LR01 - Charge Discharge

LR01 – Charge Discharge

I. TUJUAN PERCOBAAN

Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan

II. LANDASAN TEORI

Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan dengan huruf "C"

adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan listrik, dengan

cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan

oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011

cm2 yang artinya luas permukaan kepingan tersebut.

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 kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke

ujung kutub 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.

Kapasitor adalah komponen listrik yang digunakan untuk menyimpan muatan listrik, dan

secara sederhana terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan penyekat (bahan

dielektrik). Atau dengan kata lain, kapasitor terbentuk dari dua konduktor sembarang yang

dipisahkan oleh sebuah isolator (atau ruang hampa). Suatu kapasitor memiliki lambang

berikut ini:

Lambang kapasitor dengan C = 1 μF

Struktur sebuah kapasitor terbuat dari dua 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 kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak

bisa menuju ke ujung kutub positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-

konduktif. Muatan elektrik ini “tersimpan” selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung

kakinya. Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-

muatan positif dan negatif di awan.

Prinsip kerja kapasitor

Dalam rangkaian listrik, kapasitor dapat digunakan sebagai :

1. Pencari gelombang radio (tuning)

2. Salah satu komponen pengapian

3. Penyimpan energi dalam rangkaian penyala elektronik

4. Filter dalam catu daya

Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat

menampung muatan elektron. Kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan listrik

dinyatakan oleh besaran kapasitas atau kapasitansi (yang dinotasikan dengan “C”), dan

didefinisikan sebagai perbandingan antara muatan listrik Q yang tersimpan dalam kapasitor

dan beda potensial V antara kedua keping.

V

QC

Dimana:

Q = muatan elektron, satuan C (coulomb)

C = nilai kapasitansi, satuan F (farad)

V = besar tegangan, satuan V (volt)

Rangkaian RC adalah rangkaian yang terdiri atas hambatan, R dan kapasitor, C yang

dihubungkan dengan sumber tegangan DC, E. Ada dua proses dalam rangkaian RC yaitu:

Gambar 5: Rangkaian transient RC

Pada rangkaian arus searah seperti pada Gbr.1, kapasitor akan menjadi hambatan tak hingga.

Hanya saat rangkaian dibuka dan ditutp, arus akan mengalir. Saat rangkaian tertutup, arus

akan mengakibatkan kapasitor dimuati hingga saa dengan tegangan yang diberikan sebesar

V0. Sebaliknya, kapasitor akan melepaskan muatan melalui resistor saat rangkaian dibuka.

Karakteristik tegangan pada kapasitor dapat diterangkan dengan fungsi eksponensial.

Gbr.1. Rangkaian kapaitor dan resisitor arus searah

Besar tegangan saat rangkaian terbuka adalah

𝑽 𝒕 = 𝑽𝟎𝒆−𝒕 𝝉 (1)

Dengan adalah konstanta waktu [s]. Konstanta waktu atau waktu paruh adalah waktu yang

dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi 1

𝑒𝑉0 yang ditentukan dari besar hambatan dan

kapasitansi

𝝉 = 𝑹 𝑪 (2)

Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah

𝑽 𝒕 = 𝑽𝟎 𝟏 − 𝒆−𝒕 𝝉 (3)

V(t)

Vc

Penurunan tegangan akan melambat sebanding dengan waktu. Tegangan kapasitor Vc(t) turun

secara asimtotik menjadi nol. Kurva karakteristik ini dapat dilihat pada Gbr. 2

Konstanta waktu dapat dihitung berdasarkan kurva pengisian kapasitor. Tarik garis tangensial

dari kurva pengisian pada titik t = 0 s dan tarik garis asimtot dari kurva pengisian. Buat garis

yang tegak lurus dari titik perpotongan antara tangensial dengan garis asimtot ke sumbu x .

Titik yang diperoleh pada sumbu adalah konstanta waktu.

