Mengenal Kapasitor
Kapasitor adalah perangkat pasif sederhana yang dapat menyimpan muatan listrik di plat mereka ketika terhubung ke sumber tegangan. Kapasitor adalah komponen yang memiliki kemampuan atau "kapasitas" untuk menyimpan energi dalam bentuk muatan listrik yang menghasilkan perbedaan potensial ( Tegangan Statis ) di seluruh plat-nya, seperti baterai kecil yang dapat diisi ulang.
Ada berbagai jenis kapasitor yang tersedia dari berbagai kapasitor sangat kecil yang digunakan dalam rangkaian resonansi ke kapasitor koreksi faktor daya besar, tetapi mereka semua melakukan hal yang sama, mereka menyimpan muatan.
Dalam bentuk dasarnya, kapasitor terdiri dari dua atau lebih plat konduktif (logam) paralel yang tidak saling terhubung atau bersentuhan, tetapi secara elektrik dipisahkan baik oleh udara atau oleh beberapa bentuk bahan isolasi yang baik seperti kertas lilin, mika, keramik, plastik atau beberapa bentuk gel cair seperti yang digunakan dalam kapasitor elektrolit.
Lapisan isolasi antara plat kapasitor biasanya disebut Dielektrik .
Karena lapisan isolasi ini, arus DC tidak dapat mengalir melalui kapasitor karena menghalangi itu sehingga tegangan ada di seluruh plat dalam bentuk muatan listrik. Plat logam konduktif kapasitor dapat berbentuk persegi, bundar, atau persegi panjang, atau dapat berbentuk silinder atau bulat dengan bentuk umum, ukuran, dan konstruksi kapasitor plat paralel tergantung pada penerapan dan peringkat tegangannya.
Ketika digunakan dalam arus searah atau rangkaian DC, kapasitor mengisi daya hingga tegangan supply tetapi menghalangi aliran arus melalui itu karena dielektrik kapasitor adalah non-konduktif dan pada dasarnya merupakan isolator. Namun, ketika kapasitor dihubungkan ke arus bolak-balik atau rangkaian AC, aliran arus tampaknya melewati kapasitor dengan sedikit atau tanpa hambatan.
Ada dua jenis muatan listrik, muatan positif dalam bentuk Proton dan muatan negatif dalam bentuk Elektron. Ketika tegangan DC ditempatkan pada kapasitor, muatan positif (+ve) dengan cepat terakumulasi pada satu plat sedangkan muatan negatif (-ve) yang sesuai bertumpuk di plat lainnya. Untuk setiap partikel muatan +ve yang tiba di satu plat muatan dengan tanda yang sama akan berangkat dari plat -ve.
Kemudian plat tetap bermuatan netral dan perbedaan potensial karena muatan ini ditetapkan antara kedua plat. Setelah kapasitor mencapai kondisi tunak, arus listrik tidak dapat mengalir melalui kapasitor itu sendiri dan di sekitar rangkaian karena sifat isolasi dari dielektrik yang digunakan untuk memisahkan plat.
Aliran elektron ke plat dikenal sebagai Pengisian Arus Kapasitor yang terus mengalir sampai tegangan melintasi kedua plat (dan karenanya kapasitor) sama dengan tegangan yang diberikan Vc. Pada titik ini kapasitor dikatakan "terisi penuh" dengan elektron.
Kekuatan atau laju arus pengisian ini adalah pada nilai maksimumnya ketika plat sudah benar-benar habis (kondisi awal) dan perlahan-lahan mengurangi nilainya menjadi nol karena plat mengisi hingga perbedaan potensial melintasi plat kapasitor sama dengan tegangan sumber.
Jumlah perbedaan potensial yang ada pada kapasitor tergantung pada berapa banyak muatan yang diendapkan ke plat oleh pekerjaan yang dilakukan oleh tegangan sumber dan juga oleh seberapa besar kapasitansi yang dimiliki kapasitor dan ini diilustrasikan di bawah ini.
Kapasitor plat paralel adalah bentuk paling sederhana dari kapasitor. Ini dapat dibangun dengan menggunakan dua plat logam atau lembaran logam pada jarak yang sejajar satu sama lain, dengan nilai kapasitansi dalam Farad, yang diperbaiki oleh luas permukaan plat konduktif dan jarak pemisahan di antara mereka. Mengubah dua nilai-nilai ini mengubah nilai kapasitansi dan ini membentuk dasar operasi dari variabel kapasitor.
Juga, karena kapasitor menyimpan energi elektron dalam bentuk muatan listrik pada plat, semakin besar plat dan/atau semakin kecil pemisahannya, semakin besar muatan yang dimiliki kapasitor untuk setiap tegangan yang diberikan pada plat-nya. Dengan kata lain, plat lebih besar, jarak lebih kecil, kapasitansi lebih banyak.
