KAPASITOR

PENGERTIAN KAPASITOR

Kapasitor (kondensator) dalam rangkaian elektronika dilambangkan dengan huruf ‘C’ adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9×1011 cm² yang artinya luas permukaan kepingan tersebut.

Struktur sebuah kapasitor terbuat fari dua buah pelat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umumnya dikenal misalnya adalah ruang hampa udara, keramik, gelas, dan lain-lain. Jika kedua ujung pelat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutub negatif, dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke kutub positif, 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.

FUNGSI KAPASITOR

Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian adalah:

• Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain (pada PS = Power supply)
• Sebagai filter dalam rangkaian PS
• Sebagai frekuensi dalam rangkaian antenna
• Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon.
• Menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar

KAPASITANSI KAPASITOR

Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk menampung muatan elektron. Coulomb pada abad ke-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 electron sebanyak 1 Coulomb. Dengan rumus dapat ditulis:

Q = C . V

Keterangan:

Q = muatan electron dalam C (Coulomb)

C = nilai kapasitansi dalam F (Farad)

V = besar tegangan dalam V (volt)

Kapasitor pelat paralel tersusun atas dua pelat paralel dengan luas A dan jarak antar pelat d. dalam ruang hampa, dengan penjabaran menggunakan hokum Gauss, kapasitansinya adalah

Kapasitor dengan dielektrik adalah kapasitor dengan material insulator (karet, gelas, kertas, mika, dll). Misalkan sebuah bahan dielektrik disisipkan diantara kedua pelat kapasitor, maka beda potensial antara kedua keping akan turun. Karena jumlah muatan pada setiap keping tetap, kapasitansi naik. Hal ini dapat dirumuskan sebagai

RANGKAIAN KAPASITOR

Rangkaian kapasitor secara seri akan mengakibatkan nilai kapasitansi total semakin kecil. Di bawah ini adalah contoh kapasitor yang dirangkai secara seri

Pada rangkaian kapasitor seri, berlaku rumus:

V = V₁ + V₂ + … + V_n

Q = Q₁ = Q₂ = Q_n

Rangkaian kapasitor secara paralel akan mengakibatkan nilai kapasitansi pengganti semakin besar. Di bawah ini adalah contoh kapasitor yang dirangkai secara paralel.

Pada rangkaian kapasitor paralel, berlaku rumus:

V₁ = V₂ =V₃ = V_n

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q_n

KAPASITOR ELEKTROSTATIK

Kapasitor elektrostatik 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 µF, 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.

Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk kapasitor dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor kelompok ini adalah non-polar.

KAPASITOR ELEKTROLITIK

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 kutub positif anoda dan kutub 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 ke dalam larutan elektrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte terlepas dan mengoksidasi permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al₂O₃) pada permukaannya.

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 ELEKTROCHEMICAL

Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis ini adalah battery dan accu. Pada kenyataannya battery dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya untuk aplikasi mobil elektrik dan telepon selular.

ENERGI YANG DISIMPAN DALAM KAPASITOR

Energi potensial U yang tersimpan di dalam kapasitor didefinisikan sebagai usaha yang diperlukan untuk mengisi muatan. Misalkan sebuah baterai dihubungkan ke sebuah kapasitor. Baterai melakukan kerja untuk menggerakkan muatan dari satu pelat ke pelat yang lain. Kerja yang dilakukan untuk memindahkan sejumlah muatan sebesar q melalui tegangan V adalah

W = V . q

Dengan menggunakan kalkulus energy potensial muatan dapat dinyatakan sebagai: