Jumat, 30 November 2012

PRINSIP KERJA KAPASITOR | CARA KERJA KAPASITOR

Pada kesempatan kali ini1 saya akan mencoba membahas mengenai cara kerja dari kapasitor. Kebanyakan orang terkadang masih bingung mengenai cara kerja dari kapasitor. Saya sendiri pada saat kuliah juga beberapa kali berubah pemahaman tentang bagaimana sebenarnya kapasitor itu bekerja. Seingat saya dulu pernah salah satu dosen bidang elektronika mengatakan bahwa kapasitor itu tidak bisa dilewati oleh arus searah dan oleh arus bolak-balik dianggap bagaikan seutas kawat. Sehingga pada waktu itu saya dan teman-teman khususnya salah satu sohib saya yang senang menganalisa rangkaian elektronika mempunyai pandangan seperti yang dikatakan oleh dosen tersebut. Sampai saat ini juga saya masih sering menjumpai beberapa orang yang menyimpulkan bahwa cara kerja kapasitor itu adalah seperti pendapat di atas. Sebenarnya saya tidak menyalahkan sepenuhnya pemahaman di atas, hanya saja setelah beberapa kali saya melakukan analisa terhadap kerja kapasitor sesungguhnya tidak bisa kita simpulkan secara pasti seperti pendapat di atas. Kapasitor itu bekerja sesuai dengan sifat atau karakteristik asli dari kapasitor itu sendiri. Tidak membedakan apakah arus searah atau arus bolak balik, yang pasti kapasitor hanya bekerja sesuai dengan karakterisitik yang sebenarnya.
Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867) dan dengan satuan farad. Komponen penyusun kapasitor itu sebenarnya adalah dua buah plat sejajar yang dipisahkan oleh bahan dielektrik (contoh : vacum, kertas, mika, keramik dll ) dan mempunyai sifat dasar bahwa kapasitor itu bila dialiri arus listrik maka akan menyimpan muatan, pengisian muatan itu terjadi selama kapasitor itu belum terisi penuh. Kemudian kapasitor akan melakukan pelepasan muatan apabila polaritas tegangan dari terminal yang dihubungkan padanya lebih rendah. Pelepasan muatan ini bisa saja terjadi walaupun kapasitor belum terisi penuh selama adanya perbedaan polaritas. Sesuai dengan aturan listrik bahwa arus listrik itu mengalir dari polaritas yang lebih tinggi ke polaritas yang lebih rendah. Muatan yang tersimpan dalam kapasitor dapat dihitung dengan rumus :

Q = C V

Dimana : 

Q = Muatan listrik dalam Coulomb
C = Nilai kapasitansi dalam Farad
V = Nilai tegangan dalam volt

Nilai kapasitansi dihitung dengan rumus :

C = (8,85 x 10-12) (k A/t)

Dimana :

K = Konstanta dielektrik

Untuk bisa memahami secara meyakinkan mengenai cara kerja kapasitor, mari kita pelajari beberapa kombinasi dari rangkaian kapasitor di bawah ini.

I. Cara Kerja Kapasitor Pada Pengujian I




Gambar sinyal saat pelepasan muatan lebih lama

Mari kita perhatikan gambar di atas, pada saat saklar SW1 kita hubungkan dengan + supply 9V, maka kapasitor akan melakukan proses pengisian. Karena tidak ada tahanan kapasitor C1 bisa terisi langsung dengan cepat. Kemudian saat kita ubah posisi SW1 ke ujung R1 47K maka, kapasitor C1 akan melakukan pelepasan muatan. Hal ini terjadi karena polaritas pada ujung R1 lebih kecil dibanding dengan polaritas pada ujung terminal C1. Polaritas tegangan pada C1 adalah sesuai dengan supply pada waktu pengisian sedangkan pada R1 adalah 0 volt. Proses pelepasan muatan C1 bisa anda lihat pada gambar grafik di atas, dimana pelepasan kapasitor berlangsung sedikit lama dikarenakan ditahan oleh R1. R1 membuat arus yang mengalir pada saat pelepasan muatan menjadi kecil sehingga proses pelepasan menjadi lebih lama. 

II. Cara Kerja Kapasitor Pada Pengujian II






Gambar sinyal saat pengisian muatan lebih lama

Coba perhatikan gambar di atas, sengaja saya rancang berkebalikan dengan rangkaian kapasitor yang pertama supaya anda bisa dengan mudah memahami. Jika pada rangkaian pertama proses pengisian berlangsung sangat cepat dan proses pelepasan terjadi lebih lama, tapi pada rangkaian yang kedua ini proses pengisian yang menjadi lebih lama, sedangkan proses pelepasan terjadi sangat cepat sekali. Mengapa demikian karena semakin besar tahanan yang dipasang seri dengan kapasitor baik itu pada rangkaian pengisian atau pelepasan maka arus yang mengalir dari kapasitor akan semakin kecil sehingga muatan listrik yang ada pada kapasitor akan lebih lama habisnya. Sedangkan jika tidak ada tahanan yang dipasang seri terhadap kapasitor maka arus akan mengalir lebih besar dan kapasitor akan terisi penuh dengan lebih cepat. Kejadian di atas bisa anda analogikan seperti sebuah penampungan air. Pipa yang mempunyai diameter lebih besar akan menjadikan pengisian atau pembuangan air menjadi lebih cepat, sedangkan pipa yang lebih kecil akan membuat pengisian atau pembuangan air menjadi lebih lama.

III. Cara Kerja Kapasitor Pada Pengujian III







Gambar sinyal tegangan kapasitor dengan tegangan AC 

Pada rangkaian yang ketiga ini saya akan mencoba kerja kapasitor dengan sumber tegangan bolak balik 10 Vac dan frekuensi 1 Hz. Yang menarik bagi saya sejak dulu kebanyakan orang berpendapat bahwa arus bolak balik bisa melewati kapasitor seperti sebuah kawat sedangkan arus searah tidak bisa melakukannya. Coba perhatikan gambar grafik di atas, Sinyal yang berwarna merah adalah tegangan yang diukur dengan osiloscope pada kapasitor 100 µF (rangkaian I) sedangkan sinyal yang berwarna biru adalah tegangan yang diukur pada kapasitor 1 µF (rangkaian II). Jika kita cermati maka sesungguhnya pada rangkaian I, kapasitor 100 µF berkerja hampir seperti sebuah kawat, sehingga tegangan sebagian besar akan jatub pada resistor dan tegangan pada kapasitornya sendiri mendekati 0 volt (sesuai dengan aturan pembagian tegangan). Kemudian pada rangkaian II, kapasitor bekerja seperti kawat yang terbuka, ini bisa kita lihat dari tegangan yang ada pada kapasitor tersebut. Tegangan yang berwarna biru pada grafik di atas menunjukkan tegangan yang ada pada kapasitor 1 µF, dimana tegangan tersebut hampir sama dengan tegangan puncak dari tegangan supply. Cara kerja kapasitor pada rangkaian II bagaikan saklar yang terbuka dan tahanan yang begitu besar membuat tegangan sebagian besar jatuh padanya. 

Analisa dari kedua rangkaian dengan tegangan AC di atas adalah :

  1. Pada rangkaian I, nilai kapasitor lebih besar akan membuat proses pengisian menjadi lambat sehingga kapasitor baru terisi sedikit, supply tegangan sudah berbalik ke siklus sebaliknya.
  2. Pada rangkaian II, nilai kapasitor yang lebih kecil akan membuat proses pengisan menjadi lebih cepat, sehingga kapasitor telah terisi penuh sebelum siklus selanjutnya dan pada kondisi kapasitor yang penuh arus tidak akan bisa melewati kapasitor dikarenakan adanya keseimbangan. Jadi dengan begitu tegangan antara kapasitor akan sama dengan tegangan supply (seharunya tegangan kapasitor mendelkati 0 V jika berpedoman pada pendapat kebanyakan orang selama ini, kenyataannya malah berkebalikan.
  3. Pada rangkaian I dan II tidak memiliki perbedaan prinsip, intinya pada saat proses pengisian kapasitor sebelum kapasitor terisi penuh maka arus akan tetap mengalir pada rangkaian. Tetapi arus tidak akan mengalir lagi jika kapasitor sudah terisi penuh. Pelepasan muatan terjadi apabila nilai potensial berkebalikan dengan posisi potensial pada saat pengisian.

IV. Cara Kerja Kapasitor Pada Pengujian IV





Gambar perbandingan sinyal kapasitor dengan tahanan yang dipasang seri 
Yang terakhir adalah rangkaian yang saya yakin akan membuat anda paham dengan cara kerja kapasitor. Coba pehatikan, jumlah tegangan pada R5 dan C5 adalah sama dengan tegangan supply sesuai dengan yang ditunjukkan grafik di atas. Tegangan pada kapasitor ditunjukkan oleh kurva yang berwarna merah sedangkan tegangan pada resistor oleh kurva yang berwarna biru. Alur kerjanya adalah, arus listrik mengalir melalui kapasitor kemudian berlanjut pada resistor. Selama kapasitor belum terisi penuh maka arus listrik akan tetap mengalir pada rangkaian tersebut, arus listrik yang mengalir akan semakin mengecil seiring terisinya kapasitor. Jika pada pengisian tegangan pada kapasitor bernilai kecil, maka sisa tegangan yang lebih besar jatuh pada resistor, sebaliknuya pada saat kapasitor sudah terisi penuh maka tegangan yang jatuh pada resistor akan bernilai 0 volt dikarenakan tidak ada lagi arus yang mengalir pada rangkaian.

Dari beberapa kombinasi rangkaian pengujian kapasitor di atas, maka kesimpulannya adalah :

  1. Kapasitor bisa dilewati oleh arus searah maupun arus bolak-balik. Hanya saja pada rangkaian arus searah, arus hanya akan mengalir pada saat proses pengisian kapasitor dan kapasitor belum terisi penuh.
  2. Kapasitor tetap tidak bisa dilewati oleh arus bolak balik manakala nilai dari kapasitor tersebut terlalu kecil dibandingkan dengan tegangan supply yang diberikan kepada kapasitor serta frekuennsi tegangan supply tersebut. Hal ini dikarenakan kapasitor sudah terisi penuh jauh sebelum siklus sinyal selanjutnya.
  3. Selama pengisian kapasitor, arus yang mengalir pada rangkaian akan semakin kecil sampai mencapai 0 ampere pada saat kapasitor penuh.
  4. Proses pelepasan terjadi apabila kedua kaki kapasitor mendapatkan potensial listrik yang terbalik dari pada saat pengisian. Atau dengan kata lain adanya perbedaan potensial antara kapasitor dengan rangkaian yang terhubung padanya.

Cara Kerja Kapasitor

Pengenalan Cara Kerja Kapasitor
Kapasitor Flash dari kamera point-and-shoot.
Di satu sisi, kapasitor sedikit mirip baterai. Meskipun mereka benar-benar bekerja dalam cara yang berbeda, kapasitor dan baterai baik menyimpan energi listrik. Jika Anda telah mengetahui carakerja baterai, Maka anda akan tahu bahwa baterai memiliki dua terminal. Di dalam baterai, reaksi kimia menghasilkan elektron pada satu terminal dan menyerap elektron pada terminal lain. kapasitor adalah jauh lebih sederhana dari baterai, karena tidak dapat menghasilkan elektron baru. Pada artikel ini, kita akan belajar apa kapasitor, apa yang dilakukan dan bagaimana itu digunakan dalam elektronik. Kami juga akan melihat sejarah kapasitor dan bagaimana beberapa orang membantu kemajuanya. Di dalam kapasitor, terminal koneksi ke dua piringan logam dipisahkan denganzat dielektrik. Anda dapat dengan mudah membuat kapasitor dari dua potong aluminium foil dan secarik kertas. Ini tidak akan menjadi kapasitor yang sangat baik dalam hal kapasitas penyimpanan, tetapi akan bekerja.
Secara teoritis, dapat dielektrik substansi non-konduktif. Namun, untuk aplikasi praktis, bahan khusus digunakan yang paling sesuai dengan fungsi kapasitor itu. Mika, keramik, Selulosa, porselin, Mylar, Teflon dan bahkan udara adalah beberapa bahan non-konduktif digunakan. Dielektrik menentukan jenis kapasitor itu dan untuk apa yang paling cocok. Tergantung pada ukuran dan jenis dielektrik, beberapa kapasitor lebih baik untuk frekuensi tinggi menggunakan, sementara beberapa yang lebih baik untuk aplikasi tegangan tinggi. Kapasitor dapat diproduksi untuk melayani tujuan apapun, dari kapasitor plastik terkecil di kalkulator Anda, untuk sebuah kapasitor ultra yang dapat kekuatan bus komuter.
NASA menggunakan kapasitor kaca untuk membantu bangun sirkuit pesawat ulang-alik dan membantu menempatkan pesawat antariksa. Berikut adalah beberapa berbagai jenis kapasitor dan bagaimana mereka digunakan.
  • Air – Sering digunakan dalam rangkaian tuning radio
  • Mylar – Umumnya digunakan untuk rangkaian timer seperti jam, Alarm dan penghitung
  • Kaca – Baik untuk aplikasi tegangan tinggi
  • Keramik – Digunakan untuk tujuan frekuensi tinggi seperti antena, Sinar X dan MRI mesin Super kapasitor – Powers listrik dan mobil hibrid
Pada bagian berikutnya, kita akan melihat lebih dekat bagaimana kapasitor bekerja.
Sirkuit Kapasitor
Dalam sirkuit elektronik, Kapasitor ditampilkan seperti ini:
Bila Anda menghubungkan kapasitor untuk baterai, Inilah yang terjadi:

  • Piringan pada kapasitor yang menempel ke terminalnegatif baterai menerima elektron yang memproduksi baterai.
  • Piringan pada kapasitor yang menempel ke terminalpositif dari baterai kehilangan elektron untuk baterai.
Setelah itu dibebankan, kapasitor sama memiliki voltase sebagai baterai (1,5 volt pada baterai 1,5 volt berarti pada kapasitor). Untuk kapasitor kecil, kapasitas kecil. Tapi kapasitor besar dapat memegang sedikit biaya. Anda dapat menemukan kapasitor sebesar kaleng soda yang cukup terus biaya untuk menyalakan lampu senter selama satu menit atau lebih.Bahkan alam menunjukkan kapasitor bekerja dalam bentuk kilat. Satu piring adalah awan, Piring lain adalah tanah dan petir tarifnya merilis antara dua “piring.” Jelas, dalam kapasitor yang besar, Anda dapat menyimpan sejumlah besar biaya! Katakanlah Anda menghubungkan kapasitor seperti ini:

Seperti Air Tower

Salah satu cara untuk memvisualisasikan aksi dari kapasitor adalah membayangkan sebagai menara airtersambung ke pipa. Sebuah menara air (tower) air tekanan – ketika sistem pompa air memproduksi air lebih dari kota membutuhkan, selisih tersebut disimpan di menara air. Kemudian, pada saat permintaan tinggi, kelebihan air mengalir keluar dari menara untuk menjaga tekanan ke atas. Sebuah kapasitor toko elektron dengan cara yang sama dan kemudian dapat melepaskan mereka nanti.

