Cara Menggunakan Simulasi Potensiometer sebagai Pembagi Tegangan: Mengapa Kenop di Tengah Tidak Memberi Setengah Tegangan

Potensiometer biasanya diperkenalkan dengan rumus yang rapi. Sadapan membelah jalur hambatan menjadi dua bagian, tegangan terbagi menurut perbandingan panjangnya, dan sadapan di tengah memberi setengah tegangan sumber. Sederhana, dan mudah dipercaya.

Lalu rangkaiannya benar-benar dirakit, kenopnya diputar ke tengah, dan yang terbaca di voltmeter jauh dari setengah. Rumusnya tidak salah. Rumus itu hanya menggambarkan keadaan yang berhenti berlaku begitu ada sesuatu yang disambungkan ke sadapan — dan sesuatu itu selalu ada, sebab tidak ada gunanya membuat pembagi tegangan yang tidak dipakai.

Simulasi Potensiometer sebagai Pembagi Tegangan menaruh kedua angka bersebelahan: yang seharusnya dan yang sebenarnya. Buka di simu.konsep.com/sim/potensiometer-pembagi-tegangan.

Tiga puluh detik pertama

Tekan tombol praatur Seperti javalab. Keadaannya: sumber $5\ \text{V}$, potensiometer $100\ \Omega$, beban $8\ \Omega$ berupa pengeras suara, sadapan di $50\%$.

Sebelum melihat layar, tebak dulu berapa tegangan pada bebannya. Hampir semua orang menjawab $2{,}5\ \text{V}$.

Kartunya menjawab $0{,}606\ \text{V}$ — kurang dari seperempat. Kartu ketiga menamai selisih itu: melorot $75{,}8\%$.

Mengapa bisa melorot

Perhatikan gambar rangkaiannya. Beban tidak menggantung sendirian di sadapan; ia terpasang paralel dengan belahan bawah potensiometer.

Dua hambatan yang paralel selalu menghasilkan gabungan yang lebih kecil daripada masing-masingnya. Belahan bawah $50\ \Omega$ yang dipasangi beban $8\ \Omega$ tinggal bernilai

Pembagian tegangan sekarang terjadi antara $50\ \Omega$ di atas dan $6{,}897\ \Omega$ di bawah — bukan lagi $50$ lawan $50$. Wajar kalau bagian bawah hanya kebagian sedikit.

Angka arus pada Gambar 2 memperlihatkan hal yang sama dari sisi lain: beban menyedot lebih dari enam kali arus belahan bawah, padahal keduanya menerima tegangan yang persis sama.

Kemelorotan punya bentuk, dan bentuknya simetris

Geser sadapan pelan-pelan dari ujung ke ujung sambil memperhatikan kartu Melorot. Polanya mengejutkan.

Posisi sadapan	Melorot		Posisi sadapan	Melorot
$10\%$	$52{,}9\%$		$90\%$	$52{,}9\%$
$20\%$	$66{,}7\%$		$80\%$	$66{,}7\%$
$30\%$	$72{,}4\%$		$70\%$	$72{,}4\%$
$40\%$	$75{,}0\%$		$60\%$	$75{,}0\%$
$50\%$	$75{,}8\%$

Pasangan yang berjarak sama dari tengah melorot sama persis. Dan di kedua ujung kemelorotannya lenyap sama sekali: pada $0\%$ tidak ada tegangan yang bisa hilang, sedangkan pada $100\%$ sadapan menyentuh kaki atas sehingga beban menerima tegangan sumber penuh, berapa pun hambatannya.

Jadi titik terburuk justru posisi tengah — posisi yang paling sering dipakai sebagai contoh di papan tulis.

Yang menentukan bukan nilainya, tapi perbandingannya

Ini bagian yang paling berguna untuk merancang. Ganti-ganti tombol Beban sambil sadapan tetap di tengah.

Potensiometer	Beban	Beban ÷ pot	Tegangan	Melorot
$100\ \Omega$	$8\ \Omega$	$0{,}08$	$0{,}606\ \text{V}$	$75{,}8\%$
$100\ \Omega$	$50\ \Omega$	$0{,}5$	$1{,}667\ \text{V}$	$33{,}3\%$
$100\ \Omega$	$1\ \text{k}\Omega$	$10$	$2{,}439\ \text{V}$	$2{,}4\%$
$10\ \text{k}\Omega$	$100\ \text{k}\Omega$	$10$	$2{,}439\ \text{V}$	$2{,}4\%$

Perhatikan dua baris terakhir. Nilai hambatannya berbeda seratus kali lipat, tetapi kemelorotannya sama persis. Yang menentukan hanya perbandingan beban terhadap potensiometer.

