[PENGETAHUAN] Memahami Konsep Pembagi Tegangan (Voltage Divider) dan Penerapannya pada Mikrokontroler

Rangkaian Dasar

Pembagi tegangan (Voltage Divider) secara sederhana dibentuk oleh rangkaian seri dari dua buah hambatan, dengan sebuah suplai tegangan. Diantara kedua hambatan tersebut, diambil sebuah jalur yang akan digunakan sesuai keperluan kita, misalnya sebagai inputan ke mikrokontroler. Amatilah Gambar 1 berikut:

[[{"fid":"1030","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"1":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-default","data-delta":"1"}}]]

Gambar 1. Rangkaian dasar pembagi tegangan

Persamaan Matematis 

Asumsi terdapat arus tunggal yang mengalir pada rangkaian tersebut (I₁= I₂= I),  dan dua buah resistor (R₁dan R₂) yang terhubung secara seri kita jadikan sebagai sebuah hambatan pengganti. Maka rangkaiannya dapat disederhanakan seperti pada Gambar 2.

[[{"fid":"1031","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"2":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-default","data-delta":"2"}}]]

Gambar 2. Rangkaian penyederhanaan

Seperti yang telah kita ketahui bahwa R  = R₁+R₂, maka arus yang mengalir pada rangkaian adalah:

[[{"fid":"1032","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"3":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-default","data-delta":"3"}}]]

Karena I ekuivalen dengan I₂, maka Vout dapat dicari sebagai berikut:

[[{"fid":"1033","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"4":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-default","data-delta":"4"}}]]

Dengan mengubah susunan persamaan di atas, maka rumus pembagi tegangan yang HARUS diingat dan dipahami adalah sebagai berikut:

[[{"fid":"1034","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"5":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-default","data-delta":"5"}}]]

Dalam penerapannya, hanya dengan mengatur-atur besar R₁ dan R₂, kita dapat memperoleh variasi tegangan output Vout.

Potensiometer

Potensiometer adalah salah satu alat yang memanfaatkan prinsip pembagi tegangan. Amatilah beberapa contohnya berikut:

[[{"fid":"1035","view_mode":"wysiwyg","fields":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"6":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-wysiwyg","data-delta":"6"}}]]

Gambar 3. Berbagai variasi jenis potensiometer

Track pada potensiometer bersifat resistif (beberapa jenis dapat bersifat kapasitif). Pergeseran tangkai wiper akan mengubah-ubah besarnya hambatan pada dua bagian track yang terbagi oleh wiper tersebut. Potensiometer ini bekerja dengan prinsip pembagi tegangan (voltage-divider).

[[{"fid":"1036","view_mode":"wysiwyg","fields":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"8":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-wysiwyg","data-delta":"8"}}]]

Gambar 4. Komponen penyusun potensiometer

Amatilah contoh aplikasi potensiometer yang dirangkai dengan mikrokontroler, seperti yang terlihat pada Gambar 5. Pada Gambar tersebut, potensiometer dapat bertindak sebagai pengganti SEMUA sensor berjenis analog. Sebab, pada dasarnya sistem kerja sensor analog adalah mengirimkan variasi sinyal-sinyal analog ke mikrokontroler, dan ini dapat diwakilkan oleh potensiometer. Sebelum masuk ke mikrokontroler, sinyal tersebut harus melewati pin ADC (analog-to-digital converter) untuk dikonversi menjadi sinyal digital. Amatilah Gambar berikut:

[[{"fid":"1037","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"9":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-default","data-delta":"9"}}]]

Gambar 5. Pembagi tegangan dapat menghasilkan variasi sinyal analog yang masuk ke mikrokontroler

Asumsi jika R₁ mendekati nol (R₁ → 0), maka:

[[{"fid":"1038","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"10":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-default","data-delta":"10"}}]]

Sekarang, asumsi jika R₂mendekati nol (R₂ → 0), maka:

[[{"fid":"1039","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"11":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-default","data-delta":"11"}}]]

Dengan demikian, kita akan mendapat variasi tegangan dari 0 – Vs. Jika menggunakan tegangan Vs sebesar 5 Volt, maka kita akan mendapatkan variasi dari 0 – 5V. Tegangan 0 – 5V ini sesuai dengan kebutuhan pada kebanyakan jenis mikrokontroler.

