Dunia Robot: Induktor

Induktor
Beberapa jenis induktor harga rendah.
Simbol
Tipe	Pasif
Pembuatan pertama	Michael Faraday(1831)
l • b • s

Sebuah induktor atau reaktor adalah sebuah komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan olehinduktansinya, dalam satuan Henry. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat didalam 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 sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya didalam inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan.

Fisika

Induktansi (L) (diukur dalam Henry) adalah efek dari medan magnet yang terbentuk disekitar konduktor pembawa arus yang bersifat menahan perubahan arus. Arus listrik yang melewati konduktor membuat medan magnet sebanding dengan besar arus. Perubahan dalam arus menyebabkan perubahan medan magnet yang mengakibatkan gaya elektromotif lawan melalui GGL induksi yang bersifat menentang perubahan arus. Induktansi diukur berdasarkan jumlah gaya elektromotif yang ditimbulkan untuk setiap perubahan arus terhadap waktu. Sebagai contoh, sebuah induktor dengan induktansi 1 Henry menimbulkan gaya elektromotif sebesar 1 volt saat arus dalam indukutor berubah dengan kecepatan 1 ampere setiap sekon. Jumlah lilitan, ukuran lilitan, dan material inti menentukan induktansi.

Faktor Q

Sebuah induktor ideal tidak menimbulkan kerugian terhadap arus yang melewati lilitan. Tetapi, induktor pada umumnya memiliki resistansi lilitan dari kawat yang digunakan untuk lilitan. Karena resistansi lilitan terlihat berderet dengan induktor, ini sering disebut resistansi deret. Resistansi deret induktor mengubah arus listrik menjad bahang, yang menyebabkan pengurangan kualitas induktif. Faktor kualitas atau "Q" dari sebuah induktor adalah perbandingan reaktansi induktif dan resistansi deret pada frekuensi tertentu, dan ini merupakan efisiensi induktor. Semakin tinggi faktor Q dari induktor, induktor tersebut semakin mendekati induktor ideal tanpa kerugian.

Faktor Q dari sebuah induktor dapat diketahui dari rumus berikut, dimana R merupakan resistansi internal dan $ω L$ adalah resistansi kapasitif atau induktif pada resonansi:

$Q = \frac{\omega{}L}{R}$

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.

Penggunaan

induktor dengan dua lilitan 47mH, sering dijumpai pada pencatu daya.

Induktor sering digunakan pada sirkuit analog dan pemroses sinyal. Induktor berpasangan dengan kondensator dan komponen lain membentuk sirkuit tertala. Penggunaan induktor bervariasi dari penggunaan induktor besar pada pencatu daya untuk menghilangkan dengung pencatu daya, hingga induktor kecil yang terpasang pada kabel untuk mencegah interferensi frekuensi radio untuk dprd melalui kabel. Kombinasi induktor-kondensator menjadi rangkaian tala dalam pemancar dan penerima radio. Dua induktor atau lebih yang terkopel secara magnetik membentuk transformator.

Induktor digunakan sebagai penyimpan energi pada beberapa pencatu daya moda 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 mengikangkan paku-paku tegangan yang berasal dari petir, dan juga membatasi arus pensakelaran dan arus kesalahan. Dalam bidang ini, indukutor sering disebut dengan reaktor.

Induktor yang memiliki induktansi sangat tinggi dapat disimulasikan dengan menggunakan girator.

Konstruksi induktor

Induktor, skala dalam sentimeter.

Sebuah induktor biasanya dikonstruksi sebagai sebuah lilitan dari bahan penghantar, biasanya kawat tembaga, digulung pada inti magnet berupa udara atau bahan feromagnetik. Bahan inti yang mempunyai permeabilitas magnet yang lebih tinggi dari udara meningkatkan medan magnet dan menjaganya tetap dekat pada induktor, sehingga meningkatkan induktansi induktor. Induktor frekuensi rendah dibuat dengan menggunakan baja laminasi untuk menekan arus eddy. Ferit lunak biasanya digunakan sebagai inti pada induktor frekuensi tingi, dikarenakan ferit tidak menyebabkan kerugian daya pada frekuensi tinggi seperti pada inti besi. Ini dikarenakan ferit mempunyai lengkung histeresis yang sempit dan resistivitasnya yang tinggi mencegah arus eddy. Induktor dibuat dengan berbagai bentuk. Sebagian besar dikonstruksi dengan menggulung kawat tembaga email disekitar bahan inti dengan kaki-kali kawat terlukts keluar. Beberapa jenis menutup penuh gulungan kawat didalam material inti, dinamakan induktor terselubungi. Beberapa induktor mempunyai inti yang dapat diubah letaknya, yang memungkinkan pengubahan induktansi. Induktor yang digunakan untuk menahan frekuensi sangat tinggi biasanya dibuat dengan melilitkan tabung atau manik-manik ferit pada kabel transmisi.

