Kapasitor: Cara Menyimpan Muatan, Membaca, Menghitung, Memilih, dan Memakainya

Kapasitor menyimpan muatan listrik dan melepaskannya ketika rangkaian membutuhkannya. Ia meratakan tegangan di catu daya, menyaring derau, menetapkan waktu bersama resistor, dan memberi chip pasokan yang stabil saat terjadi pensakelaran cepat. Artikel ini menjelaskan apa itu kapasitor, jenis-jenis yang akan Anda temui, cara membaca tandanya, cara menghitung muatan dan energi, cara kapasitor digabungkan secara seri dan paralel, cara menentukan ukuran kapasitor untuk catu daya, dan cara memilih peringkat tegangan dengan aman. Perhitungannya memakai angka yang bisa diperiksa di atas kertas atau spreadsheet.

Yang Anda butuhkan

Anda sebaiknya sudah memahami hukum Ohm dan artikel resistor di situs ini, karena konstanta waktu RC dipakai di sini. Anda memerlukan multimeter dengan rentang kapasitansi jika ingin mengukur komponen, dan papan percobaan kecil dengan baterai 9 V atau catu daya USB untuk mencoba contohnya. Kapasitor elektrolit berkutub, sehingga jika dipasang terbalik ia bisa panas berlebihan atau pecah. Selalu kosongkan muatan kapasitor besar sebelum menyentuhnya, dan jangan pernah menghubungkan kapasitor yang sudah terisi ke baterai tanpa memikirkan arusnya.

Ilustrasi

Topik 1: Apa yang dilakukan kapasitor

Kapasitor adalah dua konduktor yang dipisahkan oleh isolator, yang disebut dielektrik. Ketika tegangan diberikan, muatan terkumpul di pelat-pelatnya dan kapasitor menyimpan energi dalam medan listrik di antara keduanya. Jumlah muatan yang disimpan untuk setiap volt disebut kapasitansi, diukur dalam farad (F). Satu farad sangat besar, jadi nilai praktisnya ditulis dalam mikrofarad (µF = 0,000001 F), nanofarad (nF), dan pikofarad (pF).

Muatan, tegangan, dan kapasitansi

Muatan yang disimpan adalah Q = C × V. Kapasitor 470 µF yang diisi sampai 25 V menyimpan 470 × 0,000001 × 25 = 0,01175 coulomb. Jika tegangannya dua kali lipat, muatannya juga dua kali lipat, dan kapasitansi yang lebih besar menyimpan muatan lebih banyak pada tegangan yang sama.

Kapasitor memblokir DC dan melewatkan perubahan

Setelah terisi penuh, kapasitor hampir tidak menarik arus dari catu daya DC yang stabil. Namun tegangan yang berubah membuat arus mengalir, itulah sebabnya kapasitor melewatkan AC, pulsa, dan derau sambil memblokir level tegangan yang tetap. Ini menjadi dasar penghalusan dan penggandengan.

Simbol skematik

Pada diagram rangkaian, kapasitor digambar sebagai dua garis sejajar. Kapasitor berkutub, seperti elektrolit, memiliki garis melengkung di sisi negatif dan tanda + di sisi positif. Selalu ikuti tanda polaritas pada komponen.

Topik 2: Jenis-jenis utama

Kapasitor dibuat dari dielektrik dan konstruksi yang berbeda-beda. Setiap jenis menukar ukuran, biaya, polaritas, kestabilan, dan tegangan dengan cara yang berbeda, jadi jenis yang tepat bergantung pada pekerjaannya.

Elektrolit aluminium

Ini adalah silinder besar pada foto. Komponen ini memberi kapasitansi tinggi dalam ukuran kecil, dari sekitar 1 µF sampai beberapa ribu µF, dengan peringkat tegangan hingga beberapa ratus volt. Komponen ini berkutub, sehingga kaki negatif harus dihubungkan ke sisi tegangan yang lebih rendah. Toleransinya lebar, sering ±20 persen, dan nilainya turun seiring usia dan panas, jadi komponen ini dipakai untuk penghalusan dan penyimpanan massal, bukan untuk pewaktuan yang presisi.

Keramik

Kapasitor keramik berukuran kecil, berupa cakram atau chip tanpa polaritas. Komponen ini umum dari beberapa pikofarad sampai sekitar 10 µF dalam ukuran kecil, dan stabil pada frekuensi tinggi, sehingga menjadi pilihan biasa untuk decoupling dan penyaringan dekat chip. Beberapa jenis berubah nilainya cukup banyak terhadap tegangan dan suhu, jadi periksa kode dielektriknya.

