Contoh Soal dan Pembahasan Fisika dan Elektronika - Gurhu Cho-Cho

 

 

NAMA                : KHOLIK KAMDANI

NPM                    : 11010032

MATA KULIAH : FISIKA dan ELEKTRONIKA

KODE SOAL      : 5

1.      Hukum OHM :

“ Kuat arus yang mengalir dalam suatu penghantar sebanding dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar tersebut ”.

            Penerapan hukum OHM :

            Hukum OHM secara matematis : V = I x R

            Dengan            V = tegangan (Volt)

                                     I = kuat arus (Ampere)

                                    R = hambatan (Ohm)

Untuk komponen tertentu yang hambatannya dianggap tetap, maka tegangan (V) akan sebanding dengan arusnya (I).

Dalam rangkaian :

·         Seri : berfungsi sebagai pembagi tegangan.

R_S = R₁ + R₂ + R₃ + ….

·         Parallel : berfungsi sebagai pmbagi arus.

 =  +  +  + ……

            Hukum Kirchoft I :

            “ Jumlah kuat arus yang masuk dalam titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan “.

            Penerapan hukum Kirchoft I :

-          Penerapannya :

Dua buah batere ujung-ujungnya yang sejenis dihubungkan, sehingga membentuik hubungan paralel. Masing-masing batere memiliki GGL 1,5 V; 0,3 ohm dan 1 V; 0,3 ohm.Hitunglah tegangan bersama kedua batere tersebut !

Jawab :

Tentukan arah loop dan arah arus listrik, dan terapkan hukum Kirchoff I,

 e1 + e2 _{= I (r1 + r2)}

_{I =}

Tegangan bersama kedua batere adalah tegangan jepit a - b, jadi :

Vab = e1 - I r₁ = 1,5 - 0,3 5/6 = 1,25 V

1= e2 + I R₂ = 1 + 0,3 5/6 = 1,25 V

            Hukum Kirc hoft II :

            “ Dalam rangkaian tertutup, jumlah aljabar GGL (E) dan jumlah penurunan potensial sama dengan nol “.

            Penerapan hukum Kirchoft II :

Sebuah sumber dengan ggl = E den hambatan dalam r dihubungkan ke sebuah potensiometer yang hambatannya R. Buktikan bahwa daya disipasi pada potensiometer mencapai maksimum jika R = r.

Jawab :

Dari hukum ohm : I = V/R =

Daya disipasi pada R : P = I²R =

Agar P maks maka turunan pertama dari P harus nol: dP/dR = 0 (diferensial parsial)

Jadi e² (R+r)² - E² R.2(R+r) = 0
               (R+r)4
e² (R+r)² = e² 2R (R+r) = R + r = 2R
                                        R = r (terbukti)

2.       

            Penyelesaian :

            Diket : V_S = 25 volt                             R₆ = 4 Ohm

                        R₁ = 5 Ohm                              R₇ = 4 Ohm

                        R₂ = 10 Ohm                            R₈ = 2 Ohm

                        R₃ = 5 Ohm        

                        R₄ = 10 Ohm

                        R₅ = 6 Ohm

            Dit : a. R_total                  f. IR₂                k. IR₅               p. VR₇

                    b. I_total                        g. IR_3­               l. IR₈                     q. IR₆

                    c. IR₁                          h. VR₃              m. VR₅                 r. IR₇   

                       d. VR₁                         i. VR₄               n. VR₈

                e. VR₂              j. IR₄                     o. VR₆

            Jawab :

a.       R_total dihitung dari simpul rangkaian yang paling terakhir (R₈)

