Rangkaian Dasar Kapasitor

I. DASAR
1. KAPASITOR SEBAGAI BATERAI.

Lihat gambar “memuati kapasitor” apabila suatu kapasitor tak-bermuatan listrik ( kapasitor netral ), dikoneksikan dengan baterai maka keping penghantar yang berkoneksi pada kutub negatif baterai menjadi kelebihan-elektron sedangkan keping penghantar yang berkoneksi pada kutub positif baterai menjadi kekurangan-elektron.
Kejadian ini disebut mengisi kapasitor dengan muatan listrik.Kondisi ini disebut pengisian kapasitor.

Jika kapasitor dilepaskan dari sumber-arus maka muatan2 listrik akan tetap tertinggal di kapasitor.Kondisi ini disebut dengan terisi-muatan listrik.
Dalam kondisi ini kapasitor dapat di samakan dengan baterai.Dengan kata lain kapasitor sebagai baterai.

Besarnya muatan listrik yang disimpan pada keping2 kapasitor ,dirumuskan :

Q = C*V

Dimana:
Q = Muatan dalam satuan Coulomb
C = Kapasitas dalam satuan Farad
V = Tegangan dalam satuan Volt 1 coulomb = 6,3 * 1018 elektron

Setelah kapasitor berfungsi seperti baterai,maka di terminal2 kapasitor ada beda-potensial,potensial di titik A positif dan B negatif,besarnya Tegangan yang ada di kapasitor ini sebesar tegangan-jepit dari sumber-arus saat mengisi kapasitor.
Tegangan pada kapasitor ini tetap tertinggal meskipun baterai telah di lepaskan,berapa lama tegangan ini hilang dari kapasitor tergantung dari besarnya kapasitas kapasitor.

2. MEDAN LISTRIK
Dimana kapasitor menyimpan muatan2 listriknya?...
Jika kapasitor bermuatan2 listrik maka diantara keping2 kapasitor terdapat gaya2 yang mengarah dari keping-positif ke keping-negatif yang dapat di khayalkan sebagai garis2 yang mengalir dari keping-positif ke keping-negatif.
Garis2 itu disebut garis2 gaya listrik.
Ruang diantara keping2 kapasitor yang terdapat garis gaya listrik disebut medan listrik.
Di medan listrik ini daya ( tenaga ) listrik tersimpan.

3. ARUS KAPASITOR
Suatu kapasitor terdiri dari dua buah keping plat yang disekat oleh isolator yang disebut dielektrika, dan bila dikoneksikan dengan sumber-arus maka kita berharap tidak ada arus yang mengalir?...
Tetapi ternyata ada arus yang mengalir.
Arus ini mengalir pada saat kapasitor mengisi muatan dari sumber-arus.
Setelah beberapa saat kapasitor penuh dengan muatan-muatan listrik,aliran arus itu juga berhenti,dengan kata lain arus-rata ini tidak dapat mengalir lewat kapasitor.

4. KAPASITOR DENGAN BEBAN

Suatu kapasitor yang telah terisi-muatan listrik,apabila terminal2 kapasitor kita koneksikan dengan beban maka muatan itu akan terbuang melalui beban tersebut.
Kejadian ini disebut membuang muatan listrik dari kapasitor.
Kondisi ini disebut pengosongan kapasitor.

Pada saat kondisi pengosongan kapasitor,lambat-laun muatannya berkurang yang akhirnya menurunkan tegangan kapasitor hingga akhirnya terbuang habis muatannya.
Kondisi ini disebut dengan tak-bermuatan listrik ( kapasitor netral ).

Besar nilai beban dapat mempengaruhi jalannya pengosongan kapasitor.
Besar nilai itu dalam bentuk nilai hambatan.
Untuk dapat melihat jalannya pengosongan muatan2 listrik kapasitor kita menggunakan alat-ukur listrik sebagai beban.
Seperti baterai maka kawat positif alat ukur di koneksikan pada kutub positif kapasitor dan kawat negatif alat-ukur di koneksikan pada kutub negatif kapasitor seperti gambar diatas terlihat dengan jalannya jarum penunjuk alat-ukur pada saat pengosongan kapasitor.

5. KONSTANTA WAKTU
Apabila kapasitor yang terisi-muatan listrik kita hubungkan dengan beban maka kapasitor akan membuang muatan melalui beban itu,bila beban itu alat-ukur multimeter,terlihat respon jarum akan berangsur-angsur menurun ke nol volt.
Waktu yang diperlukan agar jarum menuju ke titik nol ditentukan oleh besarnya nilai hambatan-dalam alat-ukur multimeter itu.
Dengan alat-ukur waktu misalkan StopWatch kita dapat melihat waktu yang diperlukan jalannya pengosongan-muatan kapasitor terhadap respon jarum multimeter.
Pada pengisian-kapasitor dengan alat-ukur multimeter terlalu sulit menentukan waktu yang diperlukan pada proses pengisian-muatan kapasitor itu.Pemecahan masalah ini dengan menggunakan hambatan luar.
Misalkan hambatan luar itu komponen Resistor maka kapasitor membuang muatan itu melalui resistor.
Berarti arus mengalir lewat resistor dan selang beberapa saat, muatan kapasitor akhirnya habis dan aruspun menjadi Nol.

