Hubungan antara Tegangan, Arus dan Resistansi - Rangkaian DC
Hubungan mendasar antara tegangan, arus dan resistansi dalam rangkaian listrik atau elektronik disebut Hukum Ohm.
Semua bahan terbuat dari atom, dan semua atom terdiri dari proton, neutron, dan elektron. Proton, memiliki muatan listrik positif. Neutron tidak memiliki muatan listrik (yaitu mereka 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 berada dalam atom, mereka baik dan stabil. Tetapi jika kita memisahkan mereka satu sama lain, mereka ingin memperbarui dan mulai mengerahkan potensi ketertarikan yang disebut Beda Potensial.
Sekarang jika kita membuat rangkaian tertutup, elektron-elektron yang lepas ini akan mulai bergerak dan kembali ke proton karena ketertarikannya menciptakan aliran elektron. Aliran elektron ini disebut arus listrik. Elektron tidak mengalir dengan bebas melalui rangkaian karena materi yang dilewatinya menciptakan pembatasan aliran elektron. Pembatasan ini disebut resistansi.
Kemudian semua rangkaian listrik atau elektronik dasar terdiri dari tiga kuantitas listrik yang terpisah tetapi sangat terkait yang disebut: Tegangan, (v), Arus, (i) dan Resistansi/Tahanan, (Ω).
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 titik ke titik lainnya.
Kemudian perbedaan tegangan antara dua titik, koneksi atau persimpangan (disebut node) dalam suatu rangkaian dikenal sebagai Perbedaan Potensial, (p.d) yang biasa disebut Penurunan Tegangan.
Perbedaan Potensial antara dua titik diukur dalam Volt dengan rangkaian simbol V, atau huruf kecil “ v “, meskipun Energi, E huruf kecil ‘e’ kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan ggl (gaya gerak listrik) yang dihasilkan. Kemudian semakin besar tegangan, semakin besar tekanan (atau gaya dorong) dan semakin besar kapasitas untuk melakukan pekerjaan.
Sumber tegangan konstan disebut Tegangan DC dengan tegangan yang bervariasi secara berkala dengan waktu yang disebut Tegangan AC. Tegangan diukur dalam volt, dengan satu volt didefinisikan sebagai tekanan listrik yang diperlukan untuk memaksa arus listrik satu ampere melalui resistansi satu Ohm.
Tegangan umumnya dinyatakan dalam Volt dengan satuan yang digunakan untuk menunjukkan sub-kelipatan dari tegangan seperti microvolt ( μV = 10-6 V ), milivolt ( mV = 10-3 V ) atau kilovolt ( kV = 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 rangkaian dan sistem elektronik. Sementara sumber tegangan AC (arus bolak-balik) tersedia untuk listrik dan penerangan rumah dan industri domestik serta transmisi daya.
Rangkaian elektronik umum beroperasi pada supply baterai DC tegangan rendah antara 1,5V dan 24V DC Simbol rangkaian untuk sumber tegangan konstan yang 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.
Hubungan sederhana dapat dibuat dengan istilah antara tangki air dan supply tegangan. Semakin tinggi tangki air di atas outlet, 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 karena itu sumber tegangan apakah DC atau AC menyukai kondisi rangkaian terbuka atau semi-terbuka tetapi membenci kondisi (short) hubung singkat karena hal ini dapat menghancurkannya.
Pada kenyataannya, elektron mengalir dari terminal negatif (–ve) ke terminal positif (+ve) dari supply dan untuk memudahkan pemahaman rangkaian, aliran arus konvensional mengasumsikan bahwa arus mengalir dari terminal positif ke terminal negatif.
Secara umum dalam diagram rangkaian, aliran arus melalui rangkaian biasanya memiliki panah yang terkait dengan simbol, I, atau huruf kecil i untuk menunjukkan arah aktual dari aliran arus. Namun, panah ini biasanya menunjukkan arah aliran arus konvensional dan belum tentu arah aliran aktual.
Secara konvensional, ini adalah aliran muatan positif di sekitar rangkaian, positif ke negatif. Diagram di sebelah kiri menunjukkan pergerakan muatan positif (lubang) di sekitar rangkaian tertutup yang mengalir dari terminal positif baterai, melalui rangkaian 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, dalam semua diagram rangkaian 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 di sekitar rangkaian berlawanan dengan arah aliran arus konvensional menjadi negatif ke positif. Arus aktual yang mengalir dalam rangkaian listrik terdiri dari elektron yang mengalir dari kutub negatif baterai (katoda) dan kembali ke kutub positif (anoda) baterai.
