Kapasitor

Kapasitor atau yang bisa disebut dengan Kondensator adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut Farad. Ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Kondensator kini juga dikenal sebagai “kapasitor”, namun kata “kondensator” masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya.

Berdasarkan polaritas, kapasitor dibagi menjadi 2 jenis yaitu:

Jenis pertama adalah Kapasitor Polar yang merupakan Kondensator yang mempunyai dua kaki dan dua kutub yaitu positif dan negatif serta memiliki cairan elektrolit dan biasanya berbentuk tabung.

Simbol Kapasitor Polar

Sedangkan jenis yang satunya yaitu kapasitor non polar yang manakebanyakan nilai kapasitasnya lebih rendah, tidak mempunyai kutub positif atau negatif pada kakinya, kebanyakan berbentuk bulat pipih berwarna coklat, merah, hijau dan lainnya seperti tablet atau kancing baju.

Simbol Kapasitor non Polar

Satuan dalam kondensator disebut Farad. Satu Farad = 9 x 1011 cm² yang artinya luas permukaan kepingan tersebut menjadi 1 Farad sama dengan 106 mikroFarad (µF), jadi 1 µF = 9 x 105 cm². Satuan-satuan sentimeter persegi (cm²) jarang sekali digunakan karena kurang praktis, satuan yang banyak digunakan adalah:

1 F = 1 Farad = 1.000.000 Mikro Farad = 10^6 uF
1 uF = 1000 nF = 100 KpF
1 uF = 1.000.000 pico Farad = 10^6 pF

Adapun cara memperluas kapasitas dari kapasitor atau kondensator dengan cara:
1. Menyusunnya berlapis-lapis.
2. Memperluas permukaan variabel.
3. Memakai bahan dengan daya tembus besar.
Secara tipikal kapasitor mempunyai dua metal yang dipisahkan oleh suatu bahan yang disebut dielektrikum. Biasanya bahan dielektrikum ialah keramik, mika atau kertas.

Tabel Dielektrik Kapasitor

Kapasitor juga mempunyai tegangan kerja, biasanya pada rangkaian DC berkisar dari 3,3V sampai 25V. Jangan menggunakan kapasitor yang tegangan kerjanya lebih rendah dari tegangan kerja yang ditentukan, kalau lebih tinggi tidak masalah. Lebih baik memilih kapasitor yang tegangan kerjanya 10 – 15 persen lebih besar dari tegangan kerja pada rangkaian.

Pada Kapasitor berpolaritas seperti elco atau tantalum maka harus diperhatikan  kaki positif dan negatif dari kapasitor tersebut.Biasanya kaki positif dari sebuah kapasitor lebih panjang dari kaki negatif, atau biasanya pada badan kapasitor terdapat anak panah yang menunjuk ke kaki negatif atau pada badan kapasitor terdapar tanda ( + ) yang melingkar dekat pada kaki postif kapasitor tersebut.

Contoh Kapasitor Polar

Prinsip Dasar Kapasitor

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 = C x V

Dimana:

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)

Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang disederhanakan:

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.

Macam-Macam Kapasitor

A. Berdasarkan kegunaannya kapasitor terbagi dalam:

1. Kapasitor Tetap

Kondensator/ Kapasitor tetap ialah suatu kondensator yang nilainya konstan dan tidak berubah-ubah. Kondensator tetap ada tiga macam bentuk:

• • Kapasitor Keramik

Bentuknya ada yang bulat tipis, ada yang persegi empat berwarna merah, hijau, coklat dan lain-lain. Dalam pemasangan di papan rangkaian (PCB), boleh dibolak-balik karena tidak mempunyai kaki positif dan negatif. Mempunyai kapasitas mulai dari beberapa piko Farad sampai dengan ratusan Kilopiko Farad (KpF). Dengan tegangan kerja maksimal 25 volt sampai 100 volt, tetapi ada juga yang sampai ribuan volt.

Contoh misal pada badannya tertulis = 203, nilai kapasitasnya = 20.000 pF = 20 KpF = 0,02 µF. Jika pada badannya tertulis = 502, nilai kapasitasnya = 5.000 pF = 5 KpF = 0,005 µF

• • Kapasitor Polyester

Pada dasarnya sama saja dengan kondensator keramik begitu juga cara menghitung nilainya. Bentuknya persegi empat seperti permen. Biasanya mempunyai warna merah, hijau, coklat dan sebagainya.

• • Kapasitor Kertas

Kondensator kertas ini sering disebut juga kondensator padder. Misal pada radio dipasang seri dari spul osilator ke variabel condensator. Nilai kapasitas yang dipakai pada sirkuit oscilator antara lain:

• • • Kapasitas 200 pF – 500 pF untuk daerah gelombang menengah (Medium Wave / MW) = 190 meter – 500 meter.
    • Kapasitas 1.000 pF – 2.200 pF untuk daerah gelombang pendek (Short Wave / SW) SW 1 = 40 meter – 130 meter.
    • Kapasitas 2.700 pF – 6.800 pF untuk daerah gelombang SW 1, 2, 3 dan 4, = 13 meter – 49 meter.

Nilai kapasitasnya ada yang tertulis langsung ada juga ada pula yang memakai kode warna.yang akn dijelaskan pada cara membaca nilai kapasitansi.