Penerapan pada Sensor

Beberapa sensor tidak dapat mengubah tegangan listrik secara langsung, misalnya LDR. LDR (Light Dependent Resistor) akan menghasilkan perubahan hambatan listrik berdasarkan intensitas cahaya yang mengenainya. Semakin banyak intensitas cahaya yang mengenai sensor (semakin terang), maka resistansi akan semakin kecil. Demikian pula sebaliknya, jika intensitas cahaya semakin kecil (semakin gelap), maka hambatan pada sensor tersebut semakin besar).

Nilai resistansi yang berubah tidak akan berarti apa-apa tanpa dilakukan suatu perlakuan khusus terhadap sensor tersebut. Mengapa? Sebab, perubahan resistansi listrik tidak akan berpengaruh apa-apa, sebelum komponen tersebut dialirkan suatu arus listrik. Ingat, parameter yang kita inginkan dalam kaitannya dengan mikrokontroler adalah tegangan listrik, bukan resistansi listrik. Oleh karena itu, kita harus mengolah perubahan resistansi listrik menjadi perubahan tegangan listrik. Agar dapat terbaca oleh mikrokontroler, kita dapat menggunakan prinsip pembagi tegangan. Kita dapat menempatkan sensor LDR tersebut untuk menggantikan R₁atau R₂pada Gambar 5. 

[[{"fid":"1041","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"},"type":"media","field_deltas":{"13":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider"}},"link_text":null,"attributes":{"alt":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","title":"Pembagi Tegangan - Voltage Divider","class":"media-element file-default","data-delta":"13"}}]]

Gambar 6. Konfigurasi sensor LDR berdasarkan prinsip pembagi tegangan

Amatilah Gambar 6. Pada Gambar tersebut, sebuah sensor LDR akan menggantikan hambatan R₁pada Gambar 5. Apakah kita dapat meletakkannya di R₂? Jawabannya adalah bisa. Namun, sifatnya akan terbalik. Amatilah kedua rumus di atas, yaitu ktika R1 mendekati nol maupun ketika R₂mendekati nol. Terlihat jelas bahwa ketika sensor LDR ditempatkan di R₁, maka ketika cahaya makin terang (R₁mendekati nol), input tegangan ke mikrontroler akan makin besar. Namun, jika ditempatkan di R₂, maka ketika cahaya makin terang (R₂mendekati nol), input ke mikrokontroler akan makin kecil.

Perhatian!

Jangan pernah gunakan pembagi tegangan sebagai step-down power supply ! Misalnya, kita ingin membuat power suplai 5Volt dari sumber 12Volt. Pembagi tegangan jangan digunakan sebagai power supplay untuk menyuplai berbagai beban.

Amati Gambar 1 (paling atas). Arus yang dibutuhkan oleh beban juga akan melalui R1. Arus dan tegangan di sepanjang R1 akan mendisipasi daya, yang dapat menghasilkan panas. Jika daya yang dihasilkan melebihi rating daya yang dimiliki oleh resistor (umumnya antara 1/8Watt sampai 1Watt), maka akan timbul masalah, misalnya dapat membakar resistor tersebut! Pembagi tegangan juga tidak efisien sebagai power supplay. Dengan demikian, jika kita membutuhkan penurun tegangan, gunakanlah voltage regulator.

Referensi

Wardana, INK., 2016, Teknik Antarmuka MATLAB dan Arduino, VIP Publication & Miarana DIY.
Jimbo, 2013, Voltage Dividers, https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-dividers