Rangkaian Listrik: Pengertian, Jenis, Rumus, Contoh Soal

Daftar Isi

Rangkaian listrik adalah susunan alat-alat listrik yang dihubungkan dengan sumber listrik sehingga menghasilkan arus listrik, terdiri dari rangkaian seri dan paralel.

Apa kabar adik-adik? Semoga kalian selalu dalam keadaan sehat. Materi fisika kita kali ini akan membahas tentang rangkaian listrik.

Seharusnya, materi ini bukanlah sesuatu yang asing lagi bagi kita, sebab setiap hari kita berhubungan dengan rangkaian listrik.

 

Misalnya, lampu yang kita gunakan sebagai penerangan mendapatkan arus melalui rangkaian listrik. Bahkan, komputer/laptop atau smartphone yang kalian gunakan untuk membaca materi ini terdiri dari rangkaian listrik.

 

Lantas, apa sih sebenarnya hakikat rangkaian listrik itu? Nah, materi ini akan menjelaskan secara lengkap hal-hal yang berkaitan dengan rangkaian listrik, meliputi pengertian, jenis, rumus, dan contoh soal tentang rangkaian listrik.

 

Baiklah, kita mulai saja pembahasannya...

Daftar Isi

• 1Pengertian Rangkaian Listrik
• 2Jenis Rangkaian Listrik
  • 2.1Rangkaian Seri
  • 2.2Rangkaian Paralel
• 3Rangkaian Listrik Terbuka
• 4Rangkaian Listrik Tertutup
• 5Contoh Soal Rangkaian Listrik
• 6Kesimpulan

Pengertian Rangkaian Listrik

Apa yang dimaksud dengan rangkaian listrik? Dalam ilmu kelistrikan, rangkaian listrik adalah susunan alat-alat listrik yang dihubungkan dengan sumber listrik sehingga menghasilkan arus listrik.

 

Berdasarkan definisi di atas, kita bisa menyebutkan bahwa bagian-bagian utama suatu rangkaian listrik terdiri dari alat/komponen listrik, penghubung, dan sumber listrik.

 

Alat atau komponen listrik adalah peralatan yang bekerja menggunakan listrik. Ada banyak contoh peralatan listrik, seperti lampu, TV, bel sekolah, dan lain-lain.

Sedangkan, penghubung adalah media yang menghubungkan alat listrik dan sumber listrik, disebut konduktor, pembungkusnya disebut isolator.

Sementara, sumber listrik adalah alat pembangkit arus listrik dengan membuat beda potensial listrik antara dua buah titik. 

 

Arus pada rangkaian listrik merupakan aliran elektron yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif.

Jenis Rangkaian Listrik

Cara alat listrik terhubung dengan sumber listrik dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu melalui cara seri, cara paralel, dan gabungan seri-paralel. Selanjutnya ketiga cara ini lazim disebut dengan rangkaian seri, rangkaian paralel, dan rangkaian campuran.

Rangkaian Seri

Apa yang dimaksud dengan rangkaian listrik seri? Rangkaian seri adalah rangkaian alat/komponen listrik yang disusun secara berurut, disebut juga rangkaian berderet.

 

Rangkaian seri tidak memiliki percabangan. Dengan kata lain, rangkaian seri adalah rangkaian yang arus listriknya mengalir hanya pada satu jalur.

 

Rangkaian seri terbentuk jika arus listrik dihubungkan secara berurut atau berderet. Kutub negatif komponen pertama dengan kutub positif komponen kedua, kutub negatif komponen kedua dengan kutub positif komponen ketiga, kemudian diteruskan ke kutub positif komponen pertama.

Berikut ini adalah contoh bentuk rangkaian seri sederhana yang menghubungkan tiga buah lampu dan satu sumber tegangan (baterai):

Pada rangkaian seri, kuat arus listrik yang mengalir melalui beberapa hambatan listrik adalah sama besar. Jumlah kuat arus pada rangkaian seri tidak dipengaruhi oleh nilai hambatan. Jika terdapat beberapa hambatan berbeda yang dilalui, dalam hambatan mengalir arus yang besarnya sama.

 

Namun, berbeda dengan arus, tegangan di antara kaki-kaki hambatan yang disusun secara seri memiliki nilai yang berbeda-beda, bergantung pada nilai hambatan tersebut. 

1. Ciri-Ciri Rangkaian Seri

Berdasarkan uraian di atas, maka ciri-ciri khusus rangkaian seri antara lain sebagai berikut:

1. Komponennya disusun secara berurutan atau berderet
2. Arus listrik mengalir tanpa melalui cabang
3. Arus listrik yang mengalir di berbagai titik dalam rangkaian besarnya sama
4. Tegangan listrik disetiap hambatan nilainya berbeda-beda 

2. Kelebihan dan Kekurangan Rangkaian  Seri

Rangkaian seri memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan, antara lain sebagai berikut:

2.1. Kelebihan/Keuntungan Rangkaian Seri

Dari sisi penerapan, rangkaian seri memiliki kelebihan atau keutungan, yaitu: 

1. Kuat arus listrik yang mengalir pada tiap bagian besarnya sama.
2. Cara pembuatannya mudah karena bentuknya sederhana.
3. Rangkaian seri tidak membutuhkan terlalu banyak komponen karena pemasangannya secara sejajar.
   
4. Rangkaian seri membutuhkan kabel yang lebih sedikit sehingga lebih murah.

Oleh karena itu, rangkaian seri pada lampu tepat digunakan pada ruangan atau area yang yang berukuran besar seperti misalnya gedung perkantoran, gedung sekolah atau kampus, hotel dan juga bangunan besar lainnya karena penerapannya yang sangat murah dan praktis.

2.2. Kekurangan/Kerugian Rangkaian Seri

Namun, disamping memiliki kelebihan, rangkaian seri juga memiliki beberapa kekurangan atau kerugian, yaitu:

1. Rangkaian seri jika salah satu alat listrik dilepas atau rusak maka arus listrik akan terputus.
   
2. Rangkaian seri memerlukan daya listrik lebih banyak sehingga boros listrik, akibatnya baterai cepat habis.
3. Rangkaian seri yang digunakan pada lampu akan menghasilkan nyala lampu yang agak redup dan tidak stabil, semakin banyak lampu makin redup. 

3. Rumus Rangkaian Seri

Rumus yang berlaku pada rangkaian seri adalah rumus hukum Ohm dan rumus hambatan pengganti (R_s). 

 

Rumus hambatan pengganti sendiri merupakan hasil penurunan rumus hukum Ohm berdasarkan analisis rangkaian seri.

 

Pada rangkaian seri, nilai kuat arus di titik a dan b (I_ab) sama dengan yang mengalir di setiap hambatan:

I_ab = I₁ = I₂ = I₃....(1)

 

Berbeda dengan arus, tegangan dari titik a sampai b (V_ab) merupakan hasil penjumlahan dari tegangan pada masing-masing hambatan. 

 

Dengan kata lain, tegangan di antara kaki-kaki hambatan (R) yang disusun seri memiliki nilai yang berbeda-beda:

V_ab = V₁ + V₂ + V₃...(2)

 

Berdasarkan Hukum Ohm (V = I . R), berlaku:

 

V₁ = I . R₁, V₂ = I . R₂, V₃ = I . R₃...(3)

 

Sehingga, persamaan (2) menjadi: 

I . R_s = I . R₁ + I . R₂ + I . R₃

         = I (R₁ + R₂ + R₃)

 R_s = R₁ + R₂ + R₃.....(4, Rumus Hambatan Pengganti)

 

Persamaan (4) di atas menjelaskan bahwa hambatan yang dirangkai secara seri dapat digantikan dengan hambatan pengganti (R_s). Selain itu, hambatan  pengganti (R_s) selalu lebih besar dari hambatan yang diganti.

 

Artinya, resistor (hambatan) yang dipasang secara seri maka nilai hambatannya (resistansi totalnya) semakin besar.

 

Rangkaian seri di dalam alat elektronik berfungsi sebagai pembagi tegangan. Secara matematis berlaku persamaan:

 

V₁ : V₂ : V₃ = R₁ : R₂ : R₃

Rangkaian Paralel

Apa yang dimaksud dengan rangkaian paralel? Dalam ilmu kelistrikan, rangkaian paralel adalah rangkaian alat-alat listrik yang disusun/dihubungkan secara berjajar atau bercabang. 

