Sama seperti baterai yang memungkinkan penyimpanan energi portabel, kapasitor memungkinkan penyimpanan energi sementara dan merupakan komponen penting dari banyak sirkuit.
Mereka memungkinkan sejumlah besar muatan untuk dipisahkan satu sama lain dan dilepaskan dalam ledakan energi yang tiba-tiba, untuk digunakan pada perangkat seperti kamera flash, serta untuk menengahi proses elektronik lainnya seperti mengubah antara sumber daya AC dan DC atau pengisian dan pengosongan medan magnet, yang berguna dalam menyetel radio stasiun.
Definisi Kapasitansi
Kapasitansi adalah ukuran kemampuan bahan non-konduktor untuk menyimpan energi dengan menciptakan pemisahan muatan melintasi perbedaan potensial (tegangan). Bahannya harus non-konduktor, seperti kaca atau pipa PVC, karena jika tidak, muatan akan mengalir melaluinya, tidak dapat tetap terpisah.
Secara matematis, kapasitansi suatu bendaCsama dengan rasio muatanQuntuk teganganV.
C=\frac{Q}{V}
Satuan SI untuk kapasitansi adalahfarad(P); dikenakan biaya,
coulomb(C); dan tegangan,volt(V).Farad, dinamai menurut pelopor elektromagnetisme Michael Faraday, didefinisikan sedemikian rupa sehingga 1 farad sama dengan 1 columb per volt, atau 1 F = 1 C/V.Setiap bagian dari rangkaian yang memisahkan muatan dengan cara ini disebutkapasitor. Jadi, mengikuti persamaan di atas, setiap kapasitansi kapasitor givenCterhubung ke baterai dengan beda potensialV, akan menyimpan muatan listrikQ.
Kapasitor Pelat Paralel
Salah satu jenis kapasitor yang umum adalahkapasitor pelat sejajar. Dalam perangkat seperti itu, dua pelat bahan konduksi (seperti logam) dipegang, seperti namanya, sejajar satu sama lain melintasi jarak tertentu. Di antara pelat adalahbahan dielektrik, juga disebutbahan isolasi.
Ini adalah sesuatu yang tidak memungkinkan muatan mengalir melaluinya dan dengan demikian dapat menjadi terpolarisasi – muatan di dalamnya reorientasi sehingga semua positif bersama-sama di satu sisi dan semua negatif di sisi lain - dengan adanya listrik bidang.
Siapa pun dapat membuat kapasitor pelat paralel sederhana menggunakan dua lembar foil logam sebagai pelat dan beberapa lembar kertas sebagai isolator yang diapit di antara mereka.
Kapasitansi kapasitor pelat paralel tergantung pada luas salah satu pelat, atauSEBUAH; perpisahan di antara merekad; dan konstanta dielektrikκmateri di antara mereka dengan cara ini:
C = \dfrac{κε_0A}{d}
Istilah0 ("epsilon-naught") adalahpermitivitasruang bebas, yang merupakan konstanta yang sama dengan 8,854 × 10-12 farad per meter (F/m). Konstanta dielektrikκadalah kuantitas tanpa satuan yang dapat dicari dalam tabel, seperti yang ditautkan ke artikel ini.
Jenis Kapasitor Lainnya
Tidak semua jenis kapasitor memerlukan pelat sejajar. Beberapa berbentuk silinder, seperti kabel koaksial, atau bulat, seperti membran sel (yang akhirnya menahan muatan dengan memompa ion kalium positif keluar dari sel dan ion klorida negatif ke dalamnya).
Kabel koaksial banyak digunakan untuk mengirimkan data video, audio, dan komunikasi. Desain silindernya terdiri dari beberapa lapisan bahan dielektrik isolasi antara lembaran konduktor yang kuat, seringkali tembaga, semuanya digulung seperti gulungan jeli.
Hal ini memungkinkan kabel untuk membawa sinyal listrik yang lemah sekalipun tanpa degradasi dalam jarak jauh. Selain itu, karena lapisan isolasi dan konduktor digulung, kabel koaksial dapat menyediakan: penyimpanan energi ini dalam ruang yang relatif kecil – tentu saja dalam volume yang lebih kecil daripada kapasitor pelat paralel bisa.
Sirkuit RC
Salah satu aplikasi umum kapasitor adalah dalam rangkaian RC, dinamakan demikian karena mengandung resistor dan kapasitor. Misalkan dua komponen rangkaian dihubungkan secara paralel, dengan sakelar yang memungkinkan rangkaian terhubung dalam salah satu dari dua kemungkinan loop tunggal: sumber tegangan plus kapasitor, atau kapasitor plus resistor.
Ketika kapasitor terhubung ke sumber tegangan, arus mengalir di sirkuit, dan mulai membangun muatan yang tersimpan. Ketika sakelar dibalik dan kapasitor terhubung ke resistor, ia akan melepaskan dan memanaskan resistor.
Tegangan, atau beda potensial, melintasi kapasitor saat pengisian adalah:
V_{kapasitor} = V_{sumber}(1-e^{t/RC})
Dimana keduanyaVkapasitordanVsumberadalah tegangan dalam volt danuntukadalah waktu dalam detik. Konstanta waktuRCadalah produk dari resistansi dan kapasitansi rangkaian, menyiratkan bahwa semakin besar resistor atau kapasitor, semakin banyak waktu yang dibutuhkan untuk mengisi atau melepaskan. Unitnya juga dalam hitungan detik.
Dalam proses sebaliknya (saat pemakaian), persamaannya serupa:
V_{kapasitor} = V_{0}e^{-t/RC}
DimanaV0adalah tegangan awal kapasitor yang terisi sebelum mulai dikosongkan.
Karena muatan membutuhkan waktu untuk terbentuk dan dilepaskan, dan waktu itu bergantung pada sifat-sifat elemen rangkaian, rangkaian RC berguna di banyak perangkat listrik yang membutuhkan ketepatan waktu. Beberapa contoh umum adalah: kamera flash, alat pacu jantung dan filter audio.
Contoh Perhitungan
Contoh 1: Berapa kapasitansi kapasitor pelat sejajar yang terbuat dari dua 0,25-m2 pelat aluminium yang dipisahkan 0,1 m dengan teflon pada 20 derajat Celcius?
Mengingat luas satu pelat, pemisahan dan bahan dielektrik, mulailah dengan mencari konstanta dielektrik Teflon. Pada 20 derajat Celcius, itu adalah 2,1 (ingat, tidak memiliki satuan!).
Memecahkan kapasitansi:
Contoh 2: Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengisi 100-µF (10-6 farads) menjadi 20 V ketika dihubungkan ke baterai 30-V dan dirangkai dengan resistor 10-kΩ (1.000 Ohm)?
Mulailah dengan mengubah kapasitansi dan resistansi ke unit SI mereka, dan kemudian menghitung konstanta waktu RC:
C = 100 F = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10.000
RC = 0,0001 F × 10.000 = 1 detik
Kemudian, menggunakan rumus untuk kapasitor pengisian dan penyelesaian waktuuntuk:
V_{kapasitor} = V_{sumber}(1-e^{t/RC}) \newline 20 V = 30 V(1-e^{t/1}) \newline 2/3 =1-e^t \ baris baru 1/3 = e^t \baris baru ln (1/3) = ln (e^t) \baris baru 1,1 detik = t
Kapasitor vs. Baterai
Kapasitor dan baterai mungkin tampak serupa karena keduanya dapat menyimpan dan melepaskan muatan elektronik. Tetapi mereka memiliki beberapa perbedaan utama yang membuat mereka memiliki kelebihan dan kekurangan yang berbeda.
Pertama, kapasitor menyimpan energi dalam medan listrik yang terisi sementara baterai menyimpan energi dalam bahan kimia, melepaskannya melalui reaksi kimia. Karena perbedaan material ini, baterai dapat menyimpan lebih banyak energi daripada kapasitor dengan ukuran yang sama.
Namun, reaksi kimia yang diperlukan untuk melepaskan energi itu biasanya lebih lambat daripada pelepasan muatan melalui medan listrik dalam kapasitor. Jadi, kapasitor dapat mengisi dan melepaskan jauh lebih cepat daripada baterai, memberikan lebih banyak daya listrik dalam semburan singkat. Kapasitor juga biasanya lebih tahan lama daripada baterai, sehingga lebih ramah lingkungan.
Untuk semua alasan ini, para insinyur saat ini berusaha untuk meningkatkan batas penyimpanan kapasitor dan mengurangi waktu pengisian dan pengosongan baterai. Sampai saat itu, perangkat sering digunakan bersama-sama. Misalnya, lampu kilat kamera dan alat pacu jantung keduanya menggunakan baterai dan kapasitor untuk memasok energi yang tahan lamadanmengirimkannya dalam ledakan cepat pada tegangan yang lebih tinggi.
