MAKALAH LISTRIK MAGNET
“INDUKTOR”
Nama Kelompok :
1. Guntur Daeng (642016801) 2. Anisa Mayasari (642016802)
A. PENGERTIAN, FUNGSI, DAN JENIS INDUKTOR
Induktor (reaktor) ialah komponen elektronika yang terbentuk dari susunan lilitan kawat yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang disebabkan oleh aliran arus listrik yang melintasinya. Lilitan atau kumparan kawat tembaga lazimnya digunakan sebagai induktor. Kemampuan menyimpan energi magnetik pada sebuah induktor disebut induktansi serta ditentukan menggunakan satuan Henry (H).
Medan magnet tercipta pada induktor dikarenakan hukum induksi atau hukum Faraday. Induktor merupakan komponen elektronika pasif (komponen yang tidak memerlukan daya atau arus listrik dan apabila ditambahkan dengan kapasitor, mereka bisa menjadi sebuah rangkaian resonator yang bisa bersenonansi pada frekuensi tertentu. Dalam sebuah rangkaian elektronika Induktor disimbolkan dengan huruf L.
Induktor merupakan salah satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor yang dapat memproses arus bolak-balik.
Sebuah induktor biasanya berupa lilitan dari bahan penghantar, biasanya terbuat dari bahan kawat tembaga,yang digulung pada inti magnet berupa udara atau bahan feromagnetik. Lilitan tersebut membantu membuat medan magnet yang kuat didalam lingkaran. Bahan inti yang mempunyai permeabilitas magnet yang lebih tinggi dari udara meningkatkan medan magnet dan menjaganya tetap dekat pada induktor, sehingga meningkatkan induktansi induktor. Sebuah induktor yang ideal mempunyai induktansi tanpa resistansi atau kapasitansi.
Gambar 1.2. induktor
Fungsi Induktor dalam rangkaian elektronika, antara lain :
1. Penyimpan energi dalam bentuk medan magnet
2. Sebagai pemfilter pada rangkaian power suply
3. Sebagai penalaan atau tuning
4. Menahan arus bolak-balik(ac)
5. Meneruskan/meloloskan arus searah(dc)
6. Dapat merubah arus dc ke ac, dengan adanya medan magnet
Berdasarkan kegunaannya Induktor bekerja pada: 1. Frekuensi tinggi pada spul antena dan osilator 2. Frekuensi menengah pada spul MF
3. Frekuensi rendah pada trafo input, trafo output, spul speaker, trafo tenaga, spul relay dan spul penyaring
Kebanyakan nama Induktor dibeda-bedakan menurut inti yang digunakan pada Induktor tersebut, antara lain :
1. Induktor inti udara (air core inductor)
3. Induktor inti laminasi (laminated core inductor)
4. Induktor inti besi/ (ferrite core inductor)
5. Induktor inti toroida (toroidal core inductor)
6. Induktor Variabel (varible inductor)
7. Induktor frekuensi radio (radio frequency inductor)
Gambar 1.3. jenis-jenis induktor
Gambar 1.4. simbol-simbol induktor
Beberapa jenis induktor berdasarkan bentuk fisiknya, antara lain :
Yaitu induktor yang memiliki harga yang sudah pasti. Biasanya dinyatakan dalam kode warna seperti yang diterapkan pada resistor. Satuannya dinyatakan dalam satuan mikrohenry (μH)
2. Variable coil
Induktor yang harganya dapat diubah-ubah atau disetel. Contohnya adalah koil yang digunakan dalam radio.
3. Choke coil (kumparan redam )
Koil yang digunakan dalam teknik sinyal frekuensi tinggi.
Jenis-jenis lilitan pada induktor :
1. Lilitan ferit sarang madu
Lilitan sarang madu dililit dengan cara bersilangan untuk mengurangi efek kapasitansi terdistribusi. Ini sering digunakan pada rangkaian tala pada penerima radio dalam jangkah gelombang menengah dan gelombang panjang. Karena konstruksinya, induktansi tinggi dapat dicapai dengan bentuk yang kecil
2. Lilitan inti toroid
Sebuah lilitan sederhana yang 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.
