TEORI DASAR KELISTRIKAN

I. TEORI DASAR KELISTRIKAN

Gb. 1.1 Struktur Atom

Kelistrikan mempunyai fungsi dan peranan yang penting dalam dunia alat–alat berat.

Listrik menyediakan energi untuk:

·   Memutar engine pada saat starting

·   Mengoperasikan lampu-lampu

·   Mengoperasikan gauge–gauge dan aksesoris

·   Menjaga tingkat pengisian battery

Untuk mengetahui lebih jauh sistem kelistrikan tersebut, bisa dimulai dengan mempelajari teory electron. Teory ini mencakup hampir semua penjelasan–penjelasan mengenai kelistrikan.

I.1 Teory Electron

Seperti diketahui setiap elemen terbuat dari jutaan atom. Atom-atom tersebut terdiri dari partikel–partikel electron yang mengelilingi orbitnya dan partikel proton pada intinya.

Ada dua gaya yang bekerja pada setiap atom, pada saat kondisi normal dua gaya ini berada dalam keadaan keseimbangan. Proton dan electron mempunyai gaya terhadap satu dan yang lainnya, lebih dan di atas gaya gravitasi dan atau sentrifugal.

Gaya tersebut ditentukan oleh muatan yang terdapat pada electron dan proton dimana electron bermuatan negatip sementara proton bermuatan positip. Jika terdapat perbedaan muatan maka akan timbul gaya saling tarik menarik antar atom, sementara jika atom mempunyai muatan yang sama akan saling tolak menolak. Arah dari pergerakan elektrik yang berdasarkan muatannya disebut polaritas. Contoh atom yang sederhana yaitu Hydrogen yang mempunyai satu electron di orbitnya dan satu proton di intinya. Sementara Uranium adalah contoh element yang sangat komplek yaitu mempunyai 92 elektron di orbitnya dan 92 proton di intinya.

Tembaga adalah element yang banyak digunakan dalam sistem kelistrikan, karena tembaga adalah konduktor atau penghantar listrik yang bagus, hal ini bisa terjadi karena struktur dari atom tembaga mempunyai 29 elektron di orbitnya dan mempunyai hanya satu electron pada lingkaran orbit terjauhnya.

Alasan itulah yang membuat tembaga menjadi konduktor yang baik, karena hanya mempuyai satu electron di lingkaran orbit paling luarnya dan juga paling jauh dari intinya, sehingga atom tersebut tidak mampu menahan elekron lebih kuat lagi dan dengan mudah melepas electron tersebut ke atom yang lainnya.

Gb.1.2 Struktur Atom Tembaga

Kesimpulan:

Atom yang pada orbit terjauhnya mempunyai electron kurang dari 4 disebut KONDUKTOR, sedangkan yang mempunyai electron sama dengan 4 disebut SEMIKONDUKTOR, sedangkan yang mempunyai electron lebih dari 4 disebut ISOLATOR.

Dari penjelasan di atas bisa ditarik suatu definisi yaitu:

 

LISTRIK ADALAH MENGALIRNYA ELEKTRON – ELEKTRON DARI ATOM KE ATOM DALAM SEBUAH KONDUKTOR DARI NEGATIVE KE POSITIVE.

 

I.2 Faktor – Faktror Kelistrikan

Ada tiga faktor dasar kelistrikan yaitu:

1.    Tegangan (Voltage)

2.    Arus (Current)

3. Tahanan (Resistance)

I.2.1. Tegangan (Voltage)

Gb. 1.3. Aliran Elektron

Disebabkan adanya gaya dari medan electrostasticnya, muatan electric mampu menggerakkan muatan lainnya dengan cara menarik atau menolak yang disebut dengan tenaga potensial.

Ketika suatu muatan berbeda dari yang lainnya maka akan timbul perbedaan potensial antara muatan tersebut. Nilai dari perbedaan muatan potensial tersebut di dalam medan electrostastic dikenal dengan nama electromotif force  (EMF). Satuan dari perbedaan itu adalah volt, untuk menghormati penemunya Alessandro Volta seorang ilmuwan Italy. Karena volt ini digunakan sebagai satuan perbedaan potensial maka sering disebut dengan “Voltage“.

I.2.2. Arus (Current)

Dalam pengembangannya untuk menyelidiki hukum dari gaya antara atom yang bermuatan seorang ilmuwan yang bernama Charles Coulomb mengadopsi sebuah satuan pengukuran yang disebut dengan “Coulomb“. Satuan tersebut ditulis dalam notasi ilmiah yang diekspresikan sebagai satu Coulomb = 6,28 X 10 ¹⁸  proton atau electron. Secara sederhana kita kenal jika di dalam konduktor tembaga mengalir satu Ampere, berarti ada 6,28 juta–juta electron yang mengalir dalam satu detik.

