Dasar Elektronika – Kapasitor

sekolah
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.

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 = CV …………….(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 rumusan 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

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 dielektrikum

Gambar diatas menunjukan bahwa ada dua buah plat yang dibatasi udara. Jarak kedua plat dinyatakan sebagai d dan tegangan listrik yang masuk.

Besaran Kapasitansi
Kapasitas dari sebuah kapasitor adalah perbandingan antara banyaknya muatan listrik dengan tegangan kapasitor.
                                               
Keterangan :
C = Q /  V
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 kemampuan 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.

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.

Karakteristik Berbagai Macam Kapasitor
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 =   1/2π f c
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.

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

         
Berdasarkan gambar 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

Berdasarkan gambar diatas maka :
V=V1=V2=V3=E
Ct.V=C1V1+C2V2+C3V3
Ct=C1+C2+C3

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 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 ).

Kapasitor Tetap
Kapasitor yang mempunyai kapasitansi yang tetap. Jenis-jenis kapasitor tetap antara lain :
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.

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.

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:

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. Formulanya :
T = R x C                  
T = time ( waktu dalam detik)
R = resistansi (dalam ohm)
C = Kapasitansi (dalam Farad)
Formula 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.

Pass AC 

Berikut adalah beberapa bentuk kapasitor :

Kapasitor keramik(nonpolar) dan elektrolit(polar)
Aneka ragam kapasitor

Induktif :
HL= ½ L I2         [joule]
L=µoNA2 / l
µo=4π 10-7
XL=2 πfl
H=I2 XL t 

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *