Dalam dunia kelistrikan dan elektronika, pemahaman tentang bagaimana komponen dan sistem merespons arus bolak-balik (AC) adalah krusial. Dua konsep utama yang sering digunakan untuk menganalisis respons ini adalah impedansi dan admitans. Meskipun impedansi (Z) seringkali menjadi titik awal diskusi, admitans (Y) menawarkan perspektif komplementer yang sangat berguna, terutama dalam analisis rangkaian paralel dan sistem yang lebih kompleks.
Artikel ini akan mengupas tuntas admitans, mulai dari definisi dasar, hubungan matematisnya dengan impedansi, komponen-komponennya (konduktansi dan suseptansi), hingga aplikasi praktisnya dalam berbagai bidang teknik. Kita akan menjelajahi bagaimana admitans membantu menyederhanakan analisis rangkaian, memahami karakteristik komponen pada frekuensi berbeda, dan merancang sistem yang efisien.
Secara sederhana, admitans (Y) adalah ukuran kemudahan suatu rangkaian atau komponen untuk dilalui arus bolak-balik (AC). Ini adalah kebalikan matematis dari impedansi (Z), yang mengukur total oposisi terhadap aliran arus AC. Jika impedansi mengukur "hambatan" total, maka admitans mengukur "kemudahan aliran" total. Admitans direpresentasikan dengan simbol Y
dan memiliki satuan Siemens (S), yang juga dikenal sebagai mho (kebalikan dari ohm).
Konsep admitans menjadi sangat intuitif ketika kita berpikir tentang rangkaian paralel. Dalam rangkaian paralel, resistansi (R) tidak bisa langsung dijumlahkan; sebaliknya, konduktansi (G = 1/R) lah yang dijumlahkan. Admitans memperluas konsep ini ke domain AC, di mana kita berurusan dengan komponen reaktif (induktor dan kapasitor) selain resistor.
Memahami admitans memberikan perspektif yang berbeda namun saling melengkapi dengan impedansi, memungkinkan insinyur dan teknisi untuk memilih alat analisis yang paling sesuai untuk tugas yang ada.
Seperti yang telah disebutkan, admitans adalah kebalikan dari impedansi. Impedansi (Z) sendiri merupakan bilangan kompleks yang terdiri dari bagian real (resistansi R) dan bagian imajiner (reaktansi X).
R
adalah resistansi (dalam Ohm), bagian real dari impedansi yang merepresentasikan disipasi energi.X
adalah reaktansi (dalam Ohm), bagian imajiner dari impedansi yang merepresentasikan penyimpanan dan pelepasan energi reaktif (oleh induktor atau kapasitor).j
adalah unit imajiner, sqrt(-1)
.Admitans (Y) juga merupakan bilangan kompleks, terdiri dari bagian real yang disebut konduktansi (G) dan bagian imajiner yang disebut suseptansi (B).
G
adalah konduktansi (dalam Siemens), bagian real dari admitans.B
adalah suseptansi (dalam Siemens), bagian imajiner dari admitans.Hubungan langsung antara Y dan Z adalah:
Untuk mendapatkan G dan B dalam bentuk R dan X, kita harus mengalikan pembilang dan penyebut dengan konjugat kompleks dari impedansi (R - jX):
Y = 1 / (R + jX) * (R - jX) / (R - jX) Y = (R - jX) / (R² + X²) Y = R / (R² + X²) - jX / (R² + X²)
Dari persamaan ini, kita dapat mengidentifikasi:
Penting untuk dicatat bahwa konduktansi G bukan hanya 1/R, dan suseptansi B bukan hanya 1/X, kecuali dalam kasus khusus di mana X=0 (untuk G) atau R=0 (untuk B). Nilai G dan B bergantung pada kedua komponen impedansi.
Sebaliknya, jika kita memiliki G dan B, kita bisa mendapatkan R dan X:
Z = 1 / Y Z = 1 / (G + jB) * (G - jB) / (G - jB) Z = (G - jB) / (G² + B²) Z = G / (G² + B²) - jB / (G² + B²)
Maka:
Mari kita selami lebih dalam kedua komponen admitans:
Konduktansi adalah bagian real dari admitans. Ini merepresentasikan kemampuan komponen atau rangkaian untuk mengalirkan arus listrik secara resistif, yaitu yang berkaitan dengan disipasi energi. Dalam konteks DC, konduktansi murni adalah kebalikan dari resistansi (G = 1/R). Namun, dalam AC, seperti yang kita lihat dari rumus di atas, G juga dipengaruhi oleh reaktansi X.
Satuan konduktansi adalah Siemens (S).
