Rangkaian Arus Searah

Hubungan mendasar antara tegangan, arus dan hambatan dalam rangkaian listrik atau elektronik disebut Hukum Ohm.

Semua bahan tersusun dari atom, dan semua atom terdiri dari proton, neutron, dan elektron. Proton, memiliki muatan listrik positif. Neutron tidak memiliki muatan listrik (yaitu Netral), sedangkan Elektron memiliki muatan listrik negatif. Atom terikat bersama oleh gaya tarik yang kuat yang ada di antara inti atom dan elektron di kulit terluarnya.

Ketika proton, neutron, dan elektron ini bersama-sama di dalam atom, mereka harmoni dan stabil. Tetapi jika kita memisahkan mereka satu sama lain, mereka ingin mereformasi dan mulai menggunakan potensi ketertarikan yang disebut perbedaan potensial.

Sekarang jika kita membuat sirkuit tertutup, elektron-elektron yang lepas ini akan mulai bergerak dan melayang kembali ke proton karena tarikannya menciptakan aliran elektron. Aliran elektron ini disebut arus listrik. Elektron tidak mengalir dengan bebas melalui rangkaian karena material yang dilaluinya menciptakan pembatasan aliran elektron. Pembatasan ini disebut resistensi.

Kemudian semua rangkaian listrik atau elektronik dasar terdiri dari tiga besaran listrik yang terpisah tetapi sangat terkait yang disebut: Tegangan, (v), Arus, (i) dan Resistansi, (Ω).

Tegangan listrik

Tegangan, (V) adalah energi potensial dari suplai listrik yang disimpan dalam bentuk muatan listrik. Tegangan dapat dianggap sebagai gaya yang mendorong elektron melalui konduktor dan semakin besar tegangan, semakin besar kemampuannya untuk "mendorong" elektron melalui rangkaian tertentu. Karena energi memiliki kemampuan untuk melakukan pekerjaan, energi potensial ini dapat digambarkan sebagai pekerjaan yang diperlukan dalam joule untuk memindahkan elektron dalam bentuk arus listrik di sekitar rangkaian dari satu titik atau simpul ke titik lainnya.

Kemudian perbedaan tegangan antara dua titik, koneksi atau persimpangan (disebut node) dalam suatu rangkaian dikenal sebagai Perbedaan Potensial, atau Perbedaan Tegangan, biasa disebut Drop Tegangan.

Beda potensial antara dua titik diukur dalam Volt dengan simbol sirkuit V, atau huruf kecil "v", meskipun Energi, huruf kecil E "e" terkadang digunakan untuk menunjukkan ggl yang dibangkitkan (gaya gerak listrik). Maka semakin besar voltase, semakin besar tekanan (atau gaya dorong) dan semakin besar kapasitas untuk melakukan pekerjaan.

Sumber tegangan yang konstan disebut Tegangan DC dengan tegangan yang berubah-ubah secara berkala dengan waktu disebut Tegangan AC. Tegangan diukur dalam volt, dengan satu volt didefinisikan sebagai tekanan listrik yang diperlukan untuk memaksa arus listrik sebesar satu ampere melalui resistansi satu Ohm. Tegangan umumnya dinyatakan dalam Volt dengan awalan yang digunakan untuk menunjukkan sub-kelipatan tegangan seperti mikrovolt (μV = 10^-6 V), milivolt (mV = 10^-3 V) atau kilovolt (kV = 10³ V). Tegangan dapat berupa positif atau negatif.

Baterai atau catu daya sebagian besar digunakan untuk menghasilkan sumber tegangan DC (arus searah) yang stabil seperti 5V, 12V, 24V dll di sirkuit dan sistem elektronik. Sedangkan sumber tegangan AC (arus bolak-balik) tersedia untuk rumah domestik dan listrik dan penerangan industri serta transmisi listrik. Pasokan tegangan listrik di Inggris saat ini 230 volt a.c. dan 110 volt a.c. di Amerika Serikat.

Sirkuit elektronik umum beroperasi pada suplai baterai DC tegangan rendah antara 1,5V dan 24V dc Simbol rangkaian untuk sumber tegangan konstan biasanya diberikan sebagai simbol baterai dengan tanda positif, + dan negatif, - yang menunjukkan arah polaritas. Simbol rangkaian untuk sumber tegangan bolak-balik adalah lingkaran dengan gelombang sinus di dalamnya.