Intensitas dari arus tersebut dinyatakan dalam Ampere (A).

Ada dua cara untuk menggambarkan arus listrik yang mengalir melalui konduktor. Pertama dengan menggunakan teori atom untuk menerangkan komposisi dari cara ilmuwan menentukan arus sebagai pergerakan dari muatan positip di dalam konduktor dari polaritas positip ke polaritas negatip kesimpulan ini tetap digunakan oleh beberapa standarisasi engineer atau teks book, beberapa contoh dipakai untuk mengukur aliran cairan, gas, dan semi konduktor, cara ini disebut dengan “teori konvensional”.

Dalam menemukan teori atom tersebut untuk menerangkan komposisi dari cara dan penentuan arus yang mengalir yang berdasarkan atas aliran electron (muatan negatip) menuju ke proton atau muatan positip (berlawanan arahnya dari teori konvensional) teori ini disebut dengan “teori electron”.

I.2.3. Tahanan (Resistance)

George Simon Ohm menemukan bahwa pada tegangan yang tetap jumlah arus yang mengalir melalui material tergantung dari tipe material dan ukurannya. Dengan kata lain semua material terdapat perlawanan terhadap aliran dari electron yang disebut dengan “resistance”. Jika perlawanan itu kecil, material tersebut dinamakan konduktor, jika perlawanannya besar disebut insulator.

Satuan untuk mengukur resistan tersebut diekspresikan dalam Ohm dan dilambangkan dengan huruf Yunani “Omega”.

Dapat juga dikatakan bahwa satu Ohm adalah gaya yang menahan tegangan arus satu Volt yang menghasilkan satu Ampere.

Tahanan pada konduktor dipengaruhi oleh 4 faktor yaitu:

1.    Bahan atau structure atom ditentukan oleh berapa banyak electron bebas yang terkandung di dalamnya. Makin banyak jumlah electron bebasnya makin kecil nilai tahanannya.

2.    Panjang konduktornya yaitu makin panjang konduktor tersebut makin besar tahanannya.

3.    Penampang atau ukuran AWG-nya makin besar penampangnya makin kecil nilai tahanannya.

4.    Temperature, pada beberapa material konduktor makin tinggi nilai temperaturenya makin tinggi juga nilai tahanannya.

Gb. 1.4 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Tahanan

I.3 Konduktor

Kabel di dalam sirkuit elektrik terdiri dari konduktor dan insulator. Pada umumnya konduktor terbuat dari tembaga dan insolator terbuat dari plastik atau karet. Konduktor ini terbagi dalam beberapa ukuran, dimana makin kecil diameter kabel makin besar nilai AWG (American Wire Gauge)-nya seperti ditunjukkan tabel di bawah ini.

Tabel 1.1 AWG Tabel

I.4 Sirkuit

Di dalam sistem kelistrikan ada tiga macam bagian penting yaitu:

-    Tegangan

-    Tahanan

-    Konduktor

Voltmeter adalah alat ukur untuk mengetahui tegangan potensial yang ada. Disambungkan secara parallel. Ohmmeter adalah alat ukur untuk mengetahui tahanan dan disambung secara parallel. Amperemeter adalah alat untuk mengukur arus yang mengalir dan dihubungkan secara seri. Secara teori kita dapat menghitung hal tersebut di atas dengan menggunakan rumusan hukum Ohm yaitu:

Rumusan tersebut dengan mudah digunakan dengan memakai gambar berikut. Jadi untuk mencari nilai dari salah satu faktor maka harus diketahui dahulu nilai dari kedua faktor yang lainnya.

 Gb. 1.5 Rumusan Hukum Ohm

Sehingga rumusnya:

	Latihan			Jawaban
1.	Sebuah sirkuit mempunyai tegangan sebesar 12 V dan tahanannya 4 Ohm berapa nilai arus yang mengalir			Sesuai dengan rumus, maka I = E / R I = 12 / 4 Jadi arusnya = 3 Ampere
2.	Berapa tegangan yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus sebanyak 5 A melalui R = 8.7 Ohm.			E = I  x  R, maka E = 5  x  8.7 Jadi tegangannya = 43.5 Volt
3.	Berapa nilai tahanan jika ada arus sebanyak 40 A mengalir dalam sirkuit yang bertegangan 12 Volt.			R = E / I, maka R = 12 / 40 Jadi nilai tahanannya = 0,3 Ohm

Dalam teori dasar kelistrikan, dikenal 3 kondisi sirkuit yaitu:

·         Closed Circuit (sirkuit terhubung)

Sirkuit ini mempunyai ciri–ciri sebagai berikut:

v  Sirkuitnya tersambung dari sumber dan kembali ke sumbernya lagi.

v  Ada tahanan (load) yang mengontrol jumlah arus yang mengalir.

