Tegangan Listrik

Definisi Tegangan

Tegangan didefinisikan sebagai besarnya usaha untuk memindahkan banyaknya muatan listrik. Tegangan dapat dirusmuskan sebagai berikut:

V = dW/dQ

Ket:

       V    : Tegangan (volt)

      dW : Besarnya perubahan usaha (joule)

      dQ  : Besarnya perubahan muatan (coulomb)

Tegangan disimbolkan dengan huruf V dan memiliki satuan volt dan disingkat V.

Tegangan listrik disebut juga sebagai beda potensial dapat didefinisikan juga sebagai perbedaan potensial listrik antara titik yang satu dengan titik yang lain. Pada tegangan pasti memiliki titik referensi atau acuan atau sering disebut sebagai ground. Maksud dari titik referensi/ground adalah semua tegangan diukur terhadap titik ground. 

Sebagai ilustrasi mempermudah pemahaman tentang tegangan, lihat gambar perbedaan ketinggian bangunan di bawah ini.

   Gambar 1. Ilustrasi perbedaan ketinggian bangunan

Pada gambar 1A terdapat bangunan dengan ketinggian 10m. Tanpa kita menyebutkan terhadap titik mana kita mengukurnya, secara otomatis kita tahu bahwa ketinggian bangunan tersebut terhadap tanah/ground sebagai titik referensi.

Pada gambar 1D terdapat bangunan dengan ketinggian -5m yang bermaksud bahwa bangunan tersebut berada di bawah titik referensi/tanah sedalam 5m.

Jika kita bertanya berapakah ketinggian bangunan A 10m terhadap bangunan B 5m? Jawabannya adalah pengurangan ketinggian bangunan A dengan ketinggian bangunan B yaitu 10m - 5m = 5m.

Jika dibalik pertanyaannya berapakah ketinggian bangunan B 5m terhadap bangunan A 10m? jawabannya adalah ketinggian bangunan B dikurangi dengan ketinggian bangunan A yaitu 5m - 10m = -5m.

Sekarang mari kita bandingkan beda ketinggian bangunan pada gambar 1 dengan beda potensial baterai seperti pada gambar 2 berikut ini.

Gambar 2. Perbedaan potensial baterai

Gambar 2 adalah gambar rangkaian baterai. Pada gambar tersebut terdapat tanda panah. Tanda itu adalah ground atau titik 0 volt sebagai referensi. Ground dapat terhubung ke bagian manapun, kutub positif maupun negatif atau ke rangkaian lain sesuai desain. Sebagai contoh baterai V₁ memiliki tegangan 10 volt antara kutub positif terhadap kutub negatifnya. Dikarenakan kutub negatifnya terhubung ke ground, maka ketika ditanya berapakah nilai tegangan V₁ , maka jawabannya adalah 10V. Meskipun tanpa ditanya terhadap titik mana, dapat diketahui bahwa nilai tegangan V₁ adalah terhadap ground.
Begitu juga nilai tegangan V₂ sebesar 5V terhadap ground. V₃ memiliki nilai tegangan 15V terhadap ground.

Baterai V₄ memiliki tegangan 5 volt antara kutub positif terhadap kutub negatifnya. Dikarenakan kutub positifnya terhubung ke ground, maka V₄ adalah -5 volt terhadap ground.  

Tegangan antara titik  V₁ terhadap V₂ adalah selisih dari tegangan tersebut dengan cara nilai tegangan titik pertama dikurangi dengan nilai tegangan pada titik kedua. Dalam gambar 2 di atas, nilai V₁ terhadap V₂ adalah 10V - 4V = 6V. Sedangkan kebalikannya jika V₂ terhadap V₁ maka nilai tegangan V₂ dikurangi nilai tegangan V₁ 4V - 10V = -6V.

 

Kesimpulannya adalah:

V₁ = V₁ - 0 (ground)

V_1,2 = V₁ - V₂

V_2,1 = V₂ - V₁

Tegangan Searah dan Bolak-balik
Tegangan ada dua yaitu tegangan serah (direct current/DC) dan tegangan bolak-balik (alternating current/AC).

• Tegangan DC

Tegangan DC adalah tegangan yang  polaritasnya  tidak berganti-ganti dari positif ke negatif dan sebaliknya.

             

Gambar 3. Grafik sinyal tegangan DC

Tampak seperti pada gambar 3, nilai tegangan DC tetap polaritasnya. Pada contoh tersebut, polaritasnya selalu positif pada waktu berapa pun. Untuk tegangan DC murni, grafik tegangannya adalah garis lurus pada waktu berapa pun.

Contoh sumber tegangan DC adalah baterai dan aki.

Gambar 4. Grafik sinyal tegangan DC yang nilainya fluktuatif

Pada gambar 4, grafik tegangan masih tergolong tegangan DC karena polaritas tegangan selalu positif meskipun nilainya naik turun fluktuatif secara sinusoidal. Tegangan tersebut pada dasarnya adalah gabungan sinyal sinusoidal AC dengan tegangan DC.

• Tegangan AC

Tegangan AC adalah tegangan yang polaritasnya berubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Tegangan AC ini memiliki frekuensi. Frekuensi adalah banyaknya gelombang sinyal per 1 detik. Sebagai contoh tegangan AC rumah berfrekuensi 50Hz yang maknanya tegangan AC di rumah memiliki banyak gelombang sebanyak 50 tiap detik.

Rumus frekuensi:

F = N/t

Ket:

      F  : Frekuensi (Hz)

      N : Banyaknya gelombang

      t   : Total waktu (s)

Gambar 5. Grafik sinyal tegangan AC

Tampak pada gambar 5, sinyal tegangan AC mengalami perubahan polaritas secara periodik. Pada grafik tersebut terdapat 5 buah gelombang dan terjadi dalam waktu 100ms. Maka F = 5/0,1 = 50Hz.

Tegangan Seri

Jika beberapa sumber tegangan disusun secara seri maka nilai total tegangannya adalah penjumlahan dari semua sumber tegangan tersebut.

V seri = V₁ + V₂ + ... + V_n 

Gambar 6. Baterai konfigurasi seri

Tegangan seri pada gambar 6 adalah 10V + 15V + 5V = 30V.

Pengukuran Tegangan

Pengukuran tegangan menggunakan alat bernama voltmeter. Sekarang ini sudah tersedia satu alat yang dapat digunakan untuk mengukur berbagai besaran listrik seperti tegangan, arus listrik, hambatan, dll. Alat tersebut dinamakan multimeter atau AVO(Ampere, Volt, Ohm) meter.

Pengukuran tegangan dilakukan dengan menghubungkan probe voltmeter secara paralel dengan titik tegangan yang akan diukur. Probe merah voltmeter dihubungkan ke titik yang akan diukur, sedangkan probe hitam dihubungkan ke titik referensi yang diinginkan.  

Gambar 7. Pengukuran tegangan dengan voltmeter

Gambar 8. Multimeter atau AVO meter

Voltmeter harus memiliki hambatan dalam yang sangat besar agar hampir tidak ada arus yang mengalir ke voltmeter. Jika hambatan dalam voltmeter dibuat kecil, maka akan mempengaruhi nilai arus listrik pada rangkaian yang diukur karena banyak arus yang mengalir ke voltmeter. Hal ini akan menyebabkan fungsi alat yang diukur menjadi terganggu.