Dengan menerapkan tegangan ke kapasitor dan mengukur muatan pada plat, rasio muatan Q ke tegangan V akan memberikan nilai kapasitansi kapasitor dan oleh karena itu diberikan sebagai: C = Q/V persamaan ini juga dapat -diatur untuk memberikan rumus yang dikenal untuk jumlah muatan pada plat sebagai: Q = C x V.
Meskipun kami telah mengatakan bahwa muatan disimpan pada plat kapasitor, lebih tepat untuk mengatakan bahwa energi dalam muatan disimpan dalam "medan elektrostatik" antara dua plat. Ketika arus listrik mengalir ke kapasitor, itu mengisi daya, sehingga medan elektrostatik menjadi lebih kuat karena menyimpan lebih banyak energi di antara plat.
Demikian juga, ketika arus mengalir keluar dari kapasitor, mengeluarkannya, perbedaan potensial antara dua plat berkurang dan medan elektrostatik berkurang ketika energi bergerak keluar dari plat.
Properti kapasitor untuk menyimpan muatan pada plat-nya dalam bentuk medan elektrostatik disebut Kapasitansi Kapasitor. Bukan hanya itu, tetapi kapasitansi juga merupakan properti dari kapasitor yang menahan perubahan tegangan di atasnya.
Kapasitansi didefinisikan sebagai kapasitor yang memiliki kapasitansi Satu Farad ketika muatan Satu Coulomb disimpan di plat dengan voltase Satu Volt. Perhatikan bahwa kapasitansi, C selalu bernilai positif dan tidak memiliki unit negatif.
Namun, Farad adalah unit pengukuran yang sangat besar untuk digunakan sendiri sehingga sub-kelipatan dari Farad umumnya digunakan seperti mikro-farad, nano-farad dan pico-farad, misalnya.
Nanofarad (nF) 1nF = 1/1.000.000.000 = 0,000000001 = 10-9 F
Picofarad (pF) 1pF = 1/1.000.000.000.000.000 = 0,000000000001 = 10-12 F
Kemudian dengan menggunakan informasi di atas kita dapat membuat tabel sederhana untuk membantu kita mengkonversi antara pico-Farad (pF), ke nano-Farad (nF), ke micro-Farad (μF) dan ke Farads (F) seperti yang ditunjukkan.
Persamaan umum untuk kapasitansi kapasitor plat paralel diberikan sebagai: C = ε(A/d) di mana ε mewakili permitivitas absolut dari bahan dielektrik yang digunakan. Permitivitas ruang hampa, εo juga dikenal sebagai "permitivitas ruang bebas" memiliki nilai konstanta Farr 8,84 x 10-12 per meter.
Untuk membuat matematika sedikit lebih mudah, konstanta dielektrik ruang bebas ini, εo, yang dapat ditulis sebagai: 1/(4π x 9 × 109 ) , mungkin juga memiliki satuan picofarad (pF) per meter sebagai konstanta memberi: 8.84 untuk nilai ruang kosong. Dan perlu dicatat bahwa nilai kapasitansi yang dihasilkan akan berada di picofarads dan bukan di farad.
Secara umum, plat konduktif kapasitor dipisahkan oleh beberapa jenis bahan isolasi atau gel daripada vakum sempurna. Ketika menghitung kapasitansi kapasitor, kita dapat mempertimbangkan permitivitas udara, dan terutama udara kering, sebagai nilai yang sama dengan ruang hampa karena mereka sangat dekat.
Kemudian nilai kapasitor yang terdiri dari dua plat yang dipisahkan oleh udara dihitung sebagai 221pF atau 0,221nF.
Plat konduktif kapasitor umumnya terbuat dari lembaran logam atau film logam yang memungkinkan aliran elektron dan muatan, tetapi bahan dielektrik yang digunakan selalu merupakan isolator.
Berbagai bahan isolasi yang digunakan sebagai dielektrik dalam kapasitor berbeda dalam kemampuannya untuk memblokir atau melewatkan muatan listrik.
Bahan dielektrik ini dapat dibuat dari sejumlah bahan isolasi atau kombinasi dari bahan-bahan ini dengan jenis yang paling umum digunakan adalah: udara, kertas, poliester, polypropylene, Mylar, keramik, kaca, minyak, atau berbagai bahan lainnya.
Faktor dimana bahan dielektrik, atau isolator, meningkatkan kapasitansi kapasitor dibandingkan dengan udara dikenal sebagai Konstanta Dielektrik, k dan bahan dielektrik dengan konstanta dielektrik tinggi adalah isolator yang lebih baik daripada bahan dielektrik dengan konstanta dielektrik yang lebih rendah. Konstanta dielektrik adalah kuantitas tanpa dimensi karena relatif terhadap ruang bebas.
