1
LAPORAN PRAKTIKUM
Pengisian dan Pelepasan Muatan di Kapasitor
Nama : Aziz
NPM : 1106068200
Grup : A14
Fakultas : Teknik
Departemen : Teknik