sifat ini berlaku pada rangkaian listrik dengan komponen pasif resistor, kapasitor dan induktor, NAMUN tak berlaku

jika ada komponen seperti dioda atau transistor.

Gambar 4.9: Simulasi LTSpice Linearitas

Untuk membuktikan sifat pertama, bisa dilakukan simulasi LTSpice seperti Gambar 3.9. Dari rangkaian

sebelumnya, perubahan ada pada sumber daya (V1) yang diatur agar masukannya berupa sinyal ramp (Gambar

3.10). Dari simulasi ini, akan nampak bahwa luaran (misal tegangan di titik D) akan berubah proposional terhadap

masukan V1.


Gambar 4.10: Pengaturan tegangan masukan mode ramp

4.1.8. Teorema Superposisi

Sifat kedua sistem linear dinyatakan sebagai teorema superposisi. Teori ini menyatakan bahwa jika kondisi pada

suatu rangkaian listrik (tegangan atau arus) yang dihasilkan oleh beberapa sumber daya, akan SAMA DENGAN

JUMLAH dari kondisi yang dihasilkan oleh masing-masing sumber daya yang bekerja sendiri. Selama suatu sumber

daya bekerja sendiri, maka sumber daya lain digantikan oleh tahanan dalamnya. Untuk sumber daya ideal:

• Sumber tegangan diganti dengan koneksi tersambung

• Sumber arus diganti dengan koneksi terputus.

Untuk mensimulasikan hal ini, bisa dibuat tiga rangkaian Gambar 3.11. Pada ketiga rangkaian itu, bisa diamati

tegangan pada beberapa titik, misalnya VB dan VF. Akan terlihat bahwa tegangan pada percobaan ke-3 adalah

penjumlahan dari percobaan ke-1 dan ke-2.

Rangkaian I, hanya memakai sumber tegangan V1,

dipasang di titik-A (dan ground).

Pada titik D-E tak ada koneksi (terputus, atau bisa

dikatakan hambatannya tak hingga) karena di situ nanti

akan dipasang sumber arus.


Rangkaian II, hanya memakai sumber arus I1, terpasang

pada titik D-E.

Pada titik A-C ada koneksi, menggantikan sumber

tegangan V1.

Rangkaian III, terpasang V1 dan I1.

Gambar 4.11: Rangkaian superposisi dengan V1 dan I1

4.4. Tugas Awal

4.1.9. Tugas Praktikan

Buatlah simulasi untuk berbagai rangkaian berikut, dengan harga R31 senilai 5 x NIM (NIM = 3 digit akhir NIM

anda).

1. Hukum Kirchoff: buatlah simulasi seperti Gambar 3.5.

(a) Dengan memanfaatkan KCL, pilihlah resistor pengamatan arus (R11 .. R32) sesedikit mungkin, namun sudah

cukup untuk mengetahui arus yang mengalir di semua resistor.

(b) Dengan memanfaatkan KVL, pilihlah titik pengamatan tegangan (A .. F) sesedikit mungkin, namun sudah

cukup mengetahui tegangan di titik yang lain.

2. Thevenin-Norton: dari rangkaian Gambar 4.8.a, secara analitikal turunkan rumus untuk menghitung Vth,

Rth, maupun Ith. Rumus masih dalam bentuk variabel (R11, R12, dst), karena nanti akan digunakan saat

praktikum.

3. Thevenin: dengan rangkaian seperti Gambar 4.8.c, turunkan rumus untuk menghitung Rth jika diketahui

tegangan jatuh pada beban (VAD), serta arus pada beban (IRL).

4. Norton: dengan rangkaian seperti Gambar 4.8.d, turunkan rumus untuk menghitung Rnt jika diketahui

tegangan jatuh pada beban (VAD), serta arus pada beban (IRL).

5. Linearitas: buatlah simulasi seperti pada Gambar 4.9. Cobalah mengamati tegangan di titik B dan D, serta

arus di R22. Apakah terjadi linearitas ?

6. Superposisi: buatlah simulasi seperti Gambar 4.11, NAMUN untuk I1 gunakan sumber tegangan V2

sebesar 6 Volt. Amati terjadinya superposisi.


4.1.10. Tugas Regu

• Baca prosedur praktikum sampai selesai. Siapkan kertas dengan tabel-tabel yang diperlukan untuk mencatat

hasil percobaan.

• Buatlah tabel perkiraan waktu pelaksanaan praktikum, agar seluruh percobaan dapat selesai dalam 3 jam.

Selama praktikum nanti, coba patuhi jadwal perkiraan tersebut.

4.5. Praktikum

Pada praktikum ini akan digunakan kit Sumber Daya dan Rangkaian DC seperti berikut.

Kit source Kit circuit

Gambar 4.14: Kit praktikum

Sementara itu alat ukur yang dipakai adalah dua multimeter. Harap diperhatikan:

• Mode multimeter harus TEPAT dengan besaran yang akan diukur. Jika tidak tepat, pengukuran akan salah,

atau lebih bahaya lagi, multimeter akan rusak. Misalkan akan mengukur tegangan AC, jika memakai mode

tegangan DC maka akan selalu terukur 0 Volt karena rata-rata tegangan AC adalah nol. Sementara itu kalau

mengukur arus pada mode tegangan, maka multimeter akan rusak sebab pengukuran arus selalu dalam

koneksi seri, padahal mode tegangan meminta koneksi paralel.

• Probe multimeter harus DIPASANG pada soket yang tepat. Umumnya multimeter menyediakan tiga soket.

Probe hitam selalu dipasang ke soket COM. Sementara itu probe merah dipasang pada salah satu soket

lainnya, sesuai MODE dan rentang yang akan diukur. Salah meletakkan probe dapat menyebabkan

multimeter rusak. Sebagai contoh, bila memasang probe di soket arus 10A, jika dipakai mengukur tegangan

220 Volt maka multimeter bisa terbakar !

• Secara khusus, harap berhati-hati dalam mengukur arus, karena multimeter dikoneksikan secara seri


terhadap rangkaian. Arus yang relatif besar akan mengalir melalui multimeter, sehingga beresiko terjadi

kelebihan beban, dapat menyebabkan sekring/fuse dalam multimeter putus, atau multimeter terbakar !

• Jika akan mengukur tahanan, multimeter dalam mode Ohm, DAN pada rangkaian yang diukur sama sekali

tak boleh ada aliran listrik, sebab dalam mode itu multimeter justru akan mengalirkan arus ke rangkaian.

Adanya arus dari sumber lain akan mengganggu pengukuran, dan dapat merusak multimeter.

• Jika perlu pengukuran agak lama, sebaiknya gunakan capit buaya pada probe.

Mengukur tegangan Multimeter di mode arus, koneksi ke soket banana, jika

perlu pakai capit buaya

Mengukur arus Multimeter di mode arus, koneksi pada header,

pakai kabel jumper-capit buaya

Gambar 4.15: Teknik menyambung multimeter

4.1.11. Membaca dan Mengukur Resistor

Siapkan tabel pengukuran berikut untuk R11 – R32 (tanpa potensiometer R31).

R Warna ring

Nilai Toleransi Ukur-1 Ukur-2 Err-1 Err-2 %Err-1 %Err-2

R11

...

R32

Average

StDev

Pada kit circuit, lepas semua jumper. Untuk tiap resistor pada papan:

1. Bacalah cincin warnanya lalu isi kolom warna-ring, nilai, dan toleransi.

2. Gunakan Multimeter untuk mengukur tahanan resistor tersebut, isi kolom ukur-1. Pengukuran dilakukan

dengan melekatkan probe pada konduktor kaki resistor, atau bisa juga pada pin header / soket terdekat

(misal untuk R11 ukur dari header P11 ke soket-B).

3. Balik probe potensiometer, ukur resistor itu kembali, isi kolom ukur-2.


Selanjutnya siapkan grafik pengukuran potensiometer untuk posisi 0 – 100% (naik 25%) berikut.

Posisi R31 - Ukur 1 R31 - Ukur 2 Rata-rata

0 %

…

100%

Cobalah memutar potensiometer R31 dari minimum (0) ke maksimum (100%), lalu perkirakan posisi putarannya

untuk 0, 25%, 50%, 75% dan 100%. Lakukan percobaan:

1. Posisikan potensiometer dari 0%, ukur tahanan antara kaki 1 dan 3 (bisa di header P31 dan P22). Catat

pengukuran di kolom Ukur-1. Lakukan untuk semua posisi sampai 100%.

2. Coba lagi ukur tahanan potensiometer tersebut, untuk posisi turun dari 100% ke 0%, catat di kolom ukur-

2.

Untuk percobaan selanjutnya, catat harga maksimal dan minimal dari resistor R31 tersebut.

4.1.12. Sumber Daya

Pada kit sumber daya, dari bawah ke atas terdapat unit :

1. UV-SRC : Unregulated Voltage source

2. I-SRC : Current Source memakai LM317 (linear regulator)

3. V-SRC1 : Voltage source memakai LM317 (linear regulator)

4. V-SRC2 : Voltage source memakai LM2596 (switching regulator)

Pada percobaan ini kita akan menguji kemampuan regulasi masing-masing sumber daya dalam keadaan tanpa beban

dan diberi beban. Untuk itu siapkan tabel seperti berikut:

Sumber Daya :

Beban

(Posisi R31)

I-SRC V-SRC1 V-SRC2

VLOAD ILOAD VLOAD ILOAD VLOAD ILOAD

Tanpa

0%

...

100%

Dari kedua potensiometer, pilihlah salah satu sebagai pengukur arus, sementara yang lainnya sebagai pengukur

tegangan AC atau DC.

4.1.13. Sumber Tegangan Unregulated

Sebelum mulai, uji dulu trafo penurun tegangan. Siapkan multimeter pada mode pengukuran tegangan AC, rentang

10V atau lebih, lalu:

1. Colokkan kabel trafo ke jala-jala listrik

2. Gunakan multimeter untuk mengukur tegangan luaran trafo dalam mode tegangan AC. Seharusnya antara


AC+ ke CT dan AC- ke CT sekitar 7 Volt. Sementara itu antara AC+ ke AC- adalah 14 Volt. Jika tegangan

trafo belum benar, panggil asisten.

3. Catat hasil pengukuran anda.

Selanjutnya siapkan kit sebagai berikut (sebagian Gambar 3.16):

1. Pada kit source, pasang jumper pada P11 dan P12, serta P14 di sisi B (bukan A!).

2. Koneksikan trafo AC+ ke soket-A d, AC- ke soket-B, dan CT ke soket C. Konfigurasi ini membentuk catu

daya gelombang penuh 2 dioda dan perata (dipelajari di modul 3).

3. Ukur tegangan DC antara soket-H dan soket-0. Tegangan ini seharusnya disekitar 7V. Jika jauh dari

seharusnya, panggil asisten !!!

4. Catat hasil pengukuran anda.

Gambar 4.16: Koneksi percobaan sumber daya

3.1.1.1 Sumber Arus I-SRC

Kita akan menguji sumber arus tanpa beban. Lakukan sebagai berikut:

1. Pada kit source, tambahkan jumper pada header P21, agar I-SRC mendapat masukan dari UV-SRC.

2. Pada kit source, gunakan multimeter untuk mengukur arus antara soket-G dan soket-0.

3. Putar potensiometer RI hingga arus minimum, catat sebagai Imin. Seharusnya sekitar 20 mA.

4. Putar lagi potensiometer RI hingga arus maksimum, catat sebagai Imax. Seharusnya di sekitar 80 mA.

Jika Imin dan Imax jauh dari yang seharusnya, panggil asisten !!!

5. Putar potensiometer RI sehingga arus sekitar 50% dari Imin .. Imax. Catat pada baris tanpa beban sebagai

ILOAD.

6. Gunakan multimeter lainnya untuk mengukur tegangan DC antara soket-G dan soket-0. Catat sebagai

VLOAD.

Pada percobaan ini akan diuji hipotesa bahwa pada sumber arus ideal, ILOAD akan selalu tetap jika diberi beban,

sementara VLOAD akan berubah. Siapkan rangkaian Gambar 4.16 sebagai berikut:


1. Pada kit circuit, pasang jumper P31.

2. Koneksikan soket-0 (source) ke soket-C (circuit).

3. Koneksikan soket-G (source) ke soket-A (circuit).

4. Pasang multimeter pengukur tegangan antara soket-A (source) dan soket-C (source).

5. Pasang multimeter pengukur arus antara soket-D (source) dan soket-E (source). Perhatikan bahwa

multimeter ini akan mengalirkan arus lumayan besar. Harap gunakan capit buaya agar koneksinya mantap.

