1
KARAKTERISTIK KAPASITOR
M. Raynaldo Sandita Powa (12010210047)Program Pendidikan Fisika
Sekolah Tinggi Keguruan dan Ilmu Pendidikan Surya, Tangerang 2014
1. Pendahuluan
Pada percobaan kali ini, akan dilakukan pengisian dan pengosongan sebuah kapasitor dan penghitungan waktu pada saat pengisian dan pengosongannya dengan menggunakan resistor yang berbeda-beda. Kapasitor dirangkai seri bersama dengan resistor. Diharapkan setelah melakukan percobaan ini, praktikan dapat memahami prinsip pengisian dan pengosongan kapasitor, serta mampu membuat grafik pengisian dan pengosongan kapasitor.
Tegangan listrik pada kapasitor besarnya berbanding lurus dengan muatan listrik yang tersimpan di dalam kapasitor, hubungan ini dapat dituliskan menjadi:
𝑉 = 𝑞𝐶....(1)
dengan:
V= Tegangan Listrik (V (Volt)) Q = Muatan Listrik (C (Coulomb)) C= Kapasitas Kapasitor (F (Farad))
Jika kapasitor terhubung secara seri dengan sebuah resistor dalam sebuah rangkaian, maka besar tegangan yang terjadi pada resistor akan sebanding dengan arus listrik yang mengalir. Secara matematis dapat dituliskan:
𝑉 = 𝐼𝑅 𝑉 = 𝑅𝑑𝑞𝑑𝑡....(2)
Dari kedua persamaan tersebut, dapat diperoleh hubungan:
𝑞 𝐶 = 𝑅
𝑑𝑞 𝑑𝑡
atau
𝑑𝑞 𝑑𝑡 = 𝑞
1 𝑅𝐶....(3)
maka akan didapatkan persamaan:
𝑞 = 𝑞𝑜. 𝑒− 𝑡𝑅𝐶
𝑉 = 𝑉𝑜. 𝑒− 𝑡 𝑅𝐶....(4)
Persamaan (1) di atas menyatakan peoses pengosongan pada sebuah kapasitor. Proses pengisian ini berlangsung secara eksponensial. Umumnya RC dituliskan dengan
τ
yaitu konstanta waktu pengisian atau pengosongan kapasitor. Untuk proses pengisian kapasitor persamaan 4 dapat ditulis ulang menjadi :𝑉 = 𝑉𝑜. (1 − 𝑒− 𝑡
𝑅𝐶)....(5) dengan:
𝑉= Tegangan Listrik (V) t = Waktu (t)
𝑉𝑜= Tegangan Sumber (V)
R = Hambatan (Ω)
C = Kapasitas Kapasitor (F)
Grafik yang dibentuk oleh persamaan diatas adalah berupa grafik fungsi logaritmik. Untuk grafik pengisian dan pengosongan kapasitor dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
Gambar 1. Grafik Pengisian Kapasitor
2 2. Metodologi Percobaan
Skema Rangkaian
Gambar 3. Skema Rangkaian
Langkah Kerja
Hal yang pertama dilakukan adalah membuat rangkaian sesuai dengan Gambar 3 menggunakan kapasitor berkapasitas
2200µF dan resistor 10kΩ. Kemudian
memasang Voltmeter pada kapasitor secara paralel seperti pada Gambar 3. Setelah itu menghidupkan power supply bersamaan dengan stopwatch. Lalu mengamati dan mencatat waktu untuk setiap kenaikan 1 Volt hingga tegangan kapasitor maksimum. Setelah tegangan kapasitor penuh dan waktu telah dicatat, stopwatch direset dan diaktifkan kembali bersamaan dengan dimatikannya sumber tegangan. Agar hambatan dalam pada power supply tidak bepengaruh terhadap waktu pengosongan kapasitor, rangkaian dilepaskan dari power supply, namun rangkaian tetap dalam keadaan rangkaian tertutup. Lalu kembali mengamati dan mencatat waktu pada stopwatch untuk setiap penurunan tegangan 1 Volt hingga tegangan kapasitor minimum.
Setelah percobaan pertama selesai, praktikan melakukan percobaan yang kedua. Percobaan kedua memiliki langkah kerja yang sama seperti percobaan pertama, tetapi menggunakan nilai R=100kΩ.
3. Hasil dan Pembahasan a. Data Hasil Percobaan
Tabel 1. Data Pengamatan Pengisian Kapasitor
untuk R=10k Ω (terukur 9,92kΩ)
Tabel 2. Data Pengamatan Pengosongan Kapasitor
untuk R=10k Ω (terukur 9,92kΩ)
Tabel 3. Data Pengamatan Pengisian Kapasitor untuk R=100k Ω (terukur 100,5kΩ)
3 b. Pembahasan
Pada tahap pertama percobaan, praktikan merangkai resistor, kapasitor, voltmeter, dan power supply seperti pada skema Gambar 3. Untuk percobaan pengisian dan pengosongan pertama digunakan resistor dengan nilai pengukuran 9,92kΩ dan percobaan kedua digunakan
resistor 100,5kΩ. Untuk membantu proses
pengolahan data, praktikan menggunakan piranti lunak Igor Pro 6.35A. Untuk grafik, garis yang berwarna hijau menunjukkan hasil ideal dan yang berwarna merah menunjukkan hasil percobaan.
Pada percobaan pertama pengisian kapasitor, pada saat power supply dihidupkan dan bersamaan diukur oleh stopwatch, nilai tegangan yang terukur di Voltmeter terus naik yang artinya kapasitor mulai terisi. Semakin mendekati tegangan maksimal, waktu pengisian semakin lambat dan waktu paling lama adalah ketika tegangan mencapai 8 Volt menuju tegangan maksimum. Tegangan maksimumnya juga tidak mencapai 9 Volt, yaitu 8,9 Volt. Data pengamatan bisa dilihat di Tabel 1. Untuk membuktikan secara teori, maka data-data perhitungan dihitung. Ketika memasukkan data di software Igor Pro, didapatkan invTau (1 𝜏⁄) = 0.046397±0.000616, lalu untuk mencari nilai C dihitung dengan cara
1
0.046397 × 9,92= 2,1726 𝑚𝐹 = 𝟐𝟏𝟕𝟐, 𝟔𝝁𝑭.
Hasilnya masih dalam rentang toleransi kapasitor yang bernilai 2200µF±10%. Jika dihitung, persentase hasilnya adalah
2172,6
2200 × 100% = 98,75 %. Persentase
toleransi adalah 1,25%.
Gambar 4. Grafik Pengisian Kapasitor (R=9,92kΩ)
Pada percobaan pertama pengosongan kapasitor, pada saat power supply dimatikan dan bersamaan diukur oleh stopwatch, nilai tegangan yang terukur di Voltmeter terus turun yang artinya kapasitor mulai mengosongkan tegangan. Dalam pengosongan tegangan, rangkaian tetap dalam keadaan tertutup dan tidak terhubung ke power supply. Hal ini dikarenakan nilai hambatan dalam pada power supply sedikit banyak berpengaruh pada waktu pengosongan kapasitor. Hal ini juga yang membuat praktikan harus mengulang percobaan ini dua kali karena lupa memutus sambungan dari power supply ke rangkaian. Semakin mendekati tegangan minimum, waktu pengisian semakin lambat dan waktu paling lama adalah ketika tegangan mencapai 1 Volt menuju tegangan minimum. Data pengamatan bisa dilihat di Tabel 2. Untuk membuktikannya, maka data-data perhitungan dihitung. Ketika memasukkan data di software Igor Pro, didapatkan invTau (1 𝜏⁄) = 0.042793±0.000921, lalu untuk mencari nilai C dihitung dengan cara
1
0.042793 × 9,92= 2,3556 𝑚𝐹 = 𝟐𝟑𝟓𝟓, 𝟔𝝁𝑭.
Hasilnya masih dalam rentang toleransi kapasitor yang bernilai 2200µF±10%. Jika dihitung, persentase hasilnya adalah
2355,6
2200 × 100% = 107,02 %. Persentase
toleransi adalah adalah 7,04 %.
Gambar 5. Grafik Pengosongan Kapasitor
(R=9,92kΩ)
4 pengisian dan pengosongan kapasitor relatif lebih lama daripada percobaan pertama. Hal ini dikarenakan resistor yang digunakan jauh lebih besar sehingga waktu pengisian dan pengosongan juga lebih lambat daripada percobaan pertama. Jika diamati, terlihat hubungan antara waktu pengisian atau pengosongan kapasitor (t) dengan konstanta pengisian atau pengosongan kapasitor (τ), yaitu waktu pengisian atau pengosongan kapasitor akan berbanding terbalik dengan konstanta waktu pengisian atau pengosongan kapasitor (𝑡 = 𝜏 = 𝑅𝐶).
Untuk pengisian kapasitor, didapatkan invTau (1 𝜏⁄) = 0.004888 ± 2.35e-005, lalu untuk mencari nilai C dihitung dengan cara 1
0.004888 × 100,5 = 2,0356 𝑚𝐹 = 𝟐𝟎𝟑𝟓, 𝟔𝝁𝑭. Jika dihitung, persentase hasilnya adalah 2035,6
2200 × 100% = 92,5 %. Persentase toleransi adalah adalah 7,5 %.
Gambar 6. Grafik Pengisian Kapasitor
(R=100,5kΩ)
Untuk pengosongan kapasitor, didapatkan invTau (1 𝜏⁄) = 0.0048948± 1.95e-005, lalu untuk mencari nilai C dihitung dengan cara 1
0.0048948 × 100,5 = 2,0328 𝑚𝐹 = 𝟐𝟎𝟑𝟐, 𝟖𝝁𝑭. Jika dihitung, persentase hasilnya adalah 2032,8
2200 × 100% = 92,4 %. Persentase toleransi adalah adalah 7,6 %.
Hasil perhitungan yang diperoleh
pada percobaan kedua (R=100,5kΩ) masih
dalam rentang toleransi kapasitor yang bernilai 2200µF±10%.
Gambar 7. Grafik Pengosongan Kapasitor
(R=100,5kΩ)
4. Kesimpulan
Nilai hambatan (baik hambatan yang digunakan maupun hambatan dalam power supply) pada rangkaian pengisian dan pengosongan kapasitor berpengaruh terhadap waktunya. Semakin besar nilai hambatan, maka waktu pengisian dan pengosongan kapasitor akan semakin lambat. Sebaliknya, semakin kecil nilai hambatannya, maka waktu pengisian dan pengosongan kapasitor akan semakin cepat. Dari hasil percobaan diperoleh hasil nilai kapasitas kapasitor pada percobaan pengisian kapasitor untuk R=9,92kΩ adalah
2172,6𝜇𝐹 (Persentase toleransi 1,24%). Pada percobaan pengosongan kapasitor untuk R=9,92kΩ adalah 2355,6𝜇𝐹 (Persentase toleransi 7,04%). Pada percobaan pengisian kapasitor untuk
R=100,5kΩ adalah 2035,6𝜇𝐹 (Persentase
toleransi 7,5%). Pada percobaan pengosongan kapasitor untuk R=100,5kΩ adalah 2032,8𝜇𝐹 (Persentase toleransi 7,6%). Hasil pengukuran dan perhitungan tersebut masih dalam toleransi, yakni 2200µF±10%. Jadi, dapat disimpulkan bahwa percobaan ini berhasil dan teori mengenai pengisian dan pengosongan kapasitor teruji secara eksperimental.
5 berubah-ubah dan tidak stabil, sehingga berpengaruh terhadap jumlah tegangan yang disimpan oleh kapasitor dan menyebabkan hasil percobaan dan perhitungan yang didapatkan tidak tepat 100%.
DAFTAR PUSTAKA
Djukarna. 2014. Modul Pengantar Elektronika: Kapasitor. STKIP Surya. Tangerang.