Rangkaian paralel terbentuk terbentuk bila semua masukan komponen berasal dari sumber yang sama.

 

Konfigurasi ini membuat rangkaian paralel memiliki lebih dari satu jalur arus atau membentuk percabangan di antara kutub-kutub sumber arus listrik. 

 

 

Setiap bagian dari percabangan itu disebut rangkaian percabangan. Arus listrik akan terbagi-bagi begitu memasuki titik percabangan. 

 

Setelah keluar melalui kutub negatif sumber arus listrik dan melalui rangkaian percabangan, arus listrik akan menyatu kembali sebelum menuju kutub positif sumber arus listrik kembali. 

 

Itulah sebabnya mengapa sehingga rangkaian paralel disebut sebagai rangkaian listrik yang berfungsi untuk membagi arus.

1. Ciri-Ciri Rangkaian Paralel

Ciri-ciri khusus rangkaian paralel, antara lain sebagai berikut:

1. Memiliki percabangan
2. Hambatan total lebih kecil
3. Tegangan listrik pada setiap komponen sama besar
4. Arus listrik yang mengalir pada setiap komponen besarnya tidak sama 

2. Kelebihan dan Kekurangan Rangkaian Paralel

Rangkaian paralel memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan, antara lain sebagai berikut:

2.1. Kelebihan/Keuntungan Rangkaian Paralel

• Hambatan kecil sehingga nyala lampu lebih terang.
  
• Masing-masing komponen dapat bekerja secara bebas tanpa dipengaruhi komponen lain.
• Rangkaian paralel bila salah satu lampu atau alat listrik dilepas/rusak/padam, maka lampu/alat listrik yang lain tidak ikut mati atau tetap menyala/berfungsi.

2.2. Kelemahan/Kekurangan/Kerugian Rangkaian Paralel

• Biaya lebih mahal karena memerlukan banyak kabel
• Kurang efisien dalam menghantarkan arus listrik
• Rangkaian lebih rumit karena terdiri dari banyak percabangan

3. Rumus Rangkaian Paralel

Rumus-rumus yang berlaku dalam rangkaian paralel adalah rumus hukum Ohm, hukum Kirchoff, dan rumus hambatan pengganti (total).

 

Rumus hukum Ohm adalah:

V = I . R.....(1)

Sementara itu, hukum Kirchoff adalah hukum yang mengatur tentang percabangan pada rangkaian listrik.

 

Rumus hambatan pengganti (R_P) bisa didapatkan dari penurunan rumus hukum Ohm berdasarkan analisis rangkaian paralel.

Pada rangkaian paralel di atas, tegangan (V) pada setiap hambatan sama besar, walaupun nilai hambatannya (R) berbeda-beda. Secara matematis, dituliskan:
 

V_ab = V₁ = V₂ = V₃ .....(2)

 

Menurut Hukum I Kirchoff, kuat arus listrik yang melalui R₁, R₂, dan R₃ adalah I₁, I₂, dan I₃. Adapun kuat arus (I) antara titik a dan b adalah I_P. 

Pada rangkaian berlaku:

 

I_P = I₁ + I₂ + I₃.....(3)

 

Oleh karena I₁ = ^V_ab/_R1, I₂ = ^V_ab/_R2, I₃ = ^V_ab/_R3, dan I_P = ^V_ab/_RP, maka:
 

^V_ab/_RP = ^V_ab/_R1 + ^V_ab/_R2 + ^V_ab/_R3....(4)

 

¹/_RP = _¹/_R1 + _¹/_R2 + _¹/_R3....(5, Rumus Hambatan Pengganti Rangkaian Paralel)

 

Dari rumus (5) dapat disimpulkan bahwa hambatan pengganti susunan paralel (R_P) selalu lebih kecil daripada hambatan paling kecil yang terpasang pada rangkaian. 

