Jatuh Tegangan (Voltage Drop): Rumus, Contoh Hitungan pada Kabel, dan Batas PUIL

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 05: Arus, Hambatan, dan Beda Potensial (artikel 2 dari 8)

Jatuh tegangan adalah turunnya beda potensial saat arus melewati sebuah hambatan. Pada rangkaian seri, tegangan sumber terbagi habis ke semua bagian, dan pembagiannya sebanding dengan hambatan masing-masing. Bagian yang memegang separuh hambatan total akan memegang separuh tegangan juga. Rumusnya cuma Hukum Ohm yang dipakai per bagian, tetapi akibatnya di lapangan besar: motor yang tegangannya kurang karena kabelnya terlalu panjang akan panas dan kurang bertenaga.

Satu arus lewat ketiganya, tetapi tegangan yang dipegang tiap bagian berbeda mengikuti hambatannya.

Tegangan Menurun di Sepanjang Jalur

Bayangkan tiga hambatan disambung berderet lalu diberi tegangan dari satu sumber.

Karena hanya ada satu jalur yang tersedia, arus yang lewat ketiga hambatan itu sama persis besarnya, sebab tidak ada satu pun titik percabangan di sepanjang deretan itu yang bisa dipakai arus untuk membagi diri.

Tetapi tegangannya tidak sama. Setiap kali arus melewati satu hambatan, sebagian tegangan terpakai di situ, lalu sisanya diteruskan ke hambatan berikutnya untuk dipakai dengan cara yang sama persis sampai arus kembali ke sumbernya.

Kalau Anda mengukur tegangan dari titik awal sambil berjalan ke arah titik akhir, angkanya turun bertahap. Penurunan di tiap bagian itulah jatuh tegangan.

Satu hal yang penting dan sering terlewat. Jumlah seluruh jatuh tegangan di semua bagian selalu sama dengan tegangan sumbernya. Tidak ada tegangan yang hilang entah ke mana, semuanya terbagi habis.

Menghitung Jatuh Tegangan

Rumusnya tidak baru. Ini Hukum Ohm yang dipakai per bagian, bukan untuk seluruh rangkaian.

Jatuh tegangan di satu bagian = I × R bagian itu

Urutan pengerjaannya dua langkah. Cari dulu arus yang mengalir di seluruh rangkaian, baru hitung jatuh tegangan di tiap bagian memakai arus tersebut.

Modul memberi contohnya dengan angka bulat. Sebuah rangkaian bertegangan 100 volt dengan hambatan total 100 Ω.

I = 100 V ÷ 100 Ω = 1 A

Sekarang hitung jatuh tegangan di bagian yang hambatannya 50 Ω:

V = 1 A × 50 Ω = 50 V

Bagian yang memegang 50 Ω dari total 100 Ω ternyata memegang 50 V dari total 100 V. Setengah hambatan, setengah tegangan.

Sebanding dengan Hambatan

Dari contoh tadi muncul jalan pintas yang sangat berguna di lapangan.

Jatuh tegangan di satu bagian sebanding dengan porsi hambatan bagian itu terhadap hambatan total, sehingga Anda bisa langsung bekerja dengan persentase dan melewatkan langkah menghitung arusnya lebih dulu, yang sering kali justru bagian paling merepotkan di lapangan.

Porsi hambatan bagian itu	Porsi tegangan yang dipegangnya	Contoh pada sumber 100 V
10% dari total	10% dari tegangan	10 V
25% dari total	25% dari tegangan	25 V
50% dari total	50% dari tegangan	50 V
80% dari total	80% dari tegangan	80 V

Cara ini sering lebih cepat daripada rumus. Kalau Anda tahu kabel memegang 3 persen dari hambatan total rangkaian, Anda langsung tahu kabel itu memakan 3 persen tegangan sumbernya.

Latihan dari Modul

Modul menutup bagian ini dengan satu soal pendek. Kerjakan sendiri dulu.

Dua resistor dirangkai seri, yang satu 20 Ω dan yang satu 30 Ω, lalu diberi tegangan 50 volt. Berapa jatuh tegangan di resistor 30 Ω?

Kerjakan dua langkah seperti tadi.

Hambatan total = 20 Ω + 30 Ω = 50 Ω
I = 50 V ÷ 50 Ω = 1 A
V pada 30 Ω = 1 A × 30 Ω = 30 V

Atau lewat jalan pintas tadi. Resistor 30 Ω memegang 30 dari 50 bagian hambatan, yaitu 60 persen, sehingga ia memegang 60 persen dari 50 volt, yang hasilnya juga 30 volt.

Jatuh Tegangan pada Kabel

Bagian ini perluasan di luar modul, dan inilah bentuk jatuh tegangan yang paling sering jadi masalah nyata.

Kabel bukan penghantar sempurna. Ia punya hambatan, dan hambatan itu letaknya seri dengan beban, sehingga kabel selalu memakan sebagian tegangan sumber lebih dulu sebelum sisa yang tinggal sampai ke terminal alatnya.

Ambil contoh yang biasa ditemui. Sebuah beban 10 ampere dipasang di ujung kabel tembaga berpenampang 1,5 mm² sepanjang 20 meter dari panel, pada sumber 220 volt, dan pertanyaannya adalah berapa tegangan yang benar-benar sampai ke beban itu.

Yang pertama perlu disadari: arus harus pergi dan pulang. Jadi panjang penghantar yang dihitung bukan 20 meter, melainkan 40 meter.

Hambatan kabelnya dihitung dengan rumus hambatan jenis:

R = ρ × L ÷ A = 0,0175 × 40 ÷ 1,5 = 0,467 Ω

dengan ρ tembaga sekitar 0,0175 Ω·mm²/m, L panjang total dalam meter, dan A penampang dalam mm².

Jatuh tegangannya:

V drop = I × R = 10 A × 0,467 Ω = 4,67 V

Dalam persentase terhadap 220 volt, itu sekitar 2,1 persen. Tegangan yang benar-benar sampai ke beban tinggal sekitar 215,3 volt.

Berapa Batas yang Diizinkan

PUIL 2011 pasal 5.2.5 membatasi susut tegangan antara terminal konsumen dan sembarang titik di instalasi tidak melebihi 4 persen dari tegangan pengenal di terminal konsumen.

Jadi contoh 2,1 persen tadi masih di dalam batas, dengan sisa ruang yang cukup.

Dua catatan soal angka ini. Pertama, pastikan terhadap edisi PUIL yang berlaku di tempat Anda bekerja, karena edisi yang lebih baru sudah terbit sehingga angkanya perlu dicek ulang sebelum dipakai sebagai dasar perhitungan resmi. Kedua, batas itu berlaku sampai titik terjauh. Yang dihitung penjumlahan susut seluruh jalur, bukan satu potong kabel.

Untuk pemilihan ukuran kabel yang memenuhi batas ini, pembahasannya ada di artikel cara memilih ukuran kabel listrik.

Cara Menghitung Jatuh Tegangan pada Kabel

Langkahnya begini, dan berlaku untuk kabel tembaga maupun aluminium asal nilai hambatan jenisnya disesuaikan.

1. Catat arus beban dan tegangan sumbernya. Ambil arus dari pelat nama alat atau dari hasil ukur saat alat bekerja pada beban penuh, jangan dari perkiraan.
2. Hitung panjang penghantar pulang pergi. Kalikan jarak dari panel ke beban dengan dua, karena arus mengalir lewat penghantar pergi dan kembali lewat penghantar pulang.
3. Hitung hambatan kabelnya. Pakai R sama dengan rho dikali panjang total dibagi penampang, dengan rho tembaga sekitar 0,0175 ohm mm persegi per meter.
4. Kalikan dengan arus beban. Hasilnya jatuh tegangan dalam volt, memakai rumus V drop sama dengan I dikali R.
5. Ubah ke persentase. Bagi jatuh tegangan dengan tegangan sumber lalu kalikan seratus, supaya bisa dibandingkan dengan batas yang berlaku.
6. Bandingkan dengan batas PUIL. Bila hasilnya melewati batas, besarkan penampang kabel atau pendekkan jaraknya, lalu hitung ulang sampai masuk.

Makin jauh dari panel, makin sedikit tegangan yang tersisa untuk bebannya.

Kenapa Ini Penting untuk Motor dan Charger

Bagian ini perluasan, dan di sinilah jatuh tegangan berhenti jadi soal hitungan lalu mulai jadi soal kerusakan.

Pada motor induksi. Torsi motor turun kira-kira mengikuti kuadrat tegangannya. Jadi tegangan yang berkurang 10 persen tidak menurunkan torsi 10 persen, melainkan sekitar 19 persen. Motor yang kekurangan tegangan akan menarik arus lebih besar untuk menghasilkan torsi yang sama, dan arus yang lebih besar berarti belitan lebih panas.

Akibatnya dua hal yang terdengar berlawanan terjadi bersamaan. Motornya terasa kurang bertenaga, tetapi arusnya justru naik.

Saat motor distart. Arus start beberapa kali lipat arus nominal, jadi jatuh tegangannya pada saat itu juga ikut beberapa kali lipat, dan motor yang kabelnya pas-pasan bisa berjalan normal setelah berputar tetapi sulit sekali distart bila bebannya sudah berat sejak awal.

Pada charger paket baterai. Charger bekerja pada tegangan yang harus akurat. Jatuh tegangan di kabel membuat tegangan yang sampai ke paket lebih rendah daripada yang dibaca di keluaran charger, sehingga pengisian berhenti sebelum penuh atau berjalan jauh lebih lama.

Sudut Pandang Workshop

Jatuh tegangan adalah penyebab yang hampir tidak pernah masuk daftar dugaan pertama, padahal gejalanya khas dan mudah dikenali kalau tahu polanya.

Polanya begini. Alat bekerja normal di satu titik lalu bermasalah di titik lain, padahal alatnya sama. Atau alat bekerja normal pagi hari saat beban gedung masih ringan, lalu mulai bermasalah menjelang siang ketika hampir semua mesin di bengkel sudah menyala bersamaan.

Kalau polanya tergantung tempat atau tergantung waktu, dugaan pertama saya bukan alatnya melainkan jalur suplainya.

Cara memastikannya sederhana. Ukur tegangan di dua titik pada kondisi yang sama, satu di panel sumber dan satu lagi di terminal alat, dengan alat sedang bekerja pada beban penuh, lalu lihat selisihnya. Selisih itulah jatuh tegangan sebenarnya.

Yang sering salah adalah mengukurnya tanpa beban. Tanpa arus mengalir, jatuh tegangannya nol, dan tegangan di ujung kabel akan terbaca sama persis dengan di panel. Pengukuran seperti itu tidak membuktikan apa-apa, dan justru sering dipakai orang untuk menyimpulkan bahwa kabelnya baik-baik saja.

Saya pernah menangani mesin yang keluhannya kurang bertenaga dan sering trip. Motornya sudah dibongkar dan digulung ulang di tempat lain, bearingnya sudah diganti, dan keluhannya tetap sama. Setelah diukur berbeban, tegangan di terminal motor ternyata lebih rendah hampir 9 persen dibanding di panel, dan penyebabnya kabel yang terlalu kecil untuk jarak sepanjang itu, dipasang bertahun-tahun sebelumnya saat beban mesinnya masih jauh lebih ringan.

Yang diganti akhirnya kabelnya, bukan motornya. Dan motor yang sudah terlanjur digulung ulang itu sebenarnya tidak pernah rusak.

Satu kebiasaan saya tegakkan sejak itu. Untuk mesin baru atau mesin yang dipindah, tegangan di terminal saat beban penuh dicatat di berkas mesin pada hari pertama, dan angka itu jadi pembanding untuk semua keluhan berikutnya sepanjang umur mesin tersebut.

Cek Pemahaman

1. Dua resistor 20 Ω dan 30 Ω dirangkai seri pada 50 V. Berapa jatuh tegangan di resistor 30 Ω?
   Jawaban: 30 V, karena arusnya 1 A dan 1 dikali 30 sama dengan 30.
2. Jatuh tegangan di satu bagian sebanding dengan apa?
   Jawaban: hambatan bagian yang diukur itu terhadap hambatan total.
3. Kenapa panjang kabel dikalikan dua saat menghitung jatuh tegangan?
   Jawaban: karena arus mengalir lewat penghantar pergi dan kembali lewat penghantar pulang.
4. Berapa batas susut tegangan menurut PUIL 2011?
   Jawaban: 4 persen dari tegangan pengenal, antara terminal konsumen dan sembarang titik instalasi.
5. Kenapa mengukur tegangan tanpa beban tidak membuktikan kabelnya baik?
   Jawaban: karena tanpa arus yang mengalir, jatuh tegangannya nol, jadi angkanya pasti terbaca sama dengan di panel.

