Pembagi Tegangan Kapasitif Kapasitor
Rangkaian pembagi tegangan dapat dibangun dari komponen reaktif semudah mereka dibangun dari resistor nilai tetap.
Tetapi seperti halnya rangkaian resistif, jaringan pembagi tegangan kapasitif tidak terpengaruh oleh perubahan frekuensi supply meskipun mereka menggunakan kapasitor, yang merupakan elemen reaktif, karena setiap kapasitor dalam rantai seri dipengaruhi sama oleh perubahan frekuensi supply.
Tetapi sebelum kita dapat melihat rangkaian pembagi tegangan kapasitif lebih terinci, kita perlu memahami sedikit tentang Reaktansi Kapasitif dan bagaimana hal itu mempengaruhi kapasitor pada frekuensi yang berbeda.
Dalam tutorial pertama kami tentang Kapasitor, kami melihat bahwa kapasitor terdiri dari dua plat konduktif paralel yang dipisahkan oleh isolator, dan memiliki muatan positif ( + ) pada satu plat, dan muatan negatif ( - ) yang berlawanan pada yang lain. Kita juga melihat bahwa ketika terhubung ke supply DC (arus searah), setelah kapasitor terisi penuh, insulator (disebut dielektrik) memblokir aliran arus yang melaluinya.
Kapasitor menentang aliran arus seperti halnya Resistor, tetapi tidak seperti resistor yang membuang energi yang tidak diinginkan dalam bentuk panas, kapasitor menyimpan energi pada plat-nya ketika mengisi dan melepaskan atau mengembalikan energi ke dalam rangkaian yang terhubung saat dilepaskan.
Kemampuan kapasitor untuk menentang atau "bereaksi" terhadap aliran arus dengan menyimpan muatan pada plat-nya disebut "reaktansi", dan karena reaktansi ini berkaitan dengan kapasitor maka disebut Reaktansi Kapasitif ( Xc ), dan seperti resistansi, reaktansi juga diukur dalam Ohm.
Ketika kapasitor yang kosong sepenuhnya dihubungkan ke supply DC seperti baterai atau catu daya, reaktansi kapasitor pada awalnya sangat rendah dan arus sirkit maksimum mengalir melalui kapasitor untuk periode waktu yang sangat singkat karena plat kapasitor mengisi daya secara eksponensial.
Setelah periode waktu yang sama dengan sekitar "5RC" atau 5 konstanta waktu, plat kapasitor terisi penuh sama dengan tegangan supply dan tidak ada aliran arus lebih lanjut. Pada titik ini reaktansi kapasitor ke aliran arus DC adalah maksimum di wilayah mega-ohm, hampir merupakan rangkaian terbuka, dan inilah sebabnya kapasitor memblokir DC.
Sekarang jika kita menghubungkan kapasitor ke supply AC (arus bolak-balik) yang terus-menerus membalik polaritas, efeknya pada kapasitor adalah plat-nya terus-menerus diisi dan digunakan dalam hubungannya dengan tegangan supply bolak-balik yang diterapkan. Ini berarti bahwa arus pengisian dan pemakaian selalu mengalir masuk dan keluar dari plat kapasitor, dan jika kita memiliki aliran arus, kita juga harus memiliki nilai reaktansi untuk menentangnya. Tetapi berapa nilainya dan faktor apa yang menentukan nilai reaktansi kapasitif.
Dalam tutorial tentang Kapasitansi dan Muatan, kami melihat bahwa jumlah muatan, ( Q ) yang ada pada plat kapasitor sebanding dengan tegangan yang diterapkan dan nilai kapasitansi kapasitor. Karena tegangan supply bolak-balik yang diterapkan, ( Vs ) terus berubah nilainya, muatan pada plat juga harus berubah nilainya.
Jika kapasitor memiliki nilai kapasitansi yang lebih besar, maka untuk resistansi yang diberikan, R membutuhkan waktu lebih lama untuk mengisi kapasitor sebagai τ = RC, yang berarti bahwa arus pengisian mengalir untuk jangka waktu yang lebih lama. Kapasitansi yang lebih tinggi menghasilkan nilai reaktansi yang kecil, Xc untuk frekuensi yang diberikan.
Demikian juga, jika kapasitor memiliki nilai kapasitansi kecil, maka konstanta waktu RC yang lebih pendek diperlukan untuk mengisi kapasitor yang berarti bahwa arus akan mengalir untuk periode waktu yang lebih pendek. Kapasitansi yang lebih kecil menghasilkan nilai reaktansi yang lebih tinggi, Xc.
Kemudian kita dapat melihat bahwa arus yang lebih besar berarti reaktansi yang lebih kecil, dan arus yang lebih kecil berarti reaktansi yang lebih besar. Oleh karena itu, reaktansi kapasitif berbanding terbalik dengan nilai kapasitansi kapasitor, XC∝-1 C.
Kapasitansi, bagaimanapun bukan satu-satunya faktor yang menentukan reaktansi kapasitif. Jika arus bolak-balik yang diterapkan adalah pada frekuensi rendah, reaktansi memiliki lebih banyak waktu untuk membangun konstanta waktu RC yang diberikan dan menentang arus yang menunjukkan nilai reaktansi yang besar.
Demikian juga, jika frekuensi yang diterapkan tinggi, ada sedikit waktu antara siklus pengisian dan pemakaian untuk reaktansi untuk membangun dan menentang arus yang menghasilkan aliran arus yang lebih besar, yang menunjukkan reaktansi yang lebih kecil.
Kemudian kita dapat melihat bahwa kapasitor adalah impedansi dan besarnya impedansi ini bergantung pada frekuensi. Jadi frekuensi yang lebih besar berarti reaktansi yang lebih kecil, dan frekuensi yang lebih kecil berarti reaktansi yang lebih besar. Oleh karena itu, Reaktansi Kapasitif, Xc (impedansi kompleksnya) berbanding terbalik dengan kapasitansi dan frekuensi dan persamaan standar untuk reaktansi kapasitif diberikan sebagai:
Dimana:
Xc = Reaktansi Kapasitif dalam Ohm, (Ω)
π (pi) = konstanta numerik 3.142
ƒ = Frekuensi dalam Hertz, (Hz)
C = Kapasitansi dalam Farad, (F)
Pertimbangkan dua kapasitor, C1 dan C2 yang terhubung secara seri pada supply bolak-balik 10 volt. Sebagai dua kapasitor secara seri, muatan Q pada mereka adalah sama, tetapi tegangan mereka akan berbeda dan berkaitan dengan nilai-nilai kapasitansi mereka, sebagai V = Q/C.
Rangkaian pembagi tegangan dapat dibangun dari komponen reaktif semudah mereka dibangun dari resistor karena keduanya mengikuti aturan pembagi tegangan. Ambil rangkaian pembagi tegangan kapasitif ini, misalnya.
Tegangan di setiap kapasitor dapat dihitung dalam beberapa cara. Salah satu cara tersebut adalah untuk menemukan nilai reaktansi kapasitif dari masing-masing kapasitor, total impedansi rangkaian, arus rangkaian dan kemudian menggunakannya untuk menghitung penurunan tegangan, misalnya:
Reaktansi Kapasitif dari kapasitor 10uF
Reaktansi Kapasitif dari kapasitor 22uF
Total reaktansi kapasitif rangkaian seri - Perhatikan bahwa reaktansi seri ditambahkan bersama-sama seperti resistor dalam seri.
atau:
Arus Rangkaian
Maka penurunan tegangan pada masing-masing kapasitor seri pembagi tegangan kapasitif adalah:
Ketika nilai kapasitor berbeda, nilai kapasitor yang lebih kecil akan mengisi sendiri ke tegangan yang lebih tinggi dari nilai kapasitor yang lebih besar, dan dalam contoh kami di atas ini adalah masing-masing 6.9 dan 3.1 volt.
Karena Hukum Kirchoff 2 - Tegangan berlaku untuk ini dan setiap rangkaian seri yang terhubung, jumlah total penurunan tegangan individu akan sama nilainya dengan tegangan supply, VS dan 6.9 + 3.1 memang sama dengan 10 volt.
Perhatikan bahwa rasio tegangan turun pada dua kapasitor yang terhubung dalam rangkaian pembagi tegangan kapasitif seri akan selalu tetap sama terlepas dari frekuensi supply. Kemudian dua tegangan turun dari 6.9 volt dan 3.1 volt di atas dalam contoh sederhana kami akan tetap sama bahkan jika frekuensi supply ditingkatkan dari 80Hz ke 8000Hz seperti yang ditunjukkan.
Sementara rasio tegangan di kedua kapasitor dapat tetap sama, karena frekuensi supply meningkat, reaktansi kapasitif gabungan menurun, dan oleh karena itu demikian juga impedansi rangkaian total. Pengurangan impedansi ini menyebabkan lebih banyak arus mengalir.