Berapa lama muatan kapasitor terbuang habis ditentukan oleh :
A. Kapasitas kapasitor .
Makin besar kapasitas kapasitor akan makin panjang waktu pengosongan kapasitor.
B. Besarnya hambatan pada sirkit itu.
Makin besar hambatan,makin kecil kuat-arus yang mengalir untuk proses membuang muatan listrik itu dan menjadi panjang waktunya.

Jangka-waktu yang diperlukan untuk membuang habis muatan itu hasil kali dari kapasitas dengan hambatan sirkit itu.
Secara matematik ditulis dengan R*C
R dikali C disebut Konstanta Waktu. Dimana R dalam Ohm,dan C dalam Farad sedangkan Konstanta-waktu dalam detik.
Jangka-Waktu untuk membuang habis muatan kapasitor ialah 5*R*C

Contoh :
Diketahui:
Kapasitas kapasitor : 220 mikrofarad / 16 Volt
Hambatan Resistor : 56 KiloOhm
Ditanya: Berapa jangka-waktu untuk pengosongan kapasitor?
Jawab:
Konstanta-waktu = R.C
Konstanta-waktu = (56*103) * ( 220*10-6) = 12,32 detik
Jangka-waktu = 5*R*C = 5*12,32detik = 61,6 detik
Dari perhitungan diatas maka jangka-waktu pengisian sama dengan pengosongan muatan kapasitor.Bila jangka-waktu 61,6 detik membuang habis muatan listrik maka pengisian muatan-listrik sebesar 61,6 detik juga.
Catatan: Pada kapasitor diatas kita menggunakan Nilai 220mfd/ 16V, karena kita menggunakan baterai 9 volt Dc , tegangan maksimum yang di kenakan pada kapasitor itu belum terlampaui yaitu sebesar 16 volt.

6. HUBUNGAN TEGANGAN,ARUS,HAMBATAN DAN KAPASITAS KAPASITOR

Gambar “ jalannya tegangan dan arus pada proses kapasitor “ ialah rangkaian percobaan untuk melihat proses pengisian dan pengosongan kapasitor, sebagai catatan ,saya tekankan disini hanya pada kata Proses Kapasitor itu artinya pengisian dan juga pengosongan kapasitor.
Multimeter pertama kita posisikan pada saklar jangkah 12Volt DC untuk pengukuran tegangan dan multimeter kedua pada saklar jangkah DCmiliampere untuk pengukuran kuat arus yang mengalir.
Dengan menutup saklar atau saklar S mulai di posisi-ON kan, maka kapasitor akan terisi-muatan listrik ,ini terlihat dengan jalannya jarum-penunjuk alat-ukur pada kedua multimeter.
Dengan stopwatch kita dapat melihat konstanta waktu yang diperlukan, dihitung sejak saklar S mulai di posisi-ON kan pada rangkaian di atas.StopWatch dapat menggunakan aplikasi dari Handphone.
Setelah kapasitor terisi penuh muatan-listrik,saklar S kita posisikan OFF agar muatan listrik masih tersimpan pada kapasitor ,untuk mengosongkan kapasitor ,sumber-arus yaitu baterai 9 volt dapat kita lepaskan, dan bagian saklar yang terlepas di hubungkan pada terminal negatif alat-ukur multimeter kedua.Gulir kembali saklar S di posisi-ON,pengosongan muatan di mulai.

6.1 Tegangan-Jepit Pada Proses Kapasitor
Tegangan pada proses pengisian dan pengosongan kapasitor merupakan tegangan-jepit yang berada pada terminal2 kapasitor yang di koneksikan pada sumber-arus.
Tidak peduli,seberapa besar tegangan-jepit ini,tidak akan mempengaruhi waktu proses pengisian dan pengosongan kapasitor.Bila pada percobaan diatas ,baterai ditukar dengan dengan baterai 3 volt atau 6 volt jangka-waktu tidak terpengaruh.

6.2 Jalannya Arus-Pemuatan Dan Arus Buang-Muatan Pada Kapasitor.
Untuk pengisian dan pengosongan sebuah kapasitor melalui suatu hambatan diperlukan jangka-waktu.Jangka-waktu ini ditetapkan oleh Konstanta-waktu RC.
Sebenarnya bukan jalannya arus tetapi tegangan yang ada pada hambatan itu yaitu pada terminal2 resistor atau VR.

