4.6 Tipe Kapasitor
4.6.4 Kapasitor Elektrolitik
Kapasitor elektrolit umumnya digunakan ketika nilai kapasitansi yang sangat besar diperlukan. Kapasitor ini menggunakan lapisan film logam yang sangat tipis untuk salah satu elektroda, larutan elektrolit semi-cair dalam bentuk jelly atau pasta yang berfungsi sebagai elektroda kedua (biasanya katoda). Dielektrik adalah lapisan oksida yang sangat tipis yang dideposisikan secara elektrokimia dengan ketebalan film kurang dari sepuluh mikron. Lapisan isolasi ini sangat tipis sehingga memungkinkan untuk membuat kapasitor dengan nilai kapasitansi yang besar untuk ukuran fisik yang kecil karena jarak antara pelat sangat kecil.
Hampir semua kapasitor elektrolitik terpolarisasi, yang berarti bahwa tegangan pada terminal positif harus selalu lebih besar daripada tegangan pada terminal negative (Storr, 2020a).
Dielektrik elektrolit termasuk didalamnya adalah oksida logam, elektrolit cair berbasis air, dan elektrolit berbasis cair tidak berair. Oksida logam yang paling umum digunakan adalah aluminium oksida, tantalum pentoksida, dan niobium oksida. Elektrolit cair berbasis air yang khas mengandung asam borat atau natrium borat dalam larutan air dengan variasi gula atau etilen glikol untuk memperlambat penguapan. Misalnya, ada tiga jenis utama elektrolit berbasis air untuk kapasitor elektrolit aluminium: berbasis air standar (dengan 40% hingga 70% air), yang mengandung etilen glikol (dengan air kurang dari 25%), dan dipropil keton (dengan kurang dari 25% air) (Yu et al., 2013).
Elektrolit cair berbasis non-air umumnya terdiri dari asam lemah, garam yang berasal dari asam lemah, pelarut, zat pengental opsional, dan aditif lainnya. Elektrolit biasanya direndam ke dalam pemisah elektroda yang berfungsi sebagai dielektrik. Asam lemah adalah senyawa asam organik termasuk asam asetat glasial, asam laktat, asam propionat, asam butirat,
asam krotonat, asam akrilat, fenol, dan kresol. Garam tersebut adalah amonium atau garam logam dari asam organik, termasuk amonium asetat, amonium sitrat, aluminium asetat, kalsium laktat, dan amonium oksalat; atau asam anorganik yang lemah seperti natrium perborate dan trisodium phosphate. Pelarut elektrolit didasarkan pada alkanolamina (monoethanolamine, diethanolamine, dan triethanolamine) atau poliol (dietilen glikol, dan gliserol) (Yu et al., 2013).
Dalam praktiknya, dua jenis utama kapasitor elektrolit adalah (1) kapasitor elektrolit aluminium dan (2) kapasitor elektrolit talalum. Kapasitor elektrolit Tantalum dibagi lagi menjadi tipe basah dan kering berdasarkan apakah elektroda lawannya dilayani oleh asam sulfat atau film mangan dioksida. Kapasitor tantalum padat menggunakan mangan dioksida sebagai terminal kedua dan secara fisik lebih kecil dari kapasitor aluminium yang setara (Storr, 2020a).
Kapasitor elektrolit aluminium terbuat dari dua aluminium foil dan paper spacer yang direndam dalam elektrolit. Salah satu dari dua aluminium foil ditutupi dengan lapisan oksida, dan foil itu bertindak sebagai anoda, sedangkan yang tidak dilapisi bertindak sebagai katoda. Selama operasi normal, anoda harus pada tegangan positif dalam kaitannya dengan katoda, itulah sebabnya mengapa katoda paling umum ditandai dengan tanda minus di sepanjang badan kapasitor. Anoda, kertas yang direndam elektrolit dan katoda ditumpuk. Tumpukan digulung, ditempatkan ke dalam selungkup silindris dan dihubungkan ke sirkuit menggunakan pin (Capacitor Guide, 2019c).
Kapasitor elektrolit Tantalum seperti kapasitor elektrolit lainnya terdiri dari anoda, beberapa elektrolit, dan katoda. Anoda diisolasi dari katoda sehingga hanya sedikit arus DC yang mengalami kebocoran yang mengalir melalui kapasitor. Anoda terbuat dari logam tantalum murni. Logam ditumbuk menjadi bubuk halus, dan disinter menjadi pelet pada suhu tinggi. Ini membentuk anoda yang sangat berpori dengan luas permukaan yang tinggi. Area permukaan tinggi secara langsung diterjemahkan menjadi nilai kapasitansi yang meningkat.
Anoda kemudian ditutup dengan lapisan oksida isolasi, yang bertindak sebagai dielektrik.
Proses ini disebut anodisasi. Langkah ini harus dikontrol secara tepat untuk mengurangi toleransi dan memastikan nilai kapasitansi yang benar karena tingkat pertumbuhan oksida menentukan ketebalan dielektrik (Capacitor Guide, 2019d).
Elektrolit ditambahkan ke anoda dengan cara pirolisis dalam kasus kapasitor tantalum padat. Kapasitor tantalum padat kemudian dicelupkan ke dalam larutan khusus dan dipanggang dalam oven untuk menghasilkan lapisan mangan dioksida. Proses ini diulang sampai lapisan tebal hadir pada semua permukaan internal dan eksternal pelet. Akhirnya, pelet yang digunakan dalam kapasitor tantalum padat dicelupkan ke dalam grafit dan perak untuk memberikan koneksi katoda yang baik. Berbeda dengan kapasitor tantalum padat, kapasitor tantalum basah menggunakan elektrolit cair. Setelah anoda disinter dan lapisan dielektrik ditanam, ia dicelupkan ke dalam elektrolit cair dalam cetakan. Cetakan dan elektrolit bersama-sama berfungsi sebagai katoda dalam kapasitor tantalum basah (Capacitor Guide, 2019d).
Gambar 4.7 Kapasitor elektrolit tantalum (Capacitor Guide, 2019d).
Kapasitor Tantalum dibuat dengan nilai kapasitansi mulai dari 1nF hingga 72mF dan ukurannya jauh lebih kecil dari kapasitor elektrolit aluminium dengan kapasitansi yang sama.
Nilai tegangan untuk kapasitor tantalum bervariasi dari 2V hingga lebih dari 500V. Mereka memiliki resistansi seri setara (ESR) sepuluh kali lebih kecil dari ESR kapasitor elektrolit aluminium, yang memungkinkan arus yang lebih besar untuk melewati kapasitor dengan lebih sedikit panas yang dihasilkan. Kapasitor Tantalum sangat stabil dari waktu ke waktu dan kapasitansinya tidak berubah dengan usia secara signifikan, terutama bila dibandingkan dengan kapasitor elektrolit aluminium. Kapasitor ini sangat andal ketika ditangani dengan benar dan umur simpan mereka hampir tidak terbatas, bentuk kapasitor ini seperti gambar 4.7 (Capacitor Guide, 2019d).
Kapasitansi kapasitor elektrolit semakin berkembang seiring berjalannya waktu dan memiliki toleransi yang besar, biasanya 20%. Ini berarti bahwa kapasitor elektrolit aluminium dengan kapasitansi nominal 47 μF diharapkan memiliki nilai terukur antara 37.6 μF dan 56.4 μF.
Kapasitor elektrolitik Tantalum dapat dibuat dengan toleransi yang lebih ketat, tetapi tegangan
operasi maksimumnya lebih rendah sehingga tidak dapat selalu digunakan sebagai pengganti langsung (Capacitor Guide, 2019c).
Gambar 4.8 Kapasitor elektrolitik (Capacitor Guide, 2019c).
Dalam hal kapasitor ini, nilai kapasitansi serta tegangan pengenal maksimum dicetak pada penutup. Kapasitor yang memiliki "4.7 μF 25V" tercetak di atasnya memiliki nilai kapasitansi nominal 4.7μF dan peringkat tegangan maksimum 25 volt, yang tidak pernah terlampaui. Dalam kasus kapasitor elektrolit SMD (surface mounted), ada dua tipe penandaan dasar. Yang pertama dengan jelas menyatakan nilai dalam mikrofarad dan tegangan operasi.
Sebagai contoh, menggunakan pendekatan ini, kapasitor 4.7 μF dengan tegangan operasi 25 volt akan bertanda "4.7 25V". Dalam sistem penandaan lainnya, satu huruf diikuti oleh tiga angka. Huruf itu mewakili nilai tegangan menurut tabel 4.2 di bawah ini. Dua angka pertama mewakili nilai dalam picofarads, sedangkan angka ketiga adalah jumlah nol yang akan ditambahkan ke dua angka pertama. Sebagai contoh, kapasitor 4.7 μF dengan peringkat tegangan 25 volt akan memiliki tanda E476. Ini diterjemahkan menjadi 47000000 pF = 47000 nF
= 47 μF (Capacitor Guide, 2019c).
Tabel 4.2 Kode huruf kapasitor elektrolitik (Capacitor Guide, 2019c).
Huruf e G J A C D E V H
Tegangan (V) 2.5 4 6.3 10 16 20 25 35 50