Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor
Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor adalah perangkat penyimpanan energi listrik yang memiliki kemampuan untuk menyimpan sejumlah besar muatan listrik.
Tidak seperti Resistor, yang menghilangkan energi dalam bentuk panas, Kapasitor ideal tidak kehilangan energinya. Kita juga telah melihat bahwa bentuk paling sederhana dari sebuah kapasitor adalah dua plat logam konduktor paralel yang dipisahkan oleh bahan isolasi, seperti udara, mika, kertas, keramik, dll, dan disebut dielektrik melalui jarak, "d".
Kapasitor menyimpan energi sebagai hasil dari kemampuan mereka untuk menyimpan muatan dengan jumlah muatan yang disimpan pada kapasitor tergantung pada tegangan, V diterapkan pada pelt-nya, dan semakin besar tegangan, semakin banyak muatan yang akan disimpan oleh kapasitor sebagai: Q ∞ V.
Juga, sebuah kapasitor memiliki konstanta proporsionalitas, disebut kapasitansi, simbol C, yang merupakan kemampuan kapasitor atau kapasitas untuk menyimpan muatan listrik dengan jumlah muatan tergantung pada nilai kapasitansi kapasitor sebagai: Q ∞ C.
Kemudian kita dapat melihat bahwa ada hubungan antara muatan, Q, tegangan V dan kapasitansi C, dan semakin besar kapasitansi, semakin tinggi jumlah muatan yang disimpan pada kapasitor untuk jumlah tegangan yang sama dan kita dapat mendefinisikan hubungan ini untuk kapasitor sebagai:
Di mana: Q (Muatan, dalam Coulomb) = C (Kapasitansi, dalam Farad) kali V (Tegangan, dalam Volt)
Satuan kapasitansi adalah coulomb/volt, yang juga disebut Farad ( F ) [dinamai M. Faraday] dengan satu farad didefinisikan sebagai kapasitansi kapasitor, yang membutuhkan muatan 1 coulomb untuk membangun perbedaan potensial dari 1 volt antara dua plat-nya.
Tapi satu kapasitor farad konvensional akan sangat besar untuk sebagian besar aplikasi elektronik praktis, maka unit yang jauh lebih kecil seperti mikrofarad ( μF ), nanofarad ( nF ) dan picofarad ( pF ) umumnya digunakan di mana:
Microfarad (μF) 1μF = 1/1.000.000 = 0,000001 = 10-6 F
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
Namun, ada jenis kapasitor lain yang tersedia, yang disebut Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor yang dapat memberikan nilai dari beberapa mili-farad (mF) hingga sepuluh dari farad kapasitansi dalam ukuran yang sangat kecil memungkinkan lebih banyak energi listrik disimpan di antara plat mereka.
Dalam tutorial kami tentang Kapasitansi dan Muatan, kami melihat bahwa energi yang tersimpan dalam kapasitor diberikan oleh persamaan:
Di mana: E adalah energi yang disimpan dalam medan listrik dalam joule, V adalah perbedaan potensial di seluruh plat dan C adalah kapasitansi kapasitor dalam farad dan didefinisikan sebagai:
Dimana: ε adalah permitivitas bahan antara plat, A adalah area plat, dan d adalah pemisahan plat.
Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor adalah jenis kapasitor lain yang dibangun untuk memiliki plat konduktif besar, yang disebut elektroda, luas permukaan ( A ) serta jarak yang sangat kecil ( d ) di antara mereka. Tidak seperti kapasitor konvensional yang menggunakan bahan dielektrik padat dan kering seperti Teflon, Polyethylene, Paper, dll.
Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor menggunakan elektrolit cair atau basah di antara elektroda-elektrodanya sehingga menjadikannya lebih sebagai perangkat elektrokimia yang mirip dengan kapasitor elektrolitik.
Meskipun Super Kapasitor atau Ultra Capacitor adalah jenis perangkat elektrokimia, tidak ada reaksi kimia yang terlibat dalam penyimpanan energi listriknya. Ini berarti bahwa ultra kapasitor tetap secara efektif merupakan perangkat elektrostatik yang menyimpan energi listriknya dalam bentuk medan listrik antara dua elektroda penghantar seperti yang ditunjukkan.
Elektroda berlapis sisi ganda dibuat dari karbon grafit dalam bentuk karbon konduktif teraktivasi, karbon nanotube atau gel karbon. Membran kertas berpori yang disebut separator membuat elektroda terpisah tetapi memungkinkan ion positif untuk melewatinya sambil menghalangi elektron yang lebih besar.
Baik pemisah kertas dan elektroda karbon diresapi dengan elektrolit cair dengan aluminium foil yang digunakan di antara keduanya untuk bertindak sebagai pengumpul arus yang membuat sambungan listrik ke tab penyolderan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor.
Konstruksi lapisan ganda dari elektroda dan pemisah karbon mungkin sangat tipis tetapi luas permukaan efektifnya mencapai ribuan meter persegi ketika digulung menjadi satu.
Kemudian untuk meningkatkan kapasitansi ultra-kapasitor, jelas bahwa kita perlu meningkatkan luas permukaan kontak, A (dalam m2 ) tanpa meningkatkan ukuran fisik kapasitor, atau menggunakan jenis elektrolit khusus untuk meningkatkan ketersediaan ion positif untuk meningkatkan konduktivitas.
Kemudian ultra-kapasitor membuat perangkat penyimpanan energi yang sangat baik karena nilai-nilai tinggi kapasitansi naik ke ratusan Farad, karena sangat kecil jarak d atau pemisahan plat mereka dan elektroda luas permukaan yang tinggi A untuk pembentukan pada permukaan lapisan ion elektrolit membentuk lapisan ganda.
Konstruksi ini secara efektif menciptakan dua kapasitor, satu di setiap elektroda karbon, memberikan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor nama sekunder "kapasitor lapisan ganda" membentuk dua kapasitor secara seri.
Namun, masalah dengan ukuran kecil ini adalah bahwa tegangan melintasi kapasitor hanya bisa sangat rendah karena tegangan pengenal sel ultra-kapasitor ditentukan terutama oleh tegangan penguraian elektrolit. Kemudian sel kapasitor khas memiliki tegangan kerja antara 1 hingga 3 volt, tergantung pada elektrolit yang digunakan, yang dapat membatasi jumlah energi listrik yang dapat disimpannya.
Untuk menyimpan daya pada Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor tegangan yang masuk akal harus dihubungkan secara seri. Tidak seperti kapasitor elektrolit dan elektrostatik, kapasitor ultra ditandai oleh tegangan terminal yang rendah. Untuk meningkatkan tegangan terminal terukur sampai puluhan volt, sel Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor harus dihubungkan secara seri, atau secara paralel untuk mencapai nilai kapasitansi yang lebih tinggi seperti yang ditunjukkan.
Di mana: VCELL adalah tegangan satu sel, dan CCELL adalah kapasitansi satu sel.
Karena tegangan masing-masing sel kapasitor sekitar 3.0 volt, menghubungkan lebih banyak sel kapasitor bersama secara seri akan meningkatkan tegangan. Sementara menghubungkan lebih banyak sel kapasitor secara paralel akan meningkatkan kapasitansi.
Kemudian kita dapat mendefinisikan tegangan total dan kapasitansi total penyimpanan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor sebagai:
Di mana: M adalah jumlah kolom dan N adalah jumlah baris. Perhatikan juga bahwa seperti baterai, Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor memiliki polaritas yang ditentukan dengan terminal positif yang ditandai pada badan kapasitor.
Kapasitor menyimpan energi sebagai hasil dari kemampuan mereka untuk menyimpan muatan dengan jumlah muatan yang disimpan pada kapasitor tergantung pada tegangan, V diterapkan pada pelt-nya, dan semakin besar tegangan, semakin banyak muatan yang akan disimpan oleh kapasitor sebagai: Q ∞ V.
Juga, sebuah kapasitor memiliki konstanta proporsionalitas, disebut kapasitansi, simbol C, yang merupakan kemampuan kapasitor atau kapasitas untuk menyimpan muatan listrik dengan jumlah muatan tergantung pada nilai kapasitansi kapasitor sebagai: Q ∞ C.
Muatan Daya pada kapasitor
Q = C x V
Di mana: Q (Muatan, dalam Coulomb) = C (Kapasitansi, dalam Farad) kali V (Tegangan, dalam Volt)
Satuan kapasitansi adalah coulomb/volt, yang juga disebut Farad ( F ) [dinamai M. Faraday] dengan satu farad didefinisikan sebagai kapasitansi kapasitor, yang membutuhkan muatan 1 coulomb untuk membangun perbedaan potensial dari 1 volt antara dua plat-nya.
Tapi satu kapasitor farad konvensional akan sangat besar untuk sebagian besar aplikasi elektronik praktis, maka unit yang jauh lebih kecil seperti mikrofarad ( μF ), nanofarad ( nF ) dan picofarad ( pF ) umumnya digunakan di mana:
Microfarad (μF) 1μF = 1/1.000.000 = 0,000001 = 10-6 F
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
Namun, ada jenis kapasitor lain yang tersedia, yang disebut Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor yang dapat memberikan nilai dari beberapa mili-farad (mF) hingga sepuluh dari farad kapasitansi dalam ukuran yang sangat kecil memungkinkan lebih banyak energi listrik disimpan di antara plat mereka.
Dalam tutorial kami tentang Kapasitansi dan Muatan, kami melihat bahwa energi yang tersimpan dalam kapasitor diberikan oleh persamaan:
Di mana: E adalah energi yang disimpan dalam medan listrik dalam joule, V adalah perbedaan potensial di seluruh plat dan C adalah kapasitansi kapasitor dalam farad dan didefinisikan sebagai:
Dimana: ε adalah permitivitas bahan antara plat, A adalah area plat, dan d adalah pemisahan plat.
Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor adalah jenis kapasitor lain yang dibangun untuk memiliki plat konduktif besar, yang disebut elektroda, luas permukaan ( A ) serta jarak yang sangat kecil ( d ) di antara mereka. Tidak seperti kapasitor konvensional yang menggunakan bahan dielektrik padat dan kering seperti Teflon, Polyethylene, Paper, dll.
Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor menggunakan elektrolit cair atau basah di antara elektroda-elektrodanya sehingga menjadikannya lebih sebagai perangkat elektrokimia yang mirip dengan kapasitor elektrolitik.
Meskipun Super Kapasitor atau Ultra Capacitor adalah jenis perangkat elektrokimia, tidak ada reaksi kimia yang terlibat dalam penyimpanan energi listriknya. Ini berarti bahwa ultra kapasitor tetap secara efektif merupakan perangkat elektrostatik yang menyimpan energi listriknya dalam bentuk medan listrik antara dua elektroda penghantar seperti yang ditunjukkan.
Konstruksi Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor
Elektroda berlapis sisi ganda dibuat dari karbon grafit dalam bentuk karbon konduktif teraktivasi, karbon nanotube atau gel karbon. Membran kertas berpori yang disebut separator membuat elektroda terpisah tetapi memungkinkan ion positif untuk melewatinya sambil menghalangi elektron yang lebih besar.
Baik pemisah kertas dan elektroda karbon diresapi dengan elektrolit cair dengan aluminium foil yang digunakan di antara keduanya untuk bertindak sebagai pengumpul arus yang membuat sambungan listrik ke tab penyolderan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor.
Konstruksi lapisan ganda dari elektroda dan pemisah karbon mungkin sangat tipis tetapi luas permukaan efektifnya mencapai ribuan meter persegi ketika digulung menjadi satu.