Aplikasi
Kapasitor sering digunakan dalam rangkaian untuk menghaluskan atau menengahi perubahan tegangan yang akan dialami perangkat. Misalnya, sebagian besar energi yang dikirim ke rumah datang dalam suplai arus bolak-balik (AC), yang memberikan tegangan "bergelombang", namun sebagian besar peralatan rumah tangga memerlukan suplai energi arus searah (DC).
Kapasitor di dinding membantu mengubah sinyal dari AC ke DC untuk perangkat ini. Tegangan masuk mengisi kapasitor, dan ketika mulai bergantian ke tegangan yang lebih rendah, kapasitor mulai melepaskan sebagian energi yang tersimpan. Itu memungkinkan perangkat di sisi lain untuk terus mengalami tegangan yang lebih konstan daripada tanpa kapasitor.
Kapasitor juga berguna dalam perangkat di mana frekuensi tertentu dari sinyal elektronik mungkin perlu disaring, katakanlah, penguat radio atau mixer audio. Misalnya, kapasitor dalam rangkaian dapat mengarahkan suara frekuensi rendah dan frekuensi tinggi ke berbagai bagian speaker, seperti sub-woofer atau tweeter. Atau, pengeras suara radio yang menggunakan kapasitor untuk memisahkan frekuensi dapat memperkuat beberapa tetapi tidak yang lain, sehingga memperkuat sinyal dari stasiun radio yang diinginkan.
Pemisahan dalam sirkuit terpadu.Salah satu kegunaan kapasitor yang paling umum adalah dalam sirkuit terpadu – sirkuit kecil papan yang berisi semua komponen listrik yang digunakan untuk memberi daya pada sebagian besar elektronik konsumen, seperti smartphone. Di sana, kapasitor berfungsi sebagai semacam perisai, melindungi komponen elektronik lainnya dari tiba-tiba tegangan turun dan bertindak sebagai sumber daya sementara kecil ketika pasokan terputus sesaat, sesering terjadi.
Mirip dengan bagaimana mereka membantu memberikan arus searah ke peralatan rumah, kapasitor menyangga perubahan tegangan untuk elektronik di luar mereka di sirkuit; mereka "menyerap" tegangan ekstra dan pada gilirannya melepaskan kelebihan tegangan mereka ketika pasokan mulai turun.
Kapasitor decoupling di sirkuit terpadu secara khusus menghilangkan perubahan frekuensi tinggi pada tegangan (karena mereka dapat menyerap sebagian dari perubahan tegangan yang melewatinya). Hal ini mengakibatkan komponen rangkaian lainnya mengalami lunas tegangan yang lebih merata pada tingkat yang diperlukan untuk pengoperasian yang benar.
Kapasitor sebagai sensor.Karena desain kapasitor tergantung pada bahan yang digunakan, yang pada gilirannya memiliki sifat konduktif yang berbeda dalam kondisi yang berbeda, kapasitor merupakan komponen penting dalam sensor elektronik.
Misalnya, sensor kelembaban menggunakan bahan dielektrik seperti plastik atau polimer yang mengubah konduktansinya secara andal dengan mengubah tingkat kelembaban. Jadi, dengan membaca konduktansi melintasi dielektrik itu, sensor menyimpulkan kelembaban relatif.
Demikian pula, beberapa sensor tingkat bahan bakar, termasuk yang ada di pesawat terbang, menggunakan kapasitor untuk mengukur berapa banyak bahan bakar yang tersisa di tangki. Dalam perangkat ini, bahan bakar itu sendiri berfungsi sebagai dielektrik. Setelah turun ke tingkat yang cukup rendah, konduktivitas berubah dan pilot diperingatkan.
Mungkin yang lebih umum adalah sakelar kapasitif yang digunakan pada perangkat layar sentuh. Ketika jari seseorang menyentuh layar, ia mengeluarkan sejumlah kecil muatan, sehingga mengubah konduktansi perangkat secara terukur dan menunjuk ke lokasi tertentu. Ini juga menjelaskan mengapa memakai sarung tangan mengganggu pengguliran pada ponsel cerdas – wol atau kapas dalam sarung tangan adalah insulator yang hebat, menjaga muatan di jari agar tidak melompat ke layar.