KAPASITORPrinsip 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.
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
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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)
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.
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.
__________________
BukuTamu
Pesan