            RP₁ = R₈ + (R₆ // R₇ ) + R₅

                   = 2 ohm + ( 4 ohm // 4 ohm ) + 6 ohm

                   = 2 + 2+ 6

                   = 10 ohm

            RP₂ = RP₁ // R₄

                   = 10 ohm // 10 ohm

                   = 5 ohm

            RP₃ = RP₂ + R₃

                   = 5 ohm + 5 ohm

                   = 10 ohm

            RP₄ = RP₃ // R₂

                   = 10 ohm // 10 ohm

       = 5 ohm

RP₅ = RP₄ + R₁

       = 5 ohm + 5 ohm

                   = 10 ohm

            Jadi R_total = 10 ohm

b.      I_total =  =  = 2,5 A

c.       IR₁ = I_total = 2,5 A

d.      VR₁ = IR₁ x R₁

             = 2,5 A x 5 ohm

=  12, 5 V

e.       VR₂ =  - VR₁

= 25 V - 12, 5 V

= 12, 5 V

f.       IR₂ =  =  = 1,25 A

g.       IR₃ = IR₁ -IR₂

= 2,5 A - 1,25 A

= 1,25 A

h.      VR₃ = IR₃ x R₃

= 1,25 A x 5 ohm

= 6,25 V

i.        VR₄ = VR₂ - VR₃

= 12, 5 V - 6,25 V

= 6,25 V

j.        IR₄ =  =  = 0.625 A

k.      IR₅ = IR₃ - IR₄

= 1,25 A - 0.625 A

= 0.625 A

l.        IR₅ = IR₈ = 0.625 A

m.    VR₅ = IR₅ x R₅

= 0.625 A x 6 ohm

= 3,75 V

n.      VR₈ = IR₈ x R₈

= 0.625 A x 2 ohm

= 1,25 V

o.      VR₆ = VR₄ – VR₅ – VR₈

= 6,25 V - 3,75 V - 1,25 V

= 1,25 V

p.      VR₇ = VR₆ = 1,25 V

q.      IR₆ = =  = =  = 0,31 A

r.        IR₇ =  =  = 0,31 A

3.       

            Penyelesaian :

            Diket : Vs₁ = 25 Volt

                        Vs₂ = 10 Volt                          

                        R₁ = 10 Ohm   

                        R₂ = 6 Ohm

                        R₃ = 4 Ohm        

                        R₄ = 4 Ohm

                        R₅ = 2 Ohm

            Dit : a. IR₁                    f.VR₁               k. Gambar arah arus listrik      

                    b. IR₂                         g.VR₂                              

                    c. IR_3­                          h. VR₃                                             

                       d.IR₄                            i. VR₄  

                e.IR₅                j.VR₅

Jawab :               

Analisis I, Vs₂ dihubung singkat.

a.       R_total = ….. ( menghitung dari simpul terakhir dari sumber Vs₁, yaitu R₅).

RP₁ = R₅ // R₄

      = 2 // 4 =  =  = 1,33

RP₂ = RP₁ + R₃

      = 1,33 + 4 Ohm = 5,33

RP₃ = RP₂ // R₂

      = 5,33 // 6

      =   =  = 2,82

R_total’ = RP₃ + R₁

          = 2,82 + 10

          = 12,82 Ohm

b.      I_total =   =  = 1,95 A

c.       IR₁’ = I_total = 1,95 A

d.      VR₁’ = IR₁’ x R₁

   = 1,95 A x 10 ohm

   = 19,5 Volt

e.       VR₂’ = Vs₁ - VR₁’

   = 25 Volt - 19,5 Volt

   = 5,5 Volt

f.       IR₂’ =  =  = 0,91 A

g.       IR₃’ = IR₁’ - IR₂’

= 1,95 A - 0,91 A

= 1,04 A

h.      VR₃’ = IR₃’ x R₃

   = 1,04 A x 4 ohm

   = 4,16 Volt

i.        VR₄’ = VR₂’ - VR₃’

   = 5,5 Volt - 4,16 Volt

   = 1,34 Volt

j.        IR₄’ =  =  = 0,33 A

k.      IR₅’ = IR₃’ - IR₄’

 = 1,04 A - 0,33 A

= 0,71 A

l.        VR₅’ = IR₅’ x R₅

   = 0,71 A x 2

  = 1,42 Volt

Analisis II, Vs₁ dihubung singkat.

a.       R_total = ….. ( menghitung dari simpul terakhir dari sumber Vs₂, yaitu R₁).

RP₁ = R₁ // R₂

       = 10 // 6  =  =  = 3,75

RP₂ = RP₁ + R₃

       = 3,75 + 4

       = 7,75

RP₃ = RP₂ // R₄

        = 7,75 // 4 =  =  = 2,63

R_total” = RP₃ + R₅

            = 2,63 + 2 ohm

            = 4,63 ohm

b.      I_total =   =  = 2,15 A

c.       IR₅” = I_total = 2,15 A

d.      VR₅” = IR₅” x R₅

          = 2,15 A x 2 ohm

          = 4,3 Volt

e.       VR₄” = Vs₂ - VR₅”

= 10 Volt - 4,3 Volt

= 5,7 Volt

f.       IR₄” =   =  = 1,42 A

g.       IR₃” = IR₅” – IR₄”

        = 2,15 A - 1,42 A

       = 0,73 A

h.      VR₃” = IR₃” x R₃

          = 0,73 A x 4 ohm

          = 2,92 Volt

i.        VR₂” = VR₄” - VR₃”

