Kapasitansi Dan Karakteristik Kapasitor [PDF]

Citation preview

Praktikum Elektrikal dan Elektronika Kapasitansi dan Karakter Kapasitor Fiky Nanda Pratama¹, Prisma Megantoro² Metrologi dan Instrumentasi Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada, Jln. Sekip Unit 1 Catur Tunggal Yogyakarta 55281 INDONESIA ¹[email protected] , ²[email protected] ABSTRAK Praktikum ini dilakukan guna mengetahui lebih dalam mengenai komponen-komponen elektronika. Salah satunya yaitu mengenai kapasitansi dan juga karakteristik kapastor. Praktikum ini lebih jelasnya bertujuan untuk mengetahui apa itu kapasitansi dan karakter -karalter yang terdapat pada kapasitor. Percobaan ini menggunakan dua jenis percobaan rangkaian yaitu pada rangkaian flip-flop dan rangkaian filter. Dalam rangkaian flip-flop dilakukan uji frekuensi dan dutycycle sementara pada rangkaian filter dilakukan uji pada low pass filter dan high pass filter. Dari percobaan yang telah dilakukan didapat hasil dari uji frekuensi bahwa semakin besar nilai C2 maka semakin besar pula periodenya akan tetapi berbanding terbalik dengan nilai frekuensinya. Sedangkan pada uji low pass filter dapat ditarik kesimpulan bahwa semakin besar frekuensi yang diberikan maka nilai magnitudenya semakin besar. Keywords─ Filter, Osilator, Flip-Flop



A. Pendahuluan Dalam lingkup elektronika pasti tidak asing lagi mengenal nama kapasitor. Kapasitor merupakan komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan muatan listrik dalam sementara waktu dengan besar satuan farad. Secara sederhana terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan penyekat (bahan dielektrik). Atau dengan kata lain, kapasitor terbentuk dari dua konduktor sembarang yang dipisahkan oleh sebuah isolator (ruang hampa). Struktur sebuah kapasitor terbuat dari dua buah pelat metal yang dipisahkan oleh sutu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum,



keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung pelat 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 yan atu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju kutub ujung negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju 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 muatanmuatan positif dan negatif di awan.



Komponen ini sangat penting dan dalam pemasangannya terdapat berbegai macam tipe rangkaian dan satu sama lain bisa dikombinasikan. Kapasitor banyak diterapkan pada rangkaian listrik seperti untuk memuluskan jalan arus terektifikasi yang berasal dari sumber listrik. Suatu komponen yang berhubungan dengan kapasitor yaitu kapasitansi. Kapasitansi merupakan kemampuan suatu benda guna menyimpan muatan listrik. Kapasitor memanfaatkan sifat dari pada kapasitansi. Nilai kapasitansi kapasitor dipengaruhi oleh luasnya pelat, jarak pelat dan konstanta dielektrik atau permitivitas relatif. B. Tinjauan Pustaka Kapasitor Kapasitor merupakan dua buah penghantar terisolasi yang mengangkut muatan yang memiliki nilai yang sama tetapi meiliki tanda yang berlawanan yaitu +q dan –q (David Halliday dan Resnick, 1996). Kapasitor memiliki struktur dua buah penghantar yang memiliki jarak yang berdekatn tetapi tidak bersentuhan. Muatan positif akan terkumpul pada salah sau penghantar dan muatan negatif akan terkumpul pada muatan lainnya jika kedua penghantar tersebut diberi tegangan listrik. Karena terpisah oleh bahan dielektrik yang tidak dapat menghantarkan arus listrik maka tidak memungkinkan pelat bermuatan positif untuk mengalir menuju pelat bermuatan negatif atau sebaliknya. Muatan akan tetap tersimpan selama tidak terjadi hantaran pada masingmasing pelat (sulastri, 2006). Pada kapasitor tertentu, jumlah muatan Q yang terdapat pada masing-masing pelat berbanding lurus dengan beda potensial V, sehingga dapat di tuliskan : Q = CV Dimana C merupakan kapasitansi dan kapasitor tersebut. Satuan dari



kapasitansi adalah coulomb per volt atau bisa disebut farad (F) (Giancoli, 2001). Berikut ini adalah nilai daru beberapa konstanta dielektrik dari suatu bahan yang ditunjukkan pada tabel 2.1 Material



