A. Pengertian
Kapasitor ialah
komponen elektronika yang mempunyai kemampuan menyimpan
electron-elektron selama waktu yang tidak tertentu. Kapasitor berbeda
dengan akumulator dalam menyimpan muatan listrik terutama tidak terjadi
perubahan kimia pada bahan kapasitor, besarnya kapasitansi dari sebuah
kapasitor dinyatakan dalam farad.
Pengertian lain Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat
menyimpan dan melepaskan muatan listrik. Struktur sebuah kapasitor
terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan
dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan
listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki
(elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif
terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat
mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak
bisa menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah oleh bahan
dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini "tersimpan" selama
tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena
kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan
negatif di awan. Kemampuan untuk menyimpan muatan listrik pada kapasitor
disebuat dengan kapasitansi atau kapasitas.
Gambar 1. Prinsip Dasar Kapasitor
Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron. Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael Faraday membuat
postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1
farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan elektron sebanyak 1
coulombs. Dengan rumus dapat ditulis :
Q = C * V …………….(1)
Q = muatan elektron dalam C (coulombs)
C = nilai kapasitansi dalam F (farads)
V = besar tegangan dalam V (volt)
HC= ½ * C * V2 [joule]
Dalam
praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui
luas area plat metal (A), jarak (t) antara kedua plat metal (tebal
dielektrik) dan konstanta (k) bahan dielektrik. Dengan rumus dapat ditulis sebagai berikut :
C = (8.85 x 10-12) (k A/t) ...(2)
Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang disederhanakan.
konstanta bahan dielektrik
Udara vakum
|
k = 1
|
Aluminium oksida
|
k = 8
|
Keramik
|
k = 100 - 1000
|
Gelas
|
k = 8
|
Polyethylene
|
k = 3
|
B. Prinsip Pembentukan Kapasitor
Jika
dua buah plat atau lebih yang berhadapan dan dibatasi oleh isolasi,
kemudian plat tersebut dialiri listrik maka akan terbentuk kondensator
(isolasi yang menjadi batas kedua plat tersebut dinamakan dielektrikum).
Bahan dielektrikum yang digunakan berbeda-beda sehingga
penamaan kapasitor berdasarkan bahan dielektrikum. Luas plat yang
berhadapan bahan dielektrikum dan jarak kedua plat mempengaruhi nilai
kapasitansinya.
Pada suatu rangkaian yang tidak terjadi kapasitor liar.
Sifat yang demikian itu disebutkan kapasitansi parasitic. Penyebabnya
adalah adanya komponen-komponen yang berdekatan pada jalur penghantar
listrik yang berdekatan dan gulungan-gulungan kawat yang berdekatan.
Gambar 2. Dielektrikum
Gambar diatas menunjukan bahwa ada dua buah plat yang dibatasi udara. Jarak kedua plat dinyatakan sebagai d dan tegangan listrik yang masuk.
C. Besaran Kapasitansi
Kapasitas dari sebuah kapasitor adalah perbandingan antara banyaknya muatan listrik dengan tegangan kapasitor.
Keterangan :
C = Kapasitas dalam satuan farad
Q = Muatan listrik dalam satuan Coulomb
V = Tegangan kapasitor dalam satuan Volt
Jika dihitung dengan rumus C= 0,0885 D/d. Maka kapasitasnya dalam satuan piko farad
D = luas bidang plat yang saling berhadapan dan saling mempengaruhi dalam satuan cm2.
d = jarak antara plat dalam satuan cm.
Bila tegangan antara plat 1 volt dan besarnya muatan listrik pada plat 1 coulomb, maka ke-mampuan menyimpan listriknya disebut 1 farad.
Dalam kenyataannya kapasitor dibuat dengan satuan dibawah 1 farad. Kebanyakan kapasitor elektrolit dibuat mulai dari 1mikrofarad sampai beberapa milifarad. Kapasitor variabel mempunyai ukuran fisik yang besar tetapi nilai kapasitansinya sangat kecil hanya sampai ratusan pikofarad.
D. Macam-macam kapasitor sesuai bahan dan konstruksinya.
Kapasitor
seperti juga resistor nilai kapasitansinya ada yang dibuat tetap dan
ada yang variabel. Kapasitor dielektrikum udara, kapasitansinya berubah
dari nilai maksimum ke minimum. Kapasitor variabel sering kita jumpai
pada rangkaian pesawat penerima radio dibagian penala dan osilator. Agar
perubahan kapasitansi di dua bagian tersebut
serempak maka digunakan kapasitor variabel ganda. Kapasitor variabel
ganda adalah dua buah kapasitor variabel dengan satu pemutar.
Berdasarkan dielektrikumnya kapasitor dibagi menjadi beberapa jenis, antara lain:
1. kapasitor keramik
2. kapasitor film
3. kapasitor elektrolit
4. kapasitor tantalum
5. kapasitor kertas
Kapasitor elektrolit dan kapasitor tantalum adalah kapasitor
yang mempunyai kutub atau polar, sering disebut juga dengan nama
kapasitor polar. Kapasitor film terdiri dari beberapa jenis yaitu
polyester film, poly propylene film atau polysterene film.
Kapasitor mika mampu menerima tegangan sampai ribuan volt pada rangkaian frequency tinggi. Kapasitor untuk rangkaian frekuensi tinggi electron-elektron harus mengisi plat-plat logam dan mengisi dielektrikumnya. Pada saat arus berubah arah electron-elektron harus meningkatkan dielektrikum. Perubahan arah arus yang terjadi pada kapasitor terhalangi oleh rintangan yang disebut hysterisis kapasitif.
Sifat-sifat kapasitor pada umumnya :
a. Terhadap tegangan dc merupakan hambatan yang sangat besar.
b. Terhadap tegangan ac mempunyai resistansi yang berubah-ubah sesuai dengan frequency kerja.
c. Terhadap tegangan ac akan menimbulkan pergeseran fasa, dimana arus 900 mendahului tegangannya.
Resistansi
dari sebuah kapasitor terhadap tegangan ac disebut reaktansi.
Disimbolkan dengan Xc, besarnya reaktansi kapasitor ditulis dengan rumus
:
Xc =
Keterangan :
Xc = Reaktansi kapasitif (ohm)
f = frekuensi kerja rangkain dalam satuan hertz
c = kapasitansi (farad)
Sebuah kapasitor dapat mengalami kerusakan apabila :
1. sudah lama terpakai
2. batas tegangan kerja terlampaui
3. kesalahan pada pemasangan polaritas yang tidak benar.
F. Kapasitansi Pada Rangkaian Kapasitor
Kapasitor
yang dihubungkan seri dengan kapastor lain, kemampuan menahan listrik
menjadi lebih tinggi, kapasitansi totalnya menjadi lebih rendah dan
bahan dielektrikum seolah-olah menjadi lebih tebal.
Jumlah muatan listrik pada setiap kapasitor menjadi sama besar. Jika
perbedaan potensial tiap-tiap kapasitor sama dengan pemberian tegangan
pada rangkaian
Gambar 3. Rangkaian Seri Kapasitor
Berdasarkan Gambar 3 diatas maka :
V=V1+V2+V3 , V1=Q1/C1
V2=Q2/C2 , V3=Q3/C3 , V=Q/C
Q/C=Q1/C1+Q2/C2+Q3/C3 sehingga :
1/Ct=1/C1+1/C2+1/C3
Bagaimana jika kapasitor dihubungkan secara parallel?
Beberapa
kapasitor dihubungkan parallel yang diberi tegangan V seperti gambar
dibawah, maka jumlah muatan seluruh sama dengan jumlah tegangan muatan
kapasitor. Tegangan pada tiap-tiap kapasitor sama dengan tegangan sumber
yang dicantumkan
Gambar 4. Rangkaian Pararel Kapasitor
Berdasarkan gambar diatas maka :
V=V1=V2=V3=E
Ct.V=C1V1+C2V2+C3V3
Ct=C1+C2+C3
G. Pengisian Dan Pengosongan Kapasitor
Saat
pengisian dan pengosongan muatan pada kapasitor, waktu lamanya
pengisian dan pengosongan muatannya tergantung dari besarnya nilai
resistansi dan kapasitansi yang digunakan pada rangkaian. Pada saat
saklar menghubungkan ketitik 1 arus listrik mengalir dari sumber-sumber
tegangan melalui komponen R menuju komponen C. Tegangan pada kapasitor
meningkat dari 0 volt sampai sebesar tegangan sumber, kemudian tak
terjadi aliran, saklar dipindahkan posisinya ke titik 2 maka terjadi
proses pengosongan. Seperti yang ditunjukan oleh gambar di bawah ini
Gambar 5. Rangkaian RC Hubungan Seri Dicatu Oleh Tegangan Dc.
