Pembagi Tegangan Kapasitif, Rumus, dan Contoh Soal
Pembagi tegangan kapasitif (capacitive voltage divider) adalah salah satu jenis rangkaian pembagi tegangan, di mana kapasitor digunakan sebagai komponen pembagi tegangan.
Mirip dengan resistor, kapasitor juga dapat digunakan untuk membentuk rangkaian pembagi tegangan sehingga tegangan dapat dibagi menjadi beberapa level tegangan sesuai berdasarkan nilai kapasitor. Pembagi tegangan kapasitif juga dirangkai secara seri.
Pembagi tegangan kapasitif menghasilkan penurunan tegangan setelah melintasi kapasitor yang terhubung secara seri ke suplai AC.
Umumnya pembagi tegangan kapasitif digunakan untuk menurunkan tegangan yang sangat tinggi untuk memberikan sinyal keluaran tegangan rendah yang dapat digunakan untuk perlindungan atau pengukuran.
Saat ini, pembagi tegangan kapasitif frekuensi tinggi lebih banyak digunakan pada perangkat layar atau teknologi layar sentuh, seperti pada ponsel dan tablet.
Cara Kerja Pembagi Tegangan Kapasitif
Kapasitor terdiri dari dua plat konduktif paralel yang dipisahkan oleh isolator, dan memiliki muatan positif (+) di satu plat, dan muatan negatif (–) yang berlawanan di plat lainnya.
Pada saat dihubungkan ke suplai DC (arus searah), setelah kapasitor terisi penuh, isolator (disebut dielektrik) memblokir aliran arus yang melewatinya.
Kapasitor menentang aliran arus seperti resistor, tetapi tidak seperti resistor yang menghilangkan energi yang tidak diinginkan dalam bentuk panas, kapasitor menyimpan energi pada platnya dan melepaskan atau mengembalikan energi lagi ke sirkuit yang terhubung.
Kemampuan kapasitor untuk melawan atau bereaksi melawan aliran arus dengan menyimpan muatan pada platnya disebut reaktansi (reactance), dan karena reaktansi ini berhubungan dengan kapasitor maka disebut Reaktansi Kapasitif ( Xc ), seperti resistansi, reaktansi juga diukur dalam Ohm.
Ketika kapasitor dihubungkan dengan suplai DC dan kapasitor terisi penuh (dalam waktu sekitar 5 konstanta waktu atau 5RC) sama dengan tegangan suplai, maka tidak ada arus lebih lanjut yang mengalir.
Pada titik itu reaktansi kapasitor terhadap aliran arus DC mencapai maksimumnya di level mega-ohm, hampir merupakan rangkaian terbuka, dan inilah mengapa kapasitor memblokir DC.
Namun, jika kapasitor dihubungkan ke suplai AC (arus bolak-balik) yang terus-menerus membalikkan polaritas, efek pada kapasitor adalah platnya terus menerus mengisi dan mengeluarkan dalam hubungan dengan tegangan suplai bolak-balik yang diterapkan.
Ini berarti bahwa arus pengisian dan pengosongan selalu mengalir masuk dan keluar dari plat kapasitor, dan jika kita memiliki aliran arus maka kita juga harus memiliki nilai reaktansi untuk menentangnya.
Dalam hal kapasitansi dan muatan, kita tahu bahwa jumlah muatan (Q) yang ada pada plat kapasitor sebanding dengan tegangan yang diberikan dengan nilai kapasitansi kapasitor. Karena tegangan suplai (Vs) bolak-balik yang diterapkan terus berubah nilainya, muatan pada plat juga berubah nilainya.
Dengan begitu, jika kapasitor memiliki nilai kapasitansi yang lebih besar, maka untuk resistansi yang diberikan membutuhkan waktu lebih lama untuk mengisi kapasitor, yang berarti arus pengisian mengalir untuk jangka waktu yang lebih lama. Kapasitansi yang lebih tinggi menghasilkan nilai reaktansi yang kecil.
Demikian juga jika kapasitor memiliki nilai kapasitansi yang kecil maka diperlukan konstanta waktu (RC) yang lebih pendek untuk mengisi kapasitor, berarti arus akan mengalir dalam jangka waktu yang lebih singkat.
Artinya, kapasitansi yang lebih kecil menghasilkan nilai reaktansi yang lebih tinggi, atau sama juga 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.
Kapasitansi bagaimanapun bukanlah satu-satunya faktor yang menentukan reaktansi kapasitif. Jika arus bolak-balik yang diterapkan berada pada frekuensi rendah, reaktansi memiliki lebih banyak waktu untuk terbentuk untuk konstanta waktu 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 pengosongan untuk reaktansi membangun dan menentang arus yang menghasilkan aliran arus lebih besar, menunjukkan reaktansi yang lebih kecil.
Kemudian, kita dapat melihat bahwa kapasitor adalah impedansi yang besarnya 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 berbanding terbalik dengan kapasitansi.
Rumus Reaktansi Kapasitif
Bagaimana cara mengetahui besarnya reaktansi kapasitif?
Caranya cukup mudah, dengan mengetahui tegangan dan frekuensi suplai AC, kita dapat menghitung reaktansi masing-masing kapasitor, menggantikannya dalam persamaan seperti pada gambar di bawah untuk aturan pembagi tegangan resistif, dan mendapatkan penurunan tegangan yang sesuai di setiap kapasitor.
Contoh Soal
Dengan menggunakan dua kapasitor 1 μF dan 3 μF, seperti dalam gambar rangkaian seri di bawah, kita dapat menghitung penurunan tegangan rms (root mean square voltage) pada setiap kapasitor dalam hal reaktansinya ketika dihubungkan ke suplai rms 120 Volt, 1500 Hz.
Saat menggunakan kapasitor murni, jumlah semua penurunan tegangan seri sama dengan tegangan sumber, sama seperti untuk resistansi seri.
Jumlah jatuh tegangan pada setiap kapasitor sebanding dengan reaktansinya dan berbanding terbalik dengan kapasitansinya.
Akibatnya, kapasitor 1 μF yang lebih kecil memiliki reaktansi yang lebih besar (106,09 Ω) sehingga penurunan tegangan lebih besar 90 Volt, dibandingkan dengan kapasitor 3 μF yang lebih besar yang memiliki reaktansi hanya 35,36 Ω dan penurunan tegangan 30 Volt.
Arus dalam rangkaian seri (IC) akan menjadi 848 mA dan nilai yang sama untuk C1 dan C2 karena ini rangkaian seri.
Sementara itu, jumlah semua penurunan tegangan seri sama dengan tegangan sumber, 90 Volt + 30 Volt = 120 Volt.