·         Open Circuit (sirkuit terbuka)

Sirkuit ini tidak terhubung sempurna atau ada bagian yang terbuka, baik oleh switch atau oleh putusnya kabel.

·         Short Circuit (hubungan singkat)

Sirkuit ini terjadi jika arus mengambil jalan pintas untuk kembali ke sumbernya karena ada hubungan langsung konduktornya yang tidak melalui beban sehingga nilai arusnya menjadi tinggi sekali karena rendahnya nilai tahanan yang menghambat arus tersebut, maka konduktornya terbakar.

Jenis–jenis rangkaian dalam sistem kelistrikan ada 3 yaitu:

·         Rangkaian Seri:

Gb. 1.6  Rangkaian Seri

Beberapa load dihubungkan menjadi satu rangkaian, sehingga arus hanya ada dalam satu rangkaian tersebut.

Ciri-ciri:

v  Nilai tahanan totalnya sama dengan jumlah tahanannya.

v  Nilai voltage drop-nya dari masing masing tahanan jika dijumlahkan akan sama dengan tegangan sumbernya.

v  Nilai arus yang mengalir pada tiap–tiap tahanannya sama.

·         Rangkaian Parallel:

Ada lebih dari satu cabang rangkaian sehingga arus bisa mengalir ke tiap–tiap cabang rangkaian. Tahanan terpasang secara berjajar.

Ciri–ciri:

v  Tegangan yang ada pada tiap-tiap tahanan adalah sama.

v  Nilai arus yang mengalir pada masing–masing tahanan, jika dijumlahkan akan sama dengan arus totalnya.

v  Nilai tahanan totalnya lebih kecil dari nilai tahanan terkecil pada sirkuitnya.

      1                 1         1        1      

 -------    =   ---- +  ----  +  ----

 Rtotal          R1       R2      R3

Gb. 1.7 Rangkaian Parallel

·         Rangkaian Seri dan Parallel

Gabungan antara rangkaian seri dan parallel, sehingga mempunyai ciri–ciri sama dengan kedua rangkaian di atas, hanya bedanya untuk menyelesaikan penghitungan diselesaikan satu persatu rangkaiannya.

Gb. 1.8 Rangkaian Seri dan Paralel

I.5 Kemagnetan

Kelistrikan mempunyai hubungan yang sangat erat dengan kemagnetan. Efek kemagnetan diselidiki pertama kali dengan ditemukannya struktur dari besi yang mampu menarik sepotong besi lain (lodestone). Penyelidikan lebih jauh tentang lodestone adalah ketika sepotong besi ditaruh di atas permukaan air maka besi tersebut akan menunjukkan arah Utara dan Selatan, sehingga sampai sekarang dikenal bahwa magnet mempunyai kutub Utara dan Selatan. Batang magnet ini sangat berguna dalam kehidupan sehari–hari yaitu dalam pemakaian jarum kompas yang telah digunakan lebih dari 1000 tahun silam dalam kehidupan manusia.

I.5.1 Medan Magnet

Jika menyelidiki sebatang magnet, maka akan ditemukan adanya gaya yang mengelilingi magnet tersebut. Hal ini bisa ditunjukkan dengan menaruh bubuk besi di atas kaca dimana di bawah kaca tersebut diletakkan sebatang magnet, sehingga bubuk besi tersebut akan mengelilingi batang magnet membentuk lingkaran gaya, seperti yang terlihat pada gambar berikut. Pola dari serpihan bubuk besi tadi adalah medan atau garis gaya magnet yang membentuk kutub Utara dan Selatan. Kekuatan medan magnet tergantung pada jarak medan magnet terhadap batang magnet, makin dekat jaraknya maka makin kuat kemagnetannya. Makin jauh jaraknya maka makin berkurang pula kemagnetannya, hal ini disebabkan karena udara merupakan hambatan terhadap medan magnet.

Medan magnet tersebut membentuk gaya dari kutub Utara ke Selatan pada bagian luar batang magnet. Pada bagian dalam batang magnet, gaya mengalir dari kutub Selatan menuju Utara, sehingga membentuk satu lingkaran.

