1
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Komponen elektronika merupakan bagian pendukung suatu rangkaian elektronik, yang bekerja sesuai kegunaannya. Komponen elektronika terdiri dari satu atau lebih bahan elektronika, yang terdiri dari satu atau beberapa unsur yang jika disatukan, dipanaskan, ditempelkan, dan sebagainya akan menghasilkan suatu efek yang dapat menghasilkan suhu / panas, menangkap / menggetarkan materi, merubah arus, tegangan, daya listrik dan lainnya. Komponen elektronika dalam suatu rangkaian listrik terbagi menjadi dua, yaitu komponen aktif (memerlukan arus listrik) dan komponen pasif. Dalam makalah ini, penulis akan membahas kumparan pemadam, salah satu komponen elektronika pasif.
1.2
Tujuan Penulisan
Makalah ini disusun dengan tujuan sebagai berikut: 1.
Untuk memenuhi tugas pendahuluan Praktikum Fisika Dasar 2.
2.
Untuk mengetahui definisi, fungsi, prinsip kerja, jenis-jenis, serta aplikasi kumparan pemadam dalam perangkat elektronika.
1.3
Perumusan Masalah
Rumusan masalah yang akan dibahas dalam makalah ini antara lain: 1.
Apakah yang dimaksud dengan kumparan pemadam?
2.
Bagaimana fungsi dan prinsip kerja dari suatu kumparan pemadam?
3.
Apa saja jenis-jenis kumparan pemadam dan bagaimana aplikasinya dalam perangkat elektronika?
1.4
Batasan Masalah
Batasan masalah yang akan dibahas dalam makalah ini adalah sebagai berikut:
2
1.
Kumparan pemadam.
2.
Fungsi dan prinsip kerja kumparan pemadam.
3.
Jenis-jenis kumparan pemadam dan aplikasinya dalam perangkar elektronika.
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Induktor
Kumparan pemadam (untuk selanjutnya disebut induktor) adalah komponen elektronika pasif yang kebanyakan berbentuk torus yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry.
Gambar 2.1 Berbagai macam induktor.
Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat di dalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Induktor adalah salah satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses arus bolak-balik. Sebuah induktor ideal memiliki induktansi (tetapi tanpa resistansi atau kapasitansi) dan tidak memboroskan daya. Sebuah induktor pada kenyataanya merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat menjadi
4
sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya di dalam inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan.
2.2
Fungsi Induktor
Fungsi pokok induktor adalah untuk menimbulkan medan magnet. Induktor berupa kawat yang digulung sehingga menjadi kumparan. Induktor memiliki sifat menahan arus listrik bolak-balik (AC) dan konduktif terhadap arus listrik searah (DC). Induktor juga berfungsi sebagai pelipat tegangan, pembangkit getaran, penapis ( filter ), dan sebagai sebagai penala (tuning ). Berdasarkan kegunaannya Induktor bekerja pada: 1)
frekuensi tinggi pada spul antena dan osilator,
2)
frekuensi menengah pada spul MF (medium frequency), serta
3)
frekuensi rendah pada trafo input , trafo output , spul speaker , trafo tenaga, spul relay, dan spul penyaring. Adapun kemampuan induktor untuk menimbulkan medan magnet disebut
induktansi. Satuan induktansi adalah henry (H) atau milihenry (mH). Untuk memperbesar induktansi, didalam kumparan disisipkan bahan sebagai inti. Induktor yang berinti dari bahan besi disebut elektromagnet.
Gambar 2.2 Kaidah tangan kanan (menentukan arah medan magnet).