Kemudian untuk meningkatkan kapasitansi ultra-kapasitor, jelas bahwa kita perlu meningkatkan luas permukaan kontak, A (dalam m2 ) tanpa meningkatkan ukuran fisik kapasitor, atau menggunakan jenis elektrolit khusus untuk meningkatkan ketersediaan ion positif untuk meningkatkan konduktivitas.
Kemudian ultra-kapasitor membuat perangkat penyimpanan energi yang sangat baik karena nilai-nilai tinggi kapasitansi naik ke ratusan Farad, karena sangat kecil jarak d atau pemisahan plat mereka dan elektroda luas permukaan yang tinggi A untuk pembentukan pada permukaan lapisan ion elektrolit membentuk lapisan ganda.
Konstruksi ini secara efektif menciptakan dua kapasitor, satu di setiap elektroda karbon, memberikan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor nama sekunder "kapasitor lapisan ganda" membentuk dua kapasitor secara seri.
Namun, masalah dengan ukuran kecil ini adalah bahwa tegangan melintasi kapasitor hanya bisa sangat rendah karena tegangan pengenal sel ultra-kapasitor ditentukan terutama oleh tegangan penguraian elektrolit. Kemudian sel kapasitor khas memiliki tegangan kerja antara 1 hingga 3 volt, tergantung pada elektrolit yang digunakan, yang dapat membatasi jumlah energi listrik yang dapat disimpannya.
Untuk menyimpan daya pada Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor tegangan yang masuk akal harus dihubungkan secara seri. Tidak seperti kapasitor elektrolit dan elektrostatik, kapasitor ultra ditandai oleh tegangan terminal yang rendah. Untuk meningkatkan tegangan terminal terukur sampai puluhan volt, sel Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor harus dihubungkan secara seri, atau secara paralel untuk mencapai nilai kapasitansi yang lebih tinggi seperti yang ditunjukkan.
Meningkatkan Nilai Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor
Di mana: VCELL adalah tegangan satu sel, dan CCELL adalah kapasitansi satu sel.
Karena tegangan masing-masing sel kapasitor sekitar 3.0 volt, menghubungkan lebih banyak sel kapasitor bersama secara seri akan meningkatkan tegangan. Sementara menghubungkan lebih banyak sel kapasitor secara paralel akan meningkatkan kapasitansi.
Kemudian kita dapat mendefinisikan tegangan total dan kapasitansi total penyimpanan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor sebagai:
Di mana: M adalah jumlah kolom dan N adalah jumlah baris. Perhatikan juga bahwa seperti baterai, Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor memiliki polaritas yang ditentukan dengan terminal positif yang ditandai pada badan kapasitor.
Contoh: Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor No.1
Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor 5.5 volt, 1.5 farad diperlukan sebagai perangkat cadangan penyimpanan energi untuk rangkaian elektronik.
Jika Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor dibuat dari individu 2.75v, 0.5F sel, hitung jumlah sel yang diperlukan dan tata letak susunan
Susunan karena itu akan memiliki dua sel kapasitor 2.75v masing-masing terhubung secara seri untuk memberikan 5.5v yang diperlukan.
Kemudian susunan akan memiliki total enam kolom individual, yang terdiri dari dua baris enam sehingga membentuk Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor dengan array 6 x 2 seperti yang ditunjukkan.
Susunan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor 6×2
Energi Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor
Seperti halnya kapasitor lainya, Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor adalah perangkat penyimpanan energi. Energi listrik disimpan sebagai muatan dalam medan listrik di antara plat-platnya dan sebagai akibat dari energi yang tersimpan ini, beda potensial, yaitu tegangan, ada di antara kedua plat.
Selama pengisian (arus yang mengalir melalui Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor dari supply yang terhubung), energi listrik disimpan di antara plat-platnya.
Setelah Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor diisi, arus berhenti mengalir dari supply dan tegangan terminal Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor sama dengan tegangan supply. Akibatnya, Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor yang terisi daya akan menyimpan energi listrik ini bahkan ketika dilepas dari supply tegangan hingga diperlukan bertindak sebagai perangkat penyimpanan energi.