Izin aktual atau "izin kompleks" dari bahan dielektrik antara plat adalah produk dari izin ruang bebas ( εo ) dan izin relatif ( εr ) dari bahan yang digunakan sebagai dielektrik dan diberikan sebagai:
Dengan kata lain, jika kita mengambil izin ruang bebas, εo sebagai tingkat dasar kita dan menjadikannya sama dengan satu, ketika ruang hampa ruang kosong digantikan oleh beberapa jenis bahan isolasi lainnya.
Izin mereka dari dielektriknya dirujuk ke dielektrik dasar dari ruang bebas memberikan faktor multiplikasi yang dikenal sebagai "relatifitas relatif", εr. Jadi nilai dari permitivitas kompleks, ε akan selalu sama dengan permitivitas relatif satu kali.
Unit Khas permitivitas dielektrik, ε atau konstanta dielektrik untuk bahan umum adalah: Pure Vacuum = 1.0000, Air = 1,0006, Kertas = 2.5 sampai 3.5, Kaca = 3 sampai 10, Mika = 5 sampai 7, Kayu = 3 sampai 8 dan Metal Oxide Bubuk = 6 hingga 20 dll. Ini kemudian memberi kita persamaan akhir untuk kapasitansi kapasitor sebagai:
Salah satu metode yang digunakan untuk meningkatkan kapasitansi keseluruhan dari sebuah kapasitor sambil mempertahankan ukurannya yang kecil adalah untuk "menyisipkan" lebih banyak plat bersama-sama dalam satu badan kapasitor tunggal. Alih-alih hanya satu set plat paralel, sebuah kapasitor dapat memiliki banyak plat terpisah yang dihubungkan bersama sehingga meningkatkan luas permukaan, A dari plat.
Untuk sebuah kapasitor plat paralel standar seperti yang ditunjukkan di atas, kapasitor memiliki dua plat, diberi label A dan B. Oleh karena itu karena jumlah plat kapasitor adalah dua, kita dapat mengatakan bahwa n = 2, di mana "n" mewakili jumlah plat.
Maka persamaan kami di atas untuk kapasitor plat paralel tunggal harus benar-benar:
Namun, kapasitor mungkin memiliki dua plat paralel tetapi hanya satu sisi dari setiap plat yang bersentuhan dengan dielektrik di tengah karena sisi lain dari setiap plat membentuk bagian luar kapasitor. Jika kita mengambil dua bagian plat dan bergabung bersama-sama kita secara efektif hanya memiliki "satu" plat utuh yang berhubungan dengan dielektrik.
Sedangkan untuk kapasitor plat paralel tunggal, n - 1 = 2 - 1 yang sama dengan 1 sebagai C = (εo* εr x 1 x A)/d persis sama dengan mengatakan: C = (εo * εr * A)/d yang merupakan persamaan standar di atas. Sekarang anggaplah kita memiliki kapasitor yang terdiri dari 9 plat yang disisipkan, kemudian n = 9 seperti yang ditunjukkan.
Sekarang kita memiliki lima plat yang terhubung ke satu timah ( A ) dan empat plat ke timah lainnya ( B ). Kemudian KEDUA sisi dari empat plat yang terhubung dengan timah B berhubungan dengan dielektrik.
Sedangkan hanya satu sisi dari masing-masing plat luar yang terhubung ke A yang bersentuhan dengan dielektrik. Kemudian seperti di atas, luas permukaan yang berguna dari setiap set plat hanya delapan dan oleh karenanya kapasitansinya diberikan sebagai:
Kapasitor modern dapat diklasifikasikan menurut karakteristik dan sifat dielektrik isolasi mereka:
Jika tegangan yang diterapkan melintasi kapasitor menjadi terlalu besar, dielektrik akan rusak (dikenal sebagai gangguan listrik) dan terjadi lengkung di antara plat kapasitor yang mengakibatkan hubungan arus pendek. Tegangan kerja kapasitor tergantung pada jenis bahan dielektrik yang digunakan dan ketebalannya.
Tegangan kerja DC dari sebuah kapasitor adalah hanya itu, tegangan DC maksimum dan BUKAN tegangan AC maksimum sebagai kapasitor dengan tingkat tegangan DC 100 volt DC tidak dapat dengan aman mengalami tegangan bolak-balik 100 volt.
Karena tegangan bolak-balik yang memiliki nilai RMS 100 volt akan memiliki nilai puncak lebih dari 141 volt! (√2 x 100). Maka kapasitor yang diperlukan untuk beroperasi pada 100 volt AC harus memiliki tegangan kerja minimal 200 volt. Dalam praktiknya, kapasitor harus dipilih sehingga tegangan kerjanya baik DC atau AC harus setidaknya 50 persen lebih besar dari tegangan efektif tertinggi yang diterapkan padanya.
Faktor lain yang mempengaruhi pengoperasian kapasitor adalah Kebocoran Dielektrik. Kebocoran dielektrik terjadi dalam kapasitor sebagai akibat dari arus bocor yang tidak diinginkan yang mengalir melalui bahan dielektrik.
Secara umum, diasumsikan bahwa resistansi dielektrik sangat tinggi dan isolator yang baik menghalangi aliran arus DC melalui kapasitor (seperti pada kapasitor sempurna) dari satu plat ke plat lainnya.
Namun, jika bahan dielektrik menjadi rusak karena tegangan yang berlebihan atau suhu berlebih, arus bocor melalui dielektrik akan menjadi sangat tinggi sehingga mengakibatkan hilangnya muatan yang cepat pada plat dan terlalu panasnya kapasitor pada akhirnya mengakibatkan kegagalan kapasitor secara prematur.
Kemudian jangan pernah menggunakan kapasitor dalam rangkaian dengan tegangan lebih tinggi dari nilai kapasitor karena jika tidak maka akan menjadi panas dan meledak.
Dielektrik kapasitor dapat berupa udara, atau bahkan ruang hampa udara tetapi pada umumnya merupakan bahan insulasi yang tidak berfungsi, seperti kertas lilin, gelas, berbagai jenis plastik, dll. Dielektrik tersebut memberikan keuntungan sebagai berikut:
Kemampuan untuk memblokir arus DC ini memungkinkan kapasitor untuk digunakan untuk menghaluskan tegangan keluaran catu daya, untuk menghilangkan lonjakan yang tidak diinginkan dari sinyal yang sebaliknya akan cenderung menyebabkan kerusakan atau pemicu kesalahan semikonduktor atau komponen digital.
Kapasitor juga dapat digunakan untuk mengatur respons frekuensi dari rangkaian audio, atau untuk menyatukan tahap-tahap penguat terpisah yang harus dilindungi dari transmisi arus DC.
Pada DC kapasitor memiliki impedansi tak terbatas (rangkaian terbuka), pada frekuensi yang sangat tinggi kapasitor memiliki impedansi nol (hubungan singkat). Semua kapasitor memiliki peringkat tegangan kerja maksimum, WV DC-nya sehingga pilih kapasitor dengan peringkat setidaknya 50% lebih dari tegangan supply.
Ada banyak jenis dan tipe kapasitor, masing-masing memiliki kelebihan, kekurangan, dan karakteristik tertentu. Untuk memasukkan semua jenis akan membuat bagian tutorial ini sangat besar sehingga dalam tutorial berikutnya tentang Kapasitor saya akan membatasi mereka untuk jenis yang paling umum digunakan.
Ada berbagai jenis kapasitor yang tersedia dari berbagai kapasitor sangat kecil yang digunakan dalam rangkaian resonansi ke kapasitor koreksi faktor daya besar, tetapi mereka semua melakukan hal yang sama, mereka menyimpan muatan.
Dalam bentuk dasarnya, kapasitor terdiri dari dua atau lebih plat konduktif (logam) paralel yang tidak saling terhubung atau bersentuhan, tetapi secara elektrik dipisahkan baik oleh udara atau oleh beberapa bentuk bahan isolasi yang baik seperti kertas lilin, mika, keramik, plastik atau beberapa bentuk gel cair seperti yang digunakan dalam kapasitor elektrolit.
Lapisan isolasi antara plat kapasitor biasanya disebut Dielektrik .
Karena lapisan isolasi ini, arus DC tidak dapat mengalir melalui kapasitor karena menghalangi itu sehingga tegangan ada di seluruh plat dalam bentuk muatan listrik. Plat logam konduktif kapasitor dapat berbentuk persegi, bundar, atau persegi panjang, atau dapat berbentuk silinder atau bulat dengan bentuk umum, ukuran, dan konstruksi kapasitor plat paralel tergantung pada penerapan dan peringkat tegangannya.
Ketika digunakan dalam arus searah atau rangkaian DC, kapasitor mengisi daya hingga tegangan supply tetapi menghalangi aliran arus melalui itu karena dielektrik kapasitor adalah non-konduktif dan pada dasarnya merupakan isolator. Namun, ketika kapasitor dihubungkan ke arus bolak-balik atau rangkaian AC, aliran arus tampaknya melewati kapasitor dengan sedikit atau tanpa hambatan.
Ada dua jenis muatan listrik, muatan positif dalam bentuk Proton dan muatan negatif dalam bentuk Elektron. Ketika tegangan DC ditempatkan pada kapasitor, muatan positif (+ve) dengan cepat terakumulasi pada satu plat sedangkan muatan negatif (-ve) yang sesuai bertumpuk di plat lainnya. Untuk setiap partikel muatan +ve yang tiba di satu plat muatan dengan tanda yang sama akan berangkat dari plat -ve.
Kemudian plat tetap bermuatan netral dan perbedaan potensial karena muatan ini ditetapkan antara kedua plat. Setelah kapasitor mencapai kondisi tunak, arus listrik tidak dapat mengalir melalui kapasitor itu sendiri dan di sekitar rangkaian karena sifat isolasi dari dielektrik yang digunakan untuk memisahkan plat.
Aliran elektron ke plat dikenal sebagai Pengisian Arus Kapasitor yang terus mengalir sampai tegangan melintasi kedua plat (dan karenanya kapasitor) sama dengan tegangan yang diberikan Vc. Pada titik ini kapasitor dikatakan "terisi penuh" dengan elektron.
Kekuatan atau laju arus pengisian ini adalah pada nilai maksimumnya ketika plat sudah benar-benar habis (kondisi awal) dan perlahan-lahan mengurangi nilainya menjadi nol karena plat mengisi hingga perbedaan potensial melintasi plat kapasitor sama dengan tegangan sumber.
Jumlah perbedaan potensial yang ada pada kapasitor tergantung pada berapa banyak muatan yang diendapkan ke plat oleh pekerjaan yang dilakukan oleh tegangan sumber dan juga oleh seberapa besar kapasitansi yang dimiliki kapasitor dan ini diilustrasikan di bawah ini.
Kapasitor plat paralel adalah bentuk paling sederhana dari kapasitor. Ini dapat dibangun dengan menggunakan dua plat logam atau lembaran logam pada jarak yang sejajar satu sama lain, dengan nilai kapasitansi dalam Farad, yang diperbaiki oleh luas permukaan plat konduktif dan jarak pemisahan di antara mereka. Mengubah dua nilai-nilai ini mengubah nilai kapasitansi dan ini membentuk dasar operasi dari variabel kapasitor.
Juga, karena kapasitor menyimpan energi elektron dalam bentuk muatan listrik pada plat, semakin besar plat dan/atau semakin kecil pemisahannya, semakin besar muatan yang dimiliki kapasitor untuk setiap tegangan yang diberikan pada plat-nya. Dengan kata lain, plat lebih besar, jarak lebih kecil, kapasitansi lebih banyak.
Dengan menerapkan tegangan ke kapasitor dan mengukur muatan pada plat, rasio muatan Q ke tegangan V akan memberikan nilai kapasitansi kapasitor dan oleh karena itu diberikan sebagai: C = Q/V persamaan ini juga dapat -diatur untuk memberikan rumus yang dikenal untuk jumlah muatan pada plat sebagai: Q = C x V.
Meskipun kami telah mengatakan bahwa muatan disimpan pada plat kapasitor, lebih tepat untuk mengatakan bahwa energi dalam muatan disimpan dalam "medan elektrostatik" antara dua plat. Ketika arus listrik mengalir ke kapasitor, itu mengisi daya, sehingga medan elektrostatik menjadi lebih kuat karena menyimpan lebih banyak energi di antara plat.
Demikian juga, ketika arus mengalir keluar dari kapasitor, mengeluarkannya, perbedaan potensial antara dua plat berkurang dan medan elektrostatik berkurang ketika energi bergerak keluar dari plat.
Properti kapasitor untuk menyimpan muatan pada plat-nya dalam bentuk medan elektrostatik disebut Kapasitansi Kapasitor. Bukan hanya itu, tetapi kapasitansi juga merupakan properti dari kapasitor yang menahan perubahan tegangan di atasnya.
Kapasitansi Kapasitor
Kapasitansi adalah properti listrik kapasitor dan merupakan ukuran kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik ke dua lempengnya dengan satuan kapasitansi menjadi Farad (disingkat F ) dinamai sesuai dengan fisikawan Inggris Michael Faraday.Kapasitansi didefinisikan sebagai kapasitor yang memiliki kapasitansi Satu Farad ketika muatan Satu Coulomb disimpan di plat dengan voltase Satu Volt. Perhatikan bahwa kapasitansi, C selalu bernilai positif dan tidak memiliki unit negatif.
Namun, Farad adalah unit pengukuran yang sangat besar untuk digunakan sendiri sehingga sub-kelipatan dari Farad umumnya digunakan seperti mikro-farad, nano-farad dan pico-farad, misalnya.
Unit Standar Kapasitansi
Microfarad (μF) 1μF = 1/1.000.000 = 0,000001 = 10-6 FNanofarad (nF) 1nF = 1/1.000.000.000 = 0,000000001 = 10-9 F
Picofarad (pF) 1pF = 1/1.000.000.000.000.000 = 0,000000000001 = 10-12 F
Kemudian dengan menggunakan informasi di atas kita dapat membuat tabel sederhana untuk membantu kita mengkonversi antara pico-Farad (pF), ke nano-Farad (nF), ke micro-Farad (μF) dan ke Farads (F) seperti yang ditunjukkan.
Pico-Farad
(pF)
|
Nano-Farad
(nF)
|
Mikro-Farad
(μF)
|
Farads
(F)
|
1.000
|
1.0
|
0,001
| |
10.000
|
10.0
|
0,01
| |
1.000.000
|
1.000
|
1.0
| |
10.000
|
10.0
| ||
100.000
|
100
| ||
1.000.000
|
1.000
|
0,001
| |
10.000
|
0,01
| ||
100.000
|
0,1
| ||
1.000.000
|
1.0
|
Kapasitansi Kapasitor Plat Paralel
Kapasitansi kapasitor plat paralel sebanding dengan area, A dalam meter2 dari yang terkecil dari dua plat dan berbanding terbalik dengan jarak atau pemisahan, d (yaitu ketebalan dielektrik) yang diberikan dalam meter antara dua plat konduktif ini.Persamaan umum untuk kapasitansi kapasitor plat paralel diberikan sebagai: C = ε(A/d) di mana ε mewakili permitivitas absolut dari bahan dielektrik yang digunakan. Permitivitas ruang hampa, εo juga dikenal sebagai "permitivitas ruang bebas" memiliki nilai konstanta Farr 8,84 x 10-12 per meter.
Untuk membuat matematika sedikit lebih mudah, konstanta dielektrik ruang bebas ini, εo, yang dapat ditulis sebagai: 1/(4π x 9 × 109 ) , mungkin juga memiliki satuan picofarad (pF) per meter sebagai konstanta memberi: 8.84 untuk nilai ruang kosong. Dan perlu dicatat bahwa nilai kapasitansi yang dihasilkan akan berada di picofarads dan bukan di farad.
Secara umum, plat konduktif kapasitor dipisahkan oleh beberapa jenis bahan isolasi atau gel daripada vakum sempurna. Ketika menghitung kapasitansi kapasitor, kita dapat mempertimbangkan permitivitas udara, dan terutama udara kering, sebagai nilai yang sama dengan ruang hampa karena mereka sangat dekat.
Contoh Kapasitansi No.1
Kapasitor dibangun dari dua plat logam konduktif 30cm x 50cm yang berjarak 6mm satu sama lain, dan menggunakan udara kering sebagai satu-satunya bahan dielektriknya. Hitung kapasitansi kapasitor.Kemudian nilai kapasitor yang terdiri dari dua plat yang dipisahkan oleh udara dihitung sebagai 221pF atau 0,221nF.
Dielektrik Kapasitor
Selain ukuran keseluruhan plat konduktif dan jarak atau jaraknya satu sama lain, faktor lain yang mempengaruhi kapasitansi keseluruhan perangkat adalah jenis bahan dielektrik yang digunakan. Dengan kata lain "Permitivitas" ( ε ) dielektrik.Plat konduktif kapasitor umumnya terbuat dari lembaran logam atau film logam yang memungkinkan aliran elektron dan muatan, tetapi bahan dielektrik yang digunakan selalu merupakan isolator.
Berbagai bahan isolasi yang digunakan sebagai dielektrik dalam kapasitor berbeda dalam kemampuannya untuk memblokir atau melewatkan muatan listrik.
Bahan dielektrik ini dapat dibuat dari sejumlah bahan isolasi atau kombinasi dari bahan-bahan ini dengan jenis yang paling umum digunakan adalah: udara, kertas, poliester, polypropylene, Mylar, keramik, kaca, minyak, atau berbagai bahan lainnya.
Faktor dimana bahan dielektrik, atau isolator, meningkatkan kapasitansi kapasitor dibandingkan dengan udara dikenal sebagai Konstanta Dielektrik, k dan bahan dielektrik dengan konstanta dielektrik tinggi adalah isolator yang lebih baik daripada bahan dielektrik dengan konstanta dielektrik yang lebih rendah. Konstanta dielektrik adalah kuantitas tanpa dimensi karena relatif terhadap ruang bebas.
Izin aktual atau "izin kompleks" dari bahan dielektrik antara plat adalah produk dari izin ruang bebas ( εo ) dan izin relatif ( εr ) dari bahan yang digunakan sebagai dielektrik dan diberikan sebagai:
Permitivitas Kompleks
ε = εo x εr
Dengan kata lain, jika kita mengambil izin ruang bebas, εo sebagai tingkat dasar kita dan menjadikannya sama dengan satu, ketika ruang hampa ruang kosong digantikan oleh beberapa jenis bahan isolasi lainnya.
Izin mereka dari dielektriknya dirujuk ke dielektrik dasar dari ruang bebas memberikan faktor multiplikasi yang dikenal sebagai "relatifitas relatif", εr. Jadi nilai dari permitivitas kompleks, ε akan selalu sama dengan permitivitas relatif satu kali.
Unit Khas permitivitas dielektrik, ε atau konstanta dielektrik untuk bahan umum adalah: Pure Vacuum = 1.0000, Air = 1,0006, Kertas = 2.5 sampai 3.5, Kaca = 3 sampai 10, Mika = 5 sampai 7, Kayu = 3 sampai 8 dan Metal Oxide Bubuk = 6 hingga 20 dll. Ini kemudian memberi kita persamaan akhir untuk kapasitansi kapasitor sebagai:
Salah satu metode yang digunakan untuk meningkatkan kapasitansi keseluruhan dari sebuah kapasitor sambil mempertahankan ukurannya yang kecil adalah untuk "menyisipkan" lebih banyak plat bersama-sama dalam satu badan kapasitor tunggal. Alih-alih hanya satu set plat paralel, sebuah kapasitor dapat memiliki banyak plat terpisah yang dihubungkan bersama sehingga meningkatkan luas permukaan, A dari plat.
Untuk sebuah kapasitor plat paralel standar seperti yang ditunjukkan di atas, kapasitor memiliki dua plat, diberi label A dan B. Oleh karena itu karena jumlah plat kapasitor adalah dua, kita dapat mengatakan bahwa n = 2, di mana "n" mewakili jumlah plat.
Maka persamaan kami di atas untuk kapasitor plat paralel tunggal harus benar-benar:
Namun, kapasitor mungkin memiliki dua plat paralel tetapi hanya satu sisi dari setiap plat yang bersentuhan dengan dielektrik di tengah karena sisi lain dari setiap plat membentuk bagian luar kapasitor. Jika kita mengambil dua bagian plat dan bergabung bersama-sama kita secara efektif hanya memiliki "satu" plat utuh yang berhubungan dengan dielektrik.
Sedangkan untuk kapasitor plat paralel tunggal, n - 1 = 2 - 1 yang sama dengan 1 sebagai C = (εo* εr x 1 x A)/d persis sama dengan mengatakan: C = (εo * εr * A)/d yang merupakan persamaan standar di atas. Sekarang anggaplah kita memiliki kapasitor yang terdiri dari 9 plat yang disisipkan, kemudian n = 9 seperti yang ditunjukkan.
Kapasitor Multi-plat
Sekarang kita memiliki lima plat yang terhubung ke satu timah ( A ) dan empat plat ke timah lainnya ( B ). Kemudian KEDUA sisi dari empat plat yang terhubung dengan timah B berhubungan dengan dielektrik.
Sedangkan hanya satu sisi dari masing-masing plat luar yang terhubung ke A yang bersentuhan dengan dielektrik. Kemudian seperti di atas, luas permukaan yang berguna dari setiap set plat hanya delapan dan oleh karenanya kapasitansinya diberikan sebagai:
Kapasitor modern dapat diklasifikasikan menurut karakteristik dan sifat dielektrik isolasi mereka:
- Kehilangan Rendah, Stabilitas Tinggi seperti Mika, Low-K Keramik, Polystyrene.
- Kehilangan Sedang, Stabilitas Sedang seperti Kertas, Film Plastik, High-K Keramik.
- Kapasitor terpolarisasi seperti Elektrolit, Tantalum.
Tingkat Tegangan Kapasitor
Semua kapasitor memiliki tingkat tegangan maksimum dan ketika memilih kapasitor, pertimbangan harus diberikan dengan jumlah tegangan yang akan diterapkan di seluruh kapasitor. Jumlah maksimum tegangan yang dapat diterapkan pada kapasitor tanpa kerusakan pada bahan dielektriknya umumnya diberikan dalam lembar data sebagai: WV, (work voltage) atau sebagai WV DC, (tegangan kerja DC).Jika tegangan yang diterapkan melintasi kapasitor menjadi terlalu besar, dielektrik akan rusak (dikenal sebagai gangguan listrik) dan terjadi lengkung di antara plat kapasitor yang mengakibatkan hubungan arus pendek. Tegangan kerja kapasitor tergantung pada jenis bahan dielektrik yang digunakan dan ketebalannya.
