|
RANGKAIAN PENGISIAN DAN
PENGOSONGAN KAPASITOR
(E2)
|
|
Desy Novitasari., Siti Nor Fatmah., Irma Sari., Ali
Fitroni., Tuti Nurlatifah., Mirna Wati., Andy Azhari.
Program Studi Pendidikan Fisika, Jurusan Pendidikan Matematika dan Ipa, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Lambung Mangkurat Jl. Brigjend Hasan Basry, Kotak Pos 219 Banjarmasin 70123 Indonesia e-mail: info@unlam.ac.id |
Abstrak—Percobaan rangkaian pengisian dan
pengosongan kapasitor bertujuan untuk membuat grafik pengisian dan pengosongan
muatan kapasitor, menentukan waktu dan kapasitas tegangan, dan mengenli
toleransi kapasitor. Metode yang digunakan mengukur tegangan. Pengisian
kapasitor 100 × 10-6F tegangan pada waktu {
pada (10,00±0,01)s; (20,00±0,01)s; (30,00±0,01)s; (40,00±0,01)s} sama yaitu 3,2
± 0,1 V dan pada ppengosongannya {(1,8 ± 0,1)v; (0,8 ± 0,1)v; (0,4 ± 0,1)v;
(0,2 ± 0,1)v}. Pada pengosongan kapasitor, kapasitor yang kecil jauh lebih
cepat dibandingkan kapasitor kapasitas besar. Percobaan kali ini dapat
dikatakan gagal karena ketidaktepatan dalam menentukan waktu, serta kapasitas
komponen lainnya.
Kata
Kunci—Kapasitor, tegangan, toleransi.
I.
PENDAHULUAN
|
K
|
apasitor merupakan salah satu piranti
elektronika yang terpenting. Rasanya tak ada untai elektronika dirangkai tanpa
menggunakan kapasitor. Jika secara fisik kapasitor tidak dipakai dalam suatu
untai elektronika, watak kapasitor tetap hadir pada piranti-piranti yang lain,
baik itu pada rasistor, dioda, atau pun transistor. Oleh karena itu, pemahaman
watak-watak kapasitas mutlak perlu jika kiata ingin menguasai teknologi modern
yang boleh dikata hampir selalu berkaitan dengan elektronika. Struktur sebuah
kapasitor terbuat dari dua buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan
dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum,
keramik, gelas dan sebagainya. 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 menglir menuju ujung
kutub negatif dan sebaliknya, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang
non-konduktif. Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada
ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat
terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan.
Berdasarkan latar belakang tersebut dapat
diambil sutu rumusan masalah yaitu “Bagaimana hubungan besarnya
tegangan terhadap waktu pengisian dan
pengosongan kapasitor ?”
Adapun tujuan
dari percobaan kali ini yaitu untuk membuat grafik pengisian dan pengosongan
kapasitor, menentukan waktu dan kapasitas kapasitor, serta untuk mengenali
toleransi komponen.
II.
KAJIAN TEORI
Peristiwa
pengisisan dan pengosongan kapasitor memegang peranan penting dalam elektronika
arus yang berhubungan dengan ini mengenai dengan waktu sehingga disebut arus
transien yang berarti arus yang hanya timbul sebentar jadi bukan arus tetap
peristiwa yang digunakan untuk mengubah denyut dalam pesawat televisi, penunda
waktu menghasilkan pengapitan tegangan dan laini-lain. Peristiwa tersebut dapat
digambarkan pada gambar 1.
Gambar 1. Pegosongan
Kapasitor
Telah kita ketahui bahwa kapasitor terbuat
dari dua plat konduktor yang dipisahkan oleh suatu isolator/dielektrik jika
luas plat = A, jarak antara pelat d dan permitivitas dielektrik = e, maka nilai kapasitansinya :
................................(1)
Jika
kapasitornya dan kapasitansi C dihubungakan dengan suatu sumber tegangan V,
maka setelah beberapa waktu di dalam kapasitor akan terkumpul muatan sebanyak
......................................(2)
Setelah itu nilai muatan ini tercapai
dikatakan kapasitor sudah terisi penuh. Isi muatan akan tetap tersimpan dalam
kapasitor selam tak ada kebocoran muatan yang mengatur dari plat kapasitor yang
satu ke yang lain.[1]
Pada sebuah
kapasitor diisi melalui sebuah hambatan yang cukup besar, maka tegangan yang
melintang kapasitor akan naik. Kenaikan tegangan semakin lama semakin kuat
sesuai dengan bertambahnya besar jumlah muatan dalam kapasitor. Selanjutnya
dari persamaan tersebut maka grafik dapat digambarkan sebagai berikut.
.................................(3)
Gambar 2. Grafik Pengosongan
Kapasitor
Kapasitor adalah perangkat yang digunakan
untuk menyimpan muatan listrik sebagai akibatnya kapasitor merupakan suatu
tempat penampungan (reservoir) dimana muatan dapat disimpan dan kemudian
diambil kembali. Aplikasi-aplikasinya yang umum meliputi kapasitor penampung
dan kapasitor penghalus yang digunakan dalam catu daya. Pencampuran sinyal AC
diantara tahapan-tahapan (stay es) amplier, dan pemisahan sinyal-sinyal dalam
catu daya (dengan kata lain mentanahkan catu daya untuk sinyal AC).[2]
Rumus untuk
pengosongan kapasitor adalah
...................................(4)
Vs adalah tegangan kapasitor
sebelum pengosongan. Vs akan bernilai sama dengan tegangan input
pengisian kapasitor adalah apabila kapasitor diisi penuh.[3]
Kapasitor
digunakan untuk menyimpan energi dalam waktu yang singkat untuk kemudian
dibebaskan dengan cepat kembali dalam rangkaian listrik. Penggunaan kapasitor
sangat beragam diantaranya :
1)
Untuk mencapai
gelombang radio.
2)
Sebagai salah
satu komponen dalam sistem pengapit mobil.
3)
Sebagai filter
dalam catu daya.
4)
Sebagai penyimpan
energi dalam rangkaian.[4]
Salah satu cara
untuk mendapatkan kapasitansi yang besar adalah dengan membuat jarak sekecil
mungkin mudah dilakukan kalau isolatornya berupa zat padat. Umumnya kapasitor
dibuat dai dua lembar metal tipis yang dibatasi isolator tipis seperti kertas
mika sehingga dapat digolongkan dalam bentuk dan ukuran yang kompak.[5]
Untuk grafik
I(t) pada kapasitor secara eksponensial digambarkan sebagai berikut.
Gambar 3. Grafik Pengosongan waktu
t = RC disebut tetapan waktu
Selanjutnya ketika
kapasitas diisi maka
Gambar 4. Grafik Pengisian,
perubahan tegangan kapasitor terhadap waktu
Gambar 5. Grafik perbandingan
waktu terhadap tetapan, makin besar tetapan waktu RC, makin lama mencapai Vc
= E
III. METODE PERCOBAAN
Pada percobaan
rangkaian pengisian dan pengosongan kapasitor kali ini diperlukan peralatan
seperti kapasitor dengan kapasitansi 100
mF dan 4700 mF, sebuah
power supplay, sebuah resistor 47W, sebuah
voltmeter, dan dua buah kabel penghubung.
Gambar 6. Alat dan bahan percobaan
Adapun rumusan
hipotesis yang saya ajukan pada percobaan kali ini yaitu pada pengisian
kapasitor, semakin lama waktu maka tegangan pada kapasitor semakin meningkat
dan arus yang mengalir akan semakin menurun. Sedangkan pada pengosongan
kapasitor, semakin lama waktu maka tegangan akan semakin menurun dan arus akan
mengalir semakin menurun.
Pada
percobaan kali ini telah ditentukan pula identifikasi dan definisi operasional
variabel pada rangkaian pengisian dan pengosongan kapasitor. Variabel yang dimanipulasi
adalah waktu (s) yaitu dengan mengubah-ubah waktu pada rangkaian pengisian
kapasitor dan pengosongan kapasitor pada waktu 10 s, 20 s, 30 s, dan 40 s
dengan menggunakan stopwatch digital. Variabel yang direspon adalah tegangan
(v) yaitu mengamati perubahan tegangan dengan menggunakan voltmeter pada setiap
waktu yang telah ditentukan. Dan variabel kontrolnya adalah jenis kapasitor,
kapasitansi kapasitor, sumber tegangan, resistor, dan kabel penghubung, yaitu
menggunakan kapasitor elektrolit, dengan kapastansi kapasitor dari dua buah
kapasitor yaitu 100mF dan 4700mF dengan melakukan dua kali percobaan dengan kapasitor yang berbeda namun
ditetapkan pada setiap percobaan, menetapkan sumber tegangan sebesar 3 volt,
mengunakan resistor 47W dan dua buah kabel penghubung yang sama selama percobaan.
Adapun prosedur
kerja yang harus dilakukan dalam percobaan kali ini yaitu pertama-tama percobaan dilakukan dengan menggunakan kapasitor dengan
kapasitas 100mF atau setara dengan 100×10-6 F. Merangkai peralatan secara
paralel seperti pada gambar berikut ini.
Gambar 7. Rangkaian pengisian
Kapasitor
Selanjutnya menghubungkan rangkaian pada sumber tegangan, serentak dengan
memulai waktu pada stopwatch. Mengamati perubahan tegangan pada voltmeter
setiap satuan waktu yang telah ditentukan. Pada percobaan kali ini dilakukan
empat kali pengambilan data yaitu pada waktu yang telah ditentukan (10 s, 20 s,
30 s, dan 40 s). Selanjutnya diteruskan dengan rangkaian pengosongan kapasitor
yaitu dengan melepaskan rangkaian pada sumber tegangan pada waktu berakhirnya
pegisian kapasitor, dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 8. Rangkaian pengosongan
Kemudian mengamati perubahan tegangan pada selang waktu yang sama seperti
pada saat pengisian kapasitor. Selanjutnya melakukan langkah-langkah yang sama
seperti sebelumnya dengan menggunakan kapasitor dengan kapasitansi 4700mF.
Selanjutnya mencatat hasil pengukuran pada tabel 1 untuk pengisian dan
pengosongan kapasitor 100mF dan tabel 2 untuk pengisian, dan dimana dan pengosongan kapasitor 4700mF. Adapun teknik analisis yang digunakan untuk
hasil percobaan kali ini yaitu ketelitian alat ukur dan persamaan teoritis
berikut ini.
.........(5)
∆V = ½
NST ...........(6)
.............(7)
IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
Percobaan
pengisian dan pengosongan kapasitor ini bertujuan untuk membuat grafik pengisian dan pengosongan kapasitor, menentukan waktu
dan kapasitas kapasitor, serta untuk mengenali toleransi komponen. Telah diperoleh hasil percobaan kali ini dengan
menggunakan dua buah kapasitor dengan kapasitas kapasitor 100mF dan 4700mF, mengukur tegangan yang terbaca pada voltmeter
dengan menggunakan batas ukur terkecil 2 volt per jumlah skala terkecil 10, sehingga nilai
skala terkecilnya 0,2 volt dan ketelitiannya sebesar 0,1
volt. Serta dengan menggunakan stopwatch untuk mengamati satuan waktu, dengan
ketelitian 0,01 sekon.
Pada pengisian dan pengosong kapasitor telah diperoleh
hasil percobaan, yang tampak pada tabel 1 dan tabel 2 berikut ini.
Tabel 1. Pengisian dan
Pengosongan Kapasitor
C = 100 × 10-6
F ; R = 47 W ; e0 = 3 volt
|
NO
|
(t ± ∆t)
sekon
|
(V ± ∆V) volt
|
|
|
PENGISIAN
|
PENGOSONGAN
|
||
|
1
|
10
|
3,2 ± 0,1
|
1,8 ± 0,1
|
|
2
|
20
|
3,2 ± 0,1
|
0,8 ± 0,1
|
|
3
|
30
|
3,2 ± 0,1
|
0,4 ± 0,1
|
|
4
|
40
|
3,2 ± 0,1
|
0,2 ± 0,1
|
Tabel 2. Pengisian dan Pengosongan Kapasitor
C = 4700 × 10-6
F ; R = 47 W ; e0 = 3 volt
|
NO
|
(t ± ∆t)
sekon
|
(V ± ∆V) volt
|
|
|
PENGISIAN
|
PENGOSONGAN
|
||
|
1
|
10
|
3,2 ± 0,1
|
3,2 ± 0,1
|
|
2
|
20
|
3,2 ± 0,1
|
3,2 ± 0,1
|
|
3
|
30
|
3,2 ± 0,1
|
3,2 ± 0,1
|
|
4
|
40
|
3,2 ± 0,1
|
3,2 ± 0,1
|
Berdasarkan hasil percobaan tersebut telah dilakukan perhitungan secara
percobaan dan teoritis, sehingga dapat pula dibuat suatu grafik. Pada percobaan
pertama pengisian dan pengosongan kapasitor dengan kapasitas kapasitor 100 × 10-6 F dapat dilihat pada tabel 1. Secara
percobaan tegangan yang terukur pada voltmeter dalam selang waktu empat kali
setiap 10 sekon adalah sebesar 3,2 ± 0,1 volt. Dan seperti yang kita
ketahui bahwa perhitungan suatu pengisian ataupun pengosongan kapasitor selalu
dimulai pada selang waktu 0 sekon. Sehingga dapat dibuat suatu grafik hubungan
tegangan terhadap waktu sebagai berikut.
Gambar 9. Grafik V-t Percobaan (C
= 100mF)
Dapat
dilihat pada grafik tersebut tegangan tidak berubah secara eksponensial.
Tegangan sudah mencapai batas maksimum sebelum mencapai selang waktu yang telah
ditentukan sehingga tegangan pada voltmeter tidak dapat meningkat lagi. Dan
berdasarkan teoritis dapat pula dibuat grafik hubungan V terhadap t dengan
nilai teoritis Vc yang dihitung berdasarkan persamaan 4 sehingga
diperoleh hasil dalam empat kali setiap 10 sekon sebesar 3 volt. Sehingga
terbentuk pula grafik hubungan seperti dibawah ini.
Gambar 10. Grafik V-t Teoritis (C
= 100mF)
Dapat
dilihat pada kedua grafik tersebut, hubungan tegangan terhadap waktu secara
percobaan dan teoritis nilainya masih berbeda, namun hampir mendekati sama. Dan
dapat pula dilihat pada kedua grafik tegangan tidak berubah secara
eksponensial.
Berdasarkan beda potensial atau tegangan yang
telah diperoleh tersebut dapat pula diperoleh nilai muatan Q berdasarkan
teoritis dengan menggunakan persamaan 2 yaitu pada empat kali setiap 10 sekon
adalah 3 × 10-4 Coloumb. Dan dapat pula dilihat grafik hubungan
muatan Q terhadap waktu t berikut ini.
Gambar 11. Grafik Q-t Teoritis (C
= 100mF)
Dapat
kita lihat pada grafik tersebut dapat dikatakan bahwa muatan telah mencapai
tegangan maksimum sebelum waktu berjalan selama 10 s, sehingga pada selang
waktu selanjutnya muatanya tidak bertambah lagi.
Adapun nilai teoritis kuat arus yang diperoleh
melalui persamaan 3, pada empat kali setiap selang waktu 10 s nilai kuat
arusnya adalah 0 ampere. Sehingga grafik hubungan kuat arus terhadap waktu
tidak dapat terbentuk, seperti yang tampak pada grafik berikut ini.
Gambar 12. Grafik It –
t teoritis (C = 100mF)
Pada
grafik hubungan kuat arus terhadap waktu tersebut tidak dapat terbentuk karena
kuat arus selalu bernilai nol. Besarnya arus tidak dapat diketahui, kemungkinan
hal tersebut dikarenakan resistor yang digunakan terlalu kecil resistansinya
sehingga menyebabkan nilainya tidak eksponensial.
Sedangkan pada pengosongan kaspasitor ini nilai
tegangan berdasarkan percobaan pada empat kali setiap selang waktu 10 sekon adalah
(1,8 ± 0,1)v; (0,8 ± 0,1)v; (0,4 ± 0,1)v; (0,2 ± 0,1)v. Sehingga dapat dibuat
suatu grafik hubungan tegangan terhadap waktu sebagai berikut.
Gambar 13. Grafik V-t Percobaan (C
= 100mF)
Berdasarkan grafik tersebut dapat dilihat bahwa
semakin lama waktu pengosongan maka tegangan akan semakin menurun. Sedangkan
pada perhitungan secara teoritis nilai tegangan, muatan maupun kuat arus tidak
dapat diperoleh karena nilai eksponensialnya adalah nol.
Pada percobaan kedua pengisian dan pengosongan
kapasitor dengan kapasitansi kapasitor 4700×10-6F. Berdasarkan tabel
2, dapat dilihat pada pengisian kapasitor nilai tegangan berdasarkan percobaan
pada (10,00±0,01)s; (20,00±0,01)s; (30,00±0,01)s; (40,00±0,01)s, besarnya sama
yaitu (3,2±0,1)v. Sehingga bentuk grafik dari data tersebut sama sepertinpada
gambar 9. Dan nilai tegangan berdasarkan persamaan teoritis pada selang waktu
tersebut di atas adalah sebesar 2,97
volt, 3 volt, 3,1 volt, dan 3,2 volt. Sehingga dapat dibuat grafik sebagai
berikut.
Gambar 14. Grafik V-t teoritis (C=4700mF)
Berdasarkan grafik tersebut dapat dilihat bahwa
tegangan berubah secara eksponensial. Adapun nilai teoritis muatan dari
percobaan ini yaitu pada selang waktu yang telah ditentukan adalah sebesar
140×10-6C; 141×10-6C; 145,7×10-6C; dan 150,×10-6C.
Dapat pula dibuat grafik sebagai berikut.
Gambar 15. Grafik Q-t Teoritis (C=4700mF)
Adapun nilai teoritis dari kuat arus yang mengalir
pada rangkaian ini yaitu pada setiap waktu yang telah ditentukan adalah sebesar
0,14×10-20A, 0,3×10-40A, 0,64×10-60A, 1,46×10-70A.
Berdasarkan hasil tersebut dapat pula dibuat suatu grafik hubungan kuat arus
terhadap waktu yaitu sebagai berikut.
Gambar 16. Grafik I-t Toeritis (C=4700mF)
Sedangkan pada pengosongan kapasitor ini nilai
tegangan percobaan juga sama seperti pada pengisian kapasitor sehingga grafik
yang terbentuk juga sama seperti pada gambar 9. Sedangkan nilai teoritis
tegangannya adalah sebesar 6,6×10-20 V; 14,4×10-44 V;
3,15×10-59 V; dan 6,9×10-79 V. Sehingga dapat pula
dibentuk grafik seperti berikut ini.
Gambar 17. Grafik V-t Toeritis (C=4700mF)
Dapat
dilihat pada grafik bahwa pada pengosongan kapasitor ini bahwa semakin lama
waktu tegangan akan semakin menurun. Dan dapat pula dihitung nilai teoritis
muatan yaitu sebesar 310×10-24C; 676×10-44C; 148×10-63C;
324×10-83C. Sehingga dibuat grafik hubungan muatan terhadap waktu
yaitu sebagai berikut.
Gambar 18. Grafik Q-t Teoritis
(C=4700mF)
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, saat
pengisian tegangan sudah mencapai 3 volt, tegangan yang terbaca pada voltmeter
tidak bertambah lagi. Hal tersebut terjadi karena tegangan sudah mencapai
tegangan maksimum yang diberikan melalui power supplay. Dan pada kedua
kapasitor yang digunakan ini yaitu kapasitor 100mF dan kapasitor 4700mF, dimana pada kapasitor dengan kapasitas kecil
lebih cepat waktu pengosongannya dibandingkan kapasitor dengan kapasitas besar.
Hal tersebut dikarenakan pada kapasitor kecil ketika diisi muatan yang nilainya
hampir mendekati nilai kapasitas kapasitor tersebut maka muatanya akan cepat
kembali dalam rangkaian listrik, sedangkan dengan menggunakan kapasitor dengan
kapasitas yang besar maka muatan yang hanya terisi sedikit pada kapasitor
tersebut akan lebih lama waktu pengosongannya karena arus yang masih ada yang mengalir
pada rangkaian tersebut.
Berdasarkan hasil percobaan bentuk dari grafik
pengisian kedua kapasitor masih tidak sesuai dengan nilai teoritis dan dapat
dikatakan percobaan kali ini tidak berhasil yang dikarenakan tidak tepatnya
dalam menentukan nilai atau besarnya setiap komponen pada rangkaian misalnya
pada penggunaan resistor yang nilai resistansinya terlalu kecil. Sehingga
mengakibatkan hasil pengukuran maupun perhitungan tidak tepat.
V. SIMPULAN
Berdasarkan
hasil percobaan telah diperoleh hasil percobaan nilai muatan kapasitor dengan
kapasitas 100mF dan kapasitas 4700mF secara teoritis dapat dibuat grafik sebagai berikut ini.
Grafik Teoritis C = 100mF
Grafik teoritis C= 4700 mF
Adapun grafik pengosongan kapasitornya yaitu sebagai berikut ini.
Grafik teoritis C= 4700 mF
Pada percobaan kali ini waktu yang telah
ditentukan adalah (10,00±0,01)s; (20,00±0,01)s; (30,00±0,01)s; (40,00±0,01)s.
Dan kapasitor yang digunakan adalah kapasitor elektrolit dengan kapasitas 100 × 10-6 F, pada pengisian kapasitor muatan
berdasarkan hasil percobaan pada waktu tersebut sama yaitu sebesar 3,2 ×
10-4 Coloumb dan berdasarkan teoritis adalah sebesar 3 × 10-4
Coloumb. Sedangkan pada pengosongan berdasarkan percobaan sebesar 0,8× 10-4C,0,8× 10-4C,
0,4 × 10-4C, 0,2 × 10-4C dan berdasarkan teoritis
muatanya adalah nol.
Pada kapasitor dengan kapasitas 4700 × 10-6F, berdasarkan percobaan
nilai muatanya adalah 150,4 × 10—4 Coloumb dan
berdasarkan teoritis pada waktu tersebut di atas secara berurutan nilai muatan
adalah sebesar 140 × 10-4C, 141 × 10-4C,
145,7 × 10-4C, 150,4 × 10-4C. Pada kedua kapasitor tersebut memiliki toleransi yang
begitu terlihat pada saat proses pengosongan kapasitor, dimana pada kapasitor
dengan kapasitas kecil lebih cepat turun tegangannya dan pada kapasitor yang
lebih besar diperlukan waktu yang lama untuk menurunkan tegangannya.
UCAPAN TERIMAKASIH
Saya mengucapkan terimakasih kepada
asisten praktikum Rangkaian pengisian dan pengosongan kapasitor (E2) yaitu Andy
Azhari yang memberikan bimbingan saat
melalukan praktikum ataupun pralaboratorium. Serta kepada teman-teman satu
kelompok yang telah bekerja sama dengan baik dalam menyelesaikan percobaan ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Sutrisno. 1986. ELEKTRONIKA 1 TEORI DAN PENERAPANNYA. Bandung : ITB
[2]
Tooley, Mike. 2003. Rangkaian Elektronika Prinsip dan Aplikasi. Jakarta :
Erlangga
[3]
Sudjojo, Andonowati. 1985. FISIKA. Bandung : Indah Jaya
[4]
Purwadi, Bambang. 1998. ELEKTRONIKA. Jakarta : DEPKES
[5]
Foster, Bob. 1999. FISIKA SLTA3. Jakarta : Erlangga
Tidak ada komentar:
Posting Komentar