Ciri-ciri Konduktansi:
Suseptansi adalah bagian imajiner dari admitans. Ini merepresentasikan kemampuan komponen atau rangkaian untuk menyimpan dan melepaskan energi listrik dalam bentuk medan magnet (induktor) atau medan listrik (kapasitor), tanpa disipasi energi permanen. Suseptansi adalah kebalikan dari reaktansi, dengan tanda negatif.
Satuan suseptansi adalah Siemens (S).
Jenis Suseptansi:
Z_L = jωL
. Maka, admitansinya adalah:
Y_L = 1 / (jωL) = -j / (ωL)Dari sini,
G = 0
dan B_L = -1 / (ωL)
. Suseptansi induktif bersifat negatif. Semakin tinggi frekuensi (ω), semakin kecil nilai absolut suseptansi induktif.
Z_C = 1 / (jωC) = -j / (ωC)
. Maka, admitansinya adalah:
Y_C = 1 / (-j / (ωC)) = jωCDari sini,
G = 0
dan B_C = ωC
. Suseptansi kapasitif bersifat positif. Semakin tinggi frekuensi (ω), semakin besar nilai suseptansi kapasitif.
Tanda negatif pada suseptansi induktif dan positif pada suseptansi kapasitif konsisten dengan sifat reaktansinya. Reaktansi induktif (X_L = ωL) positif, sedangkan reaktansi kapasitif (X_C = -1/(ωC)) negatif. Karena B = -X / (R² + X²) atau B = -1/X (kasus murni), maka B_L akan negatif dan B_C akan positif.
Karena admitans adalah bilangan kompleks, ia dapat direpresentasikan dalam bidang kompleks, yang sering disebut bidang admitans atau bidang Y. Sumbu horizontal merepresentasikan konduktansi (G), dan sumbu vertikal merepresentasikan suseptansi (B).
Setiap titik di bidang ini merepresentasikan admitans suatu rangkaian pada frekuensi tertentu. Vektor dari titik asal (0,0) ke titik (G, B) memiliki panjang yang merupakan magnitudo admitans (|Y|) dan sudut yang merupakan sudut fasa admitans (φ_Y).
Gambar 1: Representasi Admitans dalam Bidang Kompleks.
Bentuk Polar Admitans: Seperti impedansi, admitans juga dapat dinyatakan dalam bentuk polar:
Di mana:
|Y| = sqrt(G² + B²)
adalah magnitudo admitans.φ_Y = arctan(B / G)
adalah sudut fasa admitans.Sudut fasa ini penting karena menunjukkan hubungan fasa antara arus dan tegangan. Jika φ_Y
positif, arus mendahului tegangan (kapasitif). Jika φ_Y
negatif, arus tertinggal dari tegangan (induktif).
Mari kita lihat bagaimana admitans dihitung untuk komponen pasif dasar:
Z_R = R
(tanpa bagian imajiner, X=0).
Maka, admitansinya adalah:
Y_R = 1 / Z_R = 1 / RDalam hal ini,
G = 1/R
dan B = 0
. Admitansi resistor murni adalah murni konduktif.
Z_L = jωL
.
Maka, admitansinya adalah:
Y_L = 1 / (jωL) = -j / (ωL) = j(-1/(ωL))Dalam hal ini,
G = 0
dan B_L = -1/(ωL)
. Admitansi induktor murni adalah murni suseptif induktif (negatif).
Z_C = 1 / (jωC) = -j / (ωC)
.
Maka, admitansinya adalah:
Y_C = 1 / (-j/(ωC)) = jωCDalam hal ini,
G = 0
dan B_C = ωC
. Admitansi kapasitor murni adalah murni suseptif kapasitif (positif).
Gambar 2: Admitans Komponen R, L, dan C Murni.
Keunggulan utama admitans adalah dalam analisis rangkaian paralel. Ketika beberapa komponen terhubung secara paralel, tegangan (V) yang melintasi setiap komponen adalah sama. Arus total (I_total) adalah jumlah fasor dari arus individu (I_total = I1 + I2 + ...).
Menggunakan hukum Ohm dalam bentuk admitans (I = YV), kita punya:
I_total = Y1*V + Y2*V + ... + Yn*V I_total = (Y1 + Y2 + ... + Yn) * V
Maka, admitans total (Y_total) untuk rangkaian paralel adalah penjumlahan langsung dari admitans individu:
Ini jauh lebih sederhana daripada menjumlahkan impedansi secara paralel (1/Z_total = 1/Z1 + 1/Z2 + ...). Karena Y adalah bilangan kompleks, penjumlahan ini berarti menjumlahkan bagian real (G) dan bagian imajiner (B) secara terpisah:
Gambar 3: Penjumlahan Admitans dalam Rangkaian Paralel.