Di sini Anda memiliki baterai, sebuah dop dan kapasitor. Jika kapasitor cukup besar, apa yang akan Anda perhatikan adalah bahwa, ketika Anda menghubungkan baterai, bola lampu akan menyala sebagai arus mengalir dari baterai untuk kapasitor untuk mengisi itu. Bola lampu akan semakin redup dan akhirnya keluar setelah kapasitor mencapai kapasitasnya. Jika kemudian keluarkan baterai dan menggantinya dengan kawat, arus akan mengalir dari satu piring kapasitor yang lain. Bola lampu akan menyala redup awalnya dan kemudian sebagai kapasitor pelepasan, sampai benar-benar keluar.Pada bagian berikutnya, kita akan belajar lebih banyak tentang kapasitansi dan melihat rinci cara berbeda yang digunakan kapasitor.
Kapasitif
Touch Screens
Salah satu aplikasi yang lebih futuristik dari kapasitor adalah kapasitif layar sentuh. Ini adalah layar kaca yang sangat tipis, transparan metalik coating. Sebuah built-in biaya Pola elektroda layar jadi ketika menyentuh, suatu saat diambil untuk jari dan menciptakan drop tegangan. Ini lokasi yang tepat dari drop tegangan dijemput oleh controller dan dikirim ke komputer. Layar sentuh ini biasanya ditemukan di direktori bangunan interaktif dan lebih baru-baru ini di Apple’s iPhone.
Sebuah kapasitor storage potensial, atau kapasitansi, Diukur dalam satuan yang disebut farad. Sebuah kapasitor 1 farad dapat menyimpan satu coulomb (coo-Lomb) biaya sebesar 1 volt. coulomb adalah 6.25e18 (6,25 * 10 ^ 18, atau 6250000000 miliar) elektron. Satu amp merupakan tingkat aliran elektron dari 1 coulomb elektron per detik, sehingga kapasitor 1 farad dapat terus 1 op-keduaelektron pada 1 volt.Sebuah kapasitor 1 farad biasanya akan cukup besar. Mungkin sebesar sekaleng tuna atau botol soda 1-liter, tergantung pada tegangan dapat menangani. Untuk alasan ini, kapasitor biasanya diukur dalam microfarads (sepersejuta farad a). Untuk mendapatkan perspektif tentang seberapa besar farad adalah, berpikir tentang hal ini:
  • Sebuah basa standar AA baterai memiliki sekitar 2,8 amp-jam.
  • Itu berarti bahwa baterai AA bisa menghasilkan 2,8 ampuntuk satu jam sebesar 1,5 volt (sekitar 4,2 watt-jam – sebuah baterai AA bisa menyalakan lampu 4-watt untuk sedikit lebih dari satu jam).
  • Mari kita menyebutnya 1 volt untuk membuat matematikalebih mudah. Untuk menyimpan energi satu baterai AA dalam kapasitor, Anda akan membutuhkan 3.600 * 2,8 = 10.080 farad untuk memegangnya, karena sebuah op-amp 3.600 jam-detik.
Jika mengambil sesuatu ukuran kaleng tuna untuk mengadakan farad, lalu 10.080 farad akan mengambil ruang BANYAK lebih dari baterai AA tunggal! Jelas, ini tidak praktis untuk menggunakan kapasitor untuk menyimpan dengan jumlah yang signifikan kekuatan kecuali Anda melakukannya pada tegangan tinggi.
Aplikasi
Perbedaan antara kapasitor dan baterai adalah bahwa kapasitor dapat dump seluruh biaya dalam sepersekian detik, di mana baterai akan mengambil menit untuk benar-benar debit. Itu sebabnya lampu kilat elektronik padakamera menggunakan kapasitor – baterai biaya sampai kapasitor flash atas beberapa detik, dan kemudian kesedihan kapasitor muatan penuh ke dalam tabung flash hampir seketika. Hal ini dapat membuat, unit kapasitor besar flash dibebankan sangat berbahaya – dan TV telah peringatan tentang pembukaan mereka untuk alasan ini. Mereka mengandung kapasitor besar yang dapat, secara potensial, membunuh Anda dengan biaya yang mereka mengandung.