Simbol-Simbol Tegangan

Hubungan sederhana dapat dibuat antara tangki air dan suplai tegangan. Semakin tinggi tangki air di atas saluran keluar, semakin besar tekanan air karena semakin banyak energi yang dilepaskan, semakin tinggi tegangan semakin besar energi potensial karena semakin banyak elektron yang dilepaskan.

Tegangan selalu diukur sebagai perbedaan antara dua titik dalam suatu rangkaian dan tegangan antara dua titik ini umumnya disebut sebagai "Penurunan tegangan". Perhatikan bahwa tegangan dapat ada di seluruh rangkaian tanpa arus, tetapi arus tidak dapat ada tanpa tegangan dan dengan demikian sumber tegangan apa pun baik DC atau AC menyukai kondisi rangkaian terbuka atau semi-terbuka tetapi membenci kondisi korsleting karena ini dapat merusaknya.

Arus Listrik

Arus Listrik, (I) adalah pergerakan atau aliran muatan listrik dan diukur dalam Ampere, simbolnya i, untuk intensitas). Ini adalah aliran yang terus menerus dan seragam (disebut penyimpangan) elektron (partikel negatif dari sebuah atom) di sekitar sirkuit yang "didorong" oleh sumber tegangan. Pada kenyataannya, elektron mengalir dari terminal negatif (–ve) ke terminal positif (+ ve) dari suplai dan untuk memudahkan pemahaman rangkaian, aliran arus konvensional mengasumsikan bahwa arus mengalir dari terminal positif ke terminal negatif.

Umumnya dalam diagram rangkaian, aliran arus melalui rangkaian biasanya memiliki panah yang dikaitkan dengan simbol, I, atau huruf kecil i untuk menunjukkan arah aliran arus yang sebenarnya. Namun, panah ini biasanya menunjukkan arah aliran arus konvensional dan belum tentu arah aliran sebenarnya.

Arah Arus Listrik (Arus Konvensional) 

Biasanya ini adalah aliran muatan positif di sekitar sirkuit, dari positif ke negatif. Diagram di sebelah kiri menunjukkan pergerakan muatan positif (lubang) di sekitar sirkuit tertutup yang mengalir dari terminal positif baterai, melalui sirkuit dan kembali ke terminal negatif baterai. Aliran arus dari positif ke negatif umumnya dikenal sebagai aliran arus konvensional.

Ini adalah konvensi yang dipilih selama penemuan listrik di mana arah arus listrik diperkirakan mengalir dalam suatu rangkaian. Untuk melanjutkan garis pemikiran ini, di semua diagram sirkuit dan skema, panah yang ditunjukkan pada simbol untuk komponen seperti dioda dan transistor menunjuk ke arah aliran arus konvensional.

Kemudian Arus Konvensional memberikan aliran arus listrik dari positif ke negatif dan yang berlawanan arah dengan aliran elektron yang sebenarnya.

Aliran Elektron

Aliran elektron disekitar rangkaian berlawanan dengan arah aliran arus konvensional, yakni dari negatif ke positif. Arus aktual yang mengalir pada suatu rangkaian listrik terdiri dari elektron yang mengalir dari kutub negatif baterai (katoda) dan kembali lagi ke kutub positif (anoda) baterai.

Ini karena muatan pada elektron menurut definisi adalah negatif dan tertarik ke terminal positif. Aliran elektron ini disebut Aliran Arus Elektron. Oleh karena itu, elektron benar-benar mengalir di sekitar rangkaian dari terminal negatif ke positif.

Aliran arus konvensional dan aliran elektron digunakan oleh banyak buku teks. Faktanya, tidak ada bedanya ke arah mana arus mengalir di sekitar rangkaian selama arahnya digunakan secara konsisten. Arah aliran arus tidak mempengaruhi apa yang dilakukan arus dalam rangkaian. Umumnya jauh lebih mudah untuk memahami aliran arus konvensional - positif ke negatif.

Dalam rangkaian elektronik, sumber arus adalah elemen rangkaian yang memberikan jumlah arus tertentu misalnya, 1A, 5A 10 Amps dll, dengan simbol rangkaian untuk sumber arus konstan diberikan sebagai lingkaran dengan panah di dalam yang menunjukkan arahnya.

Arus diukur dalam Ampere atau ampere didefinisikan sebagai jumlah elektron atau muatan (Q dalam Coulomb) yang melewati titik tertentu dalam rangkaian dalam satu detik, (t dalam Detik).

