PENGISIAN DAN PENGOSONGAN KAPASITOR
Abstrak
Telah
dilakukan praktikum elektronika dengan judul “Pengisian dan Pengosongan
Kapasitor”.praktikum ini dilaksanakan tanggal 2 januari 2015di
Laboratorium Elektronik Jurusan Pendidikan Fisika.Praktikum ini bertujuan untuk
memahami prinsip pengisian dan pengosongan energi dalam kapasitor, membuat
grafik pengisian dan pengosongan energi kapasitor dan menentukan tetapan waktu
dan kapasitas kapasitor.Variabel yang diukur dalam praktikum ini adalah
tegangan kapasitor dan resistor serta kuat arus kapasitor. Hasil pengamatan
menunjukkan bahwa pada pengisian kapasitor dimana semakin kecil nilai tegangan
yang diperoleh maka arus yang mengalir semakin kecil pula sehingga apabila
nilai tegangannya besar maka nilai arusnya akan mencapai nol atau mendekati
nol, karena apabila diisi oleh muatan maka tegangan dalam kapasitor akan semakin
besar pula dan pada arus semakin lama waktu yang digunakan maka pengisian
semakin lambat. Sedangkan pada pengosongan kapasitor nilai tegangan pada
kapasitor berdasarkan hasil pengamatan yaitu nilai tegangannyanya semakin lama
semakin menurun begitupun dengan arusnya yaitu tegangan dan arusnya
masing-masing mendekati nol, karena tidak ada lagi yang dialirkan kedalam
kapasitor.Kesimpulan yang diperoleh dari hasil praktikum ini adalah pada
pengisian kapasitor pada pengamatan nilai tegangan kecil, jika waktunya kecil
maka arusnya besar, sedangkan pada pengosongan pada tabel pengamatan jika
waktunya semakin besar maka nilai tegangannya akan menurun dan arusnya menurun.
Kata kunci:
tegangan kapasitor, Arus transien, dan konstanta waktu
TUJUAN
Setelah melakukan
percobaan ini diharapkan mahasiswa dapat :
1. Mampu
memahami prinsip pengisian dan pengosongan energi dalam kapasitor
2. Membuat
grafik pengisian dan pengosongan pada kapasitor
3. Menentukan
tetapan waktu dan kapasitas kapasitor
LATAR
BELAKANG
Sekarang
ini berbagai alat elektronik terdapat berbagai macam komponen elektronika
didalamnya, baik itu komponen aktif, komponen pasif ataupun komponen penunjang.
Sebagian besar alat elektronik tersebut tersusun dari rangkaian listrik yang dapat
menyimpan muatan listrik yang digunakan pada rangkaian tersebut, ada yang
menggunakan listrik AC dan ada yang menggunakan arus DC. Komponen elektronika
yang dapat menyimpan listrik pada rangkaian elektronik tersebut ialah komponen
kapasitor.
Peristiwa
pengisian dan pengosongan kapasitor memegang peranan yang sangat penting dalam
elektronika. Kapasitor merupakan perangkat yang mampu menampung muatan listrik
dimana muatan tersebut dapat disimpan kemudian dilepas secara perlahan. Pada
pengisian dan pengosongan kapasitor, arus yang berhubungan dengan ini akan
mengecil terhadap waktu yang disebut dengan arus transien yang berarti arus
yang hanya timbul sesaat. Oleh karena itu maka dilakukanlah percobaan ini
dengan tujuan untuk memahami prinsip pengisian dan pengosongan energi dalam
kapasitor, untuk membuat grafik pengisian dan pengosongan kapasitor, dan untuk
menentukan tetpan waktu dan kapasitas kapasitor.
METODOLOGI
EKSPERIMEN
Teori
Singkat
Kapasitor adalah
perangkat yang digunakan untuk menyimpan muatan ;istrik. Sebagai akibatnya,
kapasitor merupakan suatu tempat penampungan (reservior) dimana, muatan dapat
disimpan dan kemudian dapat dilepaskan secara perlahan. Suatu kapasitor jika
dihubungkan dengan sumber tegangan DC maka akan menyimpan energi dan energi
akan dibebaskan jika sumber tegangan tersebut di putus. Kapasitor mampu
menyimpan energi dalam jangka waktu yang panjang asalkan tidak ada kebocoran
pada kapasitor. Jika kapasitor dengan kapasitansi dihubungkan dengan suatu
sumber tegangan maka setelah beberapa waktu, didalam kapasitor akan muncul
muatan sebanyak hasil kali kapasitansi dan tegangan sumber. Setelah muatan ini
tercapai, dikatakan kapasitor sudah terisi penuh.