2. Kapasitor Electrolit/ Elco

Kapasitor elektrolit atau Electrolytic Condenser (sering disingkat Elco) adalah kapasitor yang biasanya berbentuk tabung, mempunyai dua kutub kaki berpolaritas positif dan negatif, ditandai oleh kaki yang panjang positif sedangkan yang pendek negatif atau yang dekat tanda minus ( – ) adalah kaki negatif. Nilai kapasitasnya dari 0,47 µF (mikroFarad) sampai ribuan mikroFarad dengan voltase kerja dari beberapa volt hingga ribuan volt. Selain kapasitor  elektrolit/ elco  yang mempunyai polaritas pada kakinya, ada juga kapasitor yang berpolaritas lainnya yaitu kapasitor solid tantalum.

Kerusakan umum pada kondensator elektrolit di antaranya adalah:

• • Kering (kapasitasnya berubah)
  • Konsleting
  • Meledak, yang dikarenakan salah dalam pemberian tegangan positif dan negatifnya, jika batas maksimum voltase dilampaui juga bisa meledak.

3. Kapasitor Variable/ Varco

Kondensator variabel dan trimmer adalah jenis kondensator yang kapasitasnya bisa diubah-ubah. Kapasitor ini dapat berubah kapasitasnya karena secara fisik mempunyai poros yang dapat diputar dengan menggunakan obeng.

• • Kondensator Variabel
    Kondensator variabel terbuat dari logam, mempunyai kapasitas maksimum sekitar 100 pF (pikoFarad) sampai 500 pF (100pF = 0.0001µF).
    Kondensator variabel dengan spul antena dan spul osilator berfungsi sebagai pemilih gelombang frekuensi tertentu yang akan ditangkap.

Simbol Variable Kapasitor

• • Kondensator Trimer
    Sedangkan kondensator trimer dipasang paralel dengan variabel kondensator berfungsi untuk menepatkan pemilihan gelombang frekuensi tersebut.
    Kondensator trimer mempunyai kapasitas dibawah 100 pF (pikoFarad).

Simbol Trimmer

Kerusakan umumnya terjadi pada kapasitor varible karena:
1. Korsleting
2. Setengah korsleting (penangkapan gelombang pemancar menjadi tidak normal)

B. Berdasarkan bahannya kapasitor terbagi dalam:

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.

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.

Struktur 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.

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.

Fungsi Kapasitor

Kapasitor digunakan antara lain untuk:

• Membuat Timer: Biasanya digunakan pada metronome (pengatur tempo musik), kapasitor di pasangkan bersama resistor untuk mengatur cepat lambatnya tempo.
• Memperhalus (Filter) Tegangan Output: Biasanya digunakan pada power supply ( Adaptor AC ke DC ) , kapasitor dipasang agar tegangan output yang dihasilkan lebih halus sehingga tegangan DC lebih konstan.
• Menahan Arus DC, Meneruskan Arus AC: Biasanya digunakan pada rangkaian audio. Kapasitor dipasang seri dengan input rangkaian audio, sehingga sinyal yang masuk kerangkaian merupakan sinyal audio (AC) tanpa interfensi dari sinyal DC yang berasal dari Power Supply.
• Mengatur Frekuensi: Biasanya digunakan pada rangkaian Oscilator dan Filter, dengan mengatur kapasitas kapasitor dapat merubah frekuensi cutt off dari suatu rangkaian filter.
• Menghemat daya listrik pada lampu neon
• Menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar

Cara Membaca Kapasitor

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.

Tabel Warna Kapasitor

Contoh:

sebuah kapasitor dengan gelang warna coklat, hitam dan orange, berapakah nilai kapasitansinya?

Jawab:

Coklat = 1

Hitam= 0

orange=3

Nilai kapasitansinya adalah:

103=10 x 1000

       =10000pF

       =10nF atau 0.01uF

Sedangkanuntuk menentukan nilai kapasitor yang  menggunakan kode angka. Angka pertama dan kedua langsung di representasikan sebagai angka, sedangkan angka ketiga ialah banyaknya nol atau faktor pengali. Untuk lebih jelasnya lihat tabel berikut:

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. Tengangan 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

2. Temperature Kerja

Kapasitor masih memenuhi  spesifikasinya jika bekerja pada suhu  yang sesuai. Pabrikan pembuat kapasitor umumnya membuat kapasitor yang mengacu pada standar popular. Ada 4 standar  popular yang biasanya tertera di badan kapasitor seperti C0G (ultra stable), X7R (stable) serta Z5U dan Y5V (general purpose).  Secara lengkap kode-kode tersebut disajikan pada table berikut:

Kode Karakteristik Kapasitor Kelas I

Note: PPM = Part Per Million

Kode Karakteristik Kapasitor Kelas I

3. 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  -55C^o sampai +125C^o (lihat tabel kode karakteristik)

4. 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

Note:

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.

5. 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 X_c. 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.

Rangkaian Kapasitor

• Rangakain Kapasitor Seri

Rangkaian kapasitor secara seri akan mengakibatkan nilai kapasitansi total semakin kecil. Di bawah ini contoh Kegunaan kapasitor

Pada rangkaian kapasitor yang dirangkai secara seri berlaku rumus:

• Rangakain Kapasitor Paralel

Rangkaian kapasitor secara paralel akan mengakibatkan nilai kapasitansi pengganti semakin besar. Di bawah ini contoh kapasitor yang dirangkai secara paralel

Pada rangkaian kapasitor yang dirangkai secara seri berlaku rumus:

 

Sumber:

• Sumber 1
• Sumber 2
• Sumber 3