Film dan tantalum

Kapasitor film, seperti poliester atau polipropilena, tidak berkutub dan stabil, dengan toleransi ketat, sehingga dipakai untuk pewaktuan dan audio. Kapasitor tantalum adalah komponen berkutub berukuran kecil dengan kapasitansi tinggi untuk ukurannya, sering dipakai pada rangkaian surface-mount, tetapi bisa rusak parah jika tegangannya berlebihan, jadi beri margin tegangan yang cukup.

Superkapasitor

Superkapasitor menyimpan kapasitansi yang sangat besar, dari sebagian farad sampai ribuan farad, pada tegangan rendah per sel. Komponen ini menyimpan energi untuk cadangan daya dan lonjakan singkat, tetapi dalam kebanyakan perangkat ia bukan pengganti baterai, dan tegangannya harus dibatasi pada nilai peringkatnya.

Topik 3: Membaca tanda pada komponen

Kapasitor elektrolit mencetak nilainya secara lengkap, misalnya 470 µF dan 25 V. Kapasitor keramik dan komponen kecil lainnya sering memakai kode tiga digit. Dengan mempelajari kedua sistem ini, Anda bisa mengenali hampir semua komponen di papan.

Label elektrolit

Badannya menunjukkan kapasitansi, peringkat tegangan, dan sering juga suhu, misalnya 470 µF 25 V 105 °C. Garis di sisi badan menandai kaki negatif. Beberapa komponen juga mencantumkan peringkat arus riak, yang penting untuk catu daya. Peringkat 105 °C berarti komponen itu dibuat untuk bertahan lebih lama pada suhu tinggi dibanding komponen 85 °C.

Kode keramik tiga digit

Dua digit pertama adalah nilainya dan digit ketiga adalah jumlah nol, dalam pikofarad. Jadi 104 berarti 10 diikuti empat nol, yaitu 100.000 pF atau 100 nF. 472 berarti 47 dengan dua nol, yaitu 4.700 pF atau 4,7 nF. Huruf setelah kode menunjukkan toleransi, misalnya K untuk ±10 persen dan M untuk ±20 persen.

Satuan dan konversi cepat

Ingat bahwa 1 µF = 1.000 nF = 1.000.000 pF. Label yang bertuliskan 0,1 µF sama dengan 100 nF, yang sama dengan kode 104. Mengubah satuan sebelum membandingkan dua nilai menghindari kesalahan membaca yang paling umum.

Topik 4: Menghitung muatan dan energi

Muatan dan energi yang tersimpan menunjukkan ukuran kapasitor dan bahaya yang bisa ditimbulkannya. Keduanya mudah dihitung begitu kapasitansi dan tegangannya diketahui.

Muatan

Q = C × V. Untuk 470 µF pada 25 V, Q = 0,01175 C, atau 11,75 milikoulomb. Gunakan satuan yang sama di seluruh perhitungan: farad dengan volt menghasilkan coulomb, dan mikrofarad dengan volt menghasilkan mikrocoulomb.

Energi

E = ½ × C × V². Untuk 470 µF pada 25 V, E = 0,5 × 0,00047 × 625 = 0,147 J. Jumlah ini cukup untuk memberi sengatan yang menyakitkan atau merusak rangkaian jika dilepaskan secara tiba-tiba. Kosongkan kapasitor besar melalui resistor beberapa ratus ohm sebelum menanganinya.

Waktu untuk mengisi

Kapasitor yang diisi melalui resistor mencapai sekitar 63 persen dari tegangan catu daya setelah satu konstanta waktu, τ = R × C. Resistor 1 kΩ dengan 1.000 µF memberi τ = 1 detik. Setelah lima konstanta waktu, kapasitor sudah cukup penuh untuk sebagian besar keperluan.

Topik 5: Kapasitor seri dan paralel

Kapasitor digabungkan dengan cara yang berlawanan dibanding resistor. Secara paralel kapasitansinya dijumlahkan, dan secara seri totalnya lebih kecil daripada yang paling kecil. Peringkat tegangan juga berubah saat kapasitor digabungkan, jadi keduanya harus diperiksa.