Arus listrik umumnya dinyatakan dalam Ampere dengan awalan yang digunakan untuk menunjukkan mikroampere (μA = 10^-6A) atau miliampere (mA = 10^-3A). Perhatikan bahwa arus listrik dapat bernilai positif atau negatif tergantung pada arah alirannya di sekitar rangkaian.

Arus yang mengalir dalam satu arah disebut Arus Searah, atau DC dan arus yang mengalir dalam dua arah atau bolak-balik melalui rangkaian dikenal sebagai Arus Bolak-balik, atau AC. Apakah  itu arus AC atau DC hanya mengalir melalui suatu rangkaian ketika sumber tegangan dihubungkan kepadanya dengan "aliran" yang dibatasi oleh nilai resistansi rangkaian dan sumber tegangan yang diterapkan padanya.

Juga, karena arus bolak-balik (dan tegangan) bersifat periodik dan bervariasi dengan waktu, nilai "efektif" atau "RMS", (Root Mean Squared) yang diberikan karena I_rms menghasilkan rugi daya rata-rata yang sama yang setara dengan Rata-rata arus DC atau I_rata-rata. Sumber arus berlawanan dengan sumber tegangan karena mereka menyukai kondisi hubung singkat atau tertutup tetapi membenci kondisi rangkaian terbuka karena tidak ada arus yang mengalir.

Dengan menggunakan tangki hubungan air, arus adalah ekivalen dengan aliran air melalui pipa dengan aliran yang sama di seluruh pipa. Semakin cepat aliran air semakin besar arusnya. Perhatikan bahwa arus tidak dapat ada tanpa tegangan sehingga sumber arus apa pun baik DC atau AC menyukai kondisi hubung singkat atau semi-pendek tetapi membenci kondisi rangkaian terbuka karena hal ini mencegahnya mengalir.

Resistansi

Resistensi, (R) adalah kapasitas suatu bahan untuk menahan atau mencegah aliran arus atau, lebih khusus lagi, aliran muatan listrik dalam suatu rangkaian. Elemen sirkuit yang melakukan ini dengan sempurna disebut "Resistor".

Resistansi adalah elemen rangkaian yang diukur dalam Ohm, simbol Yunani (Ω, Omega) dengan awalan yang digunakan untuk menunjukkan Kilo-ohm (kΩ = 103Ω) dan Mega-ohm (MΩ = 106Ω). Perhatikan bahwa resistensi tidak boleh negatif hanya bernilai positif.

Simbol Resistor

Jumlah resistansi yang dimiliki resistor ditentukan oleh hubungan arus yang melewatinya dengan tegangan yang melewatinya yang menentukan apakah elemen rangkaian adalah "konduktor yang baik" - resistansi rendah, atau "konduktor buruk" - resistansi tinggi. Hambatan rendah, misalnya 1Ω atau kurang berarti rangkaian adalah konduktor yang baik yang terbuat dari bahan seperti tembaga, aluminium atau karbon sedangkan resistansi tinggi, 1MΩ atau lebih berarti rangkaian adalah konduktor buruk yang terbuat dari bahan isolasi seperti kaca, porselen atau plastik.

Di sisi lain, "semikonduktor" seperti silikon atau germanium, adalah bahan yang resistansinya setengah jalan antara konduktor yang baik dan isolator yang baik. Oleh karena itu nama "semi-konduktor". Semikonduktor digunakan untuk membuat Dioda dan Transistor dll.

Resistensi bisa linier atau non-linier, tetapi tidak pernah negatif. Resistansi linier mematuhi Hukum Ohm karena tegangan yang melintasi resistor berbanding lurus dengan arus yang melaluinya. Resistansi non-linier, tidak mematuhi Hukum Ohm tetapi memiliki penurunan tegangan yang sebanding dengan beberapa daya arus.

Resistansi murni dan tidak terpengaruh oleh frekuensi dengan impedansi AC dari suatu resistansi sama dengan resistansi DC-nya dan akibatnya tidak boleh negatif. Ingatlah bahwa penolakan selalu positif, dan tidak pernah negatif.

Sebuah resistor digolongkan sebagai elemen rangkaian pasif dan karena itu tidak dapat menghantarkan daya atau menyimpan energi. Sebaliknya resistor menyerap daya yang muncul sebagai panas dan cahaya. Daya dalam resistansi selalu positif terlepas dari polaritas tegangan dan arah arus.

Untuk nilai resistansi yang sangat rendah, misalnya mili-ohm, (mΩ) terkadang lebih mudah menggunakan kebalikan dari resistansi (1 / R) daripada resistansi (R) itu sendiri. Kebalikan dari resistansi disebut Konduktansi, simbol (G) dan mewakili kemampuan konduktor atau perangkat untuk menghantarkan listrik.

Dengan kata lain kemudahan arus mengalir. Nilai konduktansi yang tinggi berarti konduktor yang baik seperti tembaga, sedangkan nilai konduktansi yang rendah berarti konduktor yang buruk seperti kayu. Satuan standar pengukuran yang diberikan untuk konduktansi adalah Siemen, simbol (S).

Satuan yang digunakan untuk konduktansi adalah mho (ohm dieja terbalik), yang dilambangkan dengan tanda Ohm terbalik ℧. Daya juga dapat diekspresikan menggunakan konduktansi sebagai: p = i2 / G = v2G.

Hubungan antara Tegangan, (v) dan Arus, (i) pada rangkaian Resistansi konstan, (R) akan menghasilkan hubungan garis lurus i-v dengan kemiringan sama dengan nilai resistansi seperti pada gambar.

Ringkasan Tegangan, Arus dan Resistansi

Semoga sekarang Anda sudah memiliki gambaran tentang bagaimana Tegangan listrik, Arus dan Resistansi terkait erat. Hubungan antara Tegangan, Arus dan Resistansi membentuk dasar hukum Ohm. Dalam rangkaian linier resistansi tetap, jika kita meningkatkan tegangan, arus naik, dan demikian pula, jika kita menurunkan tegangan, arus turun. Ini berarti jika tegangan tinggi arusnya tinggi, dan jika tegangan rendah arusnya rendah.

Demikian juga, jika kita meningkatkan resistansi, arus turun untuk tegangan tertentu dan jika kita menurunkan resistansi arus naik. Artinya jika resistansi tinggi, arus rendah dan jika resistansi rendah, arus tinggi.

Kemudian kita dapat melihat bahwa aliran arus di sekitar rangkaian berbanding lurus (∝) dengan tegangan, (V ↑ menyebabkan I ↑) tetapi berbanding terbalik (1 / ∝) dengan resistansi sebagai, (R ↑ menyebabkan I ↓).

Ringkasan dasar dari ketiga unit diberikan di bawah ini.

• Perbedaan tegangan atau potensial adalah ukuran energi potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian dan biasanya disebut sebagai "penurunan volt".
• Ketika sumber tegangan dihubungkan ke rangkaian loop tertutup maka tegangan tersebut akan menghasilkan arus yang mengalir di sekitar rangkaian.
• Dalam sumber tegangan DC, simbol + ve (positif) dan −ve (negatif) digunakan untuk menunjukkan polaritas suplai tegangan.
• Tegangan diukur dalam Volt dan memiliki simbol V untuk tegangan atau E untuk energi listrik.
• Aliran arus adalah kombinasi aliran elektron dan aliran lubang melalui suatu rangkaian.
• Arus adalah aliran muatan yang kontinu dan seragam di sekitar rangkaian dan diukur dalam Ampere atau Amp dan memiliki simbol I.
• Arus Berbanding Langsung dengan Tegangan (I ∝ V)
• Nilai efektif (rms) dari arus bolak-balik memiliki rugi daya rata-rata yang sama yang setara dengan arus searah yang mengalir melalui elemen resistif.
• Hambatan adalah perlawanan terhadap arus yang mengalir di sekitar rangkaian.
• Nilai resistansi rendah menyiratkan konduktor dan nilai resistansi tinggi menyiratkan insulator.
• Arus Berbanding Terbalik dengan Resistensi (I 1 / ∝ R)
• Resistensi diukur dalam Ohm dan memiliki simbol Yunani Ω atau huruf R.

Dalam tutorial berikutnya tentang Rangkaian DC kita akan melihat Hukum Ohm yang merupakan persamaan matematika yang menjelaskan hubungan antara Tegangan, Arus, dan Hambatan dalam rangkaian listrik dan merupakan dasar dari elektronika dan teknik kelistrikan. Hukum Ohm didefinisikan sebagai: V = I * R.