Ini karena muatan pada elektron negatif menurut definisi dan tertarik ke terminal positif. Aliran elektron ini disebut Aliran Arus Elektron. Oleh karena itu, elektron sebenarnya mengalir di sekitar rangkaian dari terminal negatif ke positif.
Semua bahan terbuat dari atom, dan semua atom terdiri dari proton, neutron, dan elektron. Proton, memiliki muatan listrik positif. Neutron tidak memiliki muatan listrik (yaitu mereka 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 berada dalam atom, mereka baik dan stabil. Tetapi jika kita memisahkan mereka satu sama lain, mereka ingin memperbarui dan mulai mengerahkan potensi ketertarikan yang disebut Beda Potensial.
Sekarang jika kita membuat rangkaian tertutup, elektron-elektron yang lepas ini akan mulai bergerak dan kembali ke proton karena ketertarikannya menciptakan aliran elektron. Aliran elektron ini disebut arus listrik. Elektron tidak mengalir dengan bebas melalui rangkaian karena materi yang dilewatinya menciptakan pembatasan aliran elektron. Pembatasan ini disebut resistansi.
Kemudian semua rangkaian listrik atau elektronik dasar terdiri dari tiga kuantitas listrik yang terpisah tetapi sangat terkait yang disebut: Tegangan, (v), Arus, (i) dan Resistansi/Tahanan, (Ω).
Tegangan Listrik
Tegangan, ( V ) adalah energi potensial dari supply 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 yang diberikan.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 titik ke titik lainnya.
Kemudian perbedaan tegangan antara dua titik, koneksi atau persimpangan (disebut node) dalam suatu rangkaian dikenal sebagai Perbedaan Potensial, (p.d) yang biasa disebut Penurunan Tegangan.
Perbedaan Potensial antara dua titik diukur dalam Volt dengan rangkaian simbol V, atau huruf kecil “ v “, meskipun Energi, E huruf kecil ‘e’ kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan ggl (gaya gerak listrik) yang dihasilkan. Kemudian semakin besar tegangan, semakin besar tekanan (atau gaya dorong) dan semakin besar kapasitas untuk melakukan pekerjaan.
Sumber tegangan konstan disebut Tegangan DC dengan tegangan yang bervariasi secara berkala dengan waktu yang disebut Tegangan AC. Tegangan diukur dalam volt, dengan satu volt didefinisikan sebagai tekanan listrik yang diperlukan untuk memaksa arus listrik satu ampere melalui resistansi satu Ohm.
Tegangan umumnya dinyatakan dalam Volt dengan satuan yang digunakan untuk menunjukkan sub-kelipatan dari tegangan seperti microvolt ( μV = 10-6 V ), milivolt ( mV = 10-3 V ) atau kilovolt ( kV = 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 rangkaian dan sistem elektronik. Sementara sumber tegangan AC (arus bolak-balik) tersedia untuk listrik dan penerangan rumah dan industri domestik serta transmisi daya.
Rangkaian elektronik umum beroperasi pada supply baterai DC tegangan rendah antara 1,5V dan 24V DC Simbol rangkaian untuk sumber tegangan konstan yang 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 Tegangan Listrik
Hubungan sederhana dapat dibuat dengan istilah antara tangki air dan supply tegangan. Semakin tinggi tangki air di atas outlet, 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 karena itu sumber tegangan apakah DC atau AC menyukai kondisi rangkaian terbuka atau semi-terbuka tetapi membenci kondisi (short) hubung singkat karena hal ini dapat menghancurkannya.
Arus Listrik
Arus Listrik, ( I ) adalah pergerakan atau aliran muatan listrik dan diukur dalam Ampere, simbol i, untuk intensitas. Ini adalah aliran kontinu dan seragam (disebut penyimpangan) elektron (partikel negatif atom) di sekitar rangkaian yang "didorong" oleh sumber tegangan.Pada kenyataannya, elektron mengalir dari terminal negatif (–ve) ke terminal positif (+ve) dari supply dan untuk memudahkan pemahaman rangkaian, aliran arus konvensional mengasumsikan bahwa arus mengalir dari terminal positif ke terminal negatif.
Secara umum dalam diagram rangkaian, aliran arus melalui rangkaian biasanya memiliki panah yang terkait dengan simbol, I, atau huruf kecil i untuk menunjukkan arah aktual dari aliran arus. Namun, panah ini biasanya menunjukkan arah aliran arus konvensional dan belum tentu arah aliran aktual.
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, dalam semua diagram rangkaian 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
Ini karena muatan pada elektron negatif menurut definisi dan tertarik ke terminal positif. Aliran elektron ini disebut Aliran Arus Elektron. Oleh karena itu, elektron sebenarnya mengalir di sekitar rangkaian dari terminal negatif ke positif.
Kedua aliran arus konvensional dan aliran elektron yang digunakan oleh banyak buku pelajaran. Bahkan, tidak ada bedanya ke arah mana arus mengalir di sekitar rangkaian selama arah digunakan secara konsisten.
Arah aliran arus tidak mempengaruhi apa yang dilakukan arus dalam rangkaian. Secara umum lebih mudah untuk memahami aliran arus konvensional - positif ke negatif.
Dalam rangkaian elektronik, sumber arus adalah elemen rangkaian yang menyediakan jumlah arus tertentu misalnya, 1A, 5A 10 Amp dll, dengan simbol rangkaian untuk sumber arus konstan yang diberikan sebagai lingkaran dengan panah di dalamnya yang menunjukkan arahnya.
Arus diukur dalam Amps dan Amp 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 Amp dengan satuan yang digunakan untuk menunjukkan mikro amp ( μA = 10-6 A ) atau miliamp ( mA = 10-3 A ). Perhatikan bahwa arus listrik dapat bernilai positif atau negatif tergantung pada arah aliran di sekitar rangkaian.
Arus yang mengalir dalam satu arah disebut Direct Current, atau DC dan arus yang bergantian bolak-balik melalui rangkaian dikenal sebagai Alternating Current, atau AC. Arus AC atau DC hanya mengalir melalui rangkaian ketika sumber tegangan dihubungkan ke sana dengan "aliran" terbatas pada resistansi rangkaian dan sumber tegangan yang mendorongnya.
Juga, sebagai bolak-balik arus (dan tegangan) adalah periodik dan berbeda dengan waktu “efektif” atau “RMS”, (Root Mean Squared) nilai yang diberikan sebagai Irms menghasilkan hilangnya kekuatan setara rata-rata yang sama untuk arus DC Irata-rata.
Sumber arus adalah kebalikan dari sumber tegangan karena mereka menyukai kondisi rangkaian pendek atau tertutup tetapi membenci kondisi rangkaian terbuka karena tidak ada arus yang mengalir.
Menggunakan hubungan istilah tangki air, arus adalah setara 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 / Hambatan / Tahanan / Perlawanan
Resistansi, ( R ) adalah kapasitas bahan untuk menahan atau mencegah aliran arus atau, lebih khusus, aliran muatan listrik dalam suatu rangkaian. Elemen rangkaian yang melakukan ini dengan sempurna disebut "Resistor".
Resistansi adalah elemen rangkaian yang diukur dalam Ohm, simbol Yunani (Ω, Omega) dengan satuan yang digunakan untuk menunjukkan Kilo-ohm ( kΩ = 103 Ω ) dan Mega-ohm ( MΩ = 106 Ω ). Perhatikan bahwa resistansi tidak boleh negatif hanya bernilai positif.
Simbol Resistor
Jumlah resistansi resistor ditentukan oleh hubungan arus yang melaluinya dengan tegangan yang menentukan apakah elemen rangkaian adalah "konduktor yang baik" - resistansi rendah, atau "konduktor buruk" - resistansi tinggi.
Resistansi rendah, misalnya 1Ω atau kurang menyiratkan bahwa rangkaian adalah konduktor yang baik yang terbuat dari bahan-bahan seperti tembaga, aluminium atau karbon sementara resistansi tinggi, 1MΩ atau lebih menyiratkan rangkaian adalah konduktor yang buruk yang terbuat dari bahan isolasi seperti kaca, porselen atau plastik.
Bahan Semikonduktor di sisi lain seperti silikon atau germanium, adalah bahan yang resistannya setengah jalan antara konduktor yang baik dan isolator yang baik. Karenanya nama "semi-konduktor". Semikonduktor digunakan untuk membuat Dioda dan Transistor dll.
Resistansi bisa bersifat linear atau non-linear, tetapi tidak pernah negatif. Resistansi linier mematuhi Hukum Ohm karena tegangan pada resistor berbanding lurus dengan arus yang melaluinya. Resistansi non-linier, tidak mematuhi Hukum Ohm tetapi memiliki drop tegangan yang sebanding dengan beberapa kekuatan arus.
Resistansi murni dan tidak terpengaruh oleh frekuensi dengan impedansi AC dari resistansi yang sama dengan resistansi DC-nya dan akibatnya tidak boleh negatif. Ingatlah bahwa resistansi selalu positif, dan tidak pernah negatif.
Sebuah resistor digolongkan sebagai elemen komponen pasif dan karenanya tidak dapat menghantarkan daya atau menyimpan energi. Sebaliknya resistor menyerap daya yang muncul sebagai panas dan cahaya. Daya dalam suatu resistansi selalu positif terlepas dari polaritas tegangan dan arah arus.
Untuk nilai resistansi atau perlawanan yang sangat rendah, misalnya saja mili-ohm, ( mΩ ) biasanya jauh lebih mudah untuk memakai resiprokal resistansi ( 1/R ) daripada memakai resistansi ( R ) itu sendiri. Kebalikan resistansi disebut Konduktansi, simbol ( G ) dan mewakili kemampuan konduktor atau perangkat untuk menghantarkan listrik.
Dengan kata lain kemudahan arus yang mengalir. Nilai konduktansi tinggi menyiratkan konduktor yang baik seperti tembaga sedangkan nilai konduktansi rendah menyiratkan 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 mundur), yang dilambangkan dengan tanda Ohm terbalik ℧. Listrik juga dapat dinyatakan dengan menggunakan konduktansi sebagai: p = i2/G = v2G.
Hubungan antara Tegangan, ( V ) dan Arus, ( I ) dalam rangkaian Resistansi konstan, ( R ) akan menghasilkan hubungan garis lurus I-V dengan kemiringan yang sama dengan nilai resistansi seperti yang ditunjukkan.
Ringkasan Tegangan, Arus dan Resistansi
Mudah-mudahan sekarang Anda harus memiliki beberapa ide tentang bagaimana Tegangan listrik, Arus dan Resistansi saling berhubungan erat. Hubungan antara Tegangan, Arus dan Resistansi membentuk dasar hukum Ohm.
Dalam rangkaian linier resistansi tetap, jika kita menambah tegangan, maka arus naik, dan juga, jika kita menurunkan tegangan, arus turun. Ini berarti bahwa jika tegangan tinggi maka arus tinggi, dan jika tegangan rendah maka arus rendah.
Demikian juga, jika kita meningkatkan resistansi, arus turun untuk tegangan yang diberikan dan jika kita mengurangi resistansi arus naik. Yang berarti jika resistansi tinggi, arus rendah, dan jika resistansi rendah, arus tinggi.
Kemudian kita dapat melihat bahwa arus yang mengalir di sekitar rangkaian berbanding lurus ( ∝ ) dengan tegangan, ( V↑ menyebabkan I↑ ) tetapi berbanding terbalik ( 1/∝ ) dengan resistansi, ( R ↑ menyebabkan I↓ ).
Ringkasan dasar dari tiga unit diberikan di bawah ini.
- Perbedaan tegangan atau beda potensial adalah ukuran energi potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian dan biasanya disebut sebagai "volt drop"-nya .
- Ketika sumber tegangan dihubungkan ke rangkaian loop tertutup, tegangan akan menghasilkan arus yang mengalir di sekitar rangkaian.
- Dalam sumber tegangan DC simbol +ve (positif) dan −ve (negatif) digunakan untuk menunjukkan polaritas supply 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 kontinu dan seragam muatan sekitar rangkaian dan diukur dalam ampere atau Amps dan memiliki simbol I.
- Arus berbanding lurus dengan tegangan (I ∝ V)
- Nilai efektif (rms) dari arus bolak-balik memiliki kehilangan daya rata-rata yang sama dengan arus searah yang mengalir melalui elemen resistif.
- Resistansi adalah perlawanan terhadap arus yang mengalir di sekitar rangkaian.
- Nilai resistansi yang rendah menyiratkan konduktor dan nilai resistansi yang tinggi menyiratkan sebuah insulator.
- Arus Berbanding terbalik dengan Resistansi ( I 1/∝ R )
- Resistansi diukur dalam Ohm dan memiliki simbol Yunani Ω atau huruf R.
Kuantitas
|
Simbol
|
Satuan ukuran
|
Singkatan
|
Tegangan
|
V atau E
|
Volt
|
V
|
Arus
|
I
|
Ampere
|
A
|
Hambatan
|
R
|
Ohm
|
Ω
|
Dalam tutorial berikutnya tentang Rangkaian DC kita akan melihat Hukum Ohm yang merupakan persamaan matematika yang menjelaskan hubungan antara Tegangan, Arus, dan Resistansi dalam rangkaian listrik dan merupakan dasar dari elektronik dan teknik listrik. Hukum Ohm didefinisikan sebagai: V = I*R.