 

Khusus untuk dua hambatan R₁ dan R₂ yang disusun secara paralel, hambatan paralel penggantinya bisa dinyatakan dengan rumus:
 

R_P = ^R₁R₂/_{R1 + R2}.....(6)

 

Hambatan yang disusun secara paralel berfungsi sebagai pembagi arus dengan nilai perbandingan kuat arus pada rangkaian di setiap cabang adalah:

 

R₁ : R₂ : R₃ = ^₁/_I1 : ^₁/_I2 : ^₁/_I3.....(7)

Rangkaian Listrik Terbuka

Rangkaian listrik terbuka adalah rangkaian yang memiliki ujung pangkal. Rangkaian ini terjadi jika salah satu ujung kabel dilepas dari kutub baterai. 

 

Dikatakan rangkaian terbuka, jika kutub positif dan kutub negatif tidak berhubungan sehingga tidak ada aliran listrik.

Pada rangkaian seperti ini tidak terdapat arus listrik, sehingga mengakibatkan alat listrik yang terpasang pada rangkaian tidak berfungsi/padam. 

Rangkaian Listrik Tertutup

Rangkaian listrik tertutup adalah rangkaian yang tidak memiliki ujung dan pangkal. Dikatakan rangkaian tertutup, jika kutub positif dan kutub negatif berhubungan sehingga muncul aliran listrik.

 

Kemudian, arus listrik mengalir di dalam baterai dari kutub negatif menuju kutub positif. Hal ini menunjukkan bahwa di luar sumber tegangan, arus listrik mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.

Sebaliknya, di dalam sumber tegangan, arus listrik mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. Pada rangkaian tertutup lampu akan dapat menyala.

Kesimpulannya, arus listrik hanya dapat mengalir pada rangkaian listrik tertutup.

Contoh Soal Rangkaian Listrik

Berikut ini beberapa contoh soal tentang rangkaian listrik: 

1. Tentukan hambatan pengganti pada rangkaian berikut! 

Jawaban:

Diketahui:

• R₁ = 4 Ohm
• R₂ = 6 Ohm
• R₃ = 3 Ohm

Ditanyakan:

• R_s.....? 

Penyelesaian:

R_s = R₁ + R₂ + R₃ 

R_s = 4 + 6 +3

R_s = 13 Ohm

 

Jadi, besar hambatan pengganti (R_s) rangkaian di atas adalah 13 Ohm.

2. Tiga buah hambatan disusun secara seri masing masing nilainya 4 Ohm, 3 Ohm dan 5 Ohm. Hambatan ini kemudian dipasang pada tegangan 120 Volt. Besarnya tegangan pada hambatan 3 Ohm adalah? 

Jawaban:

Diketahui:

• R₁ = 4 Ohm
• R₂ = 3 Ohm
• R₃ = 5 Ohm
• V = 120 Volt

Ditanyakan:

• V₂...?

Penyelesaian:

R_s = R₁ + R₂ + R₃ 

R_s = 4 + 3 + 5

R_s = 12 Ohm

V = I . R_s

I = ^V/_Rs

I = ¹²⁰/₁₂

I = 10 A

 

V₂ = I . R₂ 

V₂ = 10 . 3

V₂ = 30 Volt

 

Jadi, besar tegangan pada hambatan 3 Ohm (R₂) adalah 30 Volt

3. Diketahui tiga resistor yg dirangkai seri dengan hambatan sebesar R₁ = 100 Ohm, R₂ = 200 Ohm, R₃ = 300 Ohm. Ujung-ujung rangkaian itu dihubungkan pada sumber tegangannya 120 Volt. Tentukan:

(a) beda potensial ujung-ujung R₁ 

(b) beda potensial ujung-ujung R₂

Jawaban: 

Diketahui:

• R₁ = 100 Ohm
• R₂ = 200 Ohm
• R₃ = 300 Ohm
• V = 120 Volt

Ditanyakan:

 

a. V₁

b. V₂

 

Penyelesaian:

R_s = R₁ + R₂ + R₃ 

R_s = 100 + 200 + 300

R_s = 600 Ohm

V = I . R_s

I = ^V/_Rs

I = ¹²⁰/₆₀₀

I = 0,2 A

 

a. V₁

V₁ = I . R₁ 

V₁ = 0,2 . 100

V₁ = 20 Volt

 

b. V₂

V₂ = I . R₂ 

V₂ = 0,2 . 200

V₂ = 40 Volt

 

Jadi, beda potensial ujung-ujung R₁ dan R₂ adalah 20 Volt dan 40 Volt.