B. PRINSIP KERJA DAN PRINSIP ELEKTROMAGNETIK PADA INDUKTOR
1. Prinsip Kerja Induktor
lebih rendah. Efek yang sama terjadi ketika saklar dimatikan, yaitu setelah mengalami kecerahan tinggi lampu berhenti memancarkan cahaya sepenuhnya
Hal ini disebabkan karena induktansi. Ketika arus mulai mengalir melalui kumparan menghasilkan medan magnet yang mencoba untuk menghentikan arus mengalir melalui kumparan dengan menghasilkan arus kedua tetapi dalam arah yang berlawanan. Namun, ketika medan magnet terbentuk, arus kembali normal. Atau, ketika arus dihentikan, medan magnet mencoba untuk mengkompensasi untuk mempertahankan dengan menghasilkan arus listrik melalui koil sampai medan magnet tidak bisa lagi dipertahankan dan hilang, sehingga bola lampu hanya menyala sebentar.
Inilah karakteristik induktor, saat kehilangan sumber tegangan, maka induktor akan menghasilkan tegangan utnuk sesaat. Saat mendapat tegangan induktor juga memiliki karakteristik menjadikan intinya bersifat magnet (untuk inti besi). Karakteristik magnet ini juga sering dimanfaatkan dalam berbagai perankat elektronika.
a. 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. Contoh rangkaian :
Gambar 1.6. Rangkaian pengisian induktansi pada tegangan DC
Gambar 1.7. Rangkaian pengisian induktansi pada tegangan AC
b. Pengosongan Induktor
Bila arus listrik l sudah memenuhi lilitan , maka terjadilah 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 1.8. Rangkaian pengosongan induktansi pada tegangan DC dan AC
Induktansi dari koil / kumparan disebabkan dari fluks magnet yang terjadi disekitarnya. semakin kuat fluks magnet maka induktansi yang dihasilkan akan semakin besar. untuk menaikan nilai induktansi dari koil/kumparan kita dapat menambah jumlah lilitan kawat, atau menambah ukuran diameter atau panjang dari kore inti (inti pusat) dan juga dengan cara mengganti kore inti (inti pusat) dengan bahan feromagnetik seperti dengan bahan besi lunak atau jenis ferit.
bahan feromagnetik seperti besi lunak, kobalt atau jenis nikel dll. yang digunakan sebagai kore inti (inti pusat) akan meanikan nilai induktansi dari koil. Ini karena dengan garis-garis gaya yang dihasilkan dari bahan konsentrat feromagnetik lebih kuat.
2. Prinsip Elektromagnetik pada Induktor c. Induktansi Searah
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 1.9. Induktor terhubung sumber tegangan DC
d. Induktansi Bolak-balik
Bila dua kumparan ditempatkan berdekatan satu sama lain dan salah satu kumparan (L1) diberi arus listrik AC, pada L1 akan terjadi fluks magnet. Fluk magnet ini akan melalui kumparan kedua (L2) dan akan membangkitkan emf (elektro motorive force) pada kumparan L2. Efek seperti ini disebut induksi timbal balik (mutual induction). Hal seperti ini biasanya kita jumpai pada transformator daya.
Gambar 1.10. Induktor terhubung sumber tegangan AC
Jika kita melihat gambar diatas, arus yang melewati sebuah induktor akan menghasilkan medan magnet yang besarnya berbanding lurus dengan arus listrik yang mengalir. Tidak seperti kapasitor yang terjadi perubahan kenaikan tegangan pada kedua lempeng konduktor ketika sedang diisi muatan listrik, pada konduktor justru timbul perubahan kenaikkan arus listrik ketika diberi tegangan listrik, perubahan kenaikan arus listrik ini menciptakan induksi energi di dalam medan magnet. Dengan kata lain induktor mengatur perubahan arus listrik dan dengan tidak mengubah tegangan listrik. Kemampuan induktor ini disebut induktansi induktor dengan satuan Henry (H) dan diberi simbol L. Untuk ukuran yang lebih kecil biasanya dinyatakan dalam satuan miliHenry (mH), mikroHenry (µH), nanoHenry (nH) dan picoHenry (pH).
Sebuah induktor mempunyai inti dengan luas penampang inti (A), Jumlah lilitan kawat per satuan panjang (l) . Jadi jika sebuah induktor dengan N lilitan kawat dihubungkan dengan sejumlah fluk magnetik (Φ) maka induktor akan mempunyai fluk magnetik total sebesar N.Φ. dan arus sebesar i yang mengalir melewatinya akan menghasilkan induksi fluk magnetik yang arahnya berlawanan dengan arah aliran arus listrik. Menurut hukum Faraday, semua perubahan fluk magnetik akan menghasilkan tegangan induksi yang besarnya :
(di/dt) : laju perubahan arus dalam satuan A/s.
