Kapasitor
I.2.1 Prinsip dasar dan
spesifikasi elektriknya
Kapasitor
adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Struktur
sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu
bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara
vakum, keramik, gelas dan lain-lain. 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 mengalir
menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke
ujung kutup positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif.
Muatan elektrik ini "tersimpan" selama tidak ada konduksi pada
ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor ini terjadi pada
saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan.
Gambar I.3 prinsip dasar kapasitor
1.2.2 Kapasitansi
Kapasitansi
didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan
elektron. Coulombs pada abad 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 elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis :
Q = CV …………….(1)
Q = muatan elektron dalam C (coulombs)
C = nilai kapasitansi dalam F (farads)
V = besar tegangan dalam V (volt)
Dalam
praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui luas area
plat metal (A), jarak (t) antara kedua plat metal (tebal dielektrik) dan
konstanta (k) bahan dielektrik. Dengan rumusan dapat ditulis sebagai berikut :
C = (8.85 x 10-12) (k A/t) ...(2)
Berikut
adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang
disederhanakan.
|
Udara vakum
|
k = 1
|
|
Aluminium oksida
|
k = 8
|
|
Keramik
|
k = 100 - 1000
|
|
Gelas
|
k = 8
|
|
Polyethylene
|
k = 3
|
Tabel I.1
Tabel Konstanta Bahan Dielektrik
Untuk
rangkain elektronik praktis, satuan farads adalah sangat besar sekali. Umumnya
kapasitor yang ada di pasar memiliki satuan uF (10-6 F), nF (10-9 F)
dan pF (10-12
F). Konversi satuan penting diketahui untuk memudahkan
membaca besaran sebuah kapasitor. Misalnya 0.047uF dapat juga dibaca sebagai
47nF, atau contoh lain 0.1nF sama dengan 100pF.
I.2.3 Tipe
Kapasitor
Kapasitor
terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk lebih
sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic,
electrolytic dan electrochemical.
I.2.3.1 Kapasitor
Electrostatic
Kapasitor
electrostatic 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 uF, 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.
I.2.3.2 Kapasitor Electrolytic
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 kutup positif anoda dan kutup
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 kedalam
larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan
larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan
electrolyte terlepas dan mengoksidai permukaan plat metal. Contohnya, jika
digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3)
pada permukaannya.
Gambar I.4 Kapasitor Elco
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.
I.2.3.3 Kapasitor
Electrochemical
Satu
jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis
ini adalah batere dan accu. Pada kenyataanya batere 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 applikasi mobil elektrik dan telepon selular.
1.2.4 Membaca Kapasitansi
Pada
kapasitor yang berukuran besar, nilai kapasitansi umumnya ditulis dengan angka
yang jelas. Lengkap dengan nilai tegangan maksimum dan polaritasnya. Misalnya
pada kapasitor elco dengan jelas tertulis kapasitansinya sebesar 22uF/25v.
Kapasitor yang ukuran fisiknya mungil dan kecil
biasanya hanya bertuliskan 2 (dua) atau 3 (tiga) angka saja. Jika hanya ada dua
angka satuannya adalah pF (pico farads). Sebagai contoh, kapasitor yang
bertuliskan dua angka 47, maka kapasitansi kapasitor tersebut adalah 47 pF.
Jika
ada 3 digit, angka pertama dan kedua menunjukkan nilai nominal, sedangkan angka
ke-3 adalah faktor pengali. Faktor pengali sesuai dengan angka nominalnya,
berturut-turut 1 = 10, 2 = 100, 3 = 1.000, 4 = 10.000 dan seterusnya. Misalnya
pada kapasitor keramik tertulis 104, maka
kapasitansinya adalah 10 x 10.000
= 100.000pF atau = 100nF. Contoh lain misalnya tertulis 222, artinya kapasitansi
kapasitor tersebut adalah 22 x 100 = 2200 pF = 2.2 nF.
Selain
dari kapasitansi ada beberapa
karakteristik penting lainnya yang perlu diperhatikan. Biasanya spesifikasi
karakteristik ini disajikan oleh pabrik pembuat didalam datasheet. Berikut ini adalah beberapa spesifikasi penting
tersebut.
1.2.5 Tegangan
Kerja (working voltage)
Tegangan
kerja adalah tegangan maksimum yang diijinkan sehingga kapasitor masih dapat
bekerja dengan baik. Para elektro- mania
barangkali pernah mengalami kapasitor yang meledak karena kelebihan tegangan.
Misalnya kapasitor 10uF 25V, maka tegangan yang bisa diberikan tidak boleh
melebihi 25 volt dc. Umumnya kapasitor-kapasitor polar bekerja pada tegangan DC
dan kapasitor non-polar bekerja pada tegangan AC.
