Menguasai Pembagi Tegangan Kapasitif: Desain, Teori, dan Aplikasi Praktis

Pembagi tegangan kapasitif semakin meningkat popularitasnya; Anda akan menemukannya digunakan dalam banyak proyek listrik seperti osilator Colpitts, di antara yang lainnya.

Namun, sebelum Anda memutuskan untuk menggunakan pembagi tegangan kapasitif, Anda harus memahami dengan jelas cara kerjanya.

Artikel ini mendefinisikan pembagi tegangan kapasitif dan aturan pembagi tegangan. Anda juga akan melihat berbagai diagram rangkaian pembagi tegangan kapasitif dan lainnya.

Apa itu Pembagi Tegangan Kapasitif?

Pembagi Tegangan

Sumber: Wikipedia

Pembagi tegangan kapasitif adalah rangkaian yang mengambil selisih potensial tegangan dan membaginya menjadi dua sambil mempertahankan rasio tegangan konstan.

Selain itu, pembagi kapasitif umumnya akan memiliki pasangan kapasitor yang berbaris satu sama lain.

Tujuan utama rangkaian ini adalah untuk mengalokasikan berbagai kuantitas tegangan ke bagian rangkaian lain sesuai hukum Ohm:

V=IR

Di mana; V mewakili tegangan, I berarti arus, dan R resistensi.

Misalnya, ketika Anda memiliki pasokan daya 12 volt, Anda menempatkan empat kapasitor dalam seri satu sama lain (dan semuanya 1µF). Kemudian kapasitor akan menawarkan output tegangan 6 volt, yang setengah dari 12 volt.

Apa itu Aturan Pembagi Tegangan?

Pembagi tegangan

Sumber: Wikimedia Commons.

Rata-rata, tegangan input terbagi melalui elemen-elemen ketika beberapa elemen rangkaian terhubung dalam seri.

Demikian pula, ketika Anda menghubungkan beberapa elemen rangkaian secara paralel, arus juga akan terbagi di seluruh komponen.

Akibatnya, kita menggunakan aturan pembagi arus untuk rangkaian paralel, dan untuk rangkaian seri, kita menggunakan aturan pembagi tegangan saat menganalisis jalur.

Aturan pembagi tegangan, nama lain aturan pembagi potensial, memainkan peran kritis dalam analisis rangkaian karena membantu kita menghitung tegangan individual elemen.

Bergantung pada elemen yang digunakan dalam rangkaian, aturan pembagi tegangan akan terbagi menjadi tiga kategori.

Yaitu;

•  Pembagi tegangan induktif
•  Pembagi tegangan kapasitif
•  Pembagi tegangan resistif

Mari kita lihat lebih dekat masing-masing dari di atas.

Aturan Pembagi Tegangan untuk Rangkaian Resistif

Untuk memahami aturan pembagi tegangan resistif, mari kita gunakan rangkaian dengan pasangan resistor yang terhubung dalam seri ke sumber tegangan.

Karena Anda menghubungkan resistor dalam seri, mereka (resistor) keduanya memiliki jumlah arus yang sama yang mengalir melalui mereka.

Resistor

Namun, resistor memiliki tegangan yang kontras; tegangan input rangkaian terbagi ke dalam pasangan resistor. Selain itu, resistensi secara langsung mempengaruhi kuantitas tegangan individual.

Di bawah ini adalah rangkaian yang dapat Anda gunakan untuk pemahaman lebih lanjut:

Rangkaian resistif

Dari diagram rangkaian di atas, resistor R₁ dan R₂ terhubung dalam seri dengan V_S (sumber tegangan). Sumber tegangan menyediakan arus total 1 ampere.

Namun, desainer memasang semua elemen dalam seri; oleh karena itu, akan ada loop, dan arus yang mengalir melalui mereka akan tetap konstan pada 1 ampere.

Sekarang untuk menghitung jumlah tegangan, Anda dapat menggunakan rumus;

V_S = V_R1 + V_R2 … (1)

Di mana,

V_R1 mewakili tegangan melalui Resistor, R₁dan V_R2 mewakili tegangan melalui resistor R₂. Selanjutnya, semua tegangan yang diberikan terbagi di antara kedua resistor ini. Jadi, Anda dapat mendapatkan jumlah tegangan dengan menambahkan V_R1 dan V_R2.

Mengikuti hukum Ohm; 

V_R1= IR₁+IR₂…. (2)

Jadi dari persamaan (1) dan (2);

 V_S= IR₁+IR₂

V_S= I(R₁+R₂)

Selanjutnya, tempatkan nilai dari arus pertama dalam persamaan (2)

V_R1 = IR₁

Demikian pula

V_R2 = IR₂

Jadi, aturan pembagi tegangan rangkaian resistif bertentangan dengan aturan pembagi arus.

Aturan pembagi tegangan untuk rangkaian induktif

Saat Anda menghubungkan tiga atau lebih induktor dalam rangkaian dalam mode seri, arus yang mengalir melalui induktor tetap konstan. Meskipun demikian, tegangan sumber menyebar ke semua induktor.

Induktor

Oleh karena itu, Anda dapat menggunakan aturan pembagi tegangan induktor untuk menghitung jumlah tegangan pada induktor individual.

 Rangkaian induktif 

Desainer menghubungkan kedua induktor L₁ dan L₂ dalam mode seri dari diagram rangkaian di atas. Selain itu, V_L1 mewakili tegangan melalui L₁, dan demikian pula, V_L2 mewakili tegangan melalui L₂. V_S menunjukkan tegangan pasokan.

Untuk menemukan V_L1 dan V_L2, kita menggunakan aturan pembagi tegangan induktor. Seperti yang sudah Anda ketahui, persamaan untuk tegangan induktor adalah;

Di mana L_eq sama dengan jumlah induktansi rangkaian, insinyur listrik menghubungkan induktor dalam seri dalam contoh rangkaian kita. Jadi, jumlah induktansi adalah kombinasi dari kedua induktansi;

L_eq = L₁+ L₂

Dari persamaan (3);

Tegangan melalui induktor L₁ adalah;

Demikian pula, tegangan melalui induktor L₂ adalah;

Jadi, kita dapat menyimpulkan bahwa aturan pembagi tegangan induktor mirip dengan resistor.

Aturan pembagi tegangan untuk rangkaian kapasitif

Mari kita gunakan rangkaian di bawah ini untuk menghitung aturan pembagi tegangan kapasitor.

Rangkaian kapasitif

Di mana;

Insinyur memasang pasangan kapasitor dalam seri dengan V_S, sumber tegangan. Selanjutnya, tegangan sumber terbagi menjadi dua. Satu melalui kapasitor C₁ dan yang lain melalui kapasitor C₂.

Kapasitor 

Selain itu, V_C1 mewakili tegangan melalui kapasitor C₁, dan V_C2 mewakili tegangan melalui kapasitor C₂.

Jadi kapasitas gabungan adalah

Jumlah muatan yang disediakan oleh sumber: Q = C_eq V_S, yang pada dasarnya

Tegangan kapasitor C₁;

V_C1 = Q₁/ C₁

Tegangan kapasitor C₂;

V_C2 = Q₂ / C₂

Secara ringkas, tegangan individual melalui kapasitor adalah rasio kapasitas berlawanan dikalikan kapasitas total dan tegangan total.

Rumus Pembagi Tegangan Kapasitif

Pembagi tegangan kapasitif adalah rangkaian yang menggunakan pasangan kapasitor paralel ke output dan terhubung ke input AC (Arus Bolak-balik).

Anda dapat mendapatkan rasio tegangan input dan output menggunakan rumus; 

V_out/V_in = 1/ (1+C_S/C_P)

Di mana;

• C_S mewakili seluruh kapasitas dari semua kapasitor yang terhubung dalam seri.

• C_P mewakili jumlah kapasitas dari setiap kapasitor yang terhubung secara paralel.

Rumus di atas menyediakan sinyal Arus Bolak-balik (AC) dengan magnitudo, yang bergantung pada V_in dengan offset.

Namun, offset bervariasi tergantung pada jumlah kapasitas dari C_S atau C_P.

Diagram Rangkaian Pembagi Tegangan Kapasitif

 Rangkaian Pembagi Tegangan AC Kapasitif

Rumus X_C= 1/ (2πf_c) mengarahkan pembagian tegangan melalui kapasitor individual dalam rangkaian pembagi tegangan kapasitif.

Meski demikian, untuk menghitung jumlah tegangan yang dialokasikan ke kapasitor rangkaian, Anda perlu pertama kali menghitung impedansi kapasitor. Anda dapat melakukannya menggunakan rumus di atas.

Setelah menghitung impedansi, Anda kemudian dapat menerapkan rumus Ohm untuk mengetahui jumlah tegangan yang melewati setiap kapasitor.

Misalnya:

Rangkaian pembagi tegangan AC kapasitif

Rangkaian di atas memiliki dua kapasitor dan pasokan tegangan AC 120V; oleh karena itu, tegangan akan mengalir ke kedua kapasitor. Ingatlah bahwa kapasitor dalam mode seri.

Anda sekarang dapat menggunakan pembagi tegangan sederhana untuk mengetahui tegangan yang dialokasikan, di mana kapasitor 1μF akan mendapatkan dua kali lipat tegangan.

Jadi, dalam kasus kita, akan menjadi 80V, dan kapasitor 2μ akan mendapatkan 40V

Rangkaian Pembagi Tegangan DC Kapasitif

Tegangan dibagi dalam rangkaian pembagi tegangan DC sesuai dengan rumus V=Q/C.Di mana tegangan berbanding terbalik dengan nilai kapasitas kapasitor.

Pada dasarnya, kapasitor yang memiliki kapasitas lebih rendah akan menerima tegangan yang lebih tinggi. Di sisi lain, kapasitor dengan kapasitas lebih besar akan menerima tegangan yang lebih rendah.

Misalnya:

Rangkaian Pembagi Tegangan DC Kapasitif

Rangkaian di atas menyediakan tegangan DC 15V, yang berarti 15 volt akan mengalir ke pasangan kapasitor.

Tegangan akan mengalir ke kedua kapasitor sehingga saat dijumlahkan, akan sama dengan sumber pasokan 15V.

Mengasumsikan kapasitor memiliki muatan yang sama, Anda dapat menghitung tegangan dari nilai kapasitasnya.

Diberikan bahwa nilai kapasitor 1μF adalah setengah dari nilai kapasitor 2µF, tegangan kapasitor pertama akan dua kali lipat tegangan kapasitor kedua.

Oleh karena itu, tegangan kapasitor 1μF akan menjadi 10 volt, dan tegangan kapasitor 2µF akan menjadi 5 volt.

Keuntungan dan Kerugian Pembagi Tegangan Kapasitif

Pembagi tegangan berguna, namun mereka juga memiliki kelebihan dan kekurangan seperti semua penemuan lainnya. 

Keuntungan

•  Kehilangan panas minimal
•  Terjangkau
•  Bekerja pada baik DC( Arus Sesar) atau AC (Arus Bolak-balik)
•  Biaya pemasangan rendah
•  Bergantung pada frekuensi

Kerugian

•  bekerja hanya pada AC ringan 
•  Cukup berat
•  Panas berlebih menurunkan efisiensi kerja
•  Beberapa pembagi tegangan mahal dipasang, dan mereka hanya akan bekerja dengan AC.

Penggunaan Pembagi Tegangan Kapasitif

 Seperti yang disebutkan sebelumnya, pembagi tegangan kapasitif memiliki banyak aplikasi. Beberapa di antaranya meliputi:

• Pembagi tegangan dapat menurunkan tegangan dan memungkinkan pengukuran tegangan tingkat tinggi.
• Pembagi tegangan di dalam mikrokontroler membantu pengukuran resistensi sensor.

Mikrokontroler

• Pembagi tegangan bekerja sebagai penggeser level logika saat menghubungkan berbagai tegangan operasi.

Ringkasan

Setelah membaca artikel ini, kami berharap dapat mendefinisikan rangkaian pembagi kapasitif dan menjelaskan aturan pembagi tegangan.

Sebaiknya Anda memahami berbagai keuntungan dan kerugian pembagi tegangan kapasitif.

Jika Anda membutuhkan informasi lebih lanjut tentang subjek ini, silakan hubungi kami.