Sebagai contoh, pada 80Hz kami menghitung arus rangkaian di atas sekitar 34.5mA, tetapi pada 8kHz, arus supply meningkat menjadi 3.45A, 100 kali lebih banyak. Oleh karena itu, arus yang mengalir melalui pembagi tegangan kapasitif sebanding dengan frekuensi atau I ∝ ƒ.
Kita telah melihat di sini bahwa pembagi kapasitor adalah jaringan kapasitor terhubung seri, masing-masing memiliki penurunan tegangan AC di atasnya.
Karena pembagi tegangan kapasitif menggunakan nilai reaktansi kapasitif kapasitor untuk menentukan penurunan tegangan yang sebenarnya, mereka hanya dapat digunakan pada supply yang digerakkan oleh frekuensi dan karenanya tidak berfungsi sebagai pembagi tegangan DC. Hal ini terutama disebabkan oleh kenyataan bahwa kapasitor memblokir DC dan karenanya tidak ada arus yang mengalir.
Rangkaian pembagi tegangan kapasitif digunakan dalam berbagai aplikasi/penerapan elektronik mulai dari Osilator Colpitts, hingga layar sensitif sentuh kapasitif yang mengubah tegangan output mereka ketika disentuh oleh jari seseorang. Untuk digunakan sebagai pengganti murah untuk transformator utama dalam menurunkan tegangan tinggi seperti di rangkaian terhubung listrik yang menggunakan elektronik tegangan rendah atau IC dll.
Karena seperti yang kita ketahui sekarang, reaktansi dari kedua kapasitor berubah dengan frekuensi (pada laju yang sama), sehingga pembagian tegangan melintasi rangkaian pembagi tegangan kapasitif akan selalu tetap sama dengan menjaga pembagi tegangan tetap.
Tetapi seperti halnya rangkaian resistif, jaringan pembagi tegangan kapasitif tidak terpengaruh oleh perubahan frekuensi supply meskipun mereka menggunakan kapasitor, yang merupakan elemen reaktif, karena setiap kapasitor dalam rantai seri dipengaruhi sama oleh perubahan frekuensi supply.
Tetapi sebelum kita dapat melihat rangkaian pembagi tegangan kapasitif lebih terinci, kita perlu memahami sedikit tentang Reaktansi Kapasitif dan bagaimana hal itu mempengaruhi kapasitor pada frekuensi yang berbeda.
Dalam tutorial pertama kami tentang Kapasitor, kami melihat bahwa kapasitor terdiri dari dua plat konduktif paralel yang dipisahkan oleh isolator, dan memiliki muatan positif ( + ) pada satu plat, dan muatan negatif ( - ) yang berlawanan pada yang lain. Kita juga melihat bahwa ketika terhubung ke supply DC (arus searah), setelah kapasitor terisi penuh, insulator (disebut dielektrik) memblokir aliran arus yang melaluinya.
Kapasitor menentang aliran arus seperti halnya Resistor, tetapi tidak seperti resistor yang membuang energi yang tidak diinginkan dalam bentuk panas, kapasitor menyimpan energi pada plat-nya ketika mengisi dan melepaskan atau mengembalikan energi ke dalam rangkaian yang terhubung saat dilepaskan.
Kemampuan kapasitor untuk menentang atau "bereaksi" terhadap aliran arus dengan menyimpan muatan pada plat-nya disebut "reaktansi", dan karena reaktansi ini berkaitan dengan kapasitor maka disebut Reaktansi Kapasitif ( Xc ), dan seperti resistansi, reaktansi juga diukur dalam Ohm.
Ketika kapasitor yang kosong sepenuhnya dihubungkan ke supply DC seperti baterai atau catu daya, reaktansi kapasitor pada awalnya sangat rendah dan arus sirkit maksimum mengalir melalui kapasitor untuk periode waktu yang sangat singkat karena plat kapasitor mengisi daya secara eksponensial.
Setelah periode waktu yang sama dengan sekitar "5RC" atau 5 konstanta waktu, plat kapasitor terisi penuh sama dengan tegangan supply dan tidak ada aliran arus lebih lanjut. Pada titik ini reaktansi kapasitor ke aliran arus DC adalah maksimum di wilayah mega-ohm, hampir merupakan rangkaian terbuka, dan inilah sebabnya kapasitor memblokir DC.