Konstanta Dielektrik



Vakum



1



Udara



1,00054



Polyvinyl Klorida (PVC)



3,54



Air



80,1



Tabel 2.1 Konstanta dielektrik pada beberapa bahan (Beur dan Westfall, 1595). Kapasitansi Kapasitansi merupakan besaran yangmempresentasikan kemampuan untuk menampung muatan listrik pada suatu kapasitor (Tipler, 1991). Ukuran dan bentuk dari suatu konduktor sangat mempengaruhi nilai kapasitansi yang akan bertambah apabila terdapat sebuah bahan pengisolasi atau bisa disebut bahan dielektrik (Young dan Freedman, 2003). Selain itu salah satu faktor yang menentukan kapasitansi pada kapasitor pelat sejajar adalah jarak antar pelat (Sulastri, 2006). C. Dasar Teori Kapasitor Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan dengan huruf “C” adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi atau muatan listrik didalam medan listrik, dengan cara mengumpulka ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867).



Satuan kapasitor disebut farad (F). Satu Farad = 9 x 1011 cm2 yang artinya luas permukaan kepingan tersebut. Struktur sebua kapasitor terbuat dari 2 buah pelat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal minsalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain . jika kedua ujung pelat 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 ke 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. Kapasitansi Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron. Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1 coulmb = 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 Q = muatan elektron dalam C (coulombs) C = nilai kapasitansi dalam F (Farad) V = besar tegangan dalam V (Volt) Dalam praktek pembuaan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui luas area pelat metal (A), jarak (t) antara kedua pelat metal (tebal dielektrik) dan konstanta (K) bahan dielektrik. Dengan rumus dapat ditulis sebagai berikut :



C = (8,85 x 1012) (kA/t) Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang disederhanakan. Udara vakum K=1 Alumunium oksida Keramik



K=8



Gelas



K=8



Polyethylene



K=3



K = 100 – 1000



Untuk rangkaian elektronik praktis, satuan farad adalah sangat besar sekali. Umumnya kapasitor yang ada dipasaran memiliki satuan µF, nF dan pF 1 Farad = 1.000.000 µF (mikro Farad) 1 µF = 1.000.000 pF (piko Farad) 1 µF = 1.000 nF (nano Farad) 1 µF = 1.000 pF (piko Farad) 1 pF = 1.000 µµF(mikro-mikro Farad) 1 µF = 10-6 F 1 nF = 10-9 F 1 pF = 10-12F Konversi stuan penting diketahui untuk memudahkan membaca besaran sebuah kapasitor. Misalnay 0,0047 µF dapat juga dibaca sebagai 47 nF, atau contoh lain 0,1 nFsama dengan 100 pF. Kondenstor diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua kutub yaitu positif dan negatif serta memiliki cairan elektrolit dan biasanya berbentuk tabung.



Simbolnya



Sedangkan jenis yang satunya lagi kebanyakan nilai kapasitasnya lebih rendah, tidak memiliki kutub positif atau negatif pada kakinya, kebanyakan berbentuk bulat pipih berwarna coklat, merah, hijau dan lainnya seperti tablet atau kancing baju yang sering disebut kapasitor (capacitor). 105J



Simbolnya



D. Metode Pengukuran 1) Tempat pengukuran Pelaksanaan praktikum Kapasitasi dan Karakter Kapasitor dilaksanakan pada hari Senin, 19 Februari 2018 yang dilakukan di Laboratorium S2.03 Gedung Herman Yohanes, Program Studi Metrologi dan Instrumentasi, Universitas Gadjah Mada 2) Alat dan Bahan a. Multimeter, project board b. Power supply DC c. Kapasistor, resistor, IC NE555, led 3) Langkah percobaan: a) Betuk kelompok diskusi b) Penjelasan tentang fungsi, jenis, cara kerja, dan nilai kapasitor c) Siapkan peralatan, pasang power supply pada jaringan listrik DC di meja praktikum. Pakai jaringan 5V DC (asisten) d) Siapkan project board, buatlah titik VCC dan GND pada project board e) Sambungkan titik VCC dengan jack merah pada jaringan 5V DC, dan titik GND pada jack hitamnya f) Rangkaian seri dan paralel