Lakukan percobaan sebagai berikut:

1. Atur potensiometer R31 di posisi 0%.

2. Ukur dan catat tegangan A-C, catat di kolom VLOAD.

3. Ukur dan catat arus D-E, catat di kolom ILOAD.

Ulangi langkah 1-3 untuk posisi potensiometer 25%, 50% , 75% dan 100%. Untuk analisis nanti, akan dibuat grafik

hubungan antara posisi (%) terhadap VLOAD maupun ILOAD.

Selanjutnya sebagai demonstrasi kegunaan sumber arus, kita akan mencoba menyalakan sebuah LED yang memiliki

rating arus 100 mA. Karena Imax masih disekitar rating tersebut, LED dapat dikoneksikan langsung. Buatlah

rangkaian seperti Gambar 3.17:

1. Lepas koneksi soket-G.

2. Pada kit circuit, lepas semua jumper.

3. Pasang pengukur arus pada pin P41.

4. Putar RI ke posisi minimum !!!

5. Koneksikan soket-G (source) ke soket-D (circuit). LED akan menyala.

6. Putar potensiometer RI untuk mengatur arus, dan ukur arus pada P41. Perhatikan bagaimana LED berubah

nyalanya. Berhentilah jika P41 sudah mendekati 100mA.

Percobaan ini sekedar memperlihatkan pemakaian sumber arus untuk beban yang memang meminta arus (LED).

Gambar 4.17: Koneksi sumber arus untuk LED


3.1.1.2 Sumber Tegangan V-SRC1 (LM317)

Siapkan rangkaian praktikum seperti Gambar 3.18:

1. Pada kit source, pindahkan jumper pada header P21 ke P31, agar V-SRC1 mendapat masukan dari UV-

SRC.

2. Pasang multimeter pengukur tegangan antara soket-F dan soket-0.

3. Putar potensiometer RV hingga tegangan minimum (sekitar 2V), catat sebagai Vmin.

4. Putar lagi potensiometer RV hingga tegangan maksimum (sekitar 6V), catat sebagai Vmax. Jika Vmin

dan Vmax jauh dari yang seharusnya, panggil asisten !!!

5. Putar potensiometer RV sehingga tegangan sekitar 50% dari Vmin .. Vmax. Catat pada baris tanpa beban

sebagai VLOAD.

PERHATIAN, pada suatu sumber tegangan, JANGAN mengukur arus secara langsung pada luarannya,

karena itu menyebabkan arus yang sangat besar mengalir melalui multimeter !!!

Gambar 4.18: Koneksi percobaan sumber tegangan

Selanjutnya akan dilakukan uji beban. Hipotesanya. pada sumber tegangan ideal, VLOAD akan selalu tetap sementara

ILOAD menyesuaikan dengan beban. Lakukan:



3. Pasang multimeter pengukur arus antara soket-D (source) dan soket-E (source).


5. Koneksikan soket-F (source) ke soket-A (circuit).






Ulangi langkah 1-3 untuk posisi potensiometer 25%, 50% , 75% dan 100%.

3.1.1.3 Sumber Tegangan V-SRC2 (LM2596)

Percobaan ini mirip seperti sebelumnya, hanya saja yang akan diuji adalah V-SRC2. Ini adalah sumber tegangan

yang tak akan diubah nilainya selama praktikum. Dari konfigurasi sebelumnya, modifikasi kit praktikum sebagai

berikut:

1. Pada kit source, cabut koneksi soket-F (source).

2. Pindahkan jumper pada header P31 ke P41, agar V-SRC2 mendapat masukan dari UV-SRC.

3. Pasang multimeter pengukur tegangan antara soket-D dan soket-0.

4. Ukur tegangan luaran antara soket D-0. Seharusnya sekitar 5 Volt, catat sebagai VLOAD. Jika Vload jauh

dari yang seharusnya, panggil asisten !!!