Sekarang jika kita menghubungkan kapasitor ke supply AC (arus bolak-balik) yang terus-menerus membalik polaritas, efeknya pada kapasitor adalah plat-nya terus-menerus diisi dan digunakan dalam hubungannya dengan tegangan supply bolak-balik yang diterapkan. Ini berarti bahwa arus pengisian dan pemakaian selalu mengalir masuk dan keluar dari plat kapasitor, dan jika kita memiliki aliran arus, kita juga harus memiliki nilai reaktansi untuk menentangnya. Tetapi berapa nilainya dan faktor apa yang menentukan nilai reaktansi kapasitif.
Dalam tutorial tentang Kapasitansi dan Muatan, kami melihat bahwa jumlah muatan, ( Q ) yang ada pada plat kapasitor sebanding dengan tegangan yang diterapkan dan nilai kapasitansi kapasitor. Karena tegangan supply bolak-balik yang diterapkan, ( Vs ) terus berubah nilainya, muatan pada plat juga harus berubah nilainya.
Jika kapasitor memiliki nilai kapasitansi yang lebih besar, maka untuk resistansi yang diberikan, R membutuhkan waktu lebih lama untuk mengisi kapasitor sebagai τ = RC, yang berarti bahwa arus pengisian mengalir untuk jangka waktu yang lebih lama. Kapasitansi yang lebih tinggi menghasilkan nilai reaktansi yang kecil, Xc untuk frekuensi yang diberikan.
Demikian juga, jika kapasitor memiliki nilai kapasitansi kecil, maka konstanta waktu RC yang lebih pendek diperlukan untuk mengisi kapasitor yang berarti bahwa arus akan mengalir untuk periode waktu yang lebih pendek. Kapasitansi yang lebih kecil menghasilkan nilai reaktansi yang lebih tinggi, Xc.
Kemudian kita dapat melihat bahwa arus yang lebih besar berarti reaktansi yang lebih kecil, dan arus yang lebih kecil berarti reaktansi yang lebih besar. Oleh karena itu, reaktansi kapasitif berbanding terbalik dengan nilai kapasitansi kapasitor, XC∝-1 C.
Kapasitansi, bagaimanapun bukan satu-satunya faktor yang menentukan reaktansi kapasitif. Jika arus bolak-balik yang diterapkan adalah pada frekuensi rendah, reaktansi memiliki lebih banyak waktu untuk membangun konstanta waktu RC yang diberikan dan menentang arus yang menunjukkan nilai reaktansi yang besar.
Demikian juga, jika frekuensi yang diterapkan tinggi, ada sedikit waktu antara siklus pengisian dan pemakaian untuk reaktansi untuk membangun dan menentang arus yang menghasilkan aliran arus yang lebih besar, yang menunjukkan reaktansi yang lebih kecil.
Kemudian kita dapat melihat bahwa kapasitor adalah impedansi dan besarnya impedansi ini bergantung pada frekuensi. Jadi frekuensi yang lebih besar berarti reaktansi yang lebih kecil, dan frekuensi yang lebih kecil berarti reaktansi yang lebih besar. Oleh karena itu, Reaktansi Kapasitif, Xc (impedansi kompleksnya) berbanding terbalik dengan kapasitansi dan frekuensi dan persamaan standar untuk reaktansi kapasitif diberikan sebagai:
Rumus Reaktansi Kapasitif
Dimana:
Xc = Reaktansi Kapasitif dalam Ohm, (Ω)
π (pi) = konstanta numerik 3.142
ƒ = Frekuensi dalam Hertz, (Hz)
C = Kapasitansi dalam Farad, (F)
Distribusi Tegangan dalam Kapasitor Seri
Sekarang kita telah melihat bagaimana perlawanan terhadap arus pengisian dan pemakaian kapasitor ditentukan tidak hanya oleh nilai kapasitansi tetapi juga oleh frekuensi supply, mari kita lihat bagaimana ini mempengaruhi dua kapasitor yang terhubung secara seri membentuk pembagi tegangan kapasitif rangkaian.Pembagi Tegangan Kapasitif
Rangkaian pembagi tegangan dapat dibangun dari komponen reaktif semudah mereka dibangun dari resistor karena keduanya mengikuti aturan pembagi tegangan. Ambil rangkaian pembagi tegangan kapasitif ini, misalnya.