Gb. 1.9 Medan MagneT

Jika diadakan percobaan pada dua batang magnet yang didekatkan, akan terlihat bahwa kutub yang sama akan tolak menolak, sedangkan kutub yang berbeda akan tarik menarik.

 

Prinsip dasar teori kemangnetan:

Kutub yang senama akan tolak menolak dan kutub yang berbeda akan tarik menarik.

 

Seperti halnya dalam ilmu kelistrikan, ada material yang baik sebagai penghantar dan ada yang kurang baik atau lemah. Begitu juga dalam ilmu kemagnetan ada material yang baik untuk dibuat magnet, contohnya ALNICO (Almunium, Nikel dan Cobalt), besi dan baja, sementara ada material yang kurang baik untuk dibuat sebagai magnet yaitu kayu, gelas, kertas, tembaga dan seng.

Sebatang besi dapat dibuat menjadi magnet dengan beragam cara. Salah satunya dengan menggosokkan sebatang besi lain yang sudah menjadi magnet agar atom–atomnya menjadi searah membentuk kutub Utara dan Selatan. Cara lainnya dengan meletakkan sepotong besi di daerah yang mempunyai medan magnet cukup kuat, sehingga garis gayanya membuat atom pada batangan besi tersebut manjadi searah atau beraturan. Metode–metode tersebut disebut INDUKSI MAGNET.

Kesimpulan:

·   Setiap magnet mempunyai kutub Utara dan Selatan dan medan gaya yang mengelilingi magnet tersebut.

·   Kutub yang sama tolak menolak, kutub yang tidak sama tarik menarik.

·   Material magnet akan bereaksi jika terletak pada medan magnet.

·   Sepotong besi biasa dapat dibuat menjadi magnet melalui cara induksi.

I.6 Elektro Magnet

Pada percobaan dengan menggunakan kompas yang didekatkan pada sebuah konduktor yang dialiri listrik maka jarum kompas akan bergerak menuju ke arah konduktor dari Utara ke Selatan. Dari percobaan tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa jika sebuah konduktor dialiri arus listrik maka di sekeliling konduktor tersebut akan membentuk medan magnet. Medan magnet tersebut dapat dilihat melalui percobaan sepotong besi yang dililit kabel dan dipasang menembus sebuah papan tipis dan di sekelilingnya ditaburi bubuk besi. Jika kabel tersebut dialiri arus listrik, maka bubuk besi tersebut akan membentuk garis gaya magnet.

Ciri-ciri electromagnet adalah:

·   Medan magnet akan mengelilingi sepanjang konduktornya.

·   Medan magnet mempunyai arah yang sesuai dengan arah arus, yang dapat berubah sesuai dengan perubahan arah arus tersebut.

·   Seperti halnya magnet permanen, elektro magnet juga mempunyai kutub Utara dan Selatan.

·   Kekuatan medan magnet bergantung pada besar kecilnya arus yang mengalir dan juga jumlah gulungannya.

Jika suatu gulungan dialiri arus dan di tengah gulungan tersebut diberi sepotong besi (core) maka potongan besi tersebut menjadi magnet. Ini yang disebut induksi electromagnet.

Gb. 1.10 Induksi Electromagnet

Jika sepotong besi digerakkan memotong medan magnet, maka apabila kedua ujung besi tersebut diukur dengan menggunakan Voltmeter, Voltmeter akan menunjukkan tegangan yang kecil. Tetapi jika digerakkan parallel atau searah dengan medan magnet, maka tidak ada tegangan yang diinduksikan. Percobaan di atas menjadi teori dasar pembangkit listrik. Induksi tegangan tersebut tidak mempunyai polaritas yang permanen atau polaritasnya akan berubah jika arah pergerakkan konduktor berubah.

Faktor–faktor yang mempengaruhi tegangan induksi:

·         Kekuatan medan magnet

·         Kecepatan konduktornya memotong medan magnet

·         Jumlah lilitan atau gulungan konduktor

I.7 Alat-Alat Pengukuran Listrik

Untuk mengetahui dan mendiagnosa masalah–masalah di dalam sistem kelistrikan, dibutuhkan alat–alat yang sesuai dengan tipe pengukurannya. Alat–alat tersebut adalah Voltmeter, Ammeter dan Ohm meter.