Gbr. 1 Kurva pengisian dan pengosongan dari kapasitor serta penentuan konstanta waktu

Pada percobaan di R-Lab akan digunakan 4 buah model rangkaian , yaitu Model 1 , 2 , 3 dan

4. Untuk Model 1 dan 3 mengunakan kapasitor dengan kapasitas yang sama, Untuk Model 2

dan 4 menggunakan kapasitor dengan kapasitas yang sama.

II. PERALATAN

- Kapasitor

- Resistor

- Amperemeter

- Voltmeter

- Variable power supply

- Camcorder

- Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

IV. PROSEDUR PERCOBAAN

Eksperimen rLab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di bagian bawah

halaman ini.

1. Aktifkan Web cam ! (klik icon video pada halaman web r-Lab) !

2. Perhatikan tampilan video dari peralatan yang digunakan!

3. Atur model rangkaian yang akan digunakan , yaitu model 1!.

4. Hidupkan Power Supply.yang digunakan

5. Ukur beda potensial di kaki-kaki kapasitor dan arus pengisian / pelepasan

kapasitor

6. Ulangi langkah 4 dan 6 untuk model rangkaian 2 , 3 dan 4

V. TUGAS DAN EVALUASI

1. Buatlah grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengisian kapasitor untuk tiap

model rangkaian yang digunakan !

2. Buatlah grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengosongan kapasitor untuk

tiap model rangkaian yang digunakan!

3. Hitung besar konstanta waktu dari rangkaian kapasitor berdasarkan kurva yang dibuat dan

besar konstanta waktu yang dihitung dari nilai kompenen R dan C ! Bandingkan

hasilnya!

VI. DATA PENGAMATAN

Model 1

Waktu IC VC

1 3.98 1.02

2 3.18 1.82

3 2.55 2.45

4 2.04 2.96

5 1.63 3.37

6 1.31 3.69

7 1.05 3.95

8 0.84 4.16

9 0.67 4.33

10 0.53 4.47

11 0.42 4.58

12 0.33 4.67

13 0.25 4.75

14 0.2 4.8

15 0.15 4.85

16 3.87 3.87

17 3.1 3.1

18 2.5 2.5

19 2.01 2.01

20 1.62 1.62

21 1.31 1.31

22 1.06 1.06

23 0.86 0.86

24 0.7 0.7

25 0.57 0.57

26 0.46 0.46

27 0.38 0.38

28 0.31 0.31

29 0.25 0.25

30 0.21 0.21

Model 2

Waktu IC VC

1 11.15 1.43

2 8.02 2.43

3 5.77 3.15

4 4.17 3.67

5 2.99 4.04

6 2.14 4.32

7 1.51 4.52

8 1.07 4.66

9 0.73 4.77

10 0.49 4.84

11 0.31 4.9

12 0.17 4.95

13 0.06 4.98

14 0 5

15 0 5

16 11.27 3.61

17 8.17 2.61

18 5.94 1.9

19 4.34 1.39

20 3.18 1.02

21 2.34 0.75

22 1.73 0.55

23 1.28 0.41

24 0.95 0.3

25 0.7 0.22

26 0.52 0.17

27 0.4 0.13

28 0.29 0.09

29 0.21 0.07

30 0.17 0.05

Model 3

Waktu IC VC

1 2.79 2.21

2 1.66 3.34

3 1 4

4 0.6 4.4

5 0.35 4.65

6 0.2 4.8

7 0.1 4.9

8 0.04 4.96

9 0 5

10 0 5

11 0 5

12 0 5

13 0 5

14 0 5

15 0 5

16 2.92 2.92

17 1.76 1.76

18 1.09 1.09

19 0.67 0.67

20 0.43 0.43

21 0.27 0.27

22 0.18 0.18

23 0.12 0.12

24 0.08 0.08

25 0.05 0.05

26 0.03 0.03

27 0.02 0.02

28 0.01 0.01

29 0.01 0.01

30 0 0

Model 4

Waktu IC VC

1 6.77 2.83

2 3.19 3.98

3 1.5 4.52

4 0.67 4.78

5 0.24 4.92

6 0.03 4.99

7 0 5

8 0 5

9 0 5

10 0 5

11 0 5

12 0 5

13 0 5

14 0 5

15 0 5

16 7.12 2.28

17 3.47 1.11

18 1.76 0.56

19 0.92 0.29

20 0.5 0.16

21 0.27 0.09

22 0.15 0.05

23 0.09 0.03

24 0.06 0.02

25 0.03 0.01

26 0.02 0

27 0.02 0

28 0 0

29 0 0

30 0 0

VII. PENGOLAHAN DATA

Model 1 Charge

𝑉 𝑡 = 𝑉0𝑒−𝑡 𝜏

y = 1,783e0,083x

−𝑡

𝜏 = 0,083x

Untuk mendapatkan nilai tetapan waktu R-C, maka x bisa dimisalkan sebagai t, sehingga:

1

𝜏 = 0,083

𝜏 = 12,05 s

Akan tetapi pada Discharge kapasitor berlaku :

𝑉 𝑡 = 𝑉0 1 − 𝑒−𝑡 𝜏

Dari literatur didapat hubungan

𝜏 = (1- 0,632) . 12,05

𝜏 = 4,43 s

y = 1,783e0.083x

R² = 0,713

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20

Tega

nga

n (

V)

Waktu (s)

Tegangan (V)

Tegangan (V)

Expon. (Tegangan (V))

Model 1 Discharge


y = 106.4e-0,20x

−𝑡

𝜏 = -0,20x


1

𝜏 = 0,20

𝜏 = 5 s

Apabila tetapan waktu tersebut dibandingkan maka terdapat perbedaan waktu yang tidak

terlalu signifikan karena pada dasarnya konstanta waktu charge = konstanta waktu discharge

𝜏2 − 𝜏1 = 5 – 4,43

𝜏2 − 𝜏1 = 0,57 s

y = 106.4e-0,20x

R² = 0,999

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 10 20 30 40

Tega

nga

n (

V)

Waktu (s)

Tegangan (V)

Tegangan (V)


Model 2 Charge

𝑉 𝑡 = 𝑉0 1 − 𝑒−𝑡 𝜏

y = 2,423e0,062x

−𝑡

𝜏 = 0,062x


1

𝜏 = 0,062

𝜏 = 16,13 s

Akan tetapi pada Discharge kapasitor berlaku :

𝑉 𝑡 = 𝑉0 1 − 𝑒−𝑡 𝜏

Dari literatur didapat hubungan

𝜏 = (1- 0,632) . 16,13

𝜏 = 5,89 s

y = 2,423e0,062x

R² = 0,632

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20

Tega

nga

n (

V)

Waktu (s)

Tegangan (V)

Tegangan (V)


Model 2 Discharge


y = 4,701e-0,30x

−𝑡

𝜏 = -0,30x


1

𝜏 = 0,30

𝜏 = 3,33 s

Apabila tetapan waktu tersebut dibandingkan maka terdapat perbedaan waktu yang

signifikan karena walaupun seharusnya besarnya konstanta waktu charge = konstanta waktu

discharge. Hal ini dapat dijelaskan karena nilai korelasi charge R² = 0,632 yang berarti relasi

data tersebut tidak terlalu akurat

𝜏2 − 𝜏1 = 5,89 – 3,33

𝜏2 − 𝜏1 = 2,56 s

y = 4,701e-0,30x

R² = 0,999

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 5 10 15 20

Tega

nga

n (

V)

Waktu (s)

Tegangan (V)

Tegangan (V)


Model 3 Charge

𝑉 𝑡 = 𝑉0 1 − 𝑒−𝑡 𝜏

y = 3,344e0,36x

−𝑡

𝜏 = 0,36x


1

𝜏 = 0,36

𝜏 = 2,78 s

y = 3,344e0,36x

R² = 0,513

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20

Tega

nga

n (

V)

Waktu (s)

Tegangan (V)

Tegangan (V)


Model 3 Discharge

Meskipun pada grafik tersebut tidak dapat dicari persamaan grafik eksponennya, praktikan

dapat menggunakan hubungan tetapan waktu pengisian = tetapan waktu pelepasan sehingga

tetapan waktu tersebut seharusnya sama dengan 2,78 s.