Induktor kecil dapat dicetak langsung pada papan rangkaian cetak dengan membuat jalur tembaga berbentuk spiral. Beberapa induktor dapat dibentuk pada rangkaian terintegrasi menhan menggunakan inti planar. Tetapi bentuknya yang kecil membatasi induktansi. Dan girator dapat menjadi pilihan alternatif.

Jenis-jenis lilitan

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.

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.

Rumus induktansi

Konstruksi	Rumus	Besaran (SI, kecuali disebutkan khusus)
Lilitan silinder	$L=\frac{\mu_0KN^2\pi r^2}{l}$	L = induktansi μ₀ = permeabilitas vakum K = koefisien Nagaoka N = jumlah lilitan r = jari-jari lilitan l = panjang lilitan
Kawat lurus	$L =200 \, l \left(\ln\frac{4l}{d}-1\right)10^{-9}$	L = induktansi l = panjang kawat d = diameter kawat
Lilitan silinder pendek berinti udara	$L=\frac{r^2N^2}{9r+10l}$	L = induktansi (µH) r = jari-jari lilitan (in) l = panjang lilitan (in) N = jumlah lilitan
Lilitan berlapis-lapis berinti udara	$L = \frac{0.8r^2N^2}{6r+9l+10d}$	L = induktansi (µH) r = rerata jari-jari lilitan (in) l = panjang lilitan (in) N = jumlah lilitan d = tebal lilitan (in)
Lilitan spiral datar berinti udara	$L=\frac{r^2N^2}{(2r+2.8d) \times 10^5}$	L = induktansi r = rerata jari-jari spiral N = jumlah lilitan d = tebal lilitan
Inti toroid	$L=\mu_0\mu_r\frac{N^2r^2}{D}$	L = induktansi μ₀ = permeabilitas vakum μ_r = permeabilitas relatif bahan inti N = jumlah lilitan r = jari-jari gulungan D = diameter keseluruhan

Dalam sirkuit elektrik

Sebuah induktor menolak perubahan arus. Sebuah induktor ideal tidak menunjukkan resistansi kepada arus rata, tetapi hanya induktor superkonduktor yang benar-benar memiliki resistansi nol. Pada umumnya, hubungan antara perubahan tegangan, induktansi, dan perubahan arus pada induktor ditentukan oleh rumus diferensial:

$v(t) = L \frac{di(t)}{dt}$

Jika ada arus bolak-balik sinusoida melalui sebuah induktor, tegangan sinusoida diinduksikan. Amplitudo tegangan sebanding dengan amplitudo arus dan frekuensi arus.

$i(t) = I_P \sin(2 \pi f t)\,$

$\frac{di(t)}{dt} = 2 \pi f I_P \cos(2 \pi f t)$

$v(t) = 2 \pi f L I_P \cos(2 \pi f t)\,$

Pada situasi ini, fasa dari gelombang arus tertinggal 90 dari fasa gelombang tegangan.

Jika sebuah induktor disambungkan ke sumber arus searah, dengan harga "I" melalui sebuah resistansi "R" dan sumber arus berimpedansi nol, persamaan diferensial diatas menunjukkan bahwa arus yang melalui induktor akan dibuang secara eksponensial:

$\ i(t) = I (e^{\frac{-tR}{L}})$

Analisis sirkuit Laplace (s-domain)

Ketika menggunakan analisis sirkuit transformasi Laplace, impedansi pemindahan dari induktor ideal tanpa arus sebelumnya ditunjukkan dalam domain s oleh:

$Z(s) = Ls\,$

dimana

L adalah induktansi

s adalah frekuensi kompleks

Jika induktor telah memiliki arus awal, ini dapat ditunjukkan dengan:

menambahkan sumber tegangan berderet dengan induktor dengan harga:

$L I_0 \,$

(Pegiatikan bahwa sumber tegangan harus berlawanan kutub dengan arus awal)

atau dengan menambahkan sumber arus berjajar dengan induktor, dengan harga:

$\frac{I_0}{s}$

dimana

L adalah induktansi

I 0

adalah arus awal

Jejaring induktor

Induktor dalam konfigurasi kakap memiliki beda potensial yang sama. Untuk menemukan induktansi ekivalen total (L_eq):

