Makalah ini membahas tentang pengisian dan pengosongan kapasitor, termasuk jenis-jenis kapasitor dan proses pengisian serta pengosongannya."

1. MAKALAH ELEKTRONIKA DASAR I
PENGISIAN DAN PENGOSONGAN KAPASITOR
Dosen Pembimbing:
Misbah, M.Pd dan Sri Hartini, M.Sc
Disusun Oleh :
1. Yulia Nor Annisa
A1C412030
2. Maulida Muslimah
A1C412072
3. Lestari Indra Sari Z A1C412096
Kelas : B / 2012
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN IPA
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS LAMBUNG MANGKURAT
BANJARMASIN
2013
1

2. KATA PENGANTAR
Puji dan syukur marilah kita panjatkan ke hadirat Allah swt karena kita
telah diberi curahan nikmat dan kasih sayang yang berlimpah ruah. Tidak lupa
shalawat serta salam semoga terlimpah curahkan kepada junjungan kita Nabi
Besar Muhammad SAW, keluarganya, sahabatnya, dan kita sebagai umatnya.
Alhamdulillah akhirnya kami berhasil menyelesaikan Makalah Elektronika
Dasar 1 tentang Pengisian dan Pengosongan Kapasitor. Kami menyadari dalam
pembuatan maupun isi Makalah Elektronika Dasar 1 ini, masih belum sempurna.
Oleh karena itu, kami mengharapkan masukan yang sifatnya membangun.
Semoga makalah ini dapat dimanfaatkan dengan sebaik-baiknya dan berguna di
masa yang akan datang.
Banjarmasin,13 Desember 2013
Penyusun
2

3. DAFTAR ISI
HALAMAN
KATA PENGANTAR ....................................................................................... 2
DAFTAR ISI ..................................................................................................... 3
BAB I PENDAHULUAN
I.1 LATAR BELAKANG...................................................................... 4
I.2 TUJUAN........................................................................................... 4
BAB II PEMBAHASAN
II.1 KAPASITOR................................................................................... 5
II.2 JENIS-JENIS KAPASITOR........................................................... 5-10
II.3 PENGISIAN DAN PENGOSONGAN KAPASITOR................. 12-21
BAB III KESIMPULAN ................................................................................. 22
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 23
3

4. I.
I.1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kapasitor
terpenting.
merupakan
Rasanya
tak
salah
ada
satu
untai
piranti
elektronika
elektronika
yang
dirangkai
tanpa
menggunakan kapasitor. Kalaupun secara fisik kapasitor tidak dipakai
dalam suatu untai elektronika, watak kapasitas tetap hadir pada pirantipiranti yang lain, baik itu pada resistor, dioda, ataupun transistor. Oleh
sebab itu pemahaman watak-watak kapasitas mutlak perlu jika kita ingin
menguasai teknologi modern yang boleh dikata hampir selalu berkaitan
dengan elektronika.
Secara umum kapasitor terdiri dari dua elektroda yang terbuat dari
konduktor, dan bahan dielektrik yang berada di antara kedua elektroda itu.
Untuk mempelajari watak kapasitor tersebut diperlukan model ideal yang
sederhana. Di dalam model ini bahan dielektrik dianggap bersifat isolator
ideal, yakni tidak memiliki daya hantar listrik sama sekali. Dalam istilah
ilmiahnya konduktivitas listrik suatu isolator ideal sama dengan nol.
Muatan listrik tidak dapat menyeberangi bahan isolator ini.
I.2
Tujuan
1. Mengetahui fungsi dan jenis – jenis kapasitor
2. Memahami prinsip pengisian dan pengosongan kapasitor
3. Mengetahui grafik pengisian dan pengosongan kapasitor
4. Menentukan tetapan waktu dan kapasitas kapasitor
.
4

5. BAB II
PEMBAHASAN
II.1
KAPASITOR
Kapasitor banyak digunakan dalam sirkuit elektronik dan mengerjakan
berbagai fungsi. Pada dasarnya kapasitor merupakan komponen penyimpan
muatan listrik yang dibentuk dari dua permukaan yang berhubungan tapi
dipisahkan oleh satu penyekat. Bila elektron berpisah dari satu plat ke plat lain
akan terdapat muatan diantara kedua plat medium penyekat tadi. Muatan ini
disebabkan oleh muatan positif pada plat yang kehilangan elektron dan muatan
negatif pada plat yang memperoleh elektron. Adapun sifat –sifat kapasitor adalah
sebagai berikut.
a) Dapat menyimpan muatan listrik
b) Dapat menahan arus searah
c) Dapat melewatkan arus bolak balik
Kapasitor merupakan komponen pasif elektronika yang sering dipakai
didalam merancang suatu sistem yang berfungsi untuk mengeblok arus DC, Filter,
dan penyimpan energi listrik. Didalamnya 2 buah pelat elektroda yang saling
berhadapan dan dipisahkan oleh sebuah insulator. Sedangkan bahan yang
digunakan sebagai insulator dinamakan dielektrik. Ketika kapasitor diberikan
tegangan DC maka energi listrik disimpan pada tiap elektrodanya. Selama
kapasitor melakukan pengisian, arus mengalir. Aliran arus tersebut akan berhenti
bila
kapasitor telah penuh. Yang membedakan tiap - tiap kapasitor adalah
dielektriknya.
II.2
JENIS-JENIS KAPASITOR
Berikut ini adalah jenis – jenis kapasitor yang banyak dijual dipasaran.
1)
Electrolytic Capacitor
5

6. Elektroda dari kapasitor ini terbuat dari alumunium yang menggunakan
membran oksidasi yang tipis. Karakteristik utama dari Electrolytic Capacitor
adalah perbedaan polaritas pada kedua kakinya. Dari karakteristik tersebut kita
harus berhati – hati di dalam pemasangannya pada rangkaian, jangan sampai
terbalik. Bila polaritasnya terbalik maka akan menjadi rusak bahkan “meledak”.
Biasanya jenis kapasitor ini digunakan pada rangkaian power supply, low pass
filter , rangkaian pewaktu. Kapasitor ini tidak bisa digunakan pada rangkaian
frekuensi tinggi. Biasanya tegangan kerja dari kapasitor dihitung dengan cara
mengalikan tegangan catu daya dengan 2. Misalnya kapasitor akan diberikan catu
daya dengan tegangan 5 Volt, berarti kapasitor yang dipilih harus memiliki
tegangan kerja minimum 2 x 5 = 10 Volt.
2)
Tantalum Capacitor
Merupakan jenis electrolytic capacitor yang elektrodanya terbuat dari
material tantalum. Komponen ini memiliki polaritas, cara membedakannya
dengan mencari tanda + yang ada pada tubuh kapasitor, tanda ini menyatakan
bahwa pin dibawahnya memiliki polaritas positif. Diharapkan berhati-hati di
dalam pemasangan komponen karena tidak boleh terbalik. Karakteristik
temperatur dan frekuensi lebih bagus daripada electrolytic capacitor yang terbuat
dari bahan alumunium dan kebanyakan digunakan untuk sistem yang
6

7. menggunakan sinyal analog. Contoh aplikasi yang menggunakan kapasitor jenis
ini adalah noise limiter, coupling capacitor dan rangkaian filter.
3)
Ceramic Capacitor
Kapasitor menggunakan bahan titanium acid barium untuk dielektriknya.
Karena tidak dikonstruksi seperti koil maka komponen ini dapat digunakan pada
rangkaian frekuensi tinggi. Biasanya digunakan untuk melewatkan sinyal
frekuensi tinggi menuju ke ground. Kapasitor ini tidak baik digunakan untuk
rangkaian analog, karena dapat mengubah bentuk sinyal. Jenis ini tidak
mempunyai polaritas dan hanya tersedia dengan nilai kapasitor yang sangat kecil
dibandingkan dengan kedua kapasitor diatas.
4)
Multilayer Ceramic Capacitor
Bahan material untuk kapasitor ini sama dengan jenis kapasitor keramik,
bedanya terdapat pada jumlah lapisan yang menyusun dielektriknya. Pada jenis ini
dielektriknya disusun dengan banyak lapisan atau biasanya disebut dengan layer
dengan ketebalan 10 s/d 20 µm dan pelat elektrodanya dibuat dari logam yang
murni. Selain itu ukurannya kecil dan memiliki karakteristik suhu yang lebih
bagus daripada kapasitor keramik. Biasanya jenis ini baik digunakan untuk
aplikasi atau melewatkan frekuensi tinggi menuju tanah.
5)
Polyester Film Capacitor
7