1. Buatlah rangkaian seri kapasitor 2. Ukur kapasitansi total dari ujung ke ujung 3. Catat hasilya pada table 1 4. Lakukan poin iii sampai vii selama 5 kali untuk settiap rangkian kapasitor dengan jumlah seri seperti ditable 1 5. Lakukan hal yang sama untuk rangkaian paralel dan catat hasilnya pada table 2 g) Rangkaian osilator/flip-flop 1. Uji frekuensi a. Siapkan osiloskop b. Buatlah rangkaian osilator menggunakan ic NE555 seperti pada gambar 1, dengan nilai R1 = R2 = 47k, nilaikapasitor divariasikan seperti pada table 3 c. Sambungkan titik VCC pada tegangan 9V DC dan GND pada ground d. Amati hasilnya pada osiloskop, ubah knob V/div dan T/div sampai sinyal bisa dilihat dengan jelas e. Catat hasilnya pada table 3 f. Hitung manual dengan rumus yang diberikan, dan bandingkan hasilnya dengan hasil eksperimen g. Lakukan langkah ii sampai vi dengan nilai C2 yang berbeda 2. Uji dutycycle a. Siapkan osiloskop b. Dengan rangkaian yang sama gunakan kapasitor C2 = 1nF, nilai R1 dan R2 divariasikan sesuai table 4 c. Hubungkan dengan motor servo pada output/kaki 3 dan



GND d. Sambungkan titik VCC pada tegangan 9V DC dan GND pada ground e. Amati hasilnya pada osiloskop, ubah knob V/div dan T/div sampai sinyal bisa dilihat dengan jelas f. Catat hasilnya pada table 3 g. Hitung manual dengan rumus yang diberikan , dan bandingkan hasilnya dengan hasil eksperimen h. Lakukan langkah ii sampai vi dengan nilai R1 dan R2 yang berbeda. h) Rangkaian Filter 1. Low pass filter a. Siapkan function generation dan osiloskop b. Buatlah rangkaian seperti pada gambar 2 dengan R = 100 dan C = 1µF c. Atur output function generator pada frekuensi sesuai table 5dengan sinyal sinus (asisten) d. Amati sinyal pada osiloskop e. Catat hasilnya pada table 5 f. Lakukan langkah iii sampa v, dengan frekuensi yang divariasikan sesuai table 5 2. High pass filter a. Siapkan function generator dan osiloskop b. Buatlah rangkaian seperti pada gambar 3, dengan R = 100 dan C = 1µF c. Atur output function generator pada



frekuensi sesuai table 6 dengan sinyal sinus (asisten) d. Amati sinyal pada osiloskop e. Catat hasilnya pada table 6 f. Lakukan langkah iii-v dengan frekuensi yang divariasikan sesuai table 6 4) Skema Percobaan



Jumlah No



F



Kapasitor Seri



SD 1



2



3



4



5



2A102J 1



2



0.86



0.86



0.86



0.86



0.86



0.86±0



2



4



0.57



0.57



0.57



0.57



0.57



0.57±0



3



6



0.45



0.45



0.45



0.45



0.45



0.45±0



4



8



0.39



0.39



0.39



0.39



0.39



0.39±0



Gambar 1. Skema uji frekuensi



Grafik Rangkaian Seri Kapasitor 2A102J



Gambar 2. Skema low pass filter



0.39



0.39



0.39



0.39



0.39



0.45



0.45



0.45



0.45



0.45



0.57



0.57



0.57



0.57



0.57



0.86



0.86



0.86



0.86



0.86



1



2



3



4



5



Farad (F)



5) Metode Pengambilan Data



Percobaan ke-



E. Hasil dan Pembahasan 1) Hasil 1. Hasil percobaan rangkaian seri dan paralel



Kapasitor 2



Kapasitor 4



Kapasitor 6



Kapasitor 8



Tabel 5.2 jumlah Kapasitor paralel 2A102J



Grafik Rangkaian Paralel Kapasitor 2A102J



Tabel 5.1 Jumlah kapasitor seri 2A102J



25



Grafik 5.1 Rangkaian Seri Kapasitor 2A102J 20 F SD



1



2



3



4



5



Farad (F)