Rumusnya, supaya bisa dihitung sebelum dirakit

Dengan $a$ posisi sadapan dan $k$ perbandingan beban terhadap potensiometer, kemelorotannya

Posisi sadapan hanya masuk lewat bentuk $a(1-a)$, dan bentuk itu tidak berubah bila $a$ ditukar dengan $1-a$. Itulah sebab tabel di atas simetris. Nilainya terbesar di $a = \frac{1}{2}$, sehingga kemelorotan terburuk yang mungkin terjadi

Dari sini aturan praktis di buku rangkaian bisa diturunkan, bukan dihafal. Kalau kemelorotan diminta tidak lebih dari $5\%$:

Angka $4{,}75$ tidak enak diingat, maka dibulatkan ke atas jadi sepuluh. Itulah asal pedoman beban sebaiknya paling sedikit sepuluh kali hambatan potensiometer, yang memberi kemelorotan $\frac{1}{41} \approx 2{,}4\%$ — persis angka pada Gambar 4.

Dua kaki atau tiga kaki

Tekan tombol Reostat (2 kaki). Komponennya sama, tetapi kaki bawah dilepas sehingga beban tidak lagi paralel dengan apa pun — ia menjadi seri dengan sisa jalur.

Sekarang geser sadapan sampai mentok ke bawah dan perhatikan kartu tegangan. Pada sambungan tiga kaki angkanya $0{,}000\ \text{V}$. Pada reostat, angkanya berhenti di $0{,}370\ \text{V}$ dan tidak mau turun lagi.

Sebabnya, keluaran reostat mengikuti

yang tidak pernah nol selama $R_L > 0$, berapa pun besar hambatan serinya. Pembagi tiga kaki bisa nol karena sadapan yang menyentuh kaki bawah akan memintas beban ke kutub negatif — jalur pintas yang tidak dimiliki reostat.

Inilah alasan kenop volume dipasang sebagai pembagi tiga kaki. Kenop volume yang tidak bisa mendiamkan suara sepenuhnya bukan kenop volume yang baik.

Harga yang dibayar

Ada satu hal lagi yang jarang disebut. Pembagi tegangan menyerap daya bahkan ketika keluarannya nol, sebab jalurnya tetap terhubung dari kutub positif ke kutub negatif.

Naikkan sadapan ke sekitar $65\%$ pada praatur javalab, dan kartu daya berubah merah.

Karena $P = V_{in}^2 / R_p$, memperbesar potensiometer seratus kali menurunkan daya diamnya seratus kali juga. Potensiometer $100\ \Omega$ pada $5\ \text{V}$ membuang $250\ \text{mW}$ sebelum apa pun terdengar; yang $10\ \text{k}\Omega$ hanya $2{,}5\ \text{mW}$.

Jadi ada dua tuntutan yang tampak bertentangan. Kemelorotan menuntut potensiometer kecil dibanding beban, sedangkan penghematan daya menuntutnya besar. Keduanya baru bisa dipenuhi bersamaan kalau bebannya sendiri berhambatan tinggi — dan memang begitulah kenop volume dipakai: ia memberi umpan ke masukan penguat berhambatan ratusan kiloohm, bukan langsung ke pengeras suara $8\ \Omega$.

Rangkaian pada praatur javalab, yang menyambungkan potensiometer $100\ \Omega$ langsung ke pengeras suara $8\ \Omega$, adalah contoh bagaimana tidak merancangnya.

Ringkasnya

• Sadapan di tengah tidak memberi setengah tegangan, karena beban terpasang paralel dengan belahan bawah.
• Kemelorotan paling parah tepat di tengah, dan simetris terhadap posisi itu.
• Yang menentukan besarnya hanya perbandingan beban terhadap potensiometer, bukan nilai hambatannya.
• Aturan “beban sepuluh kali” berasal dari syarat kemelorotan di bawah $5\%$, bukan dari hafalan.
• Hanya sambungan tiga kaki yang mampu memadamkan keluaran sampai nol.
• Potensiometer kecil boros daya diam; itu sebabnya kenop volume nyata bernilai puluhan kiloohm.

Coba sendiri dengan menggeser sadapan langsung pada gambar rangkaiannya di simu.konsep.com/sim/potensiometer-pembagi-tegangan. Tersedia pula lembar kerja, landasan teori, dan kumpulan soal berpembahasan pada halaman yang sama.