Paralel

Untuk kapasitor yang dipasang paralel, C_total = C1 + C2 + C3. Contohnya 100 µF dan 220 µF yang dipasang paralel memberi 320 µF. Setiap kapasitor menerima tegangan penuh, jadi setiap kapasitor harus memiliki peringkat tegangan di atas tegangan catu daya. Kapasitor paralel adalah cara umum untuk menambah kapasitansi agar catu daya lebih halus.

Seri

Untuk kapasitor yang dipasang seri, 1 ÷ C_total = 1 ÷ C1 + 1 ÷ C2. Dua kapasitor 100 µF yang dipasang seri memberi 50 µF. Tegangan terbagi di antara keduanya berbanding terbalik dengan kapasitansinya, sehingga kapasitor yang lebih kecil menerima tegangan lebih besar. Seri dipakai untuk menaikkan peringkat tegangan, tetapi pada rangkaian bertegangan tinggi diperlukan resistor penyeimbang.

Periksa peringkat setiap komponen

Sebelum menggabungkan komponen, periksa tegangan pada setiap kapasitor dan polaritasnya. Sepasang elektrolit yang dipasang seri dengan arah terbalik akan rusak. Selalu pastikan tegangan di setiap komponen, bukan hanya tegangan catu daya.

Topik 6: Menghaluskan catu daya

Penyearah mengubah AC dari listrik rumah menjadi pulsa DC. Kapasitor penghalus yang dipasang setelahnya mengisi celah di antara pulsa-pulsa itu, sehingga keluarannya hampir stabil. Ukuran kapasitor bergantung pada arus beban dan riak yang bisa diterima.

Rumus riak

Riak puncak-ke-puncak kira-kira ΔV = I ÷ (f × C), dengan I adalah arus beban, f adalah frekuensi riak, dan C adalah kapasitansi. Penyearah gelombang penuh pada listrik 50 Hz memberi frekuensi riak 100 Hz.

Contoh perhitungan

Beban 0,5 A pada catu daya gelombang penuh dengan 4.700 µF memberi ΔV = 0,5 ÷ (100 × 0,0047) = 1,06 V. Jika desain bisa menerima riak sekitar 1 V, 4.700 µF sudah cukup. Untuk memangkas riak menjadi separuhnya diperlukan kapasitansi kira-kira dua kali lipat, jadi 9.400 µF akan memberi sekitar 0,5 V.

Pilih tegangan dengan margin

Catu daya yang disearahkan menjadi puncak sekitar 17 V dari transformator 12 V AC memerlukan kapasitor dengan peringkat di atas puncak itu, dengan margin. Peringkat 25 V adalah pilihan umum, karena 25 V jauh di atas 17 V dan menyisakan ruang untuk variasi tegangan listrik.

Topik 7: Memilih kapasitor untuk rangkaian nyata

Nilainya hanya salah satu bagian dari pilihan. Peringkat tegangan, jenis, peringkat suhu, dan arus riak semuanya penting, dan pilihan yang salah bisa membuat komponen cepat rusak atau bahkan pecah.

Peringkat tegangan

Pilih peringkat yang minimal 1,5 sampai 2 kali tegangan tertinggi yang akan dialami kapasitor. Kapasitor elektrolit cepat kehilangan umur jika bekerja dekat tegangan peringkatnya dan suhu tinggi. Kapasitor 16 V pada catu daya 12 V terlalu mepet, sedangkan 25 V memberi margin yang aman.

Arus riak dan suhu

Elektrolit menjadi panas karena arus riak. Komponen dengan peringkat riak terlalu rendah akan bekerja panas, mengering, dan rusak. Pilih komponen dengan peringkat riak yang lebih tinggi dan peringkat 105 °C untuk catu daya, serta jauhkan dari sumber panas seperti regulator.

Decoupling dekat chip

Pasang kapasitor keramik kecil, sering 100 nF, sedekat mungkin dengan pin catu daya setiap chip. Kapasitor ini memasok lonjakan arus singkat yang dibutuhkan chip saat pensakelaran cepat, dan mencegah derau itu sampai ke bagian papan lainnya.

Topik 8: Kapasitor di rangkaian lain

Kapasitor bekerja bersama resistor, transistor, dan sensor. Contoh-contoh ini menunjukkan bagaimana gagasan yang sama muncul di rangkaian yang sangat berbeda.

Pewaktu RC

Resistor 100 kΩ yang dihubungkan seri dengan kapasitor 10 µF memiliki τ = 100.000 × 0,00001 = 1 detik. Pewaktu, reset tertunda, atau rangkaian kedip sederhana memakai hubungan ini, sehingga mengubah R atau C akan mengubah penundaannya.

Decoupling dan bypass

Kapasitor keramik 100 nF yang dipasang di antara pin catu daya chip mengalirkan derau frekuensi tinggi ke ground. Elektrolit yang lebih besar dipasang paralel dengannya untuk memasok perubahan beban yang lebih lambat. Bersama-sama keduanya memberi catu daya yang stabil untuk chip.

Filter

Kapasitor dan resistor membentuk filter lolos-rendah. Sinyal di bawah frekuensi cut-off akan lewat, dan frekuensi yang lebih tinggi dikurangi. Frekuensi cut-off adalah f = 1 ÷ (2π × R × C), yang untuk 1 kΩ dan 1 µF memberi sekitar 159 Hz.

Topik 9: Pengukuran dan kesalahan umum

Kapasitor mudah rusak dan mudah salah dibaca. Beberapa kebiasaan bisa mencegah sebagian besar masalah, terutama dengan elektrolit besar.

Kosongkan sebelum mengukur atau menangani

Kapasitor yang terisi bisa tetap menyimpan energi berbahaya setelah catu daya dimatikan. Kosongkan melalui resistor beberapa ratus ohm sebelum Anda menyentuh kakinya atau mengukurnya. Jangan pernah menghubung singkat terminalnya dengan obeng.

Ukur kapasitansi dengan daya mati

Lepaskan kapasitor dari rangkaian atau lepaskan salah satu kakinya. Komponen lain yang terpasang paralel akan mengubah hasil ukur. Elektrolit sering terbaca lebih rendah daripada labelnya, dan komponen yang sudah tua atau bocor bisa terbaca normal tetapi tetap gagal saat dibebani.

Kesalahan umum

Kesalahan umum meliputi memasang elektrolit terbalik, lupa bahwa kapasitor paralel dijumlahkan, memakai peringkat yang terlalu dekat dengan tegangan kerja, membaca 104 sebagai 104 µF, dan lupa toleransi kapasitor itu sendiri ketika rangkaian bergantung pada nilai yang tepat.

Latihan di papan percobaan

Rakit rangkaian kecil dan periksa angkanya dengan multimeter. Gunakan baterai 9 V atau catu daya USB 5 V, resistor 100 kΩ, elektrolit 10 µF, keramik 100 nF, dioda, dan LED kecil.

1. Baca tanda pada lima kapasitor, tulis setiap nilai dan tegangannya, lalu ubah semuanya ke µF sebelum membandingkan.

2. Isi elektrolit 10 µF melalui 100 kΩ dari catu daya 9 V, ukur berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai sekitar 6,3 V, lalu bandingkan dengan τ = 1 detik.

3. Pasang 100 µF dan 220 µF secara paralel, ukur totalnya, lalu bandingkan dengan 320 µF.

4. Rakit penyearah setengah gelombang dengan dioda dan kapasitor penghalus 1.000 µF, lalu ukur riak pada keluaran 5 V.

5. Kosongkan kapasitor dengan aman melalui resistor, lalu pastikan tegangannya mendekati nol sebelum Anda melepasnya.

Langkah berikutnya

Setelah kapasitor, pelajari induktor, yang menyimpan energi dalam medan magnet, lalu rangkaian RLC, tempat resistor, kapasitor, dan induktor bergabung untuk menyaring dan menyetel sinyal. Catat setiap perhitungan, dan selalu periksa peringkat tegangan dan polaritas sebelum Anda menyalakan rangkaian.

Ringkasan

Kapasitor menyimpan muatan dalam medan listrik. Nilainya ditentukan oleh luas dan dielektriknya, dan ditulis dalam µF, nF, atau pF dengan polaritas dan tegangan. Gunakan Q = C × V dan E = ½ × C × V² untuk muatan dan energi, jumlahkan kapasitansi secara paralel dan gabungkan secara seri dengan rumus kebalikan, serta tentukan ukuran kapasitor penghalus dengan ΔV = I ÷ (f × C). Pilih peringkat tegangan dengan margin, perhatikan polaritas, dan kosongkan muatan sebelum menangani komponen besar.