N o



Jumlah Kapasi tor Paralel 2A102 J



15



10



1



2



2.3 4



2.3 4



2.3 4



2.3 4



2.3 4



2.34 ±0



5



2



4



4.2 5



4.2 5



4.2 5



4.2 5



4.2 5



4.25 ±0



0



3



6



6.2 3



6.2 3



6.2 3



6.2 3



6.2 3



6.23 ±0



8.1 7



8.1 7



8.1 7



8.1 7



8.1 4



±



4



8



1



2



3



4



5



Percobaan keKapasitor 2



Kapasitor 4



Kapasitor 6



Kapasitor 8



Grafik 5.2 Rangkaian Paralel Kapasitor 2A102J



Jumlah N Kapasit o or Seri 103



F



SD



1



2



3



4



5



1



2



5.54



5.55



5.54



5.54



5.53



±



2



4



2.69



2.69



2.70



2.70



2.70



±



3



6



2.09



2.09



2.09



2.09



2.09



2.09 ±0



Tabel 5.3 Jumlah Kapasitor Seri 103



160



140 120



Grafik Rangkaian Kapasitor Seri 103



Farad (F)



100 80



12 10



Farad (F)



Grafik Rangkaian Pararel Kapasitor 103



60



8 40



6 4



20



2 0



0 1



2



3



4



1



5



2



4



5



Percobaan ke-



Percobaan keKapasitor 2



3



Kapasitor 2 Kapasitor 6



Kapasitor 4



Kapasitor 4



Kapasitor 6



Grafik 5.4 Grafik Rangkaian Pararel Kapasitor 103 Grafik 5.3 Grafik Rangkaian Kapasitor Seri 103



N o



1



2



3



Jumla h Kapas itor Parale l 103



N o



Jumla h Kapasi tor Seri 2A103 J



F S D



F



SD 1



2



3



4



5



1



2



3



4



5



2



20. 16



20. 17



20. 11



20. 06



20. 02



±



1



2



5.4



5.4 1



5.4 1



5.4 1



5.4 1



±



4



41. 80



41. 97



42. 16



42. 16



42. 16



±



2



4



2.9 3



2.9 3



2.9 3



2.9 3



2.9 3



2.93 ±0



6



71. 3



71. 3



71. 4



71. 4



71. 4



±



3



6



2.1



2.1



2.1



2.1



2.1



2.1± 0



Tabel 5.4 Jumlah Kapasitor Paralel 103



4



1.6 8



8



1.6 8



1.6 8



1.6 8



1.5 4



±



Grafik Rangkaian Pararel Kapasitor 2A103J



Tabel 5.5 Jumlah Kapasitor Seri 2A103J



250 200



Farad (F)



Grafik Rangkaian Seri Kapasitor 2A103J 6



100 50



5



Farad (F)



150



0



4



1 3



2



3



4



5



Percobaan ke-



2 1



Kapasitor 2



Kapasitor 4



Kapasitor 6



Kapasitor 8



0 1



2



3



4



5



Grafik 5.6 Rangkaian paralel kapasitor 2A103J



Percobaan ke-



2. Hasil percobaan uji frekuensi Kapasitor 2



Kapasitor 4



Kapasitor 6



Kapasitor 8



NO



Frekuensi (Hz)



Magnitude (V)



Periode (S)



1



10



4



100



2



50



3.5



40



3



100



3.5



20



4



150



3.2



10



5



200



4



8



6



250



3



6



7



300



2.8



6



8



350



2.6



4



9



400



2.4



3



10



450



2.2



2.5



11



500



2.2



2



Grafik (frekuensi vs magnitude)



Grafik 5.5 Rangkaian seri kapasitor 2A103J



N o



Jumla h Kapa sitor parar el 2A10 3J



F



SD 1



2



3



4



5



1



2



20. 81



20. 8



20. 8



20. 8



20. 8



20.8 ±0



2



4



41. 14



41. 18



41. 18



41. 18



41. 18



±



3



6



61. 1



61. 1



61. 1



61. 1



61. 1



61.1 ±0



4



8



81. 7



81. 7



81. 7



81. 7



81. 7



81.7 ±0



Tabel 5.6 Jumlah Kapasitor pararel 2A103J



Tabel 5.7 Hasil data percobaan pertama uji frekuensi



NO



Freku ensi (Hz)