Model 4 Charge

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 5 10 15 20

Tega

nga

n (

V)

Waktu (s)

Tegangan (V)

Tegangan (V)


y = 3,940e0,021x

R² = 0,405

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Tega

nga

n (

V)

Waktu (s)

Tegangan (V)

Tegangan (V)


𝑉 𝑡 = 𝑉0 1 − 𝑒−𝑡 𝜏

y = 3,940e0,021x

−𝑡

𝜏 = 0,021x


1

𝜏 = 0,021

𝜏 = 47,62 s

Model 4 Discharge

Meskipun pada grafik tersebut tidak dapat dicari persamaan grafik eksponennya, praktikan

dapat menggunakan hubungan tetapan waktu pengisian = tetapan waktu pelepasan sehingga

tetapan waktu tersebut seharusnya sama dengan 47,62 s

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10 15 20

Tega

nga

n (

V)

Waktu (s)

Tegangan (V)

Tegangan (V)


VIII. ANALISIS DATA

Praktikum Pengisian dan Pelepasan Muatan di Kapasitor merupakan percobaan yang

dilakukan dengan menggunakan remote laboratory (Rlab) sehingga praktikan dapat

melakukan praktikum melalui situs yang sudah disediakan oleh sitrampil. Meskipun

praktikan tidak melakukan percobaan di laboratorium (dilakukan secara online), praktikum

ini pada dasarnya dapat memvisualisasikan keadaan yang sebenarnya dalam lab sehingga

praktikan tetap merasakan keadaan praktikum melalui fasilitas yang sudah disediakan (web

cam).

Percobaan ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian

dan pelepasan muatan. Dalam praktikum rlab, praktikan hanya tinggal mengklik tombol

power suppy untuk mengalirkan energi dan menekan tombol setting untuk mempersiapkan

prosedur percobaan serta tombol ukur yang menghasilkan data pengamatan. Adapun

spesifikasi data percobaan yang sudah disediakan (setelan awal yang tertera pada peralatan)

saat melakukan percobaan rlab berupa tegangan dan kuat arus rangkaian. Pada percobaan ini,

tegangan yang tertera pada voltmeter adalah 1,78 V dan kuat arus pada amperemeter sebesar

1,14 mA.

Dari data pengamatan yang dihasilkan dengan mengikuti prosedur, didapat empat buah model

data yang terdiri dari data waktu, tegangan, dan kuat arus. Dari data yang dihasilkan dan

disajikan dalam bentuk grafik, praktikan dapat melihat untuk 15 detik awal merupakan waktu

pengisian kapasitor, sedangkan detik berikutnya (sampai detik ke 30), mengalami pelepasan

kapasitor. Dari data yang diperoleh praktikan dapat mendapatkan tetapan waktu rangkaian R-

C dengan pada saat pengisian kapasitor dengan hubungan:

𝑉 𝑡 = 𝑉0 1 − 𝑒−𝑡 𝜏

Sedangkan untuk pelepasan kapasitor tetapan waktu rangkaian R-C dapat dicari dengan

hubungan:


Lebih lanjut lagi dari pengolahan menggunakan grafik didapat data yang berbentuk

eksponensial sehingga praktikan dapat mensubstitusikan persamaan grafik eksponensial

dengan rumus di atas dan mendapatkan nilai tetapan waktu rangkaian R-C.

