Teori Rangkaian Listrik
Hukum Ohm, hukum Kirchhoff, rangkaian seri-paralel, pembagi tegangan dan arus, serta ekuivalen Thévenin dan Norton sebagai fondasi analisis rangkaian elektronika.
2.1 Hukum Ohm
Hukum Ohm menyatakan hubungan linear antara tegangan ($V$), arus ($I$), dan hambatan ($R$) pada suatu resistor pada suhu konstan. Hukum ini adalah titik awal semua analisis rangkaian.
di mana $V$ dalam Volt (V), $I$ dalam Ampere (A), dan $R$ dalam Ohm (Ω). Hukum Ohm berlaku untuk resistor linier — grafik $V$ terhadap $I$ berupa garis lurus dengan kemiringan $R$.
Daya yang terdisipasi oleh resistor dapat dihitung dengan tiga bentuk ekuivalen yang semuanya diturunkan dari $P = VI$ dan Hukum Ohm:
2.2 Hukum Kirchhoff
Hukum Kirchhoff terdiri dari dua hukum konservasi yang menjadi fondasi analisis rangkaian apa pun, termasuk yang kompleks. Kedua hukum ini berlaku pada rangkaian dengan komponen apa pun — tidak terbatas pada resistor saja.
Hukum Arus Kirchhoff (KCL)
KCL menyatakan bahwa jumlah aljabar semua arus yang masuk ke sebuah simpul (node) sama dengan nol. Secara fisik, ini adalah konsekuensi dari kekekalan muatan — muatan tidak dapat terakumulasi di sebuah titik penghubung.
Dengan konvensi: arus masuk simpul bertanda positif, arus keluar simpul bertanda negatif. Pada gambar di atas: $I_1 + I_2 - I_3 - I_4 = 0$, atau ekuivalen $I_1 + I_2 = I_3 + I_4$.
Hukum Tegangan Kirchhoff (KVL)
KVL menyatakan bahwa jumlah aljabar semua tegangan sepanjang sebuah loop (lintasan tertutup) sama dengan nol. Secara fisik, ini adalah konsekuensi dari sifat konservatif medan listrik — energi yang diberikan sumber sama dengan energi yang diserap beban.
Dengan konvensi: tegangan naik (dari − ke +) bertanda positif, tegangan turun (dari + ke −) bertanda negatif. Pada gambar: $+V_s - V_1 - V_2 - V_3 = 0$, atau ekuivalen $V_s = V_1 + V_2 + V_3$. Tegangan sumber naik (positif), tegangan resistor turun (negatif) karena arus mengalir dari + ke −.
2.3 Rangkaian Resistor: Seri dan Paralel
Rangkaian Seri
Pada rangkaian seri, arus yang mengalir melalui setiap resistor sama (dari KCL — tidak ada simpul percabangan). Tegangan total terbagi di antara resistor (dari KVL). Menggabungkan KVL dengan Hukum Ohm untuk tiap resistor:
Rangkaian Paralel
Pada rangkaian paralel, tegangan pada setiap resistor sama (dari KVL — semua bercabang antara dua node yang sama). Arus total terbagi (dari KCL di setiap node). Menggabungkan KCL dengan Hukum Ohm:
Untuk dua resistor paralel, rumus sederhananya:
2.4 Pembagi Tegangan dan Pembagi Arus
Pembagi Tegangan (Voltage Divider)
Pembagi tegangan adalah salah satu rangkaian paling penting dalam elektronika. Dua resistor seri membentuk pembagi yang menghasilkan tegangan keluaran proporsional terhadap tegangan masukan.
Tegangan keluaran diambil pada titik antara $R_1$ dan $R_2$. Perhatikan bahwa $V_{out}$ selalu lebih kecil dari $V_{in}$ (karena $R_2 < R_1 + R_2$). Pembagi tegangan digunakan di mana-mana: jaringan bias transistor, pembaca sensor, referensi tegangan.
Pembagi Arus (Current Divider)
Pada rangkaian paralel, arus total terbagi di antara cabang-cabang. Pembagi arus memberikan rumus cepat untuk menghitung arus di masing-masing cabang.
