Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan
listrik. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang
dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang
umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika
kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan
positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan
pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal
yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup
negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup
positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif.
Muatan elektrik ini "tersimpan" selama tidak ada konduksi pada
ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor ini terjadi
pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan.
Prinsip kapasitor
Gambar 1 : prinsip dasar kapasitor
Kapasitansi
Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk
dapat menampung muatan elektron. Coulombs pada abad 18 menghitung
bahwa 1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael Faraday
membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki kapasitansi
sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan
elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis :
Q = CV …………….(1)
Q = muatan elektron dalam C (coulombs)
C = nilai kapasitansi dalam F (farads)
V = besar tegangan dalam V (volt)
Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan
mengetahui luas area plat metal (A), jarak (t) antara kedua plat metal
(tebal dielektrik) dan konstanta (k) bahan dielektrik. Dengan rumusan
dapat ditulis sebagai berikut :
C = (8.85 x 10-12) (k A/t) ...(2)
Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan
dielektrik yang disederhanakan.
Konstanta dielektrik bahan kapasitor
konstanta dielektrik bahan kapasitor
konstanta dielektrik bahan kapasitor
Untuk rangkain elektronik praktis, satuan farads adalah sangat besar
sekali. Umumnya kapasitor yang ada di pasar memiliki satuan uF (10-6
F), nF (10-9 F) dan pF (10-12 F). Konversi satuan penting diketahui
untuk memudahkan membaca besaran sebuah kapasitor. Misalnya 0.047uF
dapat juga dibaca sebagai 47nF, atau contoh lain 0.1nF sama dengan
100pF.
Tipe Kapasitor
Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan
dielektriknya. Untuk lebih sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian,
yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic dan electrochemical.
Kapasitor Electrostatic
Kapasitor electrostatic adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan
bahan dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah
bahan yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang
kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pF sampai beberapa uF,
yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi
tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan-bahan
material seperti polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal
dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate,
metalized paper dan lainnya.
Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk
kapasitor dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor
kelompok ini adalah non-polar.
Kapasitor Electrolytic
Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang
bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor
yang termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan -
di badannya. Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah
karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk
kutup positif anoda dan kutup negatif katoda.
Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium,
magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya
dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida (oxide
film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa,
seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup
kedalam larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan
positif (anoda) dan larutan electrolit diberi tegangan negatif
(katoda). Oksigen pada larutan electrolyte terlepas dan mengoksidai
permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan Aluminium, maka akan
terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada permukaannya.
Prinsip kapasitor Elco
Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda),
lapisan-metal-oksida dan electrolyte(katoda) membentuk kapasitor.
Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai dielektrik. Dari rumus (2)
diketahui besar kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal
dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan
demikian dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar.
Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak
digunakan adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan
murah adalah Aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan
plat Aluminium ini biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu
dapat diperoleh kapasitor yang kapasitansinya besar. Sebagai contoh
100uF, 470uF, 4700uF dan lain-lain, yang sering juga disebut kapasitor
elco.
Bahan electrolyte pada kapasitor Tantalum ada yang cair tetapi ada
juga yang padat. Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan
larutan electrolit yang menjadi elektroda negatif-nya, melainkan bahan
lain yaitu manganese-dioksida. Dengan demikian kapasitor jenis ini
bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi lebih ramping dan
mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya
(lifetime) menjadi lebih tahan lama. Kapasitor tipe ini juga memiliki
arus bocor yang sangat kecil Jadi dapat dipahami mengapa kapasitor
Tantalum menjadi relatif mahal.
Kapasitor Electrochemical
Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk
kapasitor jenis ini adalah batere dan accu. Pada kenyataanya batere
dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki
kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat
kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk
mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya
untuk applikasi mobil elektrik dan telepon selular.
Membaca Kapasitansi
Pada kapasitor yang berukuran besar, nilai kapasitansi umumnya ditulis
dengan angka yang jelas. Lengkap dengan nilai tegangan maksimum dan
polaritasnya. Misalnya pada kapasitor elco dengan jelas tertulis
kapasitansinya sebesar 22uF/25v.
Kapasitor yang ukuran fisiknya mungil dan kecil biasanya hanya
bertuliskan 2 (dua) atau 3 (tiga) angka saja. Jika hanya ada dua angka
satuannya adalah pF (pico farads). Sebagai contoh, kapasitor yang
bertuliskan dua angka 47, maka kapasitansi kapasitor tersebut adalah
47 pF.
Jika ada 3 digit, angka pertama dan kedua menunjukkan nilai nominal,
sedangkan angka ke-3 adalah faktor pengali. Faktor pengali sesuai
dengan angka nominalnya, berturut-turut 1 = 10, 2 = 100, 3 = 1.000, 4
= 10.000 dan seterusnya. Misalnya pada kapasitor keramik tertulis 104,
maka kapasitansinya adalah 10 x 10.000 = 100.000pF atau = 100nF.
Contoh lain misalnya tertulis 222, artinya kapasitansi kapasitor
tersebut adalah 22 x 100 = 2200 pF = 2.2 nF.
Selain dari kapasitansi ada beberapa karakteristik penting lainnya
yang perlu diperhatikan. Biasanya spesifikasi karakteristik ini
disajikan oleh pabrik pembuat didalam datasheet. Berikut ini adalah
beberapa spesifikasi penting tersebut.
Tegangan Kerja (working voltage)
Tegangan kerja adalah tegangan maksimum yang diijinkan sehingga
kapasitor masih dapat bekerja dengan baik. Para elektro- mania
barangkali pernah mengalami kapasitor yang meledak karena kelebihan
tegangan. Misalnya kapasitor 10uF 25V, maka tegangan yang bisa
diberikan tidak boleh melebihi 25 volt dc. Umumnya kapasitor-kapasitor
polar bekerja pada tegangan DC dan kapasitor non-polar bekerja pada
tegangan AC.
Temperatur Kerja
Kapasitor masih memenuhi spesifikasinya jika bekerja pada suhu yang
sesuai. Pabrikan pembuat kapasitor umumnya membuat kapasitor yang
mengacu pada standar popular. Ada 4 standar popular yang biasanya
tertera di badan kapasitor seperti C0G (ultra stable), X7R (stable)
serta Z5U dan Y5V (general purpose). Secara lengkap kode-kode
tersebut disajikan pada table berikut.
Tabel-2 : Kode karakteristik kapasitor kelas I
Kode karakteristik kapasitor kelas I
Tabel-3 : Kode karakteristik kapasitor kelas II dan III
Kode karakteristik kapasitor kelas II dan III
Toleransi
Seperti komponen lainnya, besar kapasitansi nominal ada toleransinya.
Tabel diatas menyajikan nilai toleransi dengan kode-kode angka atau
huruf tertentu. Dengan table di atas pemakai dapat dengan mudah
mengetahui toleransi kapasitor yang biasanya tertera menyertai nilai
nominal kapasitor. Misalnya jika tertulis 104 X7R, maka kapasitasinya
adalah 100nF dengan toleransi +/-15%. Sekaligus dikethaui juga bahwa
suhu kerja yang direkomendasikan adalah antara -55Co sampai +125Co
(lihat tabel kode karakteristik)
Insulation Resistance (IR)
Walaupun bahan dielektrik merupakan bahan yang non-konduktor, namun
tetap saja ada arus yang dapat melewatinya. Artinya, bahan dielektrik
juga memiliki resistansi. walaupun nilainya sangat besar sekali.
Phenomena ini dinamakan arus bocor DCL (DC Leakage Current) dan
resistansi dielektrik ini dinamakan Insulation Resistance (IR). Untuk
menjelaskan ini, berikut adalah model rangkaian kapasitor.
model rangkaian kapasitor
Gambar-3 : Model rangkaian kapasitor
C = Capacitance
ESR = Equivalent Series Resistance
L = Inductance
IR = Insulation Resistance
Jika tidak diberi beban, semestinya kapasitor dapat menyimpan muatan
selama-lamanya. Namun dari model di atas, diketahui ada resitansi
dielektrik IR(Insulation Resistance) yang paralel terhadap kapasitor.
Insulation resistance (IR) ini sangat besar (MOhm). Konsekuensinya
tentu saja arus bocor (DCL) sangat kecil (uA). Untuk mendapatkan
kapasitansi yang besar diperlukan permukaan elektroda yang luas,
tetapi ini akan menyebabkan resistansi dielektrik makin kecil. Karena
besar IR selalu berbanding terbalik dengan kapasitansi (C),
karakteristik resistansi dielektrik ini biasa juga disajikan dengan
besaran RC (IR x C) yang satuannya ohm-farads atau megaohm-micro
farads.
Dissipation Factor (DF) dan Impedansi (Z)
Dissipation Factor adalah besar persentasi rugi-rugi (losses)
kapasitansi jika kapasitor bekerja pada aplikasi frekuensi. Besaran
ini menjadi faktor yang diperhitungkan misalnya pada aplikasi motor
phasa, rangkaian ballast, tuner dan lain-lain. Dari model rangkaian
kapasitor digambarkan adanya resistansi seri (ESR) dan induktansi (L).
Pabrik pembuat biasanya meyertakan data DF dalam persen. Rugi-rugi
(losses) itu didefenisikan sebagai ESR yang besarnya adalah persentasi
dari impedansi kapasitor Xc. Secara matematis di tulis sebagai berikut
:
Faktor dissipasi
Gambar-4 : Faktor dissipasi
Dari penjelasan di atas dapat dihitung besar total impedansi (Z total)
kapasitor adalah :
Impedansi Z
Gambar-5 : Impendansi Z
Karakteristik respons frekuensi sangat perlu diperhitungkan terutama
jika kapasitor bekerja pada frekuensi tinggi. Untuk perhitungan
respons frekuensi dikenal juga satuan faktor qualitas Q (quality
factor) yang tak lain sama dengan 1/DF.
dalam lilitan tembaga yang disebabkan oleh resistansi tembaga dan arus listrik yang mengalirinya.