1.2.6 Temperatur Kerja
Kapasitor
masih memenuhi spesifikasinya jika
bekerja pada suhu yang sesuai. Pabrikan
pembuat kapasitor umumnya membuat kapasitor yang mengacu pada standar popular. Ada
Tabel I.2 Kode karakteristik kapasitor kelas I
|
Koefisien Suhu
|
Faktor Pengali Koefisien
Suhu
|
Toleransi Koefisien Suhu
|
|||
|
Simbol
|
PPM per Co
|
Simbol
|
Pengali
|
Simbol
|
PPM per Co
|
|
C
|
0.0
|
0
|
-1
|
G
|
+/-30
|
|
B
|
0.3
|
1
|
-10
|
H
|
+/-60
|
|
A
|
0.9
|
2
|
-100
|
J
|
+/-120
|
|
M
|
1.0
|
3
|
-1000
|
K
|
+/-250
|
|
P
|
1.5
|
4
|
-10000
|
L
|
+/-500
|
ppm = part per million
Tabel I.3 Kode karakteristik
kapasitor kelas II dan III
|
suhu kerja minimum
|
suhu kerja maksimum
|
Toleransi Kapasitansi
|
|||
|
Simbol
|
Co
|
Simbol
|
Co
|
Simbol
|
Persen
|
|
Z
|
+10
|
2
|
+45
|
A
|
+/- 1.0%
|
|
Y
|
-30
|
4
|
+65
|
B
|
+/- 1.5%
|
|
X
|
-55
|
5
|
+85
|
C
|
+/- 2.2%
|
|
|
|
6
|
+105
|
D
|
+/- 3.3%
|
|
|
|
7
|
+125
|
E
|
+/- 4.7%
|
|
|
|
8
|
+150
|
F
|
+/- 7.5%
|
|
|
|
9
|
+200
|
P
|
+/- 10.0%
|
|
|
|
|
|
R
|
+/- 15.0%
|
|
|
|
|
|
S
|
+/- 22.0%
|
|
|
|
|
|
T
|
+22% / -33%
|
|
|
|
|
|
U
|
+22% / -56%
|
|
|
|
|
|
V
|
+22% / -82%
|
I2.7 Toleransi
Seperti
komponen lainnya, besar kapasitansi nominal ada toleransinya. Tabel diatas
menyajikan nilai toleransi dengan kode-kode angka atau huruf tertentu. Dengan table di atas pemakai dapat
dengan mudah mengetahui toleransi kapasitor yang biasanya tertera menyertai
nilai nominal kapasitor. Misalnya jika tertulis 104 X7R, maka kapasitasinya
adalah 100nF dengan toleransi +/-15%.
Sekaligus dikethaui juga bahwa suhu kerja yang direkomendasikan adalah
antara -55Co sampai +125Co
(lihat tabel kode karakteristik)
I.2.8
Insulation Resistance (IR)
Walaupun
bahan dielektrik merupakan bahan yang non-konduktor, namun tetap saja ada arus
yang dapat melewatinya. Artinya, bahan dielektrik juga memiliki resistansi.
walaupun nilainya sangat besar sekali. Phenomena ini dinamakan arus bocor DCL
(DC Leakage Current) dan resistansi dielektrik ini dinamakan Insulation
Resistance (IR). Untuk menjelaskan ini, berikut adalah model rangkaian kapasitor.
model kapasitor
:
C = Capacitance
ESR = Equivalent Series
Resistance
L = Inductance
IR = Insulation Resistance
Jika tidak diberi beban, semestinya kapasitor dapat
menyimpan muatan selama-lamanya. Namun dari model di atas, diketahui ada
resitansi dielektrik IR(Insulation Resistance) yang paralel terhadap kapasitor.
Insulation resistance (IR) ini sangat besar (MOhm). Konsekuensinya tentu saja arus bocor (DCL) sangat kecil (uA).
Untuk mendapatkan kapasitansi yang besar diperlukan permukaan elektroda
yang luas, tetapi ini akan menyebabkan resistansi dielektrik makin kecil.
Karena besar IR selalu berbanding terbalik dengan kapasitansi (C), karakteristik
resistansi dielektrik ini biasa juga disajikan dengan besaran RC (IR x C) yang
satuannya ohm-farads atau megaohm-micro farads.
I.2.9 Dissipation
Factor (DF) dan
Impedansi (Z)
Dissipation
Factor adalah besar persentasi rugi-rugi (losses) kapasitansi jika kapasitor bekerja pada aplikasi
frekuensi. Besaran ini menjadi faktor yang diperhitungkan misalnya pada
aplikasi motor phasa, rangkaian ballast,
tuner dan lain-lain. Dari model
rangkaian kapasitor digambarkan adanya resistansi seri (ESR) dan induktansi (L). Pabrik pembuat biasanya meyertakan data DF
dalam persen. Rugi-rugi (losses)
itu didefenisikan sebagai ESR yang besarnya adalah persentasi dari impedansi
kapasitor Xc. Secara matematis di tulis sebagai berikut :
Dari
penjelasan di atas dapat dihitung besar total impedansi (Z total) kapasitor
adalah :
Karakteristik respons frekuensi sangat perlu
diperhitungkan terutama jika kapasitor bekerja pada frekuensi tinggi. Untuk perhitungan- perhitungan respons
frekuensi dikenal juga satuan faktor qualitas Q (quality factor) yang tak lain sama dengan 1/DF.
0 komentar:
Posting Komentar