Ketika pemakaian (arus mengalir keluar), Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor mengubah energi yang tersimpan ini menjadi energi listrik untuk memasok beban yang terhubung.
Kemudian Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor tidak mengkonsumsi energi itu sendiri tetapi sebaliknya akan menyimpan dan melepaskan energi listrik sesuai kebutuhan dengan jumlah energi yang disimpan dalam Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor sebanding dengan nilai kapasitansi kapasitor.
Seperti disebutkan sebelumnya, jumlah energi yang disimpan sebanding dengan kapasitansi C dan kuadrat dari tegangan V di terminal yang memberikannya.
Di mana: E adalah energi yang disimpan dalam joule. Kemudian untuk contoh Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor kami di atas, jumlah energi yang disimpan oleh susunan diberikan sebagai:
Maka jumlah maksimum energi yang dapat disimpan oleh Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor kami adalah 22.7 joule, yang pada awalnya disupply oleh supply pengisian 5.5 volt.
Energi yang tersimpan ini tetap tersedia sebagai muatan dalam dielektrik elektrolit dan ketika terhubung ke beban, Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor seluruh 22.69 joule energi tersedia sebagai arus listrik. Jelas, ketika Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor sepenuhnya habis, energi yang disimpan adalah nol.
Kemudian kita dapat melihat bahwa Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor yang ideal tidak akan mengkonsumsi atau menghilangkan energi, tetapi mengambil daya dari rangkaian pengisian eksternal untuk menyimpan energi dalam bidang elektrolitnya dan kemudian mengembalikan energi yang tersimpan ini saat mengirimkan daya ke beban.
Dalam contoh sederhana kami di atas, energi yang disimpan oleh Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor adalah sekitar 23 joule, tetapi dengan nilai kapasitansi yang besar dan tingkat tegangan yang lebih tinggi, kepadatan energi Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor bisa sangat besar sehingga ideal sebagai perangkat penyimpanan energi.
Bahkan, Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor dengan tingkat ke dalam ribuan farad dan ratusan volt sekarang digunakan dalam kendaraan listrik hibrida (termasuk Rumus 1) sebagai perangkat penyimpanan energi keadaan padat untuk sistem pengereman regeneratif karena mereka dapat dengan cepat memberikan dan menerima energi selama pengereman dan mempercepat setelah itu.
Ultra kapasitor dan super-kapasitor ini juga digunakan dalam sistem energi terbarukan untuk menggantikan baterai asam timbal.
Ringkasan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor
Kita telah melihat bahwa Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor adalah alat elektrokimia yang terdiri dari dua elektroda berpori, biasanya terdiri dari karbon aktif yang direndam dalam larutan elektrolit yang menyimpan muatan secara elektrostatis. Pengaturan ini secara efektif menciptakan dua kapasitor, satu di setiap elektroda karbon, dihubungkan secara seri.
Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor tersedia dengan kapasitansi dalam ratusan farad semua dalam ukuran fisik yang sangat kecil dan dapat mencapai kepadatan daya yang jauh lebih tinggi daripada baterai.
Namun, tingkat tegangan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor biasanya kurang dari sekitar 3 volt sehingga beberapa kapasitor harus dihubungkan secara seri dan kombinasi paralel untuk memberikan tegangan yang bermanfaat.
Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor dapat digunakan sebagai perangkat penyimpanan energi yang mirip dengan baterai, dan pada kenyataannya digolongkan sebagai baterai Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor. Tetapi tidak seperti baterai, mereka dapat mencapai kepadatan daya yang jauh lebih tinggi untuk waktu yang singkat.
Mereka digunakan di banyak kendaraan bensin hibrida dan kendaraan listrik yang digerakkan sel bahan bakar karena ada kemampuan untuk dengan cepat melepaskan tegangan tinggi dan kemudian diisi ulang. Tetapi dengan mengoperasikan Kapasitor Super atau Ultra Kapasitor dengan sel bahan bakar dan baterai, permintaan daya puncak, dan perubahan beban sementara dapat dikontrol dengan lebih efisien.