Peristiwa
pengisian dan pengosongan kapasitor memegang peran penting dalam elektronika.
Arus yang berhubungan dengan ini mengecil dengan waktu sehingga disebut arus
transien, berarti arus yang hanya timbul sebentar, jadi bukan arus tetap. Farad
adalah satuan yang digunakan untuk kapasitansi, yang disebut F. urutan terkecil
adalah picoFarad. Kapasitor dikatakan memiliki kapasitansi sebesar 1F, jika
arus sebesar 1A mengalir didalamnya ketika diberi potensial yang berubah-ubah
dengan kelajuan 1v/s.Peristiwa pengisian dan pengosongan kapasitor memegang
peran penting dalam elekronik. Arus yang berhubungan dengan ini mengecil dengan
waktu sehingga disebut arus transien, yang berarti arus yang hanya timbu
sebentar, jadi bukan arus tetap.
Alat
dan Komponen
1. Alat
a. Power
Supply 1
buah
b. Stopwatch 2 buah
c. Voltmeter
1
buah
d. Ammeter 1
buah
e. Kabel penghubung 8 buah
2. Komponen
a. Resistor 47 KΩ 1 buah
b.
Kapasitor Elco 3300 µF 1 buah
Identifikasi
Variabel
1. Variabel
manipulasi : Waktu (t)
2. Variabel
control : Kapasitansi Kapasitor, Resistansi Resitor, V sumber
3. Variabel
ukur/respon : Tegangan dan arus kapasitor,
tegangan resistor
Definisi Operasional
Variabel
1. Variabel
manipulasi
·
Rentang waktuyang dibutuhkan
untuk mengisi dan mengosongkan kapasitor yang diukur dengan menggunakan stopwatch.
2. Variabel
control
·
Kapasitansi kapasitor
adalah besaarnya nilai yang tertera pada kapasitor yang menunjukkan batas kapasitansi yang dapat
di tampung kapasitor yang digunakan yaitu 3300 μF..
·
Resistansi resistor
adalah nilai pada resistor yang menunjukkan besarnya kemampuan menghambat
resistor tersebut. Besar yang digunakan yaitu 47KΩ
·
Vsumber yaitu tegangan
yang berasal dari power supply yang digunakan pada saat pengisian kapasitor
yang nilainya telah di ukur sebelumnya yaitu 3,12 volt.
3. Variabel ukur / respon
· Tegangan kapasitor adalah tegangan
atau beda potensial yang terbaca oleh voltmeter yang dipasang secara parallel
pada kapasitor.
· Tegangan resistor adalah tegangan
atau beda potensial yang ditunjukkan atau terbaca pada alat ukur voltmeter yang
dipasang secara parallel pada resistor
· Kuat arus pada kapasitor adalah
besarnya arus pada kapsitor yang diukur menggunakan ammeter dan dipasang seri
dengan kapasitor
ProsedurKerja
1. Pengisian
Muatan pada Kapasitor
a.
Menyiapkan alat dan
komponen yang akan digunakan.
b.
Mencatat harga/nilai pustaka
masing-masing komponen.
c.
Merangkai alat dan
komponen sesuai gambar berikut
A
|
V
|
V
|
R
|
C
|
+
|
-
|
Vs
|
Gambar 1. 1 Rangkaian pada pengisian
kapasitor
d. Menyalakan
power supply bersamaan dengan menyalakan stopwatch
e. Mengamati
perubahan tegangan kapasitor (VC), tegangan resistor (VR),
dan kuat arus (I) pada masing-masing alat ukur.
f.
Mencatat
hasil pengamatan pada table pengamatan.