Seperti sebelumnya, hipotesanya.adalah VLOAD akan selalu tetap sementara ILOAD menyesuaikan dengan beban.

Lakukan:



3. Pasang multimeter pengukur arus antara soket-D (source) dan soket-E (source).


5. Koneksikan soket-D (source) ke soket-A (circuit).





Ulangi langkah 1-3 untuk posisi potensiometer 25%, 50% , 75% dan 100%.

Gambar 4.19: Koneksi sumber tegangan untuk LED


Kini kita akan mendemokan pemakaian sumber tegangan untuk menyalakan LED (yang meminta arus). Untuk itu

diperlukan resistor pembatas arus, dalam hal ini akan dipakai R21 dan R31. Lakukan sebagai berikut:

1. Pada kit source, tak ada perubahan.

2. Pada kit circuit, pindahkan pengukur arus ke header P41.

3. Atur potensiometer R31, dan amati arus di P41. Jaga jangan sampai melebihi 100mA. Perhatikan

bagaimana arus akan berubah, dan nyala LED bisa menjadi terang/gelap.

Percobaan tadi memperagakan pemakaian resistor sebagai pembatas arus. Jika sumber tegangan langsung

dikoneksikan ke LED, maka LED akan putus.


Pada percobaan ini kita akan mengaplikasikan hukum Kirchoff untuk mengukur kondisi seluruh rangkaian DC,

namun dengan sesedikit mungkin pengukuran. Asumsikan bahwa:

• Nilai semua resistor telah diketahui (dari percobaan 3.5.1), NAMUN nilai potensiometer R31 tidak

diketahui.

• Titik C dan E adalah ground. Jadi hanya dilakukan pengukuran tegangan pada titik A, B, D.

• Hanya akan dilakukan satu kali pengukuran arus di header P31.

Untuk persiapan buatlah tabel:

Posisi R31 VA VB VD I31

0%

...

100%

Untuk percobaan ini, dipakai sumber tegangan V-SRC2 dan rangkaian DC seperti Gambar 3.5. Siapkan kit source

dan circuit sebagai berikut (koneksi dari trafo tidak berubah) :

1. Pada kit source, pasang jumper pada P11, P12, P14 bagian B, dan P41.

2. Pada kit circuit, pasang jumper di P11, P12, P22, P32.

3. Pada header P31, pasang multimeter pengukur arus.


5. Koneksikan soket-D (source) ke soket-A (circuit).

Siapkan multimeter pengukur tegangan. Probe hitam ke ground (soket-C atau E) sementara probe merah siap ke

soket A, B, dan D.


Gambar 4.20: Koneksi percobaan Kirchoff

Kemudian lakukan prosedur percobaan berikut:

1. Atur potensiometer di posisi 0%.

2. Ukur tegangan di titik A, B, dan D. Catat di tabel percobaan pada kolom VA, VB, dan VD.

3. Ukur arus di P31, Catat di Tabel pada kolom yang sesuai.

4. Ulang percobaan 1-3 untuk potensiometer di posisi 25%, 50% dan 75%, 100%.

Dari data percobaan ini, akan dihitung arus di cabang yang lain, dan juga nilai R31.

4.1.15. Thevenin - Norton

Pada percobaan ini akan dilakukan pengukuran untuk mencari parameter Thevenin / Norton memakai cara

eksperimental. Hasilnya akan dibandingkan dengan cara analitik. Siapkan tabel percobaan berikut:

Vs Roc Voc Isc Vth Int Rth / Rnt

Experimental

Analitik

Delta

Kemudian akan dilakukan uji coba memberi beban, untuk membuktikan apakah teorema tersebut memang berlaku.

Tabel percobaan:

Eksperimen Thevenin Norton

Posisi VLOAD ILOAD RLOAD VLOAD ILOAD VLOAD ILOAD

0%

...


100%

Gambar 4.21: Koneksi percobaan Thevenin - Norton

Konfigurasi kit seperti Gambar 4.21 sebagai berikut:

1. Siapkan sumber tegangan V-SRC2 sama seperti sebelumnya, namun kini soket-D (source) siap terkoneksi

ke soket-B (circuit).