Atau :
Dimana L adalah induktansi induktor yang besarnya :
Gambar 1.11. Tegangan induksi induktor
Dari persamaan ini dapat dikatakan :
Emf induksi = induktansi x laju perubahan arus listrik.
Sebuah rangkaian yang memiliki induktasi 1 Henry dengan tegangan induksi 1 Volt akan menghasilkan laju perubahan arus listrik sebesar 1 Ampere/detik.
Dari persamaan ini terlihat yang berubah hanya arus listrik, sedangkan tegangan induksi tidak berubah. Maka bila tegangan induksi = 0, perubahan arus listrik juga akan menjadi 0. Bila induktor dihubungkan dengan sumber arus DC arus listriknya konstan terhadap waktu, maka tidak akan timbul tegangan induksi pada induktor dan induktor hanya berfungsi sebagai sebuah penghantar saja.
tegangan yg dibutuhkan akan sebesar 1 V dapat digambar seperti pada gambar berikut
ini.
Gambar 1.12. hubungan tegangan dan kuat arus pada induktor dengan dt=1 s dan di = 1 A
Gambar 1.13. hubungan i dengan V bila dt diubah menjadi 0,1 detik
Gambar 1.13. grafik bila dt=0 maka V akan menjadi tidak terhingga besarnya
Daya di dalam induktor
Daya listrik secara matematis dapat ditulis :
P = V.i
Dimana :
P : daya listrik (Watt)
V : tegangan listrik (V
I : adalah arus listrik (A)
Pada induktor berlaku persamaan :
Sebuah induktor ideal tidak mempunyai hambatan (R=0) sehingga tidak ada rugi-rugi daya di dalam induktor, jadi dapat dikatakan induktor ideal tidak terjadi rugi-rugi daya.
Ketika ada daya yang mengalir melalui sebuah induktor, maka energi listrik disimpan di dalam induktor dalam bentuk medan magnetik. Ketka arus listrik meningkat dalam selang waktu (dt) yang mendekati nol, maka daya sesaat di dalam rangkaian juga akan meningkat dan energi disimpan di dalam induktor. Sebaliknya jika arus yang mengalir melewati induktor berkurang maka daya sesaat juga akan turun (menjadi negatif). Ini berarti induktor akan membuang sejumlah energi dari rangkaian.
Energi disimpan dalam bentuk medan magnet yang timbul disekitar induktor. Pada induktor ideal, tidak terdapat hambatan atau kapasitansi, sehingga arus yang naik ketika melewati induktor akan disimpan dalam bentuk medan listrik tanpa ada rugi-rugi. Medan listrik ini tidak berkurang besarnya.
Bila induktor dilewatkan arus AC, maka induktor akan secara berkala menyimpan dan membuang energi dalam bentuk siklus. Pada arus DC arus yang melewati induktor besarnya konstan, maka tidak terjadi proses penyimpanan dan pembuangan energi secara berulang-ulang seperti pada arus AC.
Melihat cara kerja induktor, dapat disimpulkan bahwa induktor adalah komponen pasif elektronika yang dapat menyimpan dan menyalurkan energi listrik ke rangkaian listrik. Tetapi induktor tidak dapat membangkitkan energi listrik.
P = i
2R
Dimana :
I : arus listrik (A)
R : hambatan dalam induktor (Ohm)
P : kerugian daya listrik
Fungsi utama induktor di dalam rangkaian listrik adalah sebagai filter, rangkaian resonansi dan sebagai pembatas arus listrik. Sebuah induktor dapat digunakan untuk memblock arus AC atau memblok frekuensi tertentu dari arus AC. Oleh sebab itu induktor dapat digunakan untuk menyaring frekuensi radio atau memfilter frekuensi yang melewatinya. Induktor juga dapat digunakan untuk menjaga perangkat elektronika dari kenaikan tegangan dan arus listrik yang mendadak.
Induksi Diri (Self Inductance) sebuah induktor
Induktor menghasilkan induksi dengan cara membangkitkan induksi emf (electro magnetic force) di dalam induktor itu sendiri akibat dari adanya perubahan medan magnet. Di dalam rangkaian elektronika, ketika terjadi induksi emf di dalam rangkaian, maka akan terjadi perubahan arus listrik yang disebut induksi diri, Induksi diri induktor sering disebut emf (tegangan) balik. Tegangan balik induktor ini memiliki arah yang berlawanan.