$\frac{1}{L_\mathrm{eq}} = \frac{1}{L_1} + \frac{1}{L_2} + \cdots + \frac{1}{L_n}$
Arus dalam induktor deret adalah sama, tetapi tegangan yang membentangi setiap induktor bisa berbeda. Penjumlahan dari beda potensial dari beberapa induktor seri sama dengan tegangan total. Untuk menentukan todu total digunakan rumus:
$L_\mathrm{eq} = L_1 + L_2 + \cdots + L_n \,\!$
Hubungan tersebut hanya benar jika tidak ada kopling magnetis antar kumparan.
Energi yang tersimpan
Energi yang tersimpan di induktor ekivalen dengan usaha yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus melalui induktor, dan juga medan magnet:
$E_\mathrm{stored} = {1 \over 2} L I^2$
Dimana L adalah induktansi dan I adalah arus yang melalui induktor.
Girator
Girator atau pembalik impedansi positif adalah sebuah sirkuit elektronik yang membalikkan impedansi. Dengan kata lain, membuat sirkuit kapasitif menjadi bersifat induktif, tapis lulus-jalur menjadi tapis stop-jalur, dan sebagainya. Ini digunakan terutama pada desain filter aktif dan pengompakan sirkuit.
Induktor tersimulasi
Sebuah contoh girator yang mensimulasikan induktansi, dengan rangkaian ekivalen dibawahnya.
Fungsi utama dari girator adalah untuk mensimulasi unsur induktif pada sirkuit elektronik kecil atau sirkuit terintegrasi. Sebelum penemuan transistor, lilitan kawat dengan induktansi tinggi digunakan untuk membuat tapis elektronik. Induktor yang sebenarnya dapat digantikan dengan rangkaian yang lebih kecil yang terdiri dari kondensator, penguat dan resistor. Hal ini sangat penting pada teknologi sirkuit terintegrasi karena induktor biasanya secara relatif sangat besar. Selain itu, pada kenyataannya, kondensator yang ada biasanya lebih dekat kepada keadaan ideal daripada induktor. Karena itu, sebuah induktor sintetik terbuat dari girator mungkin jauh lebih dekat pada induktor ideal daripada yang bisa dilakukan dengan induktor sebenarnya. Selain itu, penggunaan girator mungkin menambah kualitas jaringan tapis daripada jika menggunakan induktor. Faktor Q dari sebuah induktor sintetis juga dapat ditentukan dengan mudah. Walaupun begitu, girator tidak dapat menggantikan induktor yang digunakan untuk menimbulkan efek 'flyback', seperti pembuatan gaya elektromotif lawan yang besar saat terjadi perubahan arus.
Cara kerja sirkuit
Sirkuit ini bekerja dengan cara membalik efek kapasitansi kondensator. Efek yang diinginkan pada girator adalah induktansi "L" dengan resistansi deret R_L:
$Z = R_\mathrm{L} + j \omega L \,\!$
Impedansi masukan sirkuit op-amp adalah:
$Z_\mathrm{in} = \left( R_\mathrm{L} + j \omega R_\mathrm{L} R C \right) \| \left( R + {1 \over {j \omega C}} \right)$
Dengan R_LRC = L, dapat terlihat bahwa impedansi dari induktor tersimulasi adalah impedansi yang diinginkan yang berjajar dengan impedansi dari C dan R. Pada desain yang umum, R dibuat cukup besar sehingga persamaan menjadi:
$Z_\mathrm{in} = R_\mathrm{L} + j \omega R_\mathrm{L} R C \,\!$
Ini sama dengan resistansi R_L berderet dengan induktansi L = R_LRC.
Pada penggunaan biasa, induktansi dan resistansi dari girator jauh lebih besar daripada induktor sesungguhnya. Girator dapat digunakan untuk membuat induktor dalam jangkah mikrohenry hingga megahenry. Induktor asli biasanya terbatas hanya hingga puluhan henry dengan resistansi deret diantara beberapa mikroohm hingga beberapa ratus ohm. Resistansi deret dari girator bergantung pada topologi sirkuit yang digunakan, tetapi biasanya diantara puluhan ohm hingga ratusan kiloohm. Untuk frekuensi yang sama, sebuah girator mempunyai induktansi yang jauh lebih besar, kapasitansi yang jauh lebih rendah, tetapi resistansioya lebih tinggi. Girator pada umumnya memiliki tingkat ketepatan yang lebih tinggi daripada induktor, dikarenakan kondensator presisi jauh lebih murah daripada induktor presisi.
Penggunaan
Penggunaan utama dari girator adalah untuk menggantikan induktor yang terlalu besar, berat dan mahal. Sebagai contoh, tapis lulus jalur dapat dibangun dengan menggunakan kondensator, resistor dan penguat, tanpa induktor.
Sirkuit girator sering digunakan pada peranti telepon yang terhubung ke sistem POTS. Memungkinkan telepon untuk menjadi lebih kecil. Girator juga digunakan untuk equalizer grafik hi-fi, equalizer parametrik, filter lulus-jalur, filter stop-jalur, filter desah, dan filter sinyal pembantu FM.
Ada beberapa penggunaan dimana penggunaan girator sebagai pengganti induktor tidak memungkinkan.
Tegangan tinggi, dimana tegangan jauh melebihi tegangan kerja penguat.
Sistem frekuensi radio, dimana induktor untuk frekuensi radio relatif kecil dan mudah dibuat.
Pengubah daya, dimana lilitan digunakan sebagai penyimpan daya sementara.