2.3
Prinsip Kerja Induktor
5
Induktor bekerja dengan memanfaatkan prinsip medan magnet dan induktansi. Apabila elektron mengalir pada suatu konduktor, medan magnet akan dihasilkan disekitar konduktor tersebut. Efek ini disebut dengan elektromagnetik. Medan magnet akan mempengaruhi kesejajaran letak dari elektron pada atom, dan dapat menimbulkan gaya fisik yang dihasilkan di antara atom-atom di ruang bebas seperti gaya yang ditimbulkan oleh medan listrik di antara partikel yang bermuatan. Seperti medan listrik, medan magnet dapat menempati ruang hampa dan mempengaruhi suatu benda dalam jarak tertentu. Medan diukur dengan dua cara, yaitu gaya medan dan fluks medan. Gaya medan adalah jumlah “tekanan” yang dilakukan medan dalam jarak tertentu. Sedangkan fluks medan adalah jumlah total, atau efek, dari medan yang ada di ruang bebas. Gaya dan fluks medan (secara berturut-turut) adalah mirip dengan tegangan (“tekanan”) dan arus (aliran) pada suatu konduktor, hanya saja fluks medan bisa eksis di ruang hampa (tanpa ada gerakan partikel seperti elektron) sedangkan arus hanya bisa eksis apabila ada elektron yang bergerak pada suatu konduktor. Fluks medan yang ada di ruang bebas dapat dihambat, bagaikan arus listrik yang bisa dihambat oleh resistansi. Nilai fluks medan yang dihasilkan di ruang bebas adalah berbanding lurus dengan nilai gaya medan, dan berbanding terbalik dengan “penghambat” fluks. Sama seperti bahan konduktor yang memiliki spesifikasi nilai resistansi tertentu dalam menghambat arus listrik, nilai penghambat fluks medan magnet (reluktansi) ditentukan oleh jenis bahan yang ditempatkan pada suatu ruang yang mengandung gaya medan magnet. Fluks medan listrik yang ada di antara dua konduktor menyebabkan terkumpulnya elektron bebas yang bermuatan di antara dua konduktor itu, sedangkan fluks medan magnet menyebabkan suatu “inersia/kelembaman” dalam mengumpulkan aliran elektron pada suatu konduktor yang menghasilkan medan magnet. Induktor adalah komponen yang didesain untuk mengambil keuntungan dari fenomena ini dengan cara membentuk kawat konduktif yang lurus menjadi bentuk
6
kumparan (berupa lilitan-lilitan kawat). Bentuk ini dapat menghasilkan medan magnet yang lebih kuat daripada medan magnet yang dihasilkan oleh kawat lurus. Beberapa induktor dibentuk hanya berupa belitan kawat saja, tetapi ada juga induktor yang dibentuk dari kawat yang dibelitkan pada suatu bahan padat. Bahan padat ini disebut inti induktor. Terkadang, inti dari induktor ini berbentuk lurus, dan terkadang pula berbentuk melingkar atau berbentuk persegi panjang sehingga fluks magnetik dapat dilingkupi secara maksimum. Pilihan desain ini memberikan efek terhadap karakteristik dan kemampuan dari induktor. Jenis bahan kawat pada induktor juga berpengaruh besar terhadap kekuatan fluks medan magnet yang dihasilkannya (nilai energi yang tersimpan), untuk nilai arus tertentu yang mengaliri gulungannya. Induktor yang menggunakan inti dari bahan ferromagnetik mampu menghasilkan fluks medan yang lebih kuat daripada yang menggunakan inti udara. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi dari nilai arus tertentu disebut induktansi. Induktansi juga merupakan ukuran dari intensitas untuk melawan perubahan nilai arus (atau lebih tepatnya, seberapa banyak tegangan yang dihasilkan dari proses induksi diri / self -inductance untuk laju perubahan nilai arus tertentu). Induktansi disimbolkan dengan hur uf kapital “L” dan satuannya adalah Henry, disingkat “H”.