2. pengosongan pada kapasitor
a. Setelah
mencatat tegangan dan arus terhadap waktu pada bagian pengisian kapasitor,
kemudian menghubung singkat sumber tegangan seperti pada gambar
A
|
V
|
V
|
R
|
C
|
Gambar 1.2 : Rangkaain pada
pengosongan kapasitor
b. Menekan
stopwatch bersamaan dengan menghubung singkat sumber tegangan
c. Membaca
nilai tegangn dan arus pada kapasitor, tegangan resistor seiring perubahan
waktu sampai kapasitor kosong atau tegangan kapasitor mendekati nol
d. Mencatat hasil pengamatan pada table pengamatan
HASIL
EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA
Hasil
Pengamatan
Kegiatan 1 : Pengisian kapasitor
Kapasitansi kapasitor = 3300 µF
=
3,3x 10-3 F
Resistor = 47
kΩ
=
47 x 103Ω
NST Ammeter =
1,00 µA
NST Voltmeter = 0,01 V
V sumber =
3,12 Volt
Tabel 1.1 = Hasil Pengukuran pada Pengisian Kapasitor
No
|
Waktu (s)
|
Ic (µA)
|
VR (V)
|
VC (V)
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
|
0,00
15,00
30,00
45,00
60,00
75,00
90,00
105,00
120,00
135,00
155,00
170,00
230,00
275,00
365,00
645,00
|
66,00
62,00
57,00
52,00
47,00
43,00
39,00
36,00
33,00
30,00
27,00
24,00
18,00
14,00
10,00
4,00
|
3,06
2,74
2,56
2,32
2,11
1,93
1,47
1,60
1,46
1,32
1,19
1,07
0,77
0,60
0,52
0,43
|
0
0,32
0,55
0,80
1,00
1,22
1,37
1,52
1,66
1,81
1,93
2,03
2,33
2,48
2,56
2,67
|
Kegiatan 2 : Pengosongan
Kapasitor
Kapasitansi kapasitor = 3300 µF
=
3,3 x 10-3 F
Resistor =
47 kΩ
=
47x103 Ω
NST Ammeter =
1,00 µA
NST Voltmeter = 0,01 V
NST Stopwatch = 0,01 s
V sumber =
3,12 Volt
Tabel 1.2 : Hasil Pengukuran pada
Pengosongan Kapasitor
No
|
Waktu (s)
|
Ic (µA)
|
VR (V)
|
VC (V)
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
|
30,00
45,00
60,00
75,00
90,00
105,00
120,00
155,00
170,00
200,00
230,00
275,00
335,00
485,00
680,00
|
47,00
43,00
39,00
35,00
32,00
29,00
26,00
12,00
11,00
9,00
7,00
5,00
3,00
1,00
0,00
|
2,56
2,32
2,10
1,91
1,71
1,56
1,41
1,28
1,17
0,92
0,75
0,56
0,38
0,14
0,04
|
2,17
1,91
1,71
1,54
1,47
1,28
1,16
0,92
0,83
0,68
0,57
0,42
0,28
0,11
0,04
|
Analisis
Data
Kegiatan 1: Pengisian Muatan
Kapasitor
T
a. Perhitungan tegangan kapasitor terhadap waktu
b.
Perhitungan tegangan
resistor terhadap waktu
=
c.
Perhitungan arus terhadap
waktu
= 3,3 x 10 -3F
RC = 47.103 Ω x 3,3 .10 -3 F
RC = 47.103 Ω x 3,3 .10 -3 F
= 155,1 ΩF
T
= 155,1 S
= 66,38 µA
d. Persen Perbedaan pada pengisian
1.
Tegangan pada kapasitor
2. Tegangan pada
resistor
3.Arus pada pengisian
Tabel
1.3 : Hasil analisis data untuk pengisian
kapasitor
t(s)
|
I
|
Vc
|
VR
|
Ic
|
0
|
66
|
0
|
3.12
|
6.6383E-05
|
15
|
62
|
0.287609
|
2.832391
|
6.02636E-05
|
30
|
57
|
0.548706
|
2.571294
|
5.47084E-05
|
45
|
52
|
0.785734
|
2.334266
|
4.96652E-05
|
60
|
47
|
1.000912
|
2.119088
|
4.5087E-05
|
75
|
43
|
1.196255
|
1.923745
|
4.09308E-05
|
90
|
39
|
1.37359
|
1.74641
|
3.71577E-05
|
105
|
36
|
1.534578
|
1.585422
|
3.37324E-05
|
120
|
33
|
1.680726
|
1.439274
|
3.06228E-05
|
135
|
30
|
1.813402
|
1.306598
|
2.78E-05
|
155
|
27
|
1.971476
|
1.148524
|
2.44367E-05
|
170
|
24
|
2.07735
|
1.04265
|
2.21841E-05
|
230
|
18
|
2.411837
|
0.708163
|
1.50673E-05
|
275
|
14
|
2.590179
|
0.529821
|
1.12728E-05
|
365
|
10
|
2.823435
|
0.296565
|
6.3099E-06
|
645
|
4
|
3.071237
|
0.048763
|
1.03752E-06
|
Kegiatan 2: Pengosongan Muatan Kapasitor
a. Perhitungan tegangan kapasitor
terhadap waktu
b. Perhitungan tegangan resistor terhadap waktu
c. Perhitungan
arus terhadap waktu
=
66.38 µA
d.
Persen perbedaan
1. Tegangan pada kapasitor
2.
Tegangan pada resistor
3.
Arus pada kapasitor
Tabel 1.4 :
Hasil analisis data untuk pengosongan kapasitor
No
|
t (s)
|
I
|
Vc
|
VR
|
Ic
|
1.
|
30
|
47
|
2.571294
|
2.571294
|
5.47084E-05
|
2.
|
45
|
43
|
2.334266
|
2.334266
|
4.96652E-05
|
3.
|
60
|
39
|
2.119088
|
2.119088
|
4.5087E-05
|
4.
|
75
|
35
|
1.923745
|
1.923745
|
4.09308E-05
|
5.
|
90
|
32
|
1.74641
|
1.74641
|
3.71577E-05
|
6.
|
105
|
29
|
1.585422
|
1.585422
|
3.37324E-05
|
7.
|
120
|
26
|
1.439274
|
1.439274
|
3.06228E-05
|
8.
|
155
|
12
|
1.148524
|
1.148524
|
2.44367E-05
|
9.
|
170
|
11
|
1.04265
|
1.04265
|
2.21841E-05
|
10.
|
200
|
9
|
0.859282
|
0.859282
|
1.82826E-05
|
11.
|
230
|
7
|
0.708163
|
0.708163
|
1.50673E-05
|
12.
|
275
|
5
|
0.529821
|
0.529821
|
1.12728E-05
|
13.
|
335
|
3
|
0.359851
|
0.359851
|
7.65641E-06
|
14.
|
485
|
1
|
0.136807
|
0.136807
|
2.91079E-06
|
15.
|
680
|
0
|
0.038913
|
0.038913
|
8.27929E-07
|
Analisis
grafik
1. Pengisian
kapasitor
Grafik
1 : Hubungan antara Vc dan
VR terhadap
pada pengisian kapasitor
Grafik
2 : Hubungan antara kuat arus terhadap waktu pada pengisian kapasitor
2. Pengosongan
kapasitor
Grafik
3 : hubungan antara tegangan pada kapasitor terhadap waktu pada pengosongan
kapasitor
Grafik
4 : hubungan antara tegangan pada resistor terhadap waktu pada pengosongan
kapasitor
Grafik
5 : Hubungan kuat arus terhadap waktu pada pengosongan kapasitor
PEMBAHASAN
Ø Pembahasan analisis data
1.
Pengisian kapasitor
Pada percobaan
ini, kami menggunakan kapasitor 3300 μF. Dimana, kami
mengukur tegangan dan arus hingga di peroleh 16 data.
a.
Tegangan Kapasitor
Berdasarkan data yang telah kami
peroleh, tegangan pada kapasitor semakin lama semakin meningkat. Kenaikan
tegangan ini semakin lambat disebabkan karena muatan yang sudah ad pada
kapasitor, untuk kenaikan tegangan maka untuk kenaikan tegangan pada kapasitor
diperlukan waktu yang lama hingga kita memprediksikan bahwa tidak akan naik
lagi. Berdasarkan grafik 1 diperoleh tegangan VC melengkung ke
atas dan tegangan VR melengkung ke bawah sehingga di
peroleh titik perpotongan t=RC yaitu sebesar 110 s,
Vc ukur diperoleh 1,52 V dan VR diperoleh 1,60 V dengan persen perbedaan 18 % .