Tegangan di setiap kapasitor dapat dihitung dalam beberapa cara. Salah satu cara tersebut adalah untuk menemukan nilai reaktansi kapasitif dari masing-masing kapasitor, total impedansi rangkaian, arus rangkaian dan kemudian menggunakannya untuk menghitung penurunan tegangan, misalnya:
Contoh: Pembagi Tegangan Kapasitif No.1
Dengan menggunakan dua kapasitor 10uF dan 22uF dalam rangkaian seri di atas, hitung penurunan tegangan rms pada masing-masing kapasitor ketika mengalami tegangan sinusoidal 10 volt rms pada 80Hz.Reaktansi Kapasitif dari kapasitor 10uF
Reaktansi Kapasitif dari kapasitor 22uF
Total reaktansi kapasitif rangkaian seri - Perhatikan bahwa reaktansi seri ditambahkan bersama-sama seperti resistor dalam seri.
atau:
Arus Rangkaian
Maka penurunan tegangan pada masing-masing kapasitor seri pembagi tegangan kapasitif adalah:
VC1 = I x XC1 = 34.5mA x 200Ω = 6.9V
VC2 = I x XC2 = 34.5mA x 90Ω = 3.1V
Ketika nilai kapasitor berbeda, nilai kapasitor yang lebih kecil akan mengisi sendiri ke tegangan yang lebih tinggi dari nilai kapasitor yang lebih besar, dan dalam contoh kami di atas ini adalah masing-masing 6.9 dan 3.1 volt.
Karena Hukum Kirchoff 2 - Tegangan berlaku untuk ini dan setiap rangkaian seri yang terhubung, jumlah total penurunan tegangan individu akan sama nilainya dengan tegangan supply, VS dan 6.9 + 3.1 memang sama dengan 10 volt.
Perhatikan bahwa rasio tegangan turun pada dua kapasitor yang terhubung dalam rangkaian pembagi tegangan kapasitif seri akan selalu tetap sama terlepas dari frekuensi supply. Kemudian dua tegangan turun dari 6.9 volt dan 3.1 volt di atas dalam contoh sederhana kami akan tetap sama bahkan jika frekuensi supply ditingkatkan dari 80Hz ke 8000Hz seperti yang ditunjukkan.
Contoh: Pembagi Tegangan Kapasitif No.2
Dengan menggunakan dua kapasitor yang sama, hitung penurunan tegangan kapasitif pada 8,000Hz (8kHz).Sementara rasio tegangan di kedua kapasitor dapat tetap sama, karena frekuensi supply meningkat, reaktansi kapasitif gabungan menurun, dan oleh karena itu demikian juga impedansi rangkaian total. Pengurangan impedansi ini menyebabkan lebih banyak arus mengalir.
Sebagai contoh, pada 80Hz kami menghitung arus rangkaian di atas sekitar 34.5mA, tetapi pada 8kHz, arus supply meningkat menjadi 3.45A, 100 kali lebih banyak. Oleh karena itu, arus yang mengalir melalui pembagi tegangan kapasitif sebanding dengan frekuensi atau I ∝ ƒ.
Kita telah melihat di sini bahwa pembagi kapasitor adalah jaringan kapasitor terhubung seri, masing-masing memiliki penurunan tegangan AC di atasnya.
Karena pembagi tegangan kapasitif menggunakan nilai reaktansi kapasitif kapasitor untuk menentukan penurunan tegangan yang sebenarnya, mereka hanya dapat digunakan pada supply yang digerakkan oleh frekuensi dan karenanya tidak berfungsi sebagai pembagi tegangan DC. Hal ini terutama disebabkan oleh kenyataan bahwa kapasitor memblokir DC dan karenanya tidak ada arus yang mengalir.
Rangkaian pembagi tegangan kapasitif digunakan dalam berbagai aplikasi/penerapan elektronik mulai dari Osilator Colpitts, hingga layar sensitif sentuh kapasitif yang mengubah tegangan output mereka ketika disentuh oleh jari seseorang. Untuk digunakan sebagai pengganti murah untuk transformator utama dalam menurunkan tegangan tinggi seperti di rangkaian terhubung listrik yang menggunakan elektronik tegangan rendah atau IC dll.
Karena seperti yang kita ketahui sekarang, reaktansi dari kedua kapasitor berubah dengan frekuensi (pada laju yang sama), sehingga pembagian tegangan melintasi rangkaian pembagi tegangan kapasitif akan selalu tetap sama dengan menjaga pembagi tegangan tetap.