Tegangan
kapasitor menurun, arah arus berlawanan dari arah pengisian. Tegangan
pada R menjadi negatif dan berangsur-angsur tegangannya menjadi 0 volt.
Pengisian dan pengosongan masing-masing memerlukan 5 R.C ( time constan
).
H. Kapasitor Tetap
Kapasitor yang mempunyai kapasitansi yang tetap. Jenis-jenis kapasitor tetap antara lain :
a. Kapasitor polar
Kelompok
kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan
dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang
termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan – di
badannya. Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena
proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup
positif anoda dan kutup negatif katoda.
Telah
lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium,
titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat
dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida (oxide film). Lapisan
oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti pada proses
penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup kedalam larutan electrolit
(sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan
electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan
electrolyte terlepas dan mengoksidai permukaan plat metal. Contohnya,
jika digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida
(Al2O3) pada permukaannya.
Gambar 5. Kapasitor Elco
Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksida
dan electrolyte (katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini
lapisan-metal-oksida sebagai dielektrik. Dari rumus (2) diketahui besar
kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal dielektrik. Lapisan
metal-oksida ini sangat
tipis, sehingga dengan demikian dapat dibuat kapasitor yang
kapasitansinya cukup besar. Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal
yang banyak digunakan adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling
banyak dan murah adalah Aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang
luas, bahan plat Aluminium ini biasanya digulung radial. Sehingga dengan
cara itu dapat diperoleh kapasitor yang kapasitansinya besar. Sebagai
contoh 100uF, 470uF, 4700uF dan lain-lain, yang sering juga disebut
kapasitor elco. Bahan electrolyte pada kapasitor Tantalum ada yang cair tetapi ada juga yang padat. Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolit
yang menjadi elektroda negatif-nya, melainkan bahan lain yaitu
manganese-dioksida. Dengan demikian kapasitor jenis ini bisa memiliki
kapasitansi yang besar namun menjadi lebih ramping dan
mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya
(lifetime) menjadi lebih tahan lama. Kapasitor tipe ini juga memiliki
arus bocor yang sangat kecil Jadi dapat dipahami mengapa kapasitor Tantalum menjadi relatif mahal.
b. Kapasitor non polar
Kapasitor non polar adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan
dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan
yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya
kecil. Tersedia dari besaran pF sampai beberapa uF, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan-bahan material seperti polyester
(polyethylene terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar),
polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainnya.
kapasitor yang memiliki nilai kapasitansi lebih dari 1 µF Yaitu:
c. Kapasitor Tidak tetap (variable)
Kapasitor
yang nilai kapasitansinya dapat berubah-ubah, nilai kapasitansi pada
kapasitor dapat dilihat dari kode yang terdapat pada fisik kapasitor.
Sebagai contoh, jika tertera 105, itu berarti 10 x 105 = 1.000.000 pF =
1000 nF = 1 µF. Nilai yang dibaca pF (pico farad). Kapasitor lain ada
yang tertulis 0.1 atau 0.01, jika demikian, maka satuan yang dipakai µF.
Jadi 0.1 berarti 0.1 µF.
Nilai
kapasitansi satu Farad menunjukkan bahwa kapasitor memiliki kemampuan
untuk menyimpan satu coulomb pada tegangan satu volt. Kapasitor pada
power supply menggunakan kapasitan sebesar 4700 µF. Sedang circuit pada
radio sering menggunakan besar kapasitan di bawah 10pF. Waktu yang
dibutuhkan kapasitor untuk mencapai pengisian optimal tergantung pada
besarnya nilai kapasitansi dan resistansi. Rumusnya :
T = R x C
T = time ( waktu dalam detik)
R = resistansi (dalam ohm)
C = Kapasitansi (dalam Farad)
Rumus
ini merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai 63 % nilai tegangan
pada sumber. Yang perlu diperhatikan adalah kapasitor akan melewatkan
arus AC bukan DC. Dalam rangkaian elektronika ini merupakan hal yang penting.
Gambar 6. Pass AC
Berikut adalah beberapa bentuk kapasitor :
Gambar 7. Kapasitor Keramik (Nonpolar) Dan Elektrolit (Polar)
Gambar 8. Aneka ragam kapasitor
Induktif : HL= ½ L I2 [joule]
L=µoNA2 / l
µo=4π 10-7
XL=2 πfl
H=I2 X L t
No comments:
Post a Comment