Berdasarkan data yang diperoleh dari hasil
praktikum, dapat disimpulkan bahwa titik potong yang diperoleh dari penunjukkan
grafik 1 sebesar 110 sekon, tidak sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa
saat t=RC titik potong yang seharusnya diperoleh adalah sebesar 155,1 sekon.
Hal ini disebabkan oleh ketidak tepatan pembacaan tegangan pada alat ukur saat
saklar ditutup dan penekanan stopwatch sehingga data yang diperoleh kurang
akurat.
b.
Kuat Arus
Kuat arus yang diperoleh pada percobaan ini
menunjukkan bahwa semakin lama arus yang mengalir pada rangkaian kapasitor akan
mengalami penurunan, dilihat berdasarkan grafik yang diperoleh menunjukkan arus
turun secara eksponensial. Dengan I ukur diperoleh 36 µA dan I hitung
diperoleh 33,19 µA dengan persen perbedaan 7 %. Hal ini disebabkan oleh muatan pada
kapasitor semakin lama semakin banyak sehingga kecepatan aliran muatan akan
semakin kecil.
2.
Pengosongan muatan
pada kapasitor
a. Tegangan pada
kapasitor
Berdasarkan data yang kami peroleh, tegangan
pada kapasitor semakin lama semakin menurun. Penurunan tegangan ini dikarenakan kapasitor mulai
kehilangan sedikit muatan yang ada di dalamnya. Semakin lama waktu yang
diperlukan untuk menggosongkan kapasitor, maka semakin lama kapasitor mengalami
pengosongan.
Terlihat saat t = 30 s diperoleh VC ukur sebesar 2,17 V dan VC
hitung
diperoleh 2,55 V dengan persen perbedaan 17 %. Jadi, tegangan turun seiring berjalannya waktu
dapat dilihat pada grafik turun secara eksponensial. Adanya perbedaan yang terjadi dapat
disebabkan karna kesalahan penunjukan pada alat ukur.
b.
Tegangan Resistor
Berdasarkan data yang kami peroleh, tegangan
pada resistor turun secara eksponensial. Penurunan tegangan ini dikarenakan,
pada rangkaian resistor disusun seri terhadap kapasitor maka arus yang mengalir
pada resistor sama dengan arus yang ada pada kapasitor. Karena arus pada
kapasitor turun, begitu pula yang terjadi pada resistor. Sehingga berdasarkan
hukum ohm, nilai tegangan pada resistor akan menurun seiring berjalannya waktu
karena nilai resistor yang digunakan tetap. Data yang diperoleh yaitu saat t =
30 s, VR ukur sebesar 2,56 V dan VR hitung sebesar 2,55 V dengan persen
perbedaan 0,30 %. Perbadaan ini terjadi karena nilai resistansi resistor yang
tertera pada resistor nilainya tidak sama dengan nilai resistansi yang
sebenarnya.
c. Kuat Arus
Berdasarkan data yang diperoleh, arus pada
pengosongan kapasitor turun secara linear saat t= RC, setelah melewati waktu
ketika t= RC, maka arus turun secara eksponensial yakni bergantung pada waktu. Data yang diperoleh yaitu I ukur
sebesar 47 µA dan I hitung sebesar 54,43 µA dengan persen perbedaan 15 %. Hal tersebut
terjadi karena muatan yang ada dalam kapasitor semakin sedikit sehingga arus
yang mengalir juga semakin sedikit, bergantun oleh waktu.