I.7.1. Volt meter

Voltmeter digunakan untuk mengukur perbedaan potensial di dalam suatu rangkaian dengan satuan volt. Dipasang secara parallel dengan sumber yang akan diukurnya. Di dalam Voltmeter tersebut terdapat coil yang sangat kecil dan sensitif, sehingga arus yang mengalir harus dibatasi. Voltmeter ini juga menggunakan tahanan yang cukup tinggi dan dipasang secara seri dengan coil-nya. Skala Voltmeter ini dapat dikalibrasi untuk mendapatkan pembacaan yang akurat.

I.7.2. Ammeter

Ammeter digunakan untuk mengukur jumlah arus yang mengalir di dalam rangkaian dengan satuan Ampere. Ada dua tipe ammeter ini yaitu:

·   Shunt Ammeter

Dipasang secara seri dengan beban yang akan diukur, jangan menghubungkan secara parallel karena akan merusak alat tersebut.

Cara penggunaannya dengan memutuskan hubungan sirkuitnya dari beban yang terpasang dan menghubungkannya dengan shunt ammeter secara seri, sehingga terbaca arus yang mengalir ke sirkuit melalui shunt ammeter tersebut.

Gb. 1. 11 AVO Meter

·   Tong Ammeter / Camp On

Metoda pengukuran dengan cara mengukur kekuatan medan magnetnya di sekeliling konduktor yang dialiri arus. Keuntungannya dengan memakai alat ini adalah pengukuran arus dapat dilakukan tanpa memutuskan rangkaiannya, yaitu dengan cara menjepitkan tong ammeter ini ke konduktor maka arus yang mengalir akan terbaca seakurat shunt ammeter.

I.7.3 Ohm meter

Ohmmeter digunakan untuk mengukur nilai tahanan di dalam rangkaian. Ohmmeter tersebut mempunyai suplai arus sendiri yaitu dari battery kering, dihubungkan secara parallel dengan beban yang akan diukur.

Jangan menghubungkan Ohmmeter ini dengan beban yang mempunyai arus/tegangan, dan selalu mematikan switch-nya jika tidak dipakai.

I.8 Komponen-Komponen Elektronik Dan Listrik

Selama ini dikenal cukup banyak komponen–komponen elektronik, tetapi tidak akan dibahas secara keseluruhan. Secara garis besar komponen–komponen tersebut dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu:

·   Komponen pasif

Komponen–komponen pasif adalah komponen yang tidak mengolah arus dan tegangan, melainkan hanya menaikkan/menurunkan arus dan tegangan yang melaluinya. Contoh komponen pasif adalah resistor, capasitor dan transformer.

·   Komponen aktif

Komponen–komponen aktif adalah komponen yang mengolah arus dan tegangan yang melaluinya. Contoh komponen aktif adalah diode dan trasnsistor.

v    Diode

Cara kerja komponen: Jika anoda-nya lebih positip dibandingkan dengan katodanya maka arus akan mengalir (conduct) dari anoda ke katoda atau forward biased, tetapi jika kebalikannya atau reverse biased maka arus tidak bisa mengalir. Diode ini dibuat dari bahan semikonduktor jenis P dan digabungkan dengan semikonduktor jenis N, sehingga terbentuklah “depletion layer”. Untuk melewati depletion layer tersebut diperlukan tegangan perintang, yang besarnya tergantung dari material diode-nya (jika dibuat dari Silicon tegangan jatuhnya 600 mV, sementara Germanium 100 mV).

Gb. 1.12 Diode

v  Transistor

Ada dua macam tipe transistor yaitu: Bipolar Transistor dan Field Effect Transistor. Transistor yang banyak dipakai oleh komponen–komponen elektronik Caterpillar adalah transistor tipe bipolar, jadi pembahasan dititik beratkan pada tipe bipolar tersebut.

Transistor terbuat dari tiga buah semikondukor yang dipasang bersusun. Ada dua cara penyusunan semikonduktornya secara berseling. Yaitu jika semikonduktornya yang di tengah adalah jenis P, sedang yang mengapitnya adalah semikonduktor jenis N, maka transistornya disebut tipe NPN. Tetapi jika semikonduktornya yang di tengah jenis N, sedang yang mengapitnya semikonduktor jenis P, maka transistornya disebut tipe PNP.

Cara kerjanya transistor adalah:

·         Tipe NPN, jika base-nya diberi arus positip yang kecil, maka arus negatip yang besar dari collector mengalir menuju emitter. Sedangkan jika arus positipnya berubah menjadi negatip maka arusnya akan berhenti mengalir.

·         Tipe PNP, jika base-nya diberi arus negatip yang kecil, maka arus positip akan mengalir dari emitter ke collector. Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini.

Gb. 1.13 Transistor