Tegangan kerja DC dari sebuah kapasitor adalah hanya itu, tegangan DC maksimum dan BUKAN tegangan AC maksimum sebagai kapasitor dengan tingkat tegangan DC 100 volt DC tidak dapat dengan aman mengalami tegangan bolak-balik 100 volt.
Karena tegangan bolak-balik yang memiliki nilai RMS 100 volt akan memiliki nilai puncak lebih dari 141 volt! (√2 x 100). Maka kapasitor yang diperlukan untuk beroperasi pada 100 volt AC harus memiliki tegangan kerja minimal 200 volt. Dalam praktiknya, kapasitor harus dipilih sehingga tegangan kerjanya baik DC atau AC harus setidaknya 50 persen lebih besar dari tegangan efektif tertinggi yang diterapkan padanya.
Faktor lain yang mempengaruhi pengoperasian kapasitor adalah Kebocoran Dielektrik. Kebocoran dielektrik terjadi dalam kapasitor sebagai akibat dari arus bocor yang tidak diinginkan yang mengalir melalui bahan dielektrik.
Secara umum, diasumsikan bahwa resistansi dielektrik sangat tinggi dan isolator yang baik menghalangi aliran arus DC melalui kapasitor (seperti pada kapasitor sempurna) dari satu plat ke plat lainnya.
Namun, jika bahan dielektrik menjadi rusak karena tegangan yang berlebihan atau suhu berlebih, arus bocor melalui dielektrik akan menjadi sangat tinggi sehingga mengakibatkan hilangnya muatan yang cepat pada plat dan terlalu panasnya kapasitor pada akhirnya mengakibatkan kegagalan kapasitor secara prematur.
Kemudian jangan pernah menggunakan kapasitor dalam rangkaian dengan tegangan lebih tinggi dari nilai kapasitor karena jika tidak maka akan menjadi panas dan meledak.
Ringkasan Kapasitor
Kita telah melihat dalam tutorial ini bahwa tugas kapasitor adalah menyimpan muatan listrik ke plat-nya. Jumlah muatan listrik yang dapat disimpan kapasitor pada plat-nya dikenal sebagai nilai Kapasitansinya dan tergantung pada tiga faktor utama.- Luas Permukaan - luas permukaan, A dari dua plat konduktif yang membentuk kapasitor, semakin besar luas semakin besar kapasitansi.
- Jarak - jarak, d diantara dua plat, semakin kecil jarak semakin besar kapasitansi.
- Bahan Dielektrik - jenis bahan yang memisahkan dua plat yang disebut "dielektrik", semakin tinggi permitivitas dielektrik semakin besar kapasitansi.
Dielektrik kapasitor dapat berupa udara, atau bahkan ruang hampa udara tetapi pada umumnya merupakan bahan insulasi yang tidak berfungsi, seperti kertas lilin, gelas, berbagai jenis plastik, dll. Dielektrik tersebut memberikan keuntungan sebagai berikut:
- Konstanta dielektrik adalah properti dari bahan dielektrik dan bervariasi dari satu bahan ke bahan lainnya yang meningkatkan kapasitansi dengan faktor k.
- Dielektrik memberikan dukungan mekanis antara kedua plat yang memungkinkan plat saling berdekatan tanpa menyentuh.
- Izin dari dielektrik meningkatkan kapasitansi.
- Dielektrik meningkatkan tegangan operasi maksimum dibandingkan dengan udara.
Kemampuan untuk memblokir arus DC ini memungkinkan kapasitor untuk digunakan untuk menghaluskan tegangan keluaran catu daya, untuk menghilangkan lonjakan yang tidak diinginkan dari sinyal yang sebaliknya akan cenderung menyebabkan kerusakan atau pemicu kesalahan semikonduktor atau komponen digital.
Kapasitor juga dapat digunakan untuk mengatur respons frekuensi dari rangkaian audio, atau untuk menyatukan tahap-tahap penguat terpisah yang harus dilindungi dari transmisi arus DC.
Pada DC kapasitor memiliki impedansi tak terbatas (rangkaian terbuka), pada frekuensi yang sangat tinggi kapasitor memiliki impedansi nol (hubungan singkat). Semua kapasitor memiliki peringkat tegangan kerja maksimum, WV DC-nya sehingga pilih kapasitor dengan peringkat setidaknya 50% lebih dari tegangan supply.
Ada banyak jenis dan tipe kapasitor, masing-masing memiliki kelebihan, kekurangan, dan karakteristik tertentu. Untuk memasukkan semua jenis akan membuat bagian tutorial ini sangat besar sehingga dalam tutorial berikutnya tentang Kapasitor saya akan membatasi mereka untuk jenis yang paling umum digunakan.