© Fotografer: Badan Newstocker |:
Sebuah keluarga kapasitor
Kapasitor digunakan dalam beberapa cara bagaimana sirkuit elektronik:
  • Kadang-kadang, kapasitor digunakan menyimpan biaya untuk kecepatan tinggi digunakan. Lasermenggunakan teknik ini juga menjadi sangat terang, berkedip sesaat.
  • Kapasitor juga dapat menghilangkan riak. Jika jalur yang membawa tegangan DC riak atau lonjakan di dalamnya, sebuah kapasitorbesar bahkan keluar tegangan dengan menyerap mengisi puncak dan dilembah-lembah.
  • Sebuah kapasitor dapat memblokir tegangan DC. JikaAnda kail kapasitor kecil untuk baterai, maka tidak ada arus akan mengalirantara kutub baterai setelah biaya kapasitor. Namun, setiap sinyalalternating current (AC) mengalir melalui kapasitor tanpa hambatan. Itu karena kapasitor akan men-charge dan debit sebagai alternating current berfluktuasi, menimbulkan kesan bahwa alternating current mengalir.
Pada bagian berikutnya, kita akan melihat sejarah kapasitor dan bagaimana beberapa pikiran paling cemerlang memberikan kontribusi untuk kemajuannya.
Sejarah kapasitor
Penemuan kapasitor bervariasi tergantung pada siapa Anda bertanya. Ada catatan yang menunjukkan seorang ilmuwan Jerman bernama Georg von Ewald Kleist
menemukan kapasitor pada bulan November 1745. Beberapa bulan kemudian Pieter van Musschenbroek, seorang profesor Belanda di Universitas Leiden datang dengan perangkat yang sangat mirip dalam bentukLeyden jar, Yang biasanya dikreditkan sebagai kapasitor pertama. Sejak Kleist tidak memiliki catatan rinci dan catatan, maupun ketenaran dari mitra Belanda, ia sering diabaikan sebagai kontributor untuk evolusi kapasitor ini. Namun, selama bertahun-tahun, keduanya telah diberi kredit yang sama seperti yang ditetapkan bahwa penelitian mereka independen satu sama lain dan hanya kebetulan sumber ilmiah [:Williams].
Tabung Leyden adalah alat yang sangat mudah. Ini terdiri dari tabung kaca, setengah diisi air dan berbaris di dalam dan keluar dengan foil logam. kaca bertindak sebagai dielektrik, meskipun berpikir untuk waktu bahwa air adalah bahan utama. Ada biasanya kawat logam atau rantai didorong melalui gabus di bagian atas tabung. rantai itu lalu mengaitkan sesuatu yang akan memberikan muatan listrik, kemungkinan besar tangan-menghidupkan statis generator. Sekali melahirkan, tabung akan terus dua sama tetapi berlawanan biaya dalam ekuilibrium sampai mereka terhubung dengan kawat, menghasilkan percikan sedikit atau sengatan sumber [:Williams].
Benjamin Franklin tabung bekerja dengan Leiden dalam eksperimen dengan listrik dan segera menemukan bahwa sepotong kaca datar juga bekerja sebagai model jar, mendorong dia untuk mengembangkan datar kapasitor, Atau persegi Franklin. Bertahun-tahun kemudian, kimiawan Inggris Michael Faraday akan memelopori aplikasi praktis pertama untuk kapasitor dalam berusaha tidak digunakan untuk menyimpanelektron dari eksperimennya. Hal ini menyebabkan kapasitor digunakan pertama, terbuat dari besar minyakbarel. kemajuan Faraday dengan kapasitor yang akhirnya memungkinkan kami untuk memberikan daya listrik jarak jauh. Sebagai hasil dari prestasi Faraday di bidang listrik, unit pengukuran untuk kapasitor, ataukapasitansi,