Adapun faktor-faktor yang menyebabkan keberhasilan praktikum ini adalah:

1. Pengambilan data dilakukan secara otomatis (dari rlab) sehingga kesalahan

pengambilan data oleh praktikan dapat diminimalisir semaksimal mungkin.

2. Pengambilan pengamatan data yang banyak menyebabkan peningkatan akurasi dalam

pengolahan data.

3. Meskipun terdapat banyak data, data grafik terdistribusi membentuk suatu pola

eksponensial sehingga tetap mudah dibaca.

4. Perhitungan dibantu dengan peralatan dan software seperti kalkulator dan Ms. word

maupun excel.

5. Jenis data dan rumus yang dipakai tidak terlalu banyak sehingga kesalahan

memasukkan variabel ke dalam rumus dapat diminimalisir.

Adapun kesulitan yang dialami selama pengolahan data adalah cara menentukan tetapan

waktu rangkaian R-C model 3 dan 4 pada saat kondisi discharge. Akan tetapi, praktikan

memutuskan untuk membandingkan data tersebut dengan kondisi charge kapasitor karena

pada dasarnya, tetepan waktu rangakaian R-C pada saat charge maupun discharge adalah

sama. Disamping itu, kendala yang dihadapi dalam percobaan pengisian dan pelepasan

muatan di kapasitor seperti banyaknya pengamatan data yang diperoleh dapat diatasi dengan

perhitungan dengan software seperti Ms word dan excel. Sedangkan kesulitan pembacaan

data pada grafik dapat diatasi dengan memperhatikan pola eksponensial yang ada.

Pada akhirnya, apabila praktikan membandingkan data tetapan waktu rangkaian R-C pada

saat pengisian maupun pelepasan muatan di kapasitor dari hasil percobaan, maka didapat

hasil yang hampir sama pada korelasi R2 yang tinggi. Adapun perbedaan yang terjadi

mungkin akibat adanya faktor-faktor kesalahan sehingga menghasilkan perbedaan dengan

hasil teoritis yang seharusnya terjadi. Akan tetapi, secara umum pengisian dan pelepasan

muatan di kapasitor tetap dapat menggambarkan bagaimana pola pengisian dan pelepasan

kapasitor terjadi. Oleh karena itu, percobaan yang dilakukan oleh praktikan dapat dikatakan

berhasil karena tujuan untuk mempelajari pengisian dan pelepasan muatan di kapasitor dapat

dicapai

IX. KESIMPULAN

Karateristik Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan

muatan

1. Karateristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan dapat

dipelajari melaui praktikum Charge Discharge.

2. Grafik tegangan pada saat pengisian dan pengeluaran kapasitor berbentuk

eksponensial.

3. Nilai konstanta waktu rangkaian R-C untuk pengisian dan pengeluaran kapasitor

relatif sama (secara teori harusnya sama).

4. Pada waktu tak terhingga tegangan pada rangkaian akan bernilai nol pada saat

pelepasan muatan.

5. Konstanta waktu dapat dicari dengan mensubtitusikan persamaan tengangan pada

rangkaian R-C.

X. REFRENSI

Charge Discharge .(n.d.). Diambil pada tanggal 11 November 2010, dari

http://sitrampil.ui.ac.id/elaboratory/kuliah/view_experiment.php?id=980&exp=44

Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engeeners, Third Edition, Prentice Hall, NJ, 2000.

Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended Edition, John

Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.

Prinsip dan Cara Kerja Kapasitor. (2010). Diambil pada tanggal 11 November 2010, dari

http://www.smkmuh3ku.sch.id/?pilih=news&mod=yes&aksi=lihat&id=12

Rangkaian Kapasitor (n.d.). Diambil pada tanggal 11 November 2010, dari http://free.vlsm.

org.v12/sponsor/SponsorPendamping/Praweda/Fisika/0276%20Fs-1-4a.htm

Tippler, Paul A.; Physics for Scientists & Engeeners, Third Edition, Erlangga.

http://free.vlsm/

Documents

LR01 - Charge Discharge