          = 5,7 Volt - 2,92 Volt

          = 2,78 Volt

j.        IR₂” =   =  = 0,46 A

k.      IR₁” = IR₃” – IR₂”

        = 0,73 A - 0,46 A

        = 0,27 A

l.        VR₁” = IR₁” x R₁

          = 0,27 A x 10 ohm

          = 2,7 Volt

            Analisis III, penggabungan.

a.       IR1 = IR1’-IR1”= 1,95 A – 0,27 A = 1,68 A

b.      IR2 = IR2’+IR2”= 0,91 A + 0,46 A = 1,37 A

c.       IR3 = IR3’-IR3”= 1,04 A – 0,73 A = 0,31 A

d.      IR4= IR4’+IR4”= 0,33 A + 1,42 A = 1,75 A

e.       IR5=IR5’-IR5”=  0,71 A – 2,15 A = -1,44  A

f.       VR1 = VR1’ - VR1”  = 19,5 Volt – 2,7  Volt = 16,8 Volt

g.       VR2= VR2’+VR2”= 5,5 Volt + 2,78 Volt = 8,28 Volt

h.      VR3=VR3’-VR3”= 4,16 Volt – 2,92 Volt = 1,24 Volt

i.        VR4= VR4’ + VR4” = 1,34 Volt + 5,7 Volt = 7,04 Volt

j.        VR5=VR5’-VR5”= 1,42 Volt – 4,3 Volt = - 2,88 Volt

k.      Gambar Arah Arus Listrik

                                                       

4.       

Ø  Komponen pasif adalah jenis komponen elektronika yang bekerja tanpa memerlukan arus listrik.

Contohnya :

a.       Resistor yaitu tahanan atau hambatan, artinya sebuah komponen yang gunanya untuk menghambat suatu arus listrik.

v  Jenis – jenis resistor :

·         Resistor tetap

·         Resistor tidak tetap ( variable )

·         Fungsi resistor yaitu :

v  Sebagai pembagi arus

Ø  Sebagai penurun tegangan

Ø  Sebagai pembagi tegangan

Ø  Sebagai penghambat aliran arus listrik

v  Symbol resistor :

·         Resistor tetap

           

·         Resistor tidak tetap ( variable )

           

b.      Kapasitor yaitu komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan medan listrik, dapat juga berfungsi untuk memblokir arus DC dan meneruskan arus AC.

      Jenis – jenis kapasitor :

·         Kapasitor tetap

·         Kapasitor elektrolit

·         Kapasitor tidak tetap ( variable )

      Fungsi kapasitor yaitu :

Ø  Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain.

Ø  Sebagai filter dalam rangkaian PS

Ø  Sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antena.

Ø  Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon

      Symbol kapsitor :

·                     Condensators Bipolar

·                     Condensators Nonpolar

·                     Condensators Bipolar Disebut ELCO atau Electrolytic Condensator

·                     Kapasitor yang berpolar Disebut ELCO atau Electrolytic Condensator

·                     Variable Condensator Kapasitor yang nilainya pada kapasitansi bisa diatur.

c.       Dioda yaitu piranti elektronika yang terbuat dari sambungan semikonduktor tipe p dan tipe n.

Ø  Jenis – jenis dioda :

      Dioda silicon

      Dioda germanium

      Dioda zener

      LED (light emmiting diode)

Ø  Fungsi dioda yaiu:

·         Sebagai penyarah arus

·         Sebagai penyaring

·         Sebagai catu daya atau pendeteksi

·         Sebagai stabilisator tegangan

Ø  Simbol dioda antara lain :

Ø              Dioda Berfungsi sbg penyearh yg dpt mengalirkn arus listrk 1 arah atau forward bias

Ø              Zener Dioda Pembuat stabil Tegangn DC / Searah

Ø              Schottky Dioda memiliki drop teganan rendh, biasnya terdpt dlm IC logika

Ø              Varactor Dioda Gabungn Dioda juga Kapasitor

Ø              Tunnel Dioda Tunnel Dioda

Ø              Light Emitting Diode/ LED menghasilkn cahaya saat dialri arus listrk DC 1 arah

Ø              Photo-Dioda Menghasilkn arus listrk saat mendpt cahaya.

d.      Relay yaitu komponen elektonika yang mendapat implementasi logika switching.

v  Jenis- jenis relay yaitu :

a.       Pole

b.      Throw

c.       Timing relay

d.      Latching relay

v  Fungsi relay antara lain :

a.       Remote control : dapat menyalakan atau mematikan alat dari jarak jauh

b.      Penguatan daya : penguatan arus atau tegangan

c.       Pengatur logika control suatu sistem.

v  Simbol relay yaitu :

a.      Toggle Switch S P S T Statusnya Terputus dalam kondisi open

b.      Toggle Switch S P D T Statusnya Memilih dua terminal koneksi

c.       Saklar Push Button [N O] Statusnya Terhubung ketika ditekan

d.      Saklar Push Button [N C] Statusnya Terputus ketika ditekan

e.       D I P Switch Statusnya Saklar Banyak /Multiswitch

f.        Relay S P S T Statusnya Koneksi Untuk Open & Close digerakan dengan elektro magnetik.

g.      Relay S P D T

h.      Jumper Koneksi memakai pemakaian jumper

i.         Solder Bridges Koneksi memakai teknik disolder

Ø  Komponen aktif yaitu komponen-komponen di dalam rangkaian elektronik yang mempunyai penguatan atau mengarahkan aliran arus listrik. Di antaranya adalah transistor, tiristor, diode, dan tabung vakum.

1.      Transistor yaitu komponen elektronika yang terdiri dari tiga lapisan semikonduktor,diantaranya NPN dan PNP.

·         Jenis – jenis transistor

-          Uni juktion transistor (UJT)

-          Field effect transistor (FET)

-          MOSFET

·         Fungsi transistor

-          Sebagai penguat arus,tegangan dan daya (AC dan DC)

-          Sebagai penyearah

-          Sebagai mixer

-          Sebagai osilator

-          Sebagai switch

·         Simbol transistor

§  Transitor Bi polar N P N Arus listrk akan mengalr / EC saat basis /B menjadi positif

§  Transistor Bi polar P N P Arus listrk akan mengalr/ CE saat basis/ B menjadi negatif

§  Transitor-Darlington Gabungn dari 2 transistor Bipolar tuk meningkatkn penguatn

§  Transistor J F E T-N Field Effects Transistor kanal-N

§  Transistor J F E T-P Field Effects Transistor kanal-P

§  Transistor N M O S Transistor M O S F E T kanal-N

§  Transistor P M O S Transistor M O S F E T kanal-P

2.      Thyristor yaitu devais semikonduktor 4 lapisan berstruktur pnpn dengan tiga pn-juction.

Ø  Jenis - jenis thyristor yaitu :

-          Silicon controled rectefier

-          Fast-switching thyristor

-          Get-turn-off thyristor

-          Bidirectrional triode thyristor

-          Revers-conducting thyristor

-          Static induction thyristor

-          Light-activated silicon-controled rectefier

-          FET-controled thyristor

-          MOS-controled

Ø  Fungsi utama thyristor adalah sebagai saklar.

Ø  Simbol thyristor

3.      IC (integrated circuit) yaitu komponen yang di pakai sebagai otak peralatan elektronika.

Ø  Jenis- jenis IC antara lain :

      IC op-amp

      IC power adaptor

      Icsilinder

      IC timer 555

      IC digital

Ø  Fungsi IC

Fungsi utama IC adalah  sebagai Penguat dalam komponen elektronika.

Ø  Simbol IC

5.      Konsep pengukuran tahanan :

Tahanan/hambatan merupakan perbandingan antara tegangan listrik dari suatu komponen elektronika dengan arus listrik yang mengalir pada rangkaian itu. Satuan tahanan adalah ohm. Alat ukur yang digunakan untuk mengukur tahanan adalah ohm meter.

R = V/I

Keterangan :

R = tegangan dalam ohm

V = tegangan listrik dalam volt

I =arus listrik dalam ampere

Suatu rangkaian seri tahanan terbentuk, jika untuk tegangan yang terpasang semua pada tahanan berturut-turut mengalir arus yang sama.

Percobaan :

a.       Pengukuran arus I dengan memasang alat pengukur arus didepan, di antara dan dibelakang tahanan.

Gambar 2.6 Arus pada rangkaian seri

Pada rangkaian seri kuat arus di semua tahanan besarnya sama.

Pada rangkaian arus tak satupun tampat abgi elektron-elektron untuk dapat keluar. Yaitu arus yang tidak pernah digunakan !

Pengukuran tegangan U1,U2,U3,Utotal dengan alat pengukur tegangan dan pengukuran arus I dengan alat pengukur arus pada rangkaian seri yang diberikan.

Hasil pengukuran :

U1 = 2v                       Utotal = 12 v               I = 0,1 A

U2 = 4 v                      U3 = 6 v

Jumlahkan tiga tegangan bagian (tegangan jatuh) U1,U2,U3 maka kita dapatkan, bahwasannya jumlah tegangan-tegangan tersebut sama dengan tegangan terpasang Utotal.

