Mengapa L/R dan bukan LR?

Pelajari Tentang Konstanta Waktu L/R

Hal ini sering membingungkan bagi mahasiswa baru elektronika mengapa perhitungan konstanta waktu untuk rangkaian induktif berbeda dengan rangkaian kapasitif. Untuk rangkaian resistor-kapasitor, konstanta waktu (dalam detik) dihitung dari produk (perkalian) resistansi dalam ohm dan kapasitansi dalam farad:=RC.

Namun, untuk rangkaian resistor-induktor, konstanta waktu dihitung dari hasil bagi (pembagian) induktansi dalam henrys atas resistansi dalam ohm:=L/R.

Perbedaan dalam perhitungan ini memiliki dampak besar pada kualitatif analisis respon rangkaian transien. Sirkuit resistor-kapasitor merespons lebih cepat dengan resistansi rendah dan lebih lambat dengan resistansi tinggi; rangkaian resistor-induktor justru sebaliknya, merespons lebih cepat dengan resistansi tinggi dan lebih lambat dengan resistansi rendah.

Sementara sirkuit kapasitif tampaknya tidak menimbulkan masalah intuitif bagi siswa baru, sirkuit induktif cenderung kurang masuk akal.

Energi Kapasitor dan Induktor

Kunci untuk memahami sirkuit transien adalah pemahaman yang kuat tentang konsep transfer energi dan sifat kelistrikannya. Baik kapasitor maupun induktor memiliki kemampuan untuk menyimpan sejumlah energi, kapasitor menyimpan energi dalam medium medan listrik dan induktor menyimpan energi dalam medium medan magnet.

Penyimpanan energi elektrostatik kapasitor memanifestasikan dirinya dalam kecenderungan untuk mempertahankan tegangan konstan di terminal. Penyimpanan energi elektromagnetik induktor memanifestasikan dirinya dalam kecenderungan untuk mempertahankan arus konstan yang melaluinya.

Mari kita pertimbangkan apa yang terjadi pada masing-masing komponen reaktif ini dalam kondisi discharge :yaitu ketika energi dilepaskan dari kapasitor atau induktor untuk dihamburkan dalam bentuk panas oleh resistor:

Dalam kedua kasus, panas yang hilang oleh resistor merupakan energi keluar sirkuit, dan sebagai akibatnya komponen reaktif kehilangan simpanan energinya dari waktu ke waktu, menghasilkan penurunan terukur baik tegangan (kapasitor) atau arus (induktor) yang dinyatakan pada grafik. Semakin banyak daya yang dihamburkan oleh resistor, semakin cepat tindakan pengosongan ini akan terjadi, karena daya menurut definisi adalah laju transfer energi dari waktu ke waktu.

Oleh karena itu, konstanta waktu sirkuit transien akan tergantung pada resistansi sirkuit. Tentu saja, ini juga tergantung pada ukuran (kapasitas penyimpanan) komponen reaktif, tetapi karena hubungan resistansi dengan konstanta waktu adalah masalah bagian ini, kami akan fokus pada efek resistansi saja. Konstanta waktu sirkuit akan lebih kecil (laju pengosongan lebih cepat) jika nilai resistansi sedemikian rupa sehingga memaksimalkan disipasi daya (laju transfer energi menjadi panas).

Untuk rangkaian kapasitif di mana energi yang tersimpan memanifestasikan dirinya dalam bentuk tegangan, ini berarti resistor harus memiliki nilai resistansi yang rendah sehingga dapat memaksimalkan arus untuk jumlah tegangan tertentu (tegangan yang diberikan kali arus tinggi sama dengan daya tinggi). Untuk rangkaian induktif di mana energi yang tersimpan memanifestasikan dirinya dalam bentuk arus, ini berarti resistor harus memiliki nilai resistansi yang tinggi sehingga dapat memaksimalkan penurunan tegangan untuk sejumlah arus tertentu (diberikan kali tegangan tinggi sama dengan daya tinggi).

Potensial vs Energi Kinetik

Ini dapat dipahami secara analog dengan mempertimbangkan penyimpanan energi kapasitif dan induktif dalam istilah mekanis. Kapasitor, menyimpan energi secara elektrostatis, adalah penampung energi potensial . Induktor, menyimpan energi secara elektromagnetik (elektrosecara dinamis ), adalah reservoir energi kinetik .

Dalam istilah mekanik, energi potensial dapat digambarkan dengan massa tersuspensi, sedangkan energi kinetik dapat digambarkan dengan massa yang bergerak. Perhatikan ilustrasi berikut sebagai analogi kapasitor:

Gerobak, yang berada di puncak lereng, memiliki energi potensial karena pengaruh gravitasi dan posisinya yang tinggi di atas bukit. Jika kita menganggap sistem pengereman kereta dianalogikan dengan hambatan sistem dan kereta itu sendiri sebagai kapasitor, berapa nilai hambatan yang akan memfasilitasi pelepasan energi potensial itu dengan cepat?

Resistensi minimum (tanpa rem) akan mengurangi ketinggian kereta tercepat, tentu saja! Tanpa tindakan pengereman, kereta akan meluncur bebas menuruni bukit, sehingga menghabiskan energi potensial saat kehilangan ketinggian. Dengan aksi pengereman maksimum (rem disetel dengan kuat), kereta akan menolak untuk menggelinding (atau akan menggelinding sangat lambat) dan akan menahan energi potensialnya untuk waktu yang lama. Demikian juga, rangkaian kapasitif akan melepaskan muatan dengan cepat jika resistansinya rendah dan mengalir perlahan jika resistansinya tinggi.

Sekarang mari kita pertimbangkan analogi mekanis untuk sebuah induktor, yang menunjukkan energi yang tersimpan dalam bentuk kinetik:

Kali ini kereta berada di tanah datar, sudah bergerak. Energinya adalah kinetik (gerak), bukan potensial (tinggi). Sekali lagi jika kita menganggap sistem pengereman kereta dianalogikan dengan resistansi sirkuit dan kereta itu sendiri sebagai induktor, berapa nilai resistansi yang akan memfasilitasi pelepasan energi kinetik dengan cepat?

Resistansi maksimum (aksi pengereman maksimum) akan memperlambatnya paling cepat, tentu saja! Dengan aksi pengereman maksimum, kereta akan berhenti dengan cepat, sehingga menghabiskan energi kinetiknya saat melambat. Tanpa tindakan pengereman apa pun, kereta akan bebas menggelinding tanpa batas (kecuali sumber gesekan lain seperti hambatan aerodinamis dan hambatan gelinding), dan kereta akan menahan energi kinetiknya untuk jangka waktu yang lama.

Demikian juga, rangkaian induktif akan melepaskan dengan cepat jika resistansinya tinggi dan melepaskan secara perlahan jika resistansinya rendah.

Semoga penjelasan ini menjelaskan lebih banyak tentang konstanta waktu dan resistansi, dan mengapa hubungan antara keduanya berlawanan untuk rangkaian kapasitif dan induktif.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sirkuit Konstanta Waktu