Perhatikan pola kebalikannya: arus pada suatu cabang berbanding lurus dengan hambatan cabang lainnya. Cabang dengan hambatan lebih kecil mendapat arus lebih besar. Ini konsisten dengan intuisi — arus "lebih memilih" jalur dengan hambatan lebih rendah.
Untuk rangkaian dengan $n$ cabang paralel, rumus umum pembagi arus:
Artinya, arus di cabang ke-$k$ berbanding lurus dengan konduktansi ($G = 1/R$) cabang tersebut terhadap total konduktansi. Ini menegaskan lagi: semakin kecil hambatan, semakin besar konduktansi, semakin besar arus.
2.5 Ekuivalen Thévenin
Teorema Thévenin menyatakan bahwa rangkaian linear dua terminal apa pun dapat disederhanakan menjadi rangkaian ekuivalen yang terdiri dari satu sumber tegangan $V_{th}$ berseri dengan satu hambatan $R_{th}$. Ini adalah alat paling kuat untuk menganalisis efek suatu beban pada rangkaian yang kompleks.
Langkah Menentukan Ekuivalen Thévenin
- Lepaskan beban dari terminal a-b (buka rangkaian di titik tersebut).
- Hitung $V_{th}$: tegangan open-circuit di antara terminal a-b. Gunakan KVL/KCL, pembagi tegangan, atau metode lainnya pada rangkaian tanpa beban.
- Matikan semua sumber independen: sumber tegangan diganti short-circuit (kawat), sumber arus diganti open-circuit (putus).
- Hitung $R_{th}$: hambatan ekuivalen yang "dilihat dari" terminal a-b pada rangkaian yang sudah dimatikan sumbernya. Gunakan aturan seri-paralel.
Teorema Transfer Daya Maksimum
Ekuivalen Thévenin juga menjawab pertanyaan praktis: berapa nilai beban $R_L$ yang menyerap daya paling besar dari sebuah sumber? Daya beban adalah $P = I^2 R_L$ dengan $I = V_{th}/(R_{th} + R_L)$ — bernilai nol saat $R_L = 0$ maupun saat $R_L \to \infty$, sehingga pasti punya maksimum di antara keduanya. Maksimum tersebut tercapai saat:
Saat pencocokan ini terjadi, tegangan pada beban tepat setengah dari $V_{th}$, dan efisiensi transfer hanya 50% — daya yang diserap beban sama besar dengan daya yang hangus di $R_{th}$. Pencocokan dipilih bila yang dicari adalah daya maksimum (antena, penerima radio); pada jaringan distribusi listrik justru dihindari karena efisiensi lebih penting.
2.6 Ekuivalen Norton
Teorema Norton adalah dual dari Thévenin: rangkaian linear dua terminal apa pun dapat disederhanakan menjadi satu sumber arus $I_N$ yang diparalelkan dengan satu hambatan $R_N$.
Langkah Menentukan Ekuivalen Norton
- Hubungkan short-circuit di antara terminal a-b.
- Hitung $I_N$: arus yang mengalir melalui short-circuit tersebut (dari a ke b). Gunakan KVL/KCL pada rangkaian asli dengan a-b dihubung singkat.
- Matikan semua sumber independen (sama seperti langkah Thévenin).
- Hitung $R_N$: hambatan ekuivalen yang dilihat dari terminal a-b. $R_N = R_{th}$ — nilainya sama.
Konversi Thévenin ↔ Norton
Kedua ekuivalen sepenuhnya saling menggantikan. Pilih mana yang lebih mudah dihitung: jika rangkaian asli lebih mudah dianalisis saat open-circuit, gunakan Thévenin; jika lebih mudah saat short-circuit, gunakan Norton. Sering kali Thévenin lebih intuitif.
2.7 Ekuivalen dengan Sumber Terikat
Sumber terikat (dependent source) adalah sumber yang nilainya ditentukan oleh arus atau tegangan di bagian lain rangkaian — misalnya sumber tegangan $2I_x$ yang besarnya mengikuti arus $I_x$ pada sebuah resistor. Simbolnya adalah belah ketupat, bukan lingkaran seperti sumber bebas.
Masalah muncul saat menghitung $R_{th}$: sumber terikat tidak boleh dimatikan seperti sumber bebas, karena nilainya bergantung pada variabel kontrol yang tetap aktif di dalam rangkaian. Mematikannya berarti memutus hubungan kontrol — dan hasilnya pasti salah (bukti konkret di Contoh 2.9). Untuk kasus ini, gunakan salah satu dari dua pendekatan berikut.
Pendekatan A: Rasio $V_{th}/I_{sc}$
- Hitung $V_{th}$: analisis rangkaian dengan terminal a-b terbuka, sumber terikat tetap aktif.
- Hitung $I_{sc}$: hubung singkat terminal a-b, lalu hitung arus yang melewati kawat penghubung. Nilai ini sekaligus adalah arus Norton: $I_N = I_{sc}$.
- Hitung $R_{th}$: dari rasio keduanya:
Pendekatan B: Sumber Uji (Test Source)
Jika rangkaian hanya berisi sumber terikat tanpa satu pun sumber bebas, tidak ada energi yang menggerakkan arus — otomatis $V_{th} = 0$ V dan Pendekatan A tidak dapat dipakai ($0/0$). Solusinya: suntikkan sumber uji dari luar, lalu ukur responsnya.
- Matikan semua sumber bebas (tegangan → short-circuit, arus → open-circuit). Jangan pernah mematikan sumber terikat!
- Hubungkan sumber uji pada terminal a-b: sumber tegangan $V_o = 1$ V atau sumber arus $I_o = 1$ A.
- Analisis rangkaian: jika memakai $V_o = 1$ V, hitung arus masuk $I_o$; jika memakai $I_o = 1$ A, hitung tegangan terminal $V_o$.
- Hitung $R_{th}$:
2.8 Contoh Soal
$$12 - 2I_1 - 6I_3 = 0 \quad \Rightarrow \quad 2I_1 + 6I_3 = 12$$
$$6I_3 - 4I_2 = 0 \quad \Rightarrow \quad I_3 = \frac{4}{6}I_2 = \frac{2}{3}I_2$$
$$I_1 = I_2 + \frac{2}{3}I_2 = \frac{5}{3}I_2$$ Substitusikan $I_1$ dan $I_3$ ke persamaan loop kiri:
$$2\left(\frac{5}{3}I_2\right) + 6\left(\frac{2}{3}I_2\right) = 12 \quad \Rightarrow \quad \frac{10}{3}I_2 + 4I_2 = 12$$ $$\frac{22}{3}I_2 = 12 \quad \Rightarrow \quad I_2 = \frac{36}{22} = \frac{18}{11} \approx 1{,}636\text{ A}$$
$$I_3 = \frac{2}{3} \times \frac{18}{11} = \frac{12}{11} \approx 1{,}091\text{ A}$$ $$I_1 = \frac{5}{3} \times \frac{18}{11} = \frac{30}{11} \approx 2{,}727\text{ A}$$
Saat a-b terbuka, tidak ada arus yang keluar melalui terminal a — arus hanya mengalir pada jalur $R_1$–$R_2$, sehingga keduanya membentuk pembagi tegangan:
$$V_{th} = V_{ab} = 32 \times \frac{12}{6 + 12} = 32 \times \frac{12}{18} = \frac{384}{18} \approx 21{,}33\text{ V}$$
Sumber 32V diganti short-circuit. Dilihat dari a-b, $6\ \Omega$ dan $12\ \Omega$ terparalel:
$$R_{th} = \frac{6 \times 12}{6 + 12} = \frac{72}{18} = 4\ \Omega$$
$$I_L = \frac{V_{th}}{R_{th} + R_L} = \frac{21{,}33}{4 + 5} = \frac{21{,}33}{9} \approx 2{,}37\text{ A}$$
Kawat penghubung (0 Ω) mem-paralelkan $R_2 = 12\ \Omega$ — seluruh arus cabang bawah mengalir melalui kawat short, tidak melalui $R_2$. Yang tersisa membatasi arus hanyalah $R_1 = 6\ \Omega$:
$$I_N = I_{sc} = \frac{V_s}{R_1} = \frac{32}{6} \approx 5{,}33\text{ A}$$
$$V_{th} = I_N \times R_N = 5{,}33 \times 4 \approx 21{,}33\text{ V} \quad \checkmark$$
sama dengan hasil Contoh 2.2 — kedua ekuivalen konsisten.
$$V_{out} = 9 \times \frac{10}{10 + 10} = 9 \times 0{,}5 = 4{,}5\text{ V}$$
$R_L$ memparalelkan $R_2$, sehingga $R_2$ efektif menjadi:
$$R_{2,\text{eff}} = \frac{10 \times 10}{10 + 10} = 5\text{ k}\Omega$$ $$V_{out} = 9 \times \frac{5}{10 + 5} = 9 \times \frac{1}{3} = 3\text{ V}$$
$$I = \frac{V}{R} = \frac{5}{220} \approx 22{,}73\text{ mA}$$
$$P = VI = 5 \times 0{,}02273 \approx 0{,}1136\text{ W} = 113{,}6\text{ mW}$$ $$P = I^2 R = (0{,}02273)^2 \times 220 \approx 0{,}1136\text{ W} \quad \checkmark$$ $$P = \frac{V^2}{R} = \frac{25}{220} \approx 0{,}1136\text{ W} \quad \checkmark$$
$$W = P \times t = 0{,}1136 \times 3600 = 409{,}1\text{ J}$$ Atau dalam satuan lebih praktis: $W = 0{,}1136\text{ Wh} \approx 0{,}114\text{ Wh}$.
Total hambatan $R_{total} = 220 + 10 = 230\ \Omega$. Arus baru:
$$I' = \frac{5}{230} \approx 21{,}74\text{ mA}$$ Jatuh tegangan pada resistor beban:
$$V_R = I' \times R = 0{,}02174 \times 220 \approx 4{,}78\text{ V}$$ Jatuh tegangan pada resistansi internal:
$$V_{rs} = I' \times r_s = 0{,}02174 \times 10 \approx 0{,}22\text{ V}$$ Verifikasi KVL: $V_{rs} + V_R = 0{,}22 + 4{,}78 = 5{,}00\text{ V}$ ✓
$$R_{23} = \frac{6 \times 12}{6 + 12} = \frac{72}{18} = 4\ \Omega$$ Total seri: $R_{total} = R_1 + R_{23} + R_4 = 4 + 4 + 8 = 16\ \Omega$
$$I = \frac{V_s}{R_{total}} = \frac{24}{16} = 1{,}5\text{ A}$$
$$V_{R1} = I \times R_1 = 1{,}5 \times 4 = 6\text{ V}$$ $$V_{R23} = I \times R_{23} = 1{,}5 \times 4 = 6\text{ V}$$ $$V_{R4} = I \times R_4 = 1{,}5 \times 8 = 12\text{ V}$$ Verifikasi KVL: $6 + 6 + 12 = 24\text{ V}$ ✓
$$I_2 = I \times \frac{R_3}{R_2 + R_3} = 1{,}5 \times \frac{12}{6 + 12} = 1{,}5 \times \frac{2}{3} = 1{,}0\text{ A}$$ $$I_3 = I \times \frac{R_2}{R_2 + R_3} = 1{,}5 \times \frac{6}{18} = 0{,}5\text{ A}$$ Verifikasi KCL: $I_2 + I_3 = 1{,}0 + 0{,}5 = 1{,}5\text{ A} = I$ ✓
$$G_1 = \frac{1}{10} = 0{,}1\text{ S}, \qquad G_2 = \frac{1}{20} = 0{,}05\text{ S}, \qquad G_3 = \frac{1}{30} \approx 0{,}0333\text{ S}$$ $$G_{total} = 0{,}1 + 0{,}05 + 0{,}0333 = 0{,}1833\text{ S}$$
$$I_1 = 6 \times \frac{0{,}1}{0{,}1833} \approx 3{,}27\text{ A}$$ $$I_2 = 6 \times \frac{0{,}05}{0{,}1833} \approx 1{,}64\text{ A}$$ $$I_3 = 6 \times \frac{0{,}0333}{0{,}1833} \approx 1{,}09\text{ A}$$
$$I_1 + I_2 + I_3 = 3{,}27 + 1{,}64 + 1{,}09 = 6{,}00\text{ A} = I_{total} \quad \checkmark$$ Tegangan paralel: $V = I_1 R_1 = 3{,}27 \times 10 = 32{,}7\text{ V}$ ✓
Saat a-b terbuka, tidak ada arus melalui $R_3$. Arus loop tunggal $I$ mengalir melalui $V_1$-$R_1$-$R_2$-$V_2$.
KVL loop (searah jarum jam dari $V_1$):
$$+20 - 4I - 2I - 10 = 0 \quad \Rightarrow \quad 6I = 10 \quad \Rightarrow \quad I = \frac{10}{6} \approx 1{,}667\text{ A}$$
Ambil titik b sebagai referensi (ground, $V_b = 0$). Tegangan di titik a:
$$V_a = 20 - 4I = 20 - 4 \times \frac{10}{6} = 20 - \frac{40}{6} = 20 - 6{,}667 = 13{,}333\text{ V}$$ $$V_{th} = V_a - V_b = 13{,}333 - 0 = 13{,}333\text{ V}$$
Matikan kedua sumber: $V_1$ dan $V_2$ diganti short-circuit. Dilihat dari a-b:
$R_1 = 4\ \Omega$ terparalel dengan $R_2 = 2\ \Omega$:
$$R_{th} = \frac{4 \times 2}{4 + 2} = \frac{8}{6} \approx 1{,}333\ \Omega$$
$$I_L = \frac{V_{th}}{R_{th} + R_L} = \frac{13{,}333}{1{,}333 + 3} = \frac{13{,}333}{4{,}333} \approx 3{,}08\text{ A}$$
Terminal terbuka → tidak ada arus pada cabang sumber terikat, sehingga seluruh $I_x$ mengalir melalui $R_2$. KVL loop kiri:
$$12 - 4I_x - 2I_x = 0 \quad \Rightarrow \quad I_x = 2\text{ A}$$
Tegangan node tengah: $V_N = 12 - 4I_x = 4\text{ V}$. Sumber terikat menjaga beda potensial $V_a - V_N = 2I_x = 4\text{ V}$, sehingga:
$$V_{th} = V_a = V_N + 2I_x = 4 + 4 = 8\text{ V}$$
Hubung singkat → $V_a = 0$, sehingga $V_N = V_a - 2I_x = -2I_x$. Substitusikan ke arus $R_1$:
$$I_x = \frac{12 - V_N}{4} = \frac{12 + 2I_x}{4} \quad \Rightarrow \quad 4I_x = 12 + 2I_x \quad \Rightarrow \quad I_x = 6\text{ A}$$
Maka $V_N = -12\text{ V}$. Arus $R_2$ (arah bawah): $I_{R_2} = \frac{V_N}{2} = -6\text{ A}$ — tanda negatif berarti arus sebenarnya mengalir ke atas (dari ground menuju node). KCL di node:
$$I_{sc} = I_x - I_{R_2} = 6 - (-6) = 12\text{ A}$$
$$R_{th} = \frac{V_{th}}{I_{sc}} = \frac{8}{12} = \frac{2}{3} \approx 0{,}667\ \Omega$$
Kawat short membuat $R_2$ menjadi cabang paralel dengan $R_1$ (keduanya menghubungkan rail atas dan bawah). Arus 3 A terbagi menurut pembagi arus, dan arus cabang $R_2$ inilah yang melewati kawat short:
$$I_N = I_{sc} = I_1 \times \frac{R_1}{R_1 + R_2} = 3 \times \frac{6}{6 + 3} = 2\text{ A}$$
Matikan sumber arus bebas (menjadi open-circuit). Dilihat dari terminal x-y, arus hanya memiliki satu jalur: masuk melalui $R_2$, keluar melalui $R_1$ — keduanya seri:
$$R_N = R_1 + R_2 = 6 + 3 = 9\ \Omega$$
Saat x-y terbuka, seluruh 3 A dipaksa mengalir melalui $R_1$ (satu-satunya loop tertutup), sehingga $V_{th} = 3 \times 6 = 18\text{ V}$. Konsisten dengan konversi:
$$V_{th} = I_N \times R_N = 2 \times 9 = 18\text{ V} \quad \checkmark$$
Berdasarkan Teorema Transfer Daya Maksimum (Bagian 2.5), daya beban paling besar saat resistansi beban sama dengan resistansi internal sumber:
$$R_L = R_{th} = 8\ \Omega$$
$$I_L = \frac{V_{th}}{R_{th} + R_L} = \frac{24}{8 + 8} = 1{,}5\text{ A}$$
$$P_{max} = I_L^2 R_L = (1{,}5)^2 \times 8 = 18\text{ W}$$
atau dengan rumus langsung:$$P_{max} = \frac{V_{th}^2}{4R_{th}} = \frac{576}{32} = 18\text{ W}$$
Terminal dibuka; seluruh rel atas adalah satu simpul (simpul a) bertegangan $V_{th}$ terhadap ground. KCL di simpul a — arus masuk melalui $R_1$ sama dengan arus keluar melalui $R_2$ ($I_x$) ditambah sumber terikat ($2I_x$):
$$\frac{12 - V_{th}}{R_1} = I_x + 2I_x = 3I_x \qquad \text{dengan} \qquad I_x = \frac{V_{th}}{R_2}$$
Substitusi nilai:
$$\frac{12 - V_{th}}{2} = 3\left(\frac{V_{th}}{6}\right) = \frac{V_{th}}{2} \quad \Rightarrow \quad 12 - V_{th} = V_{th} \quad \Rightarrow \quad V_{th} = 6\text{ V}$$
Periksa: $I_x = 1\text{ A}$, sumber terikat $= 2\text{ A}$, arus $R_1 = \frac{12-6}{2} = 3\text{ A}$ — KCL terpenuhi ✓
Matikan sumber bebas: sumber 12 V diganti kawat, sehingga sisi kiri $R_1$ kini terhubung ke ground. Sumber terikat tetap aktif. Pasang sumber uji $V_o = 1\text{ V}$ pada a-b → simpul a berada pada $1\text{ V}$. Arus uji $I_o$ terbagi ke tiga jalur keluar: melalui $R_1$, melalui $R_2$ ($I_x = V_o/R_2$), dan disedot sumber terikat ($2I_x = 2V_o/R_2$):
$$I_o = \frac{V_o}{R_1} + \frac{V_o}{R_2} + 2\cdot\frac{V_o}{R_2} = \frac{1}{2} + \frac{1}{6} + \frac{1}{3} = 1\text{ A}$$
$$R_{th} = \frac{V_o}{I_o} = \frac{1\text{ V}}{1\text{ A}} = 1\ \Omega$$
Hubung singkat a-b: $V_a = 0 \Rightarrow I_x = 0 \Rightarrow$ sumber terikat padam dengan sendirinya (persis seperti catatan pada Bagian 2.7). Arus short kini hanya berasal dari $R_1$ (tidak ada arus di $R_2$ karena $V_a = 0$):
$$I_{sc} = \frac{V_s}{R_1} = \frac{12}{2} = 6\text{ A} \qquad \Rightarrow \qquad R_{th} = \frac{V_{th}}{I_{sc}} = \frac{6}{6} = 1\ \Omega \quad \checkmark$$
2.9 Pertanyaan Latihan
Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut untuk menguji pemahaman Anda. Soal 5–8 membentuk satu rangkaian analisis yang berkelanjutan (Thévenin → beban → Norton → daya maksimum) — kerjakan secara berurutan.