8. Dielektrik dari kapasitor ini terbuat dari polyester film. Mempunyai
karakteristik suhu yang lebih bagus dari semua jenis kapasitor di atas. Dapat
digunakan untuk frekuensi tinggi. Biasanya jenis ini digunakan untuk rangkaian
yang menggunakan frekuensi tinggi, dan rangkaian analog. Kapasitor ini biasanya
disebut mylar dan mempunyai toleransi sebesar ±5% sampai ±10%.
6)
Polypropylene Capacitor
Kapasitor ini memiliki nilai toleransi yang lebih tinggi dari polyester film
capacitor. Pada umumnya nilai kapasitansi dari komponen ini tidak akan berubah
apabila dirancang disuatu sistem dimana frekuensi yang melaluinya lebih kecil
atau sama dengan 100KHz. Pada gambar disamping ditunjukkan kapasitor
polypropylene dengan toleransi ±1%.
7)
Kapasitor Mika
Jenis ini menggunakan mika sebagai bahan dielektriknya. Kapasitor mika
mempunyai tingkat kestabilan yang bagus, karena temperatur koefisiennya
rendah. Karena frekuensi karakteristiknya sangat bagus, biasanya kapasitor ini
8

9. digunakan untuk rangkaian resonansi, filter untuk frekuensi tinggi dan rangkaian
yang menggunakan tegangan tinggi misalnya: radio pemancar yang menggunakan
tabung transistor. Kapasitor mika tidak mempunyai nilai kapasitansi yang tinggi,
dan harganya relatif mahal.
8)
Polystyrene Film Capacitor
Dielektrik dari kapasitor ini menggunakan polystyrene film. Tipe ini tidak
bisa digunakan untuk aplikasi yang menggunakan frekuensi tinggi, karena
konstruksinya yang sama seperti kapasitor elektrolit yaitu seperti koil. Kapasitor
ini baik untuk aplikasi pewaktu dan filter yang menggunakan frekuensi beberapa
ratus KHz. Komponen ini mempunyai 2 warna untuk elektrodanya, yaitu: merah
dan abu – abu. Untuk yang merah elektrodanya terbuat dari tembaga sedangkan
warna abu – abu terbuat dari kertas alumunium.
9)
Electric Double Capacitor (Super Capacitor)
Jenis kapasitor ini bahan dielektriknya sama dengan kapasitor elektrolit.
Tetapi bedanya adalah ukuran kapasitornya lebih besar dibandingkan kapasitor
elektrolit yang telah dijelaskan di atas. Biasanya mempunyai satuan F. Gambar
bentuk fisiknya dapat dilihat di samping, pada gambar tersebut kapasitornya
memiliki ukuran 0.47F. Kapasitor ini biasanya digunakan untuk rangkaian power
supply.
9

10. 10)
Trimmer Capacitor
Kapasitor jenis ini menggunakan keramik atau plastik sebagai
bahan
dielektriknya. Nilai dari kapasitor dapat diubah – ubah dengan cara memutar
sekrup yang berada diatasnya. Didalam pemutaran diharapkan menggunakan
obeng yang khusus, agar tidak menimbulkan efek kapasitansi antara obeng dengan
tangan.
11)
Tuning Capacitor
Kapasitor ini dinegara Jepang disebut sebagai “Varicons”, biasanya
banyak sekali digunakan sebagai pemilih gelombang pada radio. Jenis
dielektriknya menggunakan udara. Nilai kapasitansinya dapat dirubah dengan cara
memutar gagang yang terdapat pada badan kapasitor kekanan atau kekiri.
Apabila diantara kedua plat diberikan tegangan 1 volt maka kapasitor
dapat menyimpan muatan listrik sebesar 1 coulomb, maka kapasitas dari kapasitor
tersebut adalah 1 farad. Maka besarnya kapasitansi dapat dihitung dengan rumus
sebagai berikut :
C = Q/ V................................................................................ (1)
Dimana :
C = Kapasitansi kapasitor {F}
Q = Muatan yang diisikan pada plat +Q dan .Q {C}
V = Tegangan yang diberikan (V)
10

11. Tampak bahwa satuan kapasitansi adalah coulomb/Volt atau {C/V} atau Farad
{F}. Satu farad adalah jumlah muatan listrik sebesar satu coulomb yang disimpan
di dalam elektrik {zat perantara} dengan beda potensial sebesar satu volt. Jadi
kapasitansi dari suatu kapasitor adalah kemampuan darui kapasitor tersebut untuk
menyimpan muatan pada plat-platnya. Kapasitansi suatu kapasitor bergantung
pada :
1. bahan dielektrik yang digunakan
2. Luas dari plat-plat
3. Jarak antara plat-plat
Kapasitansi dari kapasitor berbanding lurus dengan luas plat dan berbanding
terbalik dengan jarak antara plat-plat atau dapat tertulis dengan:
......................................................................( 2 )
Dimana :
= permitivitas bahan ( Farad/m)
A = luas pelat ( m2)
d = jarak antara pelat-pelat (m)
Perbandingan antara permitivitas suatu bahan ( ) dengan permitivitas ruang
hampa ( o) disebut permitivitas relatif atau konstanta dielektrik dinyatakan
dengan yaitu :
...............................................................( 3 )
11

12. Untuk kapasitor yang dapat diubah-ubah kapasitasnya atau kapasitor variabel
yang mempunyai pelat lebih dari dua, dapat ditulis bahwa luas pelat efektif dari n
pelat adalah (n-1) dikali luas penampang masing masing pelat. Oleh karena itu
dapat ditulis :
...................................................( 4 )
Dimana :
n = banyaknya pelat paralel ( bagian luar )
Setiap kapasitor memiliki batas tegangan yang jika dilewati akan menyebabkan
kerusakan. Batas tegangan tersebut dinamakan breakover voltage atau working
voltage, sebelum kapasitor digunakan dalam sebuah rangkaian kita harus
mengetahui tegangan tertinggi yang mungkin terjadi pada rangkaian tersebut.
Tegangan kapasitor harus melebihi tegangan yang mungkin akan terjadi.
II.3 PENGISIAN DAN PENGOSONGAN KAPASITOR
Rangkaian RC adalah rangkaian yang terdiri atas hambatan (R) dan
kapasitor (C) yang dihubungkan dengan sumber tegangan DC. Ada dua proses
dalam rangkaian RC yaitu:
1.
Pengisian Muatan (Charge)
Gambar.1. Rangkaian pengisian kapasitor
12

13. Pada proses pengisian diasumsikan bahwa kapasitor mula-mula tidak
bermuatan. Saat saklar ditutup pada t = 0 dan muatan mengalir melalui resistor
dan mengisi kapasitor [2]. Berdasarkan hukum Kirchhoff, maka diperoleh muatan
sebagai fungsi waktu sebagai
(1Dengan
= Q (1-
...........................................(5)
RC yang merupakan konstanta waktu, maka diperoleh juga arus dan
potensial pada kapasitor sebagai potensial fungsi waktu
..............................................................................(6)
Ketika saklar S ditutup, tegangan Vs akan menyebabkan arus mengalir ke dalam
salah satu sisi kapasitor dan keluar dari sisi yang lainnya, arus ini tidak tetap
karena ada penyekat dielektrik sehingga arus menurun ketika muatan pada
kapasitor meninggi sampai VC = VS, ketika i = 0. Tegangan pada C akan naik
secara eksponensial sesuai dengan persamaan berikut :
Vc = Vs (1- e-t/ RC) .....................................................................(7)
Dimana :
Vc = tegangan pada kapasitor (V)
Vs = tegangan pada sumber (V)
t = waktu pengisian kapasitor (det)
R = resistansi dari resisitor (Ω)
C = kapasitansi dari kapasitor (F)
Persamaan (5), (6) dan (7) diperoleh melalui penurunan rumus sebagai berikut.
Jika muatan dalam kapasitor adalah Q dan arus rangkaian adalah i, maka aturan
simpal Kirchoff memberikan :
Dalam rangkaian ini arus sama dengan laju peningkatan muatan kapasitor.
13