4. Mengapa rangkaian paralel disebut rangkaian bercabang?

Jawab:

Karena terdapat percabangan jalur (kabel) arus listrik untuk mengaliri setiap komponen yang disusun secara berjajar.
 

5. Apa yang terjadi jika salah satu cabang atau komponen listrik dalam rangkaian listrik paralel rusak?

Jawab:

Cabang atau komponen lain tetap berfungsi karena masing-masing komponen bekerja secara bebas atau tidak bergantung dengan komponen lainnya.

6. Bagaimana arus listrik mengalir pada rangkaian listrik paralel?

Jawab:

 

Arus listrik yang mengalir pada rangkaian paralel akan terbagi dan besarnya dipengaruhi oleh komponen yang terpasang di setiap cabang. 

7. Bagaimana energi listrik yang digunakan pada rangkaian paralel?

Jawab:

 

Energi listrik pada rangkaian paralel lebih hemat dan efektif karena hambatan total seluruh rangkaian lebih kecil.

8. Tuliskan contoh pemanfaatan rangkaian paralel dalam kehidupan sehari-hari?

Jawab:

 

Contohnya lampu pada instalasi rumah tangga dan lampu lalu lintas.

9. Tuliskan contoh pemanfaatan rangkaian listrik seri dan paralel di rumah

Jawab:

• Lampu hias (rangkaian seri)
• Senter (rangkaian seri)
• Lampu rumah (rangkaian paralel)

10. Eko membuat rangkaian listrik sederhana yang tersusun dari kabel, dua buah baterai, dan dua buah lampu. ketika lampu A dilepas, B tetap menyala. berdasarkan peristiwa tersebut, Eko membuat rangkaian listrik... 

A. Seri

B. Paralel

C. Campuran

D. Ganda

Jawab:

B. Paralel

11. Jelaskan tegangan listrik pada rangkaian paralel?

Jawab:

 

Pada rangkaian paralel, tegangan listrik yang mengalir di setiap komponen besarnya sama (sama besar dengan tegangan sumber).

12. Jika empat lampu dirangkai secara paralel, nilai tegangan pada keempat lampu akan?

Jawab:

 

Sama besar 

13. Mengapa lampu lalu lintas disusun secara paralel?

Jawab:

 

Agar lampu bisa di atur untuk menyala secara bergantian, yaitu merah, kuning, dan hijau karena masing-masing lampu memiliki jalur arus yang berbeda.

14. Dua buah resistor masing-masing besarnya 6 Ohm dan 12 Ohm disusun paralel dan dihubungkan dengan sumber tegangan 12 volt. Hitunglah:

• Hambatan total pengganti

• Kuat arus listrik yang keluar dari sumber tegangan

• Tegangan pada masing-masing resistor

• Kuat arus listrik pada masing-masing resistor
  

Jawab:

 

Diketahui:

• R₁ = 6 Ohm
• R₂ = 12 Ohm
• V = 12 Volt

Ditanyakan:

 

a. R_P
b. I_P
c. V₁ dan V₂
d. I₁ dan I₂

 

Penyelesaian: 

a. R_P

 

R_P = ^R₁R₂/_{R1 + R2}

     = ^{6 . 12}/_{6 + 12}

     = 4 Ohm

 

Jadi, hambatan total penggantinya (R_P) adalah 4 Ohm.

b. I_P

 

I_P = ^V/_RP

    = ¹²/₄

    = 3 A

 

Jadi, kuat arus yang keluar dari sumber tegangan adalah 3 A

 

c. V₁ dan V₂

 

Karena kedua resistor dirangkai secara paralel, maka tegangan pada masing-masing resistor (V₁ dan V₂) sama besar dengan tegangan sumber, yaitu 12 Volt.

d. I₁ dan I₂

 

I₁ = ^V/_R1

    = ¹²/₆

    = 2 A

 

I₂ = ^V/_R2

    = ¹²/₁₂

    = 1 A

 

Jadi, kuat arus pada masing-masing resistor (I₁ dan I₂) adalah 2 A dan 1 A.

15. Empat buah hambatan 15 Ohm, 10 Ohm, 6 Ohm, dan 5 Ohm disusun paralel lalu dihubungkan dengan sumber tegangan listrik perbandingan arus yang mengalir untuk tiap-tiap hambatan adalah? 

Jawab:

 

Diketahui:

• R₁ = 15 Ohm
• R₂ = 10 Ohm
• R₃ = 6 Ohm
• R₄ = 5 Ohm

Ditanyakan:

• Perbandingan kuat arus (I) tiap hambatan (I₁ : I₂ : I₃ : I₄)
  

Penyelesaian:

I₁ : I₂ : I₃ : I₄ = ^V/_R1 : ^V/_R2 : ^V/_R3 : ^V/_R3 

= ^V/₁₅ : ^V/₁₀ : ^V/₆ : ^V/₅  

= ¹/₁₅ : ¹/₁₀ : ¹/₆ : ¹/₅  

= ²/₃₀ : ³/₃₀ : ⁵/₃₀ : ⁶/₃₀   

I₁ : I₂ : I₃ : I₄ = 2 : 3 : 5 : 6

Jadi, perbandingan kuat arus tiap hambatan adalah 2 : 3 : 5 : 6.

16. Pada sebuah rangkaian listrik kabel berfungsi sebagai konduktor konduktor adalah?

Jawab:

 

Konduktor adalah bahan atau benda yang dapat menghantarkan panas/listrik dengan baik, contohnya besi, baja, tembaga, emas, dan perak.

17. Rangkaian listrik di rumah biasanya menggunakan rangkaian listrik

Jawab:

Rangkaian listrik paralel, supaya jika salah satu peralatan listrik mati, alat yang lain tetap berfungsi.

18. Apa perbedaan rangkaian listrik seri dan paralel?

Jawab:

 

Perbedaan rangkaian listrik seri dan paralel, antara lain sebagai berikut:

• Rangkaian seri disusun berurutan, sedangkan rangkaian paralel disusun sejajar.
• Arus listrik rangkaian seri besarnya sama, sedangkan arus listrik rangkaian paralel besarnya tidak sama.
• Tegangan rangkaian seri besarnya tidak sama, sedangkan tegangan rangkaian paralel besarnya sama.
• Hambatan total rangkaian seri besar, sedangkan hambatan total rangkaian paralel kecil.
• Rangkaian seri tidak memiliki cabang, sedangkan rangkaian paralel memiliki cabang. 

19. Lampu lalu lintas memiliki prinsip kerja dari rangkaian listrik?

Jawab:

 

Rangkaian paralel, agar lampu bisa menyala secara bergantian.

20. Jelaskan peran lampu dalam sebuah rangkaian listrik sederhana 

Jawab:

Peran lampu pada rangkaian listrik sederhana adalah sebagai alat listrik yang akan dialiri arus dan tegangan. Lampu juga berfungsi sebagai penerangan.

21. Apakah fungsi kabel pada rangkaian listrik?

Jawab:

Fungsi kabel pada rangkaian listrik adalah sebagai penghubung antara alat listrik dan sumber arus listrik. Kabel terbuat dari konduktor yang dibungkus dengan isolator.

22. Fungsi saklar dalam rangkaian listrik adalah untuk?

Jawab:

Fungsi saklar dalam rangkaian listrik adalah sebagai pemutus dan penyambung arus listrik.

Kesimpulan

Jadi, rangkaian listrik adalah susunan alat-alat listrik yang dihubungkan dengan sumber listrik sehingga menghasilkan arus listrik, terdiri dari rangkaian seri dan paralel.

 

Gimana adik-adik, udah paham kan materi rangkaian listrik di atas? Jangan lupa lagi yah.

 

Sekian dulu materi kali ini, bagikan agar teman yang lain bisa membacanya. Terima kasih, semoga bermanfaat. 

Referensi:

• https://www.fisika.co.id/2020/09/rangkaian-paralel.html
• https://www.fisika.co.id/2020/09/rangkaian-seri.html