6.3 Jalannya Arus Dan Tegangan Pada Proses Kapasitor.
A. Proses pengisian kapasitor

Diketahui sebelumnya bahwa arus pemuatan pada kapasitor merupakan arus yang mengalir pada sebuah hambatan yaitu Resistor dan berdasarkan Hukum ohm V=R x I , ini berarti bila I = 0 maka V= 0 dan bila I= Maksimum maka V= maksimum dengan kata lain maka jalannya arus dan tegangan pada sebuah hambatan ialah Sefasa.
Terlihat bahwa tingkah jalannya arus pemuatan pada tegangan resistor ( VR ) berlawanan dengan tegangan kapasitor ( VC ) dimana bila VR = maksimum maka VC = 0 dan jika VR = 0 maka VC = maksimum.

B. Poses pengosongan kapasitor

Pada proses pengosongan kapasitor bahwa arus buang-muatan pada kapasitor di tunjukan dengan jalannya tegangan pada kapasitor itu.Tegangan kapasitor mula-mula sebesar tegangan-jepit baterai dan lambat-laun tegangan menurun akibat dari berkurangnya muatan pada kapasitor hingga akhirnya menjadi nol.
Dimana pada saat 0,7RC maka muatan tinggal 50%
pada saat 3RC maka muatan tinggal 5%
pada saat 5RC maka muatan tinggal 0%
Pada grafik jalannya buang-muatan kapasitor terlihat bahwa VC pada mula-mula maksimum setinggi tegangan-jepit baterai sesudah 5RC maka VC = 0.

6.4 Arus Searah Pada Rangkaian RC.
Bila arus searah dihubungkan pada kapasitor dan diseri dengan resistor maka pengisian dan pengosongan muatan arus dan tegangan searah pada kapasitor telah di jelaskan diatas.
Hal berbeda terjadi bila sumber tegangan searah dihubungkan hanya dengan kapasitor saja dengan kata lain Rangkaian Murni kapasitor. Pada rangkaian murni kapasitor proses pengisian muatan dengan arus searah berlangsung sangat cepat atau seketika itu kapasitor telah terisi penuh muatan, bahasa awamnya " kok tiba-tiba udah penuh".
Karena proses pengisian berlangsun cepat ,ini berarti bahwa arus searah pada rangkaian murni kapasitor tidak bisa digunakan atau tidak terlalu bermanfaat, oleh karena itu kapasitor berarti telah memblok arus searah.
6.5 Arus Bolak-balik Pada Rangkaian RC.
Diketahui sebelumnya pada proses pengisian muatan pada kapasitor dengan arus-searah ( DC current ) melalui sebuah hambatan yaitu resistor .
Arus ini mengalir pada saat kapasitor mengisi muatan dari sumber-arus.
Setelah beberapa saat kapasitor penuh dengan muatan-muatan listrik,aliran arus itu juga berhenti.Ternyata arus-searah ini mengalir hanya sesaat kapasitor mengisi muatan dan tidak kontinyu.Dengan kata lain arus-searah sulit mengalir lewat kapasitor. Tetapi bila rangkaian RC ini kita hubungkan dengan Arus-bolak-balik ( AC Current ) maka arus akan mengalir pada rangkaian RC itu.

II. RANGKAIAN DASAR KAPASITOR
Rangkaian dasar kapasitor terdiri dari rangkaian kapasitor seri dan rangkaian kapasitor paralel.
Rangkaian dasar ini digunakan untuk mencari nilai keseluruhan kapasitor itu yang disebut kapasitor total ( Ct ) atau kapasitor pengganti ( Cp ).
1. Rangkaian kapasitor seri/deret.
Rangkaian ini berfungsi untuk mencari nilai kapasitas pengganti dari dua buah kapasitor atau lebih dengan nilai yang lebih kecil dan di gunakan sebagai pembagian tegangan. Nilai kapasitas pengganti akan lebih kecil dari pada nilai terkecil dari rangkaian itu.

Bila C1 = 120 mfd,C2 = 220 mfd dan C3 = 470 mfd
1 / Ct = C1 + C2 + C3
1 / Ct = 120 mfd + 220 mfd + 470 mfd
1 / Ct = ( 3,92 / 470 mfd ) + ( 2,14 / 470 mfd ) + ( 1 / 470 mfd )
1 / Ct = 7,06 / 470 mfd
Ct = 470 / 7,06 = 66,57mfd
Maka Ct = 66,57 mfd
Catatan : Karena di pasaran tidak ada resistor dengan nilai 66,57 mfd maka dapat diganti nilai 68 mfd.