Induksi diri dapat ditulis secara matematik :
Di mana L adalah induksi diri (Henry), N : banyaknya lilitan, Φ : fluk medan magnet (Weber) dan i adalah kuat arus listrik (A). Persamaan ini berlaku hanya untuk induktor dengan 1 lapisan lilitan kawat.
Dimana :
Φ : fluks medan magnet (Weber) B : kuat medan magnet (Tesla)
A : luas penampang yang dilewati oleh medan magnet (m2).
Maka induktansi sebuah induktor dapat ditulis ulang menjadi :
Untuk induktor dengan inti udara, kuat medan magnet dapat dinyatakan dengan persamaan :
Dengan :
N : banyaknya lilitan
I : arus listrik yang mengalir
L : panjang lilitan dan
µ0 : permeabilitas ruang hampa (4π x 10-7).
Maka persamaan induktansi induktor dapat ditulis menjadi :
Dimana :
µ0 : permeabilitas ruang hampa (4π x 10-7); N : banyaknya lilitan,
A : luas penampang induktor (m2) l : adalah panjang lilitan (m).
Jadi induktansi sebuah induktor berbanding kuadrat terhadap jumlah lilitan dan luas penampang induktor, tetapi berbanding terbalik dengan panjang lilitan induktor. Untuk meningkatkan induktansi induktor dapat dilakukan dengan mengganti inti udara dengan inti logam.
Rumus induktansi pada beberapa konstruksi induktor :
Dengan :
XL = reaktansi induktif (Ω)
L : induktansi induktor (Henry)
f : Frekuensi arus bolak-balik
Untuk menghitung impedansi induktor, maka dapat menggunakan rumus :
Faktor Q dari sebuah induktor dapat diketahui dari rumus berikut, dimana R merupakan resistansi internal dan XL adalah resistansi kapasitif atau induktif pada
resonansi:
Dengan menggunakan inti feromagnetik, induktansi dapat ditingkatkan untuk jumlah tembaga yang sama, sehingga meningkatkan faktor Q. Inti juga memberikan kerugian pada frekuensi tinggi. Bahan inti khusus dipilih untuk hasil terbaik untuk jalur frekuensi tersebut. Pada VHF atau frekuensi yang lebih tinggi, inti udara sebaiknya digunakan.
Lilitan induktor pada inti feromagnetik mungkin jenuh pada arus tinggi, menyebabkan pengurangan induktansi dan faktor Q yang sangat signifikan. Hal ini dapat dihindari dengan menggunakan induktor inti udara. Sebuah induktor inti udara yang didesain dengan baik dapat memiliki faktor Q hingga beberapa ratus.
Sebuah kondensator nyaris ideal (faktor Q mendekati tak terhingga) dapat dibuat dengan membuat lilitan dari kawat superkonduktor pada helium atau nitrogen cair. Ini membuat resistansi kawat menjadi nol. Karena induktor superkonduktor hampir tanpa kerugian, ini dapat menyimpan sejumlah besar energi listrik dalam lilitannya
Energi yang tersimpan :
Energi yang tersimpan diinduktor, ekivalen dengan usaha yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus melalui induktor, dan juga medan magnet :
Dimana :
L : induktansi induktor (Henry)
Induksi antara 2 induktor
Gambar 1.14. dua buah induktor yang saling berdekatan
Gambar diatas menunjukan 2 buah induktor yang saling berdekatan. Induktor 1 dihubungkan dengan arus listrik AC maka pada induktor 1 akan timbul fluks medan magnet. Akibatnya pada induktor 2 akan terinduksi oleh medan magnet sehingga timbul tegangan dan arus listrik. Prinsip ini disebut mutual induksi. Besar Mutual induksi ini dapat dihitung dengan persamaan :
Dimana :
µ0 : permeabilitas udara yang memisahkan kedua induktor
µr : permeabilitas bahan inti induktor
N1 dan N2 : jumlah lilitan induktor 1 dan induktor 2
Gambar 1.15. dua buah induktor yang dipasang pada satu buah inti besi
Mutual induksi untuk induktor 2 terhadap induktor 1 yang dipasang pada satu inti seperti pada gambar 1.15 adalah :
Dimana :
l1 : panjang induktor 1,
N2 : banyaknya lilitan pada induktor 2
Sebaliknya mutual induksi untuk induktor 1 terhadap induktor 2 adalah :
Besar kedua mutual induksi ini sama sehingga dapat ditulis M12 = M21 = M
Induktansi kedua induktor adalah :
Persamaan ini menyatakan tidak ada kebocoran / kehilangan fluks magnetik. Namun dalam kenyataannya fluk magnetik pasti ada yang hilang. Sehingga persamaan mutual induksi yang sebenarnya dengan mempertimbangkan kerugiaan fluk magnetik dapat ditulis :
Induktor seri dan paralel.