Baca Juga

• Hukum Ohm: Rumus V = I × R dan Contoh Soalnya
• Cara Memilih Ukuran Kabel Listrik yang Tepat
• Hambatan Listrik: Bahan, Penampang, dan Suhu
• Beda Potensial: Arti Volt dan Joule per Coulomb

Ringkasan

• Jatuh tegangan adalah turunnya beda potensial saat arus melewati hambatan.
• Pada rangkaian seri, arus di semua bagian sama tetapi tegangannya terbagi.
• Jumlah semua jatuh tegangan selalu sama dengan tegangan sumbernya.
• Jatuh tegangan satu bagian dihitung dengan I dikali R bagian itu.
• Contoh modul: 100 V pada 100 Ω memberi 1 A, dan bagian 50 Ω memegang 50 V.
• Pembagian tegangan sebanding dengan porsi hambatan tiap bagian.
• Pada kabel, panjang yang dihitung adalah pulang pergi, bukan jarak satu arah.
• Contoh kabel 1,5 mm² sepanjang 20 meter pada beban 10 A memberi jatuh sekitar 4,67 V atau 2,1 persen.
• PUIL 2011 pasal 5.2.5 membatasi susut tegangan 4 persen dari tegangan pengenal.
• Jatuh tegangan diukur saat alat bekerja berbeban, karena tanpa beban angkanya nol.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Apa itu jatuh tegangan?

Jatuh tegangan adalah turunnya beda potensial yang terjadi ketika arus melewati sebuah hambatan, misalnya hambatan kabel atau hambatan sebuah komponen. Pada rangkaian seri, tegangan sumber terbagi habis ke semua bagian dan pembagiannya sebanding dengan hambatan masing-masing, sehingga jumlah seluruh jatuh tegangan selalu sama dengan tegangan sumbernya.

Bagaimana menghitung jatuh tegangan?

Cari dulu arus yang mengalir pada rangkaian, lalu kalikan arus itu dengan hambatan bagian yang ingin dihitung memakai rumus V sama dengan I dikali R. Untuk kabel, hambatannya dihitung dengan rho dikali panjang total dibagi penampang, dengan panjang total adalah jarak pulang pergi dan rho tembaga sekitar 0,0175 ohm mm persegi per meter.

Berapa batas jatuh tegangan yang wajar?

PUIL 2011 pasal 5.2.5 menyebut susut tegangan antara terminal konsumen dan sembarang titik instalasi tidak boleh melebihi 4 persen dari tegangan pengenal pada terminal konsumen. Angka ini perlu dipastikan terhadap edisi PUIL yang berlaku di tempat Anda bekerja, dan yang dihitung adalah penjumlahan susut di seluruh jalur sampai titik terjauh, bukan susut pada satu potong kabel saja.

Kenapa tegangan di ujung kabel panjang lebih kecil?

Karena kabel punya hambatan yang letaknya seri dengan beban, sehingga sebagian tegangan terpakai di kabel itu sendiri sebelum sisanya sampai ke alat. Makin panjang kabelnya makin besar hambatannya, dan makin besar arus yang lewat makin besar pula tegangan yang dimakan kabel tersebut.

Bagaimana mengurangi jatuh tegangan?

Cara yang paling langsung adalah memperbesar penampang kabel, karena hambatan berbanding terbalik dengan luas penampangnya. Cara lain adalah memperpendek jarak dengan memindahkan panel lebih dekat ke beban, atau menurunkan arus yang lewat dengan membagi beban ke beberapa jalur terpisah.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 5, bagian Resistance and Voltage Drop (modul internal Motor Academy).
• Kunci kuis modul nomor 7: dua resistor 20 Ω dan 30 Ω seri pada 50 V memberi jatuh 30 V di resistor 30 Ω, dihitung ulang dan cocok.
• PUIL 2011 pasal 5.2.5 untuk batas susut tegangan 4 persen antara terminal konsumen dan sembarang titik instalasi.
• Rumus R = ρL/A, contoh kabel 1,5 mm², dan pengaruh ke motor serta charger adalah perluasan di luar modul.
• Praktik pengukuran tegangan berbeban di terminal mesin pada bengkel servis motor listrik.