14. Agar lebih mudah dalam menyelesaikan maka kedua ruas kita kalikan dengan
Untuk menyelesaikan ruas kanan digunakan metode substitusi. Misalnya:
14

15. Sehingga
Diperoleh
Misalkan
Nilai B sitentukan oleh keadaan awal yaitu pada saat t=0 dimana kapasitor dalam
keadaan kosong (Q=0).
15

16. Sehingga:
Oleh karena
Tampak bahwa arus yang mengalir pada rangkaian semakin mengecil dan
arus ini disebut arus transien. Pada persamaan akhir yang berwarna abu-abu.
Muatan Q dan tegangan antara kedua kaki kapasitor semakin lama semakin naik
hingga pada nilai tertentu dengan kata lain kapasitor telah terisi penuh. Sedangkan
pada persamaan arus semakin lama semakin mengecil hingga nol yang
menandakan bahwa kapasitor telah terisi penuh.
16

17. Plot grafik arus dan tegangan pada kapasitor sebagai fungsi waktu ketika proses
pengisian muatan adalah sebagai berikut
Gambar .2 Grafik Pengisian kapasitor
2.
Pelepasan Muatan (Discharge)
Pada proses pelepasan muatan, potensial mula-mula kapasitor adalah
=
sedangkan potensial pada resistor sama dengan nol. Setelah t = 0, mulai tejadi
pelepasan muatan dari kapasitor.
Gambar.3 Rangkaian pengosongan kapasitor
Ketika saklar S dibuka, arus mengalir dari salah satu sisi kapasitor yang
mengandung muatan listrik ke sisi yang lainnya. Ketika VC menjadi nol maka arus
juga menghilang. Kalau dihubungkan dengan sirkuit AC (bolak-balik), kapasitor
akan terisi oleh tegangan searah dan kemudian menutup aliran arus selanjutnya
17

18. serta kapasitor akan terisi dan kosong secara kontinu dan arus bolak-balik
mengalir dalam sirkuit. Berdasarkan hukum Kirchhoff berlaku muatan sebagai
fungsi waktu ditulis sebagai :
= Q.
........................................................ (8)
Potensial dan arus pada kapasitor sebagai fungsi waktu dapat ditulis menjadi :
Vc (t) =
=
e-t/RC atau
Vc = Vs e-t/RC................................................................................... (9)
I(t) =
=
e-t/RC =
e-t/RC .......................................... (10)
Adapun persamaan (8), (9) dan (10) diperoleh melalui penurunan rumus sebagai
berikut. Besarnya arus yang mengalir sama dengan laju pengurangan muatan
sehingga :
Jika tegangan pada resistor adalah IR dan tegangan kapasitor adalah Q/C maka
aturan simpal kirchoff memberikan :
Kedua ruas kita kalikan dengan dt/Q
18

19. Anggap :
Maka dapatkan
Sama seperti tulisan sebelumnya, nilai B ditentukan oleh keadaan awal. Jika
keadaan awal pada saat t=0 muatan dalam kapasitor adalah Q = Qo maka :
Dengan
Nilai RC ini disebut konstanta waktu yaitu waktu yang dibutuhkan muatan untuk
berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya. Hal tersebut dikarenakan :
Maka tegangan kedua kaki kapasitor adalah
Arus yang mengalir dalam rangkaian
19