Induktor yang dirangkai seri
Selain kapasitor dan resistor, induktor juga dapat dirangkai secara seri. Induktor yang dipasang seri maka induktansinya dapat dihitung sebagai berikut :
Gambar 1.16 induktor yang dipasang seri
Sama seperti resistor bila induktor dirangkai secara seri, maka tidak terjadi pembagian arus listrik, karena tidak terdapat percabangan. Sehingga dapat ditulis :
Tetapi terjadi pembagian tegangan dan total tegangan pada induktor dapat ditulis :
Sehingga didapat
Mutual induksi yang dihasilkan oleh induktor yang dirangkaian seri dapat dibagi menjadi 2 yaitu kumulatif kopel dan diferensial kopel. Kumulatif kopel dapat dilihat seperti pada gambar berikut ini :
Gambar 1.17. kumulatif kopel pada induktor seri
Besar mutual induksi pada kumulatif kopel dapat dihitung :
Gambar 1.18. diferensial kopel pada induktor seri
Besar mutual induksi dapat dihitung :
Secara garis besar induktor yang dirangkai secara seri bila diketahui mutual induksinya dapat dihitung dengan persamaan :
Induktor yang dirangkai paralel
Gambar 1.19. induktor yang dirangkai secara paralel
Induktor yang dirangkai secara paralel, maka tegangan tiap induktor akan sama tetapi terjadi pembagian arus listrik. Sehingga dapat ditulis :
Dan
Tegangan induktor adalah :
Maka didapat :
Rangkaian 2 induktor dengan arah lilitan yang sama yang besar induktansi totalnya dapat dihitung :
Gambar 1.19. rangkaian R-L
Sebuah rangkaian seri induktor dengan resistor dapat dilihat seperti pada gambar 15. Bila rangkaian ini dihubungkan dengan sumber arus DC yang dilengkapi dengan saklar, ketika saklar ditutup, maka arus akan mengalir melewati resistor dan ke induktor. Arus yang melewati resistor akan mengikuti persamaan hukum Ohm, sedangkan arus yang melewati induktor akan mengikuti hubungan tegangan dan arus listrik pada induktor.
Tegangan pada resistor dapat dihitung :
V
R= i.R
Tegangan pada induktor dapat dihitung :
Penyelesaian persamaan diatas akan menjadi :
Jadi didapat :
Bandingkan dengan kapasitor. Kurva i terhadap t dapat digambar seperti pada gambar 1.20 berikut ini:
Daya dalam rangkaian seri induktor dengan resistor merupakan penjumlahan daya resistor dengan daya induktor atau secara matematik dapat ditulis :
Di mana i2R adalah daya yang diserap oleh resistor daya ini diubah oleh
resistor menjadi panas. Sedangkan L.i.(di/dt) adalah daya yang diserap oleh induktor dan disimpan dalam bentuk energi medan magnetik.
D. LATIHAN SOAL
1. Sebuah induktor terbuat dari kumparan kawat dengan 50 lilitan. Panjang kumparan 5 cm dengan luas penampang 1 cm2. Hitunglah induktansi induktor Jawab :
Diketahui : N = 50 lilitan
I = 5 cm = 5 × 10-2 m A = 1 cm2 = 10-4 m2
Ditanya : L = ...?
2. Berikut contoh coal cara mencari nilai induktansi sebuah induktor :
Penyelesaian:
Rangkaian dapat semakin disederhanakan dengan membutuhkan 3 langkah penyelesaian, yaitu:
L1 dan L2 adalah sambungan seri maka dapat dihitung dengan rumus:
LA = L1 + L2
LA = 20mH + 20mH
LA = 40mH
Rangkaian akan berubah menjadi seperti ini:
Nilai LA(hasil penggabungan nilai L1 dan L2) adalah paralel dengan induktor L3 , maka dapat dihitung dengan rumus berikut ini:
1
Nilai LB (hasil penggabungan nilai LA dan L3) adalah tersambung seri dengan induktor L4, maka dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:
L = LB + L4
L = 30mH + 40mH
L = 70mH