Ø Pembahasan
Analisis grafik :
Kegiatan 1 :
pengisian kapasitor
Pada percobaan ini tegangan terhadap waktu
berdasarkan grafik yang telah diperoleh, grafik memiliki bentuk yang melengkung
ke atas setelah melewati nilai t = RC, artinya
tegangan bertambah
seiring bertambahnya waktu. Dimana pada saat t = 0,
nilai tegangan sama dengan nol, pada saat t = RC, nilai tegangan adalah 0.63VS,
dan pada saat t = ~, nilai tegangannya sama dengan VSatauVf. Dan arus
terhadap waktuberdasarkan grafik yang telah diperoleh, grafik memiliki bentuk
yang melengkung ke bawahartinya penurunan
kuat arus seiring bertambahnya waktu. Dimana pada saat
t = 0, nilai arus, pada saat t = RC, nilai arus = 0.63I0, pada saat t = atau
mendekati ~ maka niai arus mendekati atau sama dengan nol.
Kegiatan 2 : Pengosongan kapasitor
Pada percobaan ini tegangan terhadap waktu
berdasarkan grafik yang telah diperoleh dimana grafik yang melengkung kebawah, artinya tegangan menurun seiring bertambahnya waktu.
Dimana saat t = 0, nilai tegangan menunjukkan nilai tegangan maksimum yang
digunakan, pada saat t = RC, nilai tegangan adalah 0.63VS, pada
saat t = ~, nilai tegangan sama dengan
atau mendekai nol. Dan arus terhadap waktu berdasarkan grafik yang telah diperoleh
dimana grafik yang melengkung kebawah, artinya
arus mengalami penurunan seiring bertambahnya waktu.Dimana
pada saat t = 0, nilai arus, pada saat t = RC, nilai arus = 0.63I0, pada
saat t = atau mendekati ~ maka niai arus mendekati atau sama dengan nol.
SIMPULAN DAN DISKUSI
Simpulan
Prinsip kerja pengisian kapasitor yaitu ketika kapasitor
dihubungkan dengan sumber tegangan DC, maka kapasitor akan mengisi atau
menampung muatan listrik. Semakin lama mengisi maka arus pada kapasitor akan semakin
kecil dikarenakan arus pada kapasitor akan menahan arus yang ada pada
rangkaian. Sedangkan tegangan yang ada pada rangkaian semakin besar yang
menandakan kapasitor akan mencapai batas kapasitansinya. prinsip kerja
pengosogan kapasitor yaitu ketika rangkaian dihubung singkat, maka muatan pada
kapasitor akan mengalir pada rangkaian atau akan melebur kutub potensial
positif bertemu dengan kutub negatif kapasitor. Arus dan tegangan semakin
mengecil sampai kapasitor berisi muatan listrik.
Adapun grafik pada pengisian dan pengosongan yaitu: Grafik tegangan
kapasitor pada pegisian kapasitor menunjukkan bahwa arus naik secara linear sampai mencapai
t = RC dan
tegangan naik secara eksponensial (melengkung keatas)ketika
melewati t = RC.
Grafik arus pada pengisian kapasitor menunjukkan bahwa arus turun secara linear sampai
mencapai t = RC dan arus turun secara eksponensial (melengkung ke bawah)setelah
melewati t = RC.
Grafik tegangan kapasitor pada pengosongan kapasitor
menunjukkan bahwa tegangan turun secara linear sampai
mencapai t = RC dan tegangan turun secara eksponensial (melengkung ke bawah)setelah
melewati t = RC.
Grafik arus pada pengosongan kapasitor menunjukkan bahwa arus
turun secara linear sampai mencapai t = RC, dan arus turun secara eksponensial (melengkung ke bawah)
setelah melewati t = RC.
Untuk tetapan waktu pada proses pengisian dan pengosongan kapsitor, dapat ditentukan dengan cara mengalikan
nilai resistansi resistor dengan nilai kapasitansi kapasitor sehingga diperoleh tetapan waktu pada percobaan ini
sebesar 155,1 sekon.
DAFTAR
RUJUKAN
Alegado.
Joe Harvey. 1999. ,Electronicts for Beginners. Sanciangko:
Rex book store.
Bakri,
Abdul Haris, dkk.2008. Dasar-Dasar Elektronika. Makassar: UNM
Platt,
Charles. 2013. Encyclopedia of Electronic Componints. Combridge:
O’ relly media.
Sutrisno.
1968. Elektronik Teori dan Penerapannya. Bandung: ITB.
Wang,
Meizhong. 2005. Understandable Electric Circuit. London:
The Institution of engineering and
technology.
Komentar