Untuk rangkaian seri, admitans total dihitung dengan cara yang sama seperti impedansi paralel: kebalikan dari penjumlahan admitans individu, atau lebih mudahnya, dengan menjumlahkan impedansi individu terlebih dahulu, lalu mengambil kebalikannya.
Meskipun secara teoritis bisa menghitung admitans dari setiap komponen lalu mencari kebalikan dari penjumlahan admitansnya, pendekatan ini umumnya lebih rumit karena melibatkan penjumlahan bilangan kompleks di penyebut. Oleh karena itu, admitans lebih disukai untuk rangkaian paralel, sementara impedansi lebih disukai untuk rangkaian seri.
Mari kita hitung admitans untuk beberapa skenario:
Misalkan kita memiliki resistor R = 10 Ω
dan induktor L = 100 mH
yang terhubung paralel ke sumber AC dengan frekuensi f = 50 Hz
.
Langkah 1: Hitung frekuensi sudut (ω).
ω = 2πf = 2π * 50 = 100π rad/s ≈ 314.16 rad/s
Langkah 2: Hitung admitans masing-masing komponen.
Y_R = 1/R = 1/10 = 0.1 SJadi,
Y_R = 0.1 + j0 S
.
X_L = ωL = 100π * 0.1 = 10π Ω ≈ 31.416 Ω
.
Impedansi induktif: Z_L = jX_L = j10π Ω
.
Admitansi induktif:
Y_L = 1 / Z_L = 1 / (j10π) = -j / (10π) ≈ -j0.0318 SJadi,
Y_L = 0 - j0.0318 S
.
Langkah 3: Jumlahkan admitans untuk rangkaian paralel.
Y_total = Y_R + Y_L Y_total = (0.1 + j0) + (0 - j0.0318) Y_total = 0.1 - j0.0318 S
Dari sini, G = 0.1 S
dan B = -0.0318 S
.
Magnitudo admitans total:
|Y_total| = sqrt(G² + B²) = sqrt(0.1² + (-0.0318)²) |Y_total| = sqrt(0.01 + 0.00101124) = sqrt(0.01101124) ≈ 0.1049 S
Sudut fasa:
φ_Y = arctan(B/G) = arctan(-0.0318 / 0.1) = arctan(-0.318) ≈ -17.65°
Jadi, Y_total ≈ 0.1049 ∠ -17.65° S
. Ini menunjukkan bahwa rangkaian bersifat induktif (arus tertinggal dari tegangan, sudut negatif).
Misalkan R = 50 Ω, C = 10 µF, L = 20 mH. Frekuensi f = 1 kHz.
Langkah 1: Hitung frekuensi sudut (ω).
ω = 2πf = 2π * 1000 = 2000π rad/s ≈ 6283.19 rad/s
Langkah 2: Hitung impedansi/admitans masing-masing komponen.
Z_R = 50 Ω
X_C = -1/(ωC) = -1/(2000π * 10*10⁻⁶) = -1/(0.02π) ≈ -15.915 Ω
Z_C = -j15.915 Ω
X_L = ωL = 2000π * 20*10⁻³ = 40π Ω ≈ 125.66 Ω
Z_L = j125.66 Ω
Langkah 3: Hitung impedansi cabang seri (R dan C).
Z_RC = Z_R + Z_C = 50 - j15.915 Ω
Langkah 4: Hitung admitans cabang seri (Y_RC) dan admitans induktor (Y_L).
Y_RC = 1 / Z_RC = 1 / (50 - j15.915) Y_RC = (50 + j15.915) / (50² + 15.915²) Y_RC = (50 + j15.915) / (2500 + 253.28) Y_RC = (50 + j15.915) / 2753.28 Y_RC ≈ 0.01816 + j0.00578 S
Y_L = 1 / Z_L = 1 / (j125.66) = -j / 125.66 ≈ -j0.00796 S
Langkah 5: Jumlahkan admitans untuk rangkaian paralel.
Y_total = Y_RC + Y_L Y_total = (0.01816 + j0.00578) + (0 - j0.00796) Y_total = 0.01816 - j0.00218 S
Dari sini, G = 0.01816 S
dan B = -0.00218 S
.
Magnitudo admitans total:
|Y_total| = sqrt(0.01816² + (-0.00218)²) |Y_total| = sqrt(0.0003297 + 0.00000475) = sqrt(0.00033445) ≈ 0.01829 S
Sudut fasa:
φ_Y = arctan(-0.00218 / 0.01816) = arctan(-0.120) ≈ -6.84°
Jadi, Y_total ≈ 0.01829 ∠ -6.84° S
. Rangkaian ini masih sedikit induktif secara keseluruhan pada frekuensi ini.
Sama seperti impedansi, admitans sangat bergantung pada frekuensi (ω atau f) untuk komponen reaktif. Perubahan frekuensi akan mengubah nilai reaktansi X, dan pada gilirannya mengubah nilai konduktansi G dan suseptansi B.
B_L = -1/(ωL)
. Nilai absolutnya menurun seiring dengan peningkatan frekuensi. Pada frekuensi rendah, induktor memiliki admitans absolut yang tinggi (memungkinkan arus mengalir dengan mudah), dan pada frekuensi tinggi, admitansnya rendah (menghambat arus).B_C = ωC
. Nilai absolutnya meningkat seiring dengan peningkatan frekuensi. Pada frekuensi rendah, kapasitor memiliki admitans absolut yang rendah (menghambat arus), dan pada frekuensi tinggi, admitansnya tinggi (memungkinkan arus mengalir dengan mudah).Perilaku yang berlawanan antara induktor dan kapasitor terhadap frekuensi adalah dasar dari banyak aplikasi, seperti filter dan rangkaian resonansi.
Dalam analisis sistem tenaga listrik yang besar, matriks admitans (sering disebut matriks Y-bus atau Y-matrix) adalah alat fundamental. Matriks ini menggambarkan hubungan admitans antara semua bus (titik koneksi) dalam sistem daya. Ini digunakan secara ekstensif dalam:
Penggunaan admitans di sini lebih praktis karena bus-bus dalam sistem daya seringkali terhubung secara paralel melalui jalur transmisi dan beban.
Matriks admitans untuk jaringan dua-port didefinisikan sebagai:
[ I1 ] [ Y11 Y12 ] [ V1 ] [ I2 ] = [ Y21 Y22 ] [ V2 ]
Di mana:
Y11
adalah admitans input dengan output dihubung pendek (V2=0).Y12
adalah admitans transfer balik dengan input dihubung pendek (V1=0).Y21
adalah admitans transfer maju dengan output dihubung pendek (V2=0).Y22
adalah admitans output dengan input dihubung pendek (V1=0).Ini memungkinkan kita untuk memodelkan bagaimana arus dan tegangan di port input dan output saling mempengaruhi.
Dalam bidang biomedis, analisis bio-impedansi menggunakan konsep admitans untuk mengukur sifat-sifat jaringan biologis. Tubuh manusia, organ, dan sel memiliki sifat resistif dan reaktif yang dapat diukur dengan menerapkan arus AC kecil dan mengukur tegangan yang dihasilkan. Perubahan dalam admitans (atau impedansi) ini dapat memberikan informasi tentang:
Meskipun admitans awalnya adalah konsep listrik, ia memiliki analogi dalam sistem fisik lainnya. Dalam akustik dan getaran mekanik, ada konsep admitans mekanik (atau impedansi mekanik). Di sini, "kekuatan" (force) adalah analog tegangan, dan "kecepatan" (velocity) adalah analog arus. Admitans mekanik adalah rasio kecepatan terhadap gaya.
Dalam geofisika, teknik magnetotellurik digunakan untuk menyelidiki struktur bawah permukaan bumi. Ini melibatkan pengukuran medan listrik dan magnet alami bumi, yang kemudian digunakan untuk menghitung impedansi atau admitans bumi. Perubahan admitans ini dapat mengindikasikan keberadaan air, mineral, atau struktur geologi lainnya.
Pengukuran admitans biasanya dilakukan dengan menggunakan instrumen yang canggih, terutama pada frekuensi tinggi:
Untuk memperjelas perbedaan dan kapan menggunakannya, berikut adalah perbandingan singkat:
Admitans adalah konsep yang sangat penting dan komplementer terhadap impedansi dalam analisis rangkaian AC. Dengan mendefinisikan kemudahan aliran arus, admitans menyederhanakan perhitungan dalam rangkaian paralel dan memberikan wawasan yang lebih dalam tentang perilaku komponen reaktif. Konduktansi (G) dan suseptansi (B) sebagai bagian real dan imajiner admitans masing-masing menggambarkan disipasi dan penyimpanan energi.
Dari desain filter, analisis resonansi, hingga pemodelan sistem tenaga yang kompleks dan bahkan aplikasi biomedis, admitans menyediakan kerangka matematis yang kuat. Pemahaman yang mendalam tentang admitans, bersama dengan impedansi, adalah fundamental bagi setiap insinyur atau teknisi yang bekerja dengan sirkuit dan sistem AC. Kemampuan untuk beralih antara kedua perspektif ini memberikan fleksibilitas dan efisiensi dalam menyelesaikan masalah rekayasa yang beragam.
Seiring dengan perkembangan teknologi dan semakin kompleksnya sistem elektronik, penggunaan alat analisis seperti admitans akan terus menjadi relevan dan bahkan menjadi semakin penting, terutama dalam menghadapi tantangan frekuensi tinggi dan integrasi sistem multi-port.