2.4
Simbol Induktor
Simbol skematik untuk induktor sangat sederhana, yaitu berupa simbol gulungan yang menunjukkan gulungan kawat dari induktor itu. Walaupun bentuk gulungan sederhana ini adalah simbol umum untuk suatu induktor, induktor yang memiliki inti terkadang dibedakan dengan cara menambahkan garis paralel sejajar dengan simbol gulungan itu. Ada juga simbol induktor yang lebih baru yang berupa “barisan gunung”. Tedapat lima buah simbol untuk induktor yang berbeda-beda, yaitu fixed value, iron-core, variable, variac, dan tapped .
7
Gambar 2.3 Simbol-simbol induktor.
2.5
Jenis-jenis Induktor
Induktor dapat dibedakan menjadi: 1)
Fixed coil , yaitu induktor yang memiliki harga yang sudah pasti. Biasanya dinyatakan dalam kode warna seperti yang diterapkan pada resistor. Harganya dinyatakan dalam satuan mikrohenry (μH).
2)
Variable coil , yaitu induktor yang harganya dapat diubah-ubah atau disetel. Contohnya adalah coil yang digunakan dalam radio.
3)
Choke coil (kumparan redam), yaitu coil yang digunakan dalam teknik sinyal frekuensi tinggi. Macam-macam induktor juga bisa dibedakan berdasarkan inti yang dipakai,
antara lain sebagai berikut: 1)
Induktor inti udara (air core inductor )
Gambar 2.4 Induktor inti udara.
2)
Induktor frekuensi radio (radio frequency inductor )
8
Gambar 2.5 Induktor frekuensi radio.
3)
Induktor inti feromagnetik ( ferromagnetic core inductor )
Gambar 2.6 Induktor inti feromagnetik.
4)
Induktor variabel (variable inductor )
Gambar 2.7 Induktor variabel.
5)
Induktor inti laminasi (laminated core inductor )
6)
Induktor inti toroid (toroidal core inductor )
7)
Induktor inti ferit ( ferrite core inductor )
Gambar 2.8 Induktor inti ferit.
9
2.6
Induktor Rumhkorff
Jenis induktor ini mendatangkan tegangan tinggi dan dipakai untuk fungsi pengapian pada kendaraan bermotor.
Gambar 2.9 Induktor Rumhkorff.
Komponen ini terbentuk atas dua buah kumparan, yaitu kumparan sekunder dan primer. Pembedanya adalah jumlah lilitan, dimana jumlah pada kumparan sekunder adalah lebih banyak daripada yang primer. Sumber tegangannya berupa baterai yang digandakan. Supaya dapat membuat pembaruan garis gaya di kumparan yang arusnya searah, maka baterainya harus dibuat putus-putus oleh interruptor / kontak pemutus-arus. Tegangan yang dibuat pada kumparan sekunder dapat hingga ke 10.000 s/d 20.000V.
2.7
Jenis-jenis Lilitan Induktor
1)
Lilitan Ferit Sarang Madu. Kawat dililit dengan cara bersilangan untuk mengurangi efek
kapasitansi terdistribusi. Ini sering digunakan pada rangkaian tala pada penerima radio dalam jangkah gelombang menengah dan panjang. Karena konstruksinya, induktansi tinggi dapat dicapai dengan bentuk yang kecil.
Gambar 2.10 Lilitan ferit sarang madu.
10
2)
Lilitan Inti Toroid Kawat dililit dengan bentuk silinder menciptakan medan magnet
eksternal dengan kutub utara-selatan. Sebuah lilitan toroid dapat dibuat dari lilitan silinder dengan menghubungkannya menjadi berbentuk donat, sehingga menyatukan kutub utara dan selatan. Pada lilitan toroid, medan magnet ditahan pada lilitan. Ini menyebabkan lebih sedikit radiasi magnetik dari lilitan, dan kekebalan dari medan magnet eksternal.
Gambar 2.11 Lilitan inti toroid.