Magni tude (V)



Peri ode (S)



1



100



0.06



100



120



2



200



0.1



10



100



3



300



0.14



5



4



400



0.16



3



5



500



0.16



2.4



6



600



0.2



2



7



700



0.24



1.6



8



800



0.26



1.4



9



900



0.28



1.2



10



1000



0.3



1



Grafik (frekuensi vs magnitude)



PERIODE HIGHT PASS FILTER



Periode (ms)



80 60 40 20



10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500



0



Frekuensi (Hz)



Tabel 5.8 Hasil data percobaan kedua uji frekuensi 3. Hasil percobaan low pass filter-high pass filter



Gambar 5.2 Diagram Hasil Percobaan Periode High Pass Filter



MAGNITUDE HIGHT PASS FILTER



MAGNITUDE LOW PASS FILTER 4.5



0.35 0.3



4



0.25



Magnitude (V)



Magnitude (V)



3.5 3 2.5 2 1.5



0.2 0.15 0.1



1



0.05



0.5



Frekuensi (Hz)



Gambar 5.1 Diagram Hasil percobaan Low Pass Filter



1000



900



800



700



600



500



400



300



200



10 50 100 150 200 250 300 50 400 450 500



100



0



0



Frekuensi (Hz)



Gambar 5.3 Hasil Percobaan Diagram High Pass Filter



2) Pembahasan Praktikum Elektronika dan Elektrikal dengan judul “Kapasitansi dan Karakter Kapasitor” telah dilaksanakan pada hari Senin, 19 Februari 2018 di Laboratorium S2.03 Gedung Herman Yohanes, Program Studi Metrologi dan Instrumentasi, Universitas Gadjah Mada. Praktikum dilakukan bertujuan untuk mengetahui kapasitansi dan macam-macam karakter yang terdapat pada kapasitor. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan dua jenis percobaan pada rangkaian, yaitu rangkaian flip-flop dan rangkaian filter. Pada rangkaian flip-flop ini telah dilakukan uji frekuensi dan dutycycle sedangkan pada rangkaian filter dilakukan uji pengambilan data pada low pass filter dan high pas filter. Setelah semua data diperoleh dapat dilihat pada percobaan uji frekuensi bahwa hasilnya dengan variasi. Itu berarti semakin besar nilai C2 maka semakin besar pula periodenya tetapi berbanding terbalik dengan frekuensinya. Pada percobaan low pass filter menggunakan frekuensi sebagai variasinya, didapat data yang hampir sama hanya sedikit pertambahan yang terjadi pada nilai magnitude dan periode. Dan dapat dikatakan bahwa semakin besar frekuensi yang diberikan maka nilai manitude dan nilai periode semakin besar. F. Kesimpulan Hasil dari Praktikum yang telah dilakukan Praktikan telah mengetahui bagaimana cara kerja kapasitor pada rangkaian osilator, flip-flop, dan low pass filter.



Praktikan



dikatakan



dapat



menggunakan osiloskop sebagai alat guna menghitung besar frekuensi, magnitude, percobaan



dan uji



periode.



Pada



frekuensi



dapat



dismpulkan bahwa semakin besar nilai C2 maka semakin besar pula nilai periode, tapi nilai frekuensi semakin kecil. Pada percobaan uji low pass filter dapat disimpulkan bahwa semakin besar nilai frekuensinya maka semakin besar pula nilai magnitudenya. G. Daftar Pustaka digilib.unila.ac.id/11797/173/Bab%202. pdf [Diakses pada 26 Februari 2018, 08:41 WIB] repository.ipb.ac.id/jspui/bitstream/.../3/ BAB%20II%20Tinjauan%20Pustaka.pdf [Diakses pada 26 Februari 2018, 08:50 WIB] repository.ub.ac.id/4764/3/3.%20BAB% 20II.pdf [Diakses pada 26 Februari 2018, 08:59 WIB] https://www.scribd.com/doc/.../LaporanPraktikum-III-Kapasitansi-Seri-DanParalel [Diakses pada 26 Februari 2018, 09:00 WIB] www.academia.edu/8834346/Laporan_ Praktikum_Rangkaian_Kapasitor_ [Diakses pada 26 Februari 2018, 09:00 WIB]



Lampiran