2. Pada kit circuit, pasang jumper di header P11, P12, P22, P32. Lepas yang di P31.

3. Siapkan Multimeter-1 untuk tegangan

4. Siapkan Multimeter-2 untuk tahanan atau arus

Prosedur percobaan dimulai dengan mengukur kondisi tanpa beban:

1. Pastikan kit source sama sekali masih belum tersambung ke circuit.

2. Pada kit source, ukur tegangan antara soket-D (source) ke soket-0 (source). Catat sebagai Vs.

3. Pada kit circuit, koneksikan soket-B dan soket-C.

4. Ukur tahanan antara soket-A dan soket-D. Catat sebagai Roc.

5. Lepas koneksi soket-B ke soket-C.


7. Koneksikan soket-D (source) ke soket-B (circuit).

8. Pada kit circuit, ukur tegangan antara soket-A dan soket-D. Catat sebagai (Voc).

9. Ukur arus antara soket-A ke soket-D. Catat sebagai arus short circuit ( Isc).

Dari percobaan tersebut sudah bisa dicari tahanan ekivalen Thevenin dan Norton sesuai rumus teori. Pada analisis

nanti, hasil ini akan dibandingkan dengan cara analitis.

Kini kita akan membuktikan berlakunya teorema Thevenin Norton dengan memberi pembebanan. Gunakan tabel

kedua, dan lanjutkan percobaan:

1. Pasang pengukur tegangan antara soket-A dan soket-D.


2. Pada P31 pasang multimeter pengukur arus (gunakan jumper-capit buaya yang disediakan). Saat ini arus

akan mengalir melalui R21 dan R31 yang berperan sebagai beban.

3. Putar potensiometer R31 ke posisi 0%.

4. Ukur tegangan antara soket-A ke soket-D, catat sebagai VLOAD.

5. Ukur arus pada P31, catat sebagai ILOAD.

6. Ulangi langkah 4-6 untuk posisi 25%, 50%, 75%, 100%.

4.1.16. Linearitas

Pada percobaan ini kita akan membuktikan berlakunya sifat linearitas pada rangkaian DC dengan berbagai sumber

daya, lalu langsung dilanjutkan dengan superposisi. Siapkan tabel berikut:

Posisi

RV/RI

Sumber V-SRC Sumber PSU Sumber V-SRC + PSU

VA VD VB I12 VA VD VB I12 VA VD VB I12

0

25%

...

100%

Rangkaian yang akan digunakan nampak pada Gambar 3.16. Siapkan sebagai berikut:

1. Pada kit source, pasang jumper pada P11, P12, P14 bagian B, dan P31.

2. Pada kit circuit, pasang jumper di P11, P22, P31.

3. Pasang multimeter pengukur arus pada P12.

4. Siapkan multimeter pengukur tegangan untuk mengukur di soket A,B,D.

Gambar 4.22: Koneksi percobaan linearitas dan superposisi

Untuk percobaan pertama, mengamati linearitas oleh sumber tegangan V-SRC. Lakukan:



2. Koneksikan soket-F (source) ke soket-A (circuit).

3. Koneksikan soket-D (circuit) ke soket-E (circuit), karena di situ nanti akan diberi sumber tegangan dasi

PSU.

4. Pada kit SOURCE, putar potensiometer RV ke posisi 0% (minimal).

5. Ukur dan catat VA , VD, VB, maupun I12.

6. Ulang percobaan 4-5 untuk posisi RV di 25%, 50%, 75%, 100%.

Selanjutnya percobaan kedua mengamati linearitas oleh sumber PSU (Power Supply Unit). Gunakan PSU yang

disediakan. Harap tanyakan cara penggunaannya pada asisten. Lakukan:

1. Putus koneksi V-SRC ke soket-A (circuit) dan C(circuit).

2. Pasang koneksi antara soket-A (circuit) ke soket-C (circuit), sebagai hubungan singkat pengganti V-SRC.

3. Koneksikan PSU (Power Supply Unit) ke soket D (positip) dan E (negatip).

4. Nyalakan PSU, atur tegangan ke 0,5 Volt.


6. Ulang percobaan 4-5 untuk tegangan PSU 1V 1,5V, 2,0V, 2,5V.

4.1.17. Superposisi

Pada percobaan sebelumnya, sudah diamati efek individual dari V-SRC dan PSU. Sekarang akan diamati efek

kombinasi V-SRC + I-SRC. Untuk itu gunakan Tabel percobaan sebelumnya, lanjutkan percobaan sebagai berikut:

1. Koneksiken V-SRC ke soket-A (circuit) dan C(circuit).

2. Koneksiken PSU ke soket-D (circuit) dan E(circuit).

3. Pada kit SOURCE, putar potensiometer RV pada posisi 0%, sementara atur PSU pada 0,5V.


5. Ulang percobaan 3-4 untuk posisi RV dan tegangan PSU seperti percobaan lineritas sebelumnya.

4.6. Laporan

Buatlah laporan sesuai petunjuk umum. Untuk mengolah data, gunakan spreadsheet (MS Excel atau Libre Office

calc) sesuai yang diajarkan pada kuliah Probabilitas & Statistik. Masukkan data pada tabel, lalu gunakan fungsi-

fungsi statistik (SUM, AVG, STD, dll.) untuk kalkulasi.

Lakukan analisis dan jawablah pertanyaan-pertanyaan khusus berikut.

4.1.18. Resistor

1. Dari tabel percobaan resistor, bandingkanlah nilai ukur-1 dan ukur-2. Apakah ada perbedaan? Simpulkan

apakah posisi probe berpengaruh terhadap pengukuran tahanan.

2. Hitunglah error nilai ukur-1 dan ukur-2 terhadap nilai (sesuai ring). Kemudian hitunglah %error sebagai

ratio error/nilai. Hitung rata-rata seluruh %error. Apakah masih masuk toleransi (sesuai ring) ?

3. Dari tabel percobaan potensiometer, buatlah grafik 2 series antara tahanan potensiometer terhadap

posisinya untuk saat naik (ukur-1) dan turun (ukur-2). Apakah pengukuran saat naik dan saat turun relatif

sama ?

4. Lakukan analisis regresi linear pada ke-sepuluh data tersebut (gabung menjadi 1 series). Apakah hubungan


antara tahanan dan posisi cukup linear ? Jika tidak, cobalah melakukan regresi logaritmik.

4.1.19. Sumber Daya

Percobaan ini bertujuan mengamati derajat ideal sumber daya. Sebagai contoh, perhatikan Gambar 3.4.a (sumber

tegangan). Kita akan pakai hasil pengukuran V-SRC1, dimana telah didapat data:

• Tegangan VLOAD tanpa beban, kita sebut Vo

• Tegangan VLOAD dengan beban, kita sebut Vi (i = 1 .. 5)

• Arus ILOAD dengan beban, kita sebut Ii (i = 1..5).

Dari data tersebut, dapat dihitung tahanan dalam Rload dan Rser, yaitu:

𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 =𝑉𝑖

𝐼𝑖

𝑅𝑠𝑒𝑟 =𝑉0−𝑉𝑖

𝐼𝑖

1. Cobalah hitung Rload dari kelima data tersebut. Jika anda cukup tepat mengatur posisi potensiometer,

seharusnya harga ini mirip seperti hasil percobaan potensiometer sebelumnya. Apakah memang demikian ?

2. Hipotesanya, Rser suatu sumber tegangan selalu tetap. Cobalah hitung Rser dari kelima data tersebut, lalu

hitung rata-rata dan standar deviasinya. Apakah hipotesa terbukti ?

3. Berdasar Rload dan Rser tersebut, hitung efisiensi V-SRC1 ini pada beban maksimal.

Lakukan analisis sesupa untuk V-SRC2. Bandingkan efisiensinya dengan V-SRC1. Manakah sumber tegangan yang

lebih efisien ?

Lakukan juga analisis serupa untuk I-SRC. Tentukan Rpar, kemudian hitung efisiensi sumber arus tersebut. Apakah

sumber arus ini lebih efisien dibanding sumber tegangan ?

4.1.20. Fungsi Resistor

Dari peragaan sumber arus dan sumber tegangan untuk menyalakan LED, jawablah pertanyaan berikut:

1. Mengapa LED akan putus jika langsung dikoneksikan ke sumber tegangan ?

2. Mana yang lebih baik, menggunakan sumber arus atau sumber tegangan untuk menyalakan resistor. Beri

alasannya dari segi penggunaan daya listrik.


Aplikasikan hukum kirchoff dan hukum ohm untuk:

1. Menghitung tegangan jatuh pada tiap cabang (VAB, VBC, …), dan arus pada tiap cabang (I11, I12, .. ) dari

data pengukuran, dan hasil percobaan harga resistor sebelumnya (R11, R12, R21, R22, R32) tanpa

mengetahui potensiometer R31.

2. Menghitung harga R31 pada setiap posisi. Bandingkan dengan hasil percobaan potensiometer sebelumnya.

Jika ada ketidak-sesuaian, coba analisis kemungkinannya dari kondisi rangkaian. Coba hindari alasan salah

pengukuran atau salah alat karena itu membuka aib kurangnya kompetensi dalam melakukan eksperimen.


4.1.22. Thevenin – Norton

Pada tabel percobaan pertama, dari hasil percobaan:

1. Hitunglah harga Vth, Int, dan Rth / Rnt sesuai teorema.

2. Hipotesa ideal, harga Roc pengukuran akan sama dengan Rth. Apakah memang demikian ? Jelaskan jika

kurang sama.

Selanjutnya hitunglah Vth, Int, dan Rth secara analitikal, memakai data VS serta harga resistor yang telah diamati

pada percobaan awal. Gunakan rumus-rumus yang sudah diturunkan saat tugas awal.

1. Hipotesanya, hasil eksperimental akan sama dengan analitikal. Apakah memang demikian ? Jika ada beda

delta (selisih) yang signifikan, lacak kemungkinan penyebabnya !

Untuk membuktikan teorema thevenin dengan adanya pembebanan, gambarkan rangkaian ekivalen thevenin dengan

parameter (Vth, Rth) percobaan pertama. Selanjutnya pada tabel percobaan kedua:

1. Hitung Rload memakai hukum ohm, sesuai Vload dan Iload yang terukur.

2. Pada kelompok thevenin, hitung Vload dan Iload berdasar Vth, Rth dan Rload

3. Hipotesanya, Vload dan Iload hasil pengukuran akan sama dengan hasil kalkulasi thevenin. Apakah

memang demikian ? Cari penjelasannya jika tidak.

Lakukan hal yang sama dengan rangkaian ekivalen Norton.

Dari percobaan anda, mana yang lebih baik, memakai teorema norton atau thevenin ? Berikan alasannya.

4.1.23. Linearitas

Sesuai teorema, hipotesa yang ingin dibuktikan adalah, ada hubungan linear antara tegangan masukan terhadap

luaran.

1. Dari percobaan V-SRC, buatlah grafik (2 series) VD dan VB terhadap VA. Gunakan regresi untuk

menghitung linearitas kedua series. Kaji apakah memang linier.

2. Dari percobaan I-SRC, buatlah grafik (2 series) VD dan VB terhadap IB. Gunakan regresi untuk menghitung

linearitas kedua series. Kaji apakah memang linier.

3. Mana yang lebih linier, sumber arus atau tegangan ? Coba jelaskan berdasar percobaan-percobaan

sebelumnya (sumber daya, thevenin-norton).

4.1.24. Superposisi

Buktikan hipotesa bahwa akan terjadi superposisi, dengan cara:

4. Pada tabel, jumlahkanlah VB dan VD dari percobaan linearitas (V-SRC dan I-SRC), isikan pada kolom

superposisi sVB dan sVD. Kemudian hitung error superposisi, yaitu hasil sumasi tersebut dikurangi VB dan

VD dari percobaan sumber (V-SRC+I-SRC).

5. Hitunglah Error Root Mean Square (ERMS) dari eVB dan eVD. Kaji apakah terjadi fenomena superposisi ?


4 Referensi

Berbagai sumber tentang DC Network Circuit.

Lab TF 1 Modul 4kuliah.itera.ac.id/pluginfile.php/83564/mod_resource...Teknik Fisika ITERA Lab TF I...

Documents

Transcript of Lab TF 1 Modul 4kuliah.itera.ac.id/pluginfile.php/83564/mod_resource...Teknik Fisika ITERA Lab TF I...