2.8
Terjadinya Medan Magnet 1)
Induktansi Searah
Bila kita mengalirkan arus listrik melalui kabel, terjadilah garis-garis gaya magnet. Bila kita mengalirkan arus melalui spul atau coil (kumparan) yang dibuat dari kabel yang digulung, akan terjadi garis-garis gaya dalam arah sama yang membangkitkan medan magnet. Kekuatan medan magnet sama dengan jumlah garis-garis gaya magnet, dan berbanding lurus dengan hasil kali dari jumlah gulungan dalam kumparan dan arus listrik yang melalui kumparan tersebut.
Gambar 2.12 Induktor terhubung sumber tegangan DC.
2)
Induktansi Bolak-balik
11
Bila dua kumparan ditempatkan berdekatan satu sama lain dan salah satu kumparan (L1) diberi arus listrik bolak-balik / AC (alternating current ), pada L1 akan terjadi fluks magnet. Fluks magnet ini akan melalui kumparan kedua (L2) dan akan membangkitkan emf (electromotive force) pada kumparan L2. Efek seperti ini disebut induksi timbal balik (mutual induction). Hal seperti ini biasanya kita jumpai pada transformator daya.
Gambar 2.13 Induktor terhubung sumber tegangan AC.
Perlawanan yang diberikan kumparan tersebut dinamakan reaktansi induktif. Reaktansi induktif ini diberi simbol X L dalam satuan Ohm.
........................................................................................ (2.1) Keterangan: = 3.14
π
f = frekuensi arus bolak-balik (Hertz) L = Induktansi (Henry) ω
= kecepatan sudut (2πfL) (rad/s)
X L = reaktansi induktif (Ω, Ohm)
2.9
Pengisian Induktor
Bila kita mengalirkan arus listrik I, maka terjadilah garis-garis gaya magnet. Bila kita mengalirkan arus melalui spul atau coil (kumparan) yang dibuat dari kabel
yang
digulung,
akan
terjadi
garis-garis
gaya
dalam
arah
sama
membangkitkan medan magnet. Kekuatan medan magnet sama dengan jumlah garis-garis gaya magnet dan berbanding lurus dengan hasil kali dari jumlah gulungan dalam kumparan dan arus listrik yang melalui kumparan tersebut.
12
Gambar 2.14 Rangkaian pengisian induktasi dengan te gangan DC.
Bila arus bolak – balik mengalir pada induktor, maka akan timbul gaya gerak listrik (GGL) induksi. Hal ini berarti antara arus dan tegangan berbeda fase sebesar = 90° dan arus tertinggal (lag ) dari tegangan sebesar 90°. 2πf merupakan perlawanan terhadap aliran arus
Gambar 2.15 Rangkaian pengisian induktasi dengan te gangan AC.
2.10 Pengosongan Induktor
Bila arus listrik I sudah memenuhi lilitan, maka arus akan bergerak berlawanan arah dengan proses pengisian sehingga pembangkitan medan magnet dengan garis gaya magnet yang sama akan menjalankan fungsi dari lilitan tersebut. Makin tinggi nilai L (induktansi) yang dihasilkan maka makin lama proses pengosongannya.
Gambar 2.16 Rangkaian pengosongan induktasi.
13
2.11 Menghitung Impedansi Induktor
Setelah diperoleh nilai X L maka impedansi dapat dihitung:
.................................................................................. (2.2) Z disebut impedansi seri dengan satuan Ω (ohm). Sudut antara V dengan V R disebut sudut fase atau beda fase. Cosinus sudut tersebut disebut dengan faktor daya dengan rumus:
. .................................................................................................. (2.3) Sehingga, yang dimaksud dengan faktor daya adalah: 1)
Cosinus sudut yang lagging atau leading .
2)
Perbandingan =
3)
Perbandingan daya sesungguhnya dengan daya semu.
.
2.12 Sifat Induktor terhadap arus AC dan DC
Gambar 2.17 Rangkaian induktor terhadap AC.
Bila arus bolak – balik mengalir pada induktor, maka akan timbul gaya gerak listrik (GGL) induksi yang besarnya:
....................................................................................................... (2.4)
14
, maka: ......................................................................................... (2.5) Jika dan (), maka: .................................................................................... (2.6) Besarnya dengan ketentuan : Bila
o
o
X L adalah reaktansi induktif (Ω) adalah 3,14
π
o
f adalah frekuensi (Hertz)
o
L adalah induktansi (H)
2.13 Rumus yang Berhubungan dengan Induktor
a. Jumlah Lilitan Kawat sebuah Induktor
() .................................................................................. (2.7) Keterangan: o
N adalah jumlah lilitan
o
p adalah panjang kawat (sentimeter)
o
r adalah jari-jari kawat (sentimeter)
o
L adalah induktansi (Henry)
b. Reaktansi Induktif
......................................................................................... (2.8) Keterangan: o
o
X L adalah reaktansi induktif (Ω) adalah 3,14
π
o
f adalah frekuensi (Hz)
o
L adalah induktansi (H)
c. Menghitung Impedansi Rangkaian R-L Seri
√ ................................................................................. (2.9)
15
Keterangan: o
Z adalah impedansi (Ω)
o
R adalah hambatan (Ω)
o
L adalah induktansi (H)
d. Menghitung Impedansi Rangkaian R-L Paralel
....................................................................................... (2.10) Keterangan : o
Z adalah impedansi
o
R adalah hambatan (Ω)
o
L adalah induktansi ( henry )
e. Nilai Faktor Kualitas (Q)
................................................................................................ (2.11) Keterangan: o
Q adalah faktor kualitas
o
X L adalah reaktansi induktif (Ω)
o
R adalah resistansi (Ω)
f. Energi yang Tersimpan Energi yang tersimpan di induktor ekivalen dengan usaha yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus melalui induktor, dan juga medan magnet:
.................................................................................. (2.12) Dimana L adalah induktansi (H) dan I adalah arus (ampere) yang melalui induktor.
2.14 Rangkaian Induktor
a. Hubungan Seri
16
Caranya dengan menghubungkan ujung satu di samping ujung induktor yang satu lagi. Besar reaktansinya adalah jumlah reaktansi induktif yang dihubungkan seri tersebut.
Gambar 2.18 Rangkaian seri induktor.
. ............................................................................ (2.13) ...................................................... (2.14) Keterangan: o
X LT = jumlah reaktansi induktif total (Ω)
o
LT = jumlah induksi total (H)
Contoh : Jika diketahui L1 = 10 mH, L2 = 5 mH, L3 = 4 mH, dan frekuensi 50 Hz. Maka,
b. Hubungan Paralel Hubungan paralel terjadi bila semua ujung induktor digabung menjadi satu dan ujung yang lainnya juga digabungkan, kemudian setiap ujung gabungan dihubungkan dengan suatu sumber tegangan.
................................................................................ (2.15) Keterangan: LT = jumlah induksi total (H)
17
Gambar 2.19 Rangkaian paralel induktor.
c. Rangkaian R-L Seri
Gambar 2.20 Rangkaian seri R-L dan diagram vektor.
Dalam rangkaian seri, besarnya arus pada tiap – tiap beban sama. Akan tetapi, tegangan tiap – tiap beban tidak sama, baik besar maupun arahnya. Pada beban R, arus dan tegangan sebesar 90°.
d. Rangkaian R-L Paralel
Gambar 2.21 Rangkaian paralel R-L.
Dalam rangkaian paralel, tegangan tiap komponen atau cabang adalah sama besar dengan tegangan sumber. Akan tetapi, arus tiap komponen berbeda besar dan fasenya.
e. Arus Tiap Komponen
18
Arus pada resistor:
............................................................................................... (2.16) Keterangan: arus sefase dengan tegangan (V R)
Arus pada induktor:
................................................................................................ (2.17) Keterangan: arus tertinggal dari tegangan (V L) sebesar 90
2.15 Aplikasi Induktor
Induktor sering digunakan pada sirkuit analog dan pemroses sinyal. Induktor berpasangan dengan kondensator dan komponen lain membentuk sirkuit tertala (tuned circuit ). Penggunaan induktor bervariasi dari penggunaan induktor besar pada pencatu daya ( power supply) untuk menghilangkan dengung pencatu daya, hingga induktor kecil yang terpasang pada kabel untuk mencegah interferensi frekuensi radio melalui kabel. Kombinasi induktor-kondensator menjadi sirkuit tertala dalam transmitter /pemancar dan penerima radio. Dua induktor atau lebih yang berpasangan secara magnetik membentuk transformator (trafo). Induktor digunakan sebagai penyimpan energi pada beberapa pencatu daya mode sakelar. Induktor dienergikan selama waktu tertentu, dan dikuras pada sisa siklus. Perbandingan transfer energi ini menentukan tegangan keluaran. Reaktansi induktif X L ini digunakan bersama semikonduktor aktif untuk menjaga tegangan dengan akurat. Induktor juga digunakan dalam sistem transmisi listrik, yang digunakan untuk membatasi arus pensakelaran dan arus kesalahan. Dalam bidang ini, induktor sering disebut dengan reaktor. Induktor yang memiliki induktansi sangat tinggi dapat disimulasikan dengan menggunakan girator.
19
BAB III KESIMPULAN
Berdasarkan pembahasan dan tinjauan pustaka mengenai kumparan pemadam (induktor), penulis mengambil kesimpulan bahwa: 1.
Kumparan pemadam (induktor) adalah komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya.
2.
Prinsip kerja induktor adalah medan magnet dan induktansi. Medan magnet akan dihasilkan disekitar konduktor (penghantar) yang dialiri elektron (arus listrik). Induktansi merupakan kemampuan induktor untuk menyimpan energi dari nilai arus tertentu.
3.
Induktor berfungsi menimbulkan medan magnet, menyimpan energi, sebagai pelipat tegangan, pembangkit getaran, penapis ( filter ), dan sebagai sebagai penala (tuning ), menahan arus AC dan konduktif terhadap arus DC.
4.
Beberapa jenis induktor yaitu fixed coil (memiliki harga yang pasti), variable coil (harganya dapat disetel), dan choke coil (kumparan redam). Berdasarkan intinya, induktor dibedakan menjadi: air core inductor , radio frequency inductor , ferromagnetic core inductor , variable inductor , laminated core inductor , toroidal core inductor , ferrite core inductor . Sedangkan induktor Rumhkorff dipakai untuk fungsi pengapian pada kendaraan bermotor.
5.
Banyak perangkat dan komponen elektronika yang dibuat dengan mengaplikasikan kumparan induktor diantaranya adalah relay, speaker , buzzer , bleeper , transformator (trafo), dan komponen lain yang terkait dengan penggunaan frekuensi dan medan magnet.
20
DAFTAR PUSTAKA
Abdullah, Mikrajuddin. 2006. Diktat Kuliah Fisika Dasar II, Tahap Persiapan Bersama ITB. Bandung: FMIPA ITB.
Abdullah, Mikrajuddin. 2007. Suplemen Materi Kuliah FI-1102, Fisika Dasar II . Bandung: ITB.
http://elkaasik.com/prinsip-kerja-induktor/ diakses pada Sabtu, 1 Maret 2013 pukul 19.28 WIB
http://femmy.web.id/femmyweb-induktor.html diakses pada Sabtu, 1 Maret 2014 pukul 16.55 WIB
http://id.wikipedia.org/wiki/Induktor diakses pada Sabtu, 1 Maret 2014 pukul 16.57 WIB
http://www.tugasku4u.com/2013/04/induktor.html diakses pada Sabtu, 1 Maret 2014 pukul 17.00 WIB
