Saat Anda mempelajari fisika elektronika, dan Anda telah menguasai dasar-dasarnya dengan baik – seperti arti dari istilah-istilah kunci sepertitegangan, arusdanperlawanan, bersama dengan persamaan penting seperti hukum Ohm – mempelajari cara kerja komponen rangkaian yang berbeda adalah langkah selanjutnya untuk menguasai subjek.
SEBUAHkapasitoradalah salah satu komponen yang paling penting untuk dipahami karena mereka banyak digunakan di hampir semua bidang elektronik. Dari kapasitor coupling dan decoupling, hingga kapasitor yang membuat lampu kilat kamera berfungsi atau memainkan peran kunci dalam penyearah yang diperlukan untuk konversi AC ke DC, berbagai macam aplikasi kapasitor sulit untuk melebih-lebihkan. Inilah sebabnya mengapa penting bagi Anda untuk mengetahui cara menghitung kapasitansi dan kapasitansi total dari susunan kapasitor yang berbeda.
Apa itu Kapasitor?
Kapasitor adalah komponen listrik sederhana yang terdiri dari dua atau lebih pelat konduktor yang dipasang sejajar satu sama lain dan dipisahkan oleh udara atau lapisan isolasi. Kedua pelat memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan listrik saat terhubung ke sumber listrik, dengan satu pelat mengembangkan muatan positif dan pelat lainnya mengumpulkan muatan negatif.
Pada dasarnya, kapasitor seperti baterai kecil, menghasilkan perbedaan potensial (yaitu, tegangan) antara dua pelat, dipisahkan oleh pembagi isolasi yang disebutdielektrik(yang dapat berupa banyak bahan, tetapi seringkali keramik, kaca, kertas lilin atau mika), yang mencegah arus mengalir dari satu pelat ke pelat lainnya, sehingga mempertahankan muatan yang tersimpan.
Untuk kapasitor tertentu, jika terhubung ke baterai (atau sumber tegangan lainnya) dengan teganganV, itu akan menyimpan muatan listrikQ. Kemampuan ini lebih jelas ditentukan oleh "kapasitansi" kapasitor.
Apa itu Kapasitansi?
Dengan pemikiran ini, nilai kapasitansi adalah ukuran kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi dalam bentuk muatan. Dalam fisika dan elektronik, kapasitansi diberi simbolC, dan didefinisikan sebagai:
C = \frac{Q}{V}
DimanaQadalah muatan yang tersimpan dalam pelat danVadalah perbedaan potensial dari sumber tegangan yang terhubung dengannya. Singkatnya, kapasitansi adalah ukuran rasio muatan terhadap tegangan, sehingga satuan kapasitansi adalah coulomb muatan/volt dari beda potensial. Kapasitor dengan kapasitansi yang lebih tinggi menyimpan lebih banyak muatan untuk jumlah tegangan tertentu.
Konsep kapasitansi sangat penting sehingga fisikawan telah memberikannya unit unik, bernamafarad(setelah fisikawan Inggris Michael Faraday), di mana 1 F = 1 C/V. Sedikit seperti coulomb untuk muatan, farad adalah jumlah kapasitansi yang cukup besar, dengan sebagian besar nilai kapasitor berada dalam kisaran picofarad (pF = 10−12 F) ke mikrofarad (μF = 10−6 F).
Kapasitansi Setara Kapasitor Seri
Dalam rangkaian seri, semua komponen disusun pada jalur yang sama di sekitar loop, dan dengan cara yang sama, kapasitor seri dihubungkan satu demi satu pada jalur tunggal di sekitar rangkaian. Kapasitansi total untuk sejumlah kapasitor secara seri dapat dinyatakan sebagai kapasitansi dari kapasitor ekivalen tunggal.
Rumus untuk ini dapat diturunkan dari ekspresi utama untuk kapasitansi dari bagian sebelumnya, disusun ulang sebagai berikut:
V = \frac{Q}{C}
Karena hukum tegangan Kirchhoff menyatakan bahwa jumlah tegangan yang turun di sekitar loop lengkap rangkaian harus sama dengan tegangan dari catu daya, untuk sejumlah kapasitortidak, tegangan harus ditambahkan sebagai berikut:
V_{tot} = V_1 + V_2 + V_3 +… V_n
DimanaVtot adalah tegangan total dari sumber listrik, danV1, V2, V3 dan seterusnya adalah tegangan jatuh pada kapasitor pertama, kapasitor kedua, kapasitor ketiga dan seterusnya. Dalam kombinasi dengan persamaan sebelumnya, ini mengarah ke:
\frac{Q_{tot}}{C_{tot}} = \frac{Q_1}{C_1} + \frac{Q_2}{C_2} + \frac{Q_3}{C_3} +… \frac{Q_n}{C_n }
Dimana subscript memiliki arti yang sama seperti sebelumnya. Namun, muatan pada masing-masing pelat kapasitor (yaitu,Qnilai) berasal dari pelat tetangga (yaitu, muatan positif di satu sisi pelat 1 harus sesuai dengan muatan negatif di sisi terdekat pelat 2 dan seterusnya), sehingga Anda dapat menulis:
Q_{tot} = Q_1 = Q_2 = Q_3 = Q_n
Oleh karena itu, biaya dibatalkan, meninggalkan:
\frac{1}{C_{tot}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3} +… \frac{1}{C_n}
Karena kapasitansi kombinasi sama dengan kapasitansi ekivalen dari kapasitor tunggal, ini dapat ditulis:
\frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3} +… \frac{1}{C_n}
untuk sejumlah kapasitortidak.