20. Terlihat dari plot grafik terjadinya proses pelepasan muatan sebagai berikut.
Gambar.4 Grafik Pengosongan kapasitor
Jika suatu rangkaian RC diberi tegangan DC maka muatan listrik pada
kapasitor tidak akan langsung terisi penuh, akan tetapi membutuhkan waktu untuk
mencapai muatan listrik pada kapasitor tersebut penuh. Setelah muatan listrik
penuh dan sumber tegangan dilepas maka muatan listrik pada kapasitor tidak akan
langsung kosong akan tetapi membutuhkan waktu untuk mencapai muatan listrik
pada kapasitor kosong.
Waktu yang diperlukan untuk pengisian dan pengosongan kapasitor bergantung
kepada besar RC yang disebut konstanta waktu (time constant) yaitu :
= R.C ......................................................................(11)
dimana :
= konstanta waktu (detik)
R = Resistansi dari kapasitor (Ω)
C = Kapasitansi dari kapasitor (F)
dan rumus konstanta waktu secara universal :
................................................................(12)
dimana :
change = nilai perubahan
akhir = nilai akhir variabel
20

21. awal
= nilai awal variabel
e
= nilai euler (2,7182818)
T
= waktu dalam satuan detik
= konstanta waktu dalam satuan detik
untuk menentukan besar waktu yang dibutuhkan untuk perubahan tertentu adalah
........................................................................... (13)
21

22. BAB III
KESIMPULAN
Kapasitor merupakan komponen penyimpan muatan listrik yang dibentuk dari
dua permukaan yang berhubungan tapi dipisahkan oleh satu penyekat.
Proses pengisian kapasitor terjadi pada rangkaian tertutup. Dimana pada saat
saklar dihubungkan maka arus i dari sumber akan mengalir melalui hambatan R
menuju ke kapasitor C. Tegangan pada kapasitor Vc akan naik seiring dengan
lamanya waktu pengisian pada kapasitor. Semakin lama waktu pengisiannya maka
Vc pada kapasitor akan semakin naik. Kapasitor akan terisi oleh muatan listrik.
Dan ketika tegangan kapasitor dengan tegangan sumber sama, Vc = Vs maka arus
yang mengalir akan berhenti ( i=0 ).
Untuk pengosongan kapasitor dilakukan dengan cara mematikan saklar secara
langsung atau menghubungkan singkat rangkaian sehingga tidak ada tegangan
yang mengalir dari sumber ke kapasitor. Sehingga arus yang mengalir akan
berlawanan dengan arus semula ketika pegisian kapasitor akibatnya, Vc pada
kapasitor akan turun sampai arus yang mengalir berhenti (i=0 ).
Waktu yang diperlukan untuk pengisian dan pengosongan kapasitor bergantung
kepada besar rc yang disebut konstanta waktu (time constant) yaitu :
= RC
22

23. DAFTAR PUSTAKA
Tipler, Paul A. 2001. Fisika, Jilid 2. Alih bahasa, Bambang Soegijono. Jakarta:
Erlangga.
http://yosmedia.blogspot.com/2009/07/pengosongan-kapasitor. (Diakses tanggal
11 Desember 2013)
http://www.digiwarestore.com/file/AN-02.pdf. (Diunduh tanggal 12 Desember
2013)
http://rpprastio.wordpress.com/2013/04/16/pengisian-muatan-ke-dalamkapasitor/. (Diakses tanggal 13 Desember 2013)
http://www.scribd.com/doc/133195758/Pengisian-Dan-Pengosongan-Kapasitor.
(Diakses tanggal 12 Desember 2013)
http://elib.unikom.ac.id/files/disk1/469/jbptunikompp-gdl-srisupatmi-23405-7pertemua-r.pdf.(Diunduh tanggal 12 Desember 2013)
http://www.scribd.com/doc/75972390/Analisis-Pengisian-dan-PengosonganKapasitor-Dengan-Metode-Regresi-Linier. (Diakses tanggal 12 Desember 2013)
23