Jadi rumus pengganti rangkaian kapasitor seri ialah...

1 / Ctotal = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 + 1 / Cn......

2. Rangkaian kapasitor paralel/jajar.
Rangkaian ini berfungsi untuk mencari nilai pengganti dari dua buah kapasitor atau lebih dengan nilai yang lebih besar dan pada masing2 kapasitor terdapat tegangan yang sama-tingginya.

Bila C1 = 120 mfd, C2 = 220 mfd dan C3= 470 mfd.
Ct = C1 + C2 + C3
Ct = 120 mfd + 220 mfd + 470 mfd
Maka Ct = 810 mfd
Catatan : Karena di pasaran tidak ada kapasitor dengan nilai 810mfd maka dapat diganti nilai 820 mfd.

Jadi rumus pengganti rangkaian resistor paralel:

Ctotal = C1 + C2 + C3 + Cn.....

III TEGANGAN PADA RANGKAIAN DASAR KAPASITOR
Pada rangkaian kapasitor seri akan terjadi pembagian tegangan seperti halnya pada rangkaian resistor2 seri sebab yang berderet sekarang ialah reaktansi kapasitor. Nilai reaktansi-kapasitas kapasitor besar ialah kecil dan nilai reaktansi-kapasitas kapasitor kecil ialah besar.
1. Pada rangkaian Kapasitor seri.
A. Tegangan Pada rangkaian Kapasitor seri.
Pada pengukuran rangkaian kapasitor seri terjadi pembagian tegangan dimana tegangan pada C1 kita sebut V1, pada C2 kita sebut V2 , pada C3 kita sebut V3.
Maka perbandingan ketiga tegangan itu ialah:

V1 : V2 : V3 = 1 / C1 : 1 / C2 : 1 / C3

Pada gambar diatas dimana C1= 120 mfd,C2= 220 mfd, C3= 470 mfd dengan tegangan sumber ( baterai ) = 9volt, maka pembagian tegangan itu ialah:
V1:V2:V3=1/C1 : 1/C2 : 1/C3
V1 : V2 : V3 = 1/120 : 1/220 : 1/470 ( masing2 penyebut nilai dibagi 100 untuk diperkecil nilainya )
V1 : V2 : V3 = 1,2 : 2,2 : 4,7 ( di jumlahkan menjadi 8,1 )
VC1 = ( 1,2 / 8,1 ) * 9 volt = 1,33 volt
VC2 = ( 2,2 / 8,1 ) * 9 volt = 2,44 volt
VC3 = ( 4,7 / 8,1 ) * 9 volt = 5,22 volt
Maka totalnya 1,33 volt + 2,44volt + 5,22volt = 8,99 volt ( sesuai dengan tegangan sumber ).
Pada rangkaian kapasitor seri untuk memperoleh pembagian tegangan pada rangkaian Arus-bolak-balik dan tidak untuk mencari kapasitas kecil.Memperoleh Kapasitas kecil dapat menggunakan satu buah kapasitor yang kapasitasnya tepat.

B. Kuat Arus pada Rangkaian kapasitor Seri.
Pada Rangkaian kapasitor seri tidak terjadi pembagian arus ( penambahan atau pengurangan arus ),arus akan sama di setiap titik pada rangkaian itu.

2. Pada Rangkaian Kapasitor paralel.
A. Tegangan Pada rangkaian kapasitor paralel.
Pada Rangkaian Kapasitor paralel tidak terjadi pembagian tegangan,tegangan akan sama di setiap titik pada rangkaian itu.Karena kapasitor dihubungkan pada titik yang sama yaitu titik A dan B.

B. Kuat Arus pada Rangkaian kapasitor paralel.
Pada pengukuran rangkaian kapasitor paralel terjadi pembagian Arus dimana arus pada C1 kita sebut I1 ,pada C2 kita sebut I2, pada C3 kita sebut I3.
Diketahui C1= 120uF,C2= 220uF,C3= 470uF dengan tegangan sumber ( baterai ) 3volt, maka pembagian arus itu ialah:
Bila sumber tegangan berupa arus DC maka arus yang mengalir ke kapasitor akan cepat sekali, dengan seketika maka muatan di kapasitor akan terisi penuh.
Telah di ketahui sebelumnnya,hambatan kapasitor bila di aliri arus-bolak-balik disebut reaktansi kapasitor.
Maka bila sumber tegangan diatas merupakan arus bolak balik, arus yang mengalir hasil bagi antara tegangan sesaat dengan nilai reaktansi kapasitor saat itu. Total arus saat sumber tegangan mencapai puncak ( Vpeak = Vmaks) ialah hasil bagi tegangan puncak dengan jumlah reaktansi kapasitor ( XC1 + XC2 + XC3 )pada rangkaian itu.