Kapasitor Seri: Contoh Kerja
Untuk mencari kapasitansi total (atau kapasitansi ekuivalen) dari deretan kapasitor seri, Anda cukup menerapkan rumus di atas. Untuk tiga kapasitor dengan nilai 3 F, 8 F dan 4 F (yaitu, mikro-farad), Anda menerapkan rumus dengantidak = 3:
\begin{aligned} \frac{1}{C_{eq}} &= \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3} \\ &= \frac {1}{3 × 10^{−6} \text{ F}} + \frac{1}{8 × 10^{−6} \text{ F}} + \frac{1}{4 × 10−6 \text{ F}} \\ &= 708333.333 \teks{ F}^{−1} \end{selaras}
Dan sebagainya:
\begin{aligned} C_{eq} &= \frac{1}{708333.333 \text{ F}^{−1}} \\ &= 1,41 × 10^{−6} \text{ F} \\ &= 1,41 \text{ F} \end{selaras}
Kapasitansi Setara Kapasitor Paralel
Untuk kapasitor paralel, hasil analog diturunkan dari Q = VC, fakta bahwa tegangan jatuh pada semua kapasitor yang terhubung secara paralel (atau komponen apa pun dalam rangkaian paralel) adalah sama, dan fakta bahwa muatan pada kapasitor ekivalen tunggal akan menjadi muatan total semua kapasitor individu secara paralel kombinasi. Hasilnya adalah ekspresi yang lebih sederhana untuk kapasitansi total atau kapasitansi setara:
C_{eq} = C_1 + C_2 + C_3 + … C_n
dimana lagi,tidakadalah jumlah total kapasitor.
Untuk tiga kapasitor yang sama seperti pada contoh sebelumnya, kecuali kali ini dihubungkan secara paralel, perhitungan untuk kapasitansi ekivalen adalah:
\begin{aligned} C_{eq} &= C_1 + C_2 + C_3 + … C_n \\ &=3 × 10^{−6} \text{ F} + 8 × 10^{−6} \text{ F} + 4 × 10^{−6} \text{ F} \\ &= 1,5 × 10^{−5} \text{ F} \\ &= 15 \text{ F} \end{aligned}
Kombinasi Kapasitor: Masalah Satu
Menemukan kapasitansi ekivalen untuk kombinasi kapasitor yang disusun secara seri dan paralel cukup dengan menerapkan kedua rumus ini secara bergantian. Misalnya, bayangkan kombinasi kapasitor dengan dua kapasitor secara seri, denganC1 = 3 × 10−3 F danC2 = 1 × 10−3 F, dan kapasitor lain yang paralel denganC3 = 8 × 10−3 F
Pertama, tangani dua kapasitor secara seri:
\begin{aligned} \frac{1}{C_{eq}} &= \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2}\\ &=\frac{1}{3 × 10^{ 3} \text{ F}} + \frac{1}{1 × 10^{−3} \text{ F}} \\ &= 1333.33 \text{ F}^{-1} \end{aligned}
Begitu:
\begin{aligned} C_{eq} &= \frac{1}{1333.33 \text{ F}^{-1}} \\ &=7,5 × 10^{−4}\text{ F} \end{aligned }
Ini adalah kapasitor ekivalen tunggal untuk bagian seri, jadi Anda dapat memperlakukannya sebagai kapasitor tunggal kapasitor untuk menemukan kapasitansi total rangkaian, menggunakan rumus kapasitor paralel dan nilai untukC3:
\begin{aligned} C_{tot} &= C_{eq} + C_3 \\ &= 7,5 × 10^{−4} \text{ F} + 8 × 10^{−3}\text{ F} \\ &= 8,75 × 10^{−3}\text{ F} \end{selaras}
Kombinasi Kapasitor: Masalah Kedua
Untuk kombinasi kapasitor lain, tiga dengan koneksi paralel (dengan nilaiC1 = 3 F,C2 = 8 F danC3 = 12 F) dan satu dengan sambungan seri (denganC4 = 20 F):
Pendekatannya pada dasarnya sama seperti pada contoh terakhir, kecuali Anda menangani kapasitor paralel terlebih dahulu. Begitu:
\begin{aligned} C_{eq} &= C_1 + C_2 + C_3 \\ &= 3 \text{ F} + 8 \text{ F} + \text{ 12 μF} \\ &= 23 \text{ F} \end{selaras}
Sekarang, perlakukan ini sebagai kapasitor tunggal dan gabungkan denganC4, kapasitansi totalnya adalah:
\begin{aligned} \frac{1}{C_{tot}} &= \frac{1}{C_{eq}} + \frac{1}{C_4} \\ &= \frac{1}{23 \ teks{ F}} + \frac{1}{20 \text{ F}} \\ &= 0,09348 \text{ F}^{−1} \end{aligned}
Begitu:
\begin{aligned} C_{tot} &= \frac{1}{0.09348 \text{ F}^{−1}} \\ &= 10.7 \text{ F} \end{aligned}
Perhatikan bahwa karena semua kapasitansi individu berada dalam mikrofarad, seluruh perhitungan dapat diselesaikan dalam mikrofarad tanpa mengonversi – selama Anda ingat saat mengutip akhir Anda jawaban!