Secara umum dinyatakan :

     Tegangan total sama dengan jumlah tegangan bagian.

Utotal = U1 + U2 + U3

Tahanan total rangkaian seri secara langsung dapat ditentukan dengan suatu alat pengukur tahanan. Namun dalam praktek lebih banyak dipilih metode tidak langsung, yaitu melalui pengukuran tegangan dan arus, tahanan dihitung dengan bantuan hukum Ohm.

Rtotal =

Rtotal =

Dengan demikian terbukti:

Tahanan total sama dengan jumlah tahann bagian.

Rtotal = R1 + R2 + R3.....

Dengan demikian dapat diterangkan bahwa arus berturut-turut harus mengatasi/menguasai semua tahanan bagian. Karena tahanan total diganti dengan tahanan secara tersendiri, yang mana hal ini dissebut juga sebagai tahanan pengganti (Rpengganti).

Kita bandingkan perbandingan tegangan :

                                        

U₁ : U₂ : U₃ = 2V : 4V : 6V = 1 : 2 : 3

Perbandingan untuk tahanan yang ada

          

R₁ : R₂ : R₃ = 20W : 40W  : 60W  = 1 : 2 : 3,

Dengan demikian :

Tegangan bagian satu sama lain mempunyai karakteristik seperti tahanan yang ada.

Contoh : Tiga tahanan R₁ = 50W, R₂ = 100W dan R₃ = 200W terhubung seri pada 175V.

Berapa besarnya tahanan total, arus dan tegangan jatuh ? Buatlah gambar rangkaiannya !

Diketahui :           R₁ = 50W; R₂ = 100W; R₃ = 200W; U = 175V

Ditanyakan :         R_total, I, U₁, U₂, dan U₃

Jawaban :

R_total = R₁ + R₂ + R₃

                                R_total = 50W + 100W + 200W = 350W

                       

                        U₁ = I . R₁ ;      U₁ = 0,5A . 50W   = 25V

                        U₂ = I . R₂ ;      U₂ = 0,5A . 100W = 50V

                        U₃ = I . R₃ ;      U₃ = 0,5A . 200W = 100V

Skema rangkain soal no. 1

            Suatu rangkaian parallel beberapa tahanan terbentuk, jika arus yang ditimbulkannya terbagi dalam arus-arus cabang dan serentak mengalir menuju tahanan-tahanan tersebut.

Rangkaian parallel

Karakteristik arus, tegangan dan tahanannya, diperlihatkan melalui pemikiran dan percobaan berikut :

Diantara kedua titik percabangan arus yaitu titik A dan B (gambar 2.14) terletak tegangan total U. Disini semua tahanan bagian bergantung pada klem-klemnya, semua tahanan terhubung pada tegangan yang sama U.

Dengan demikian sebagai ciri utama rangkaian parallel berlaku :

Pada suatu rangkaian paralel semua tahanan terletak pada tegangan yang sama.

Suatu pemikiran yang lebih terperinci tentang nilai hasil pengukuran arus diperlihatkan oleh hubungan berikut:

Arus total adalah sama dengan jumlah arus-arus bagian(cabang).

I  = I₁  + I₂  + I₃  + . . .

Pengertian ini dapat dibuktikan dengan hukum Ohm. Disini berlaku  Pada tegangan yang sama maka cabang dengan tahanan besar harus mengalir arus yang kecil.

Perbandingan arus

Dengan perbandingan yang sama untuk tahanan yang ada

Dengan demikian berlaku :

Arus bagian (cabang) satu sama lain bebanding terbalik sebagaimana tahanan bagian (cabang) yang ada.

mis.

Rangkaian parallel sangat sering digunakan didalam praktik. Praktis semua beban dirangkai parallel pada jala-jala, dalam hal ini peralatan tersebut dibuat untuk tegangan nominal tertentu dan pada gangguan tidak berfungsinya salah satu peralatan semua yang lainnya tidak terpengarug olehnya (gambar 2.16). Tahanan parallel juga dipasang, untuk mengatasi tingginya kuat arus suatu pemakai (beban), seperti misalnya pada perluasan batas ukur suatu pengukur arus (amperemeter).

Gambar 2.16     Rangkaian parallel dalam praktik

Contoh :

Dua tahanan R₁ = 4 W dan R₂ = 6 W dihubung parallel.          

Berapa besarnya tahanan total ?

Diketahui :       R₁ = 4 W;          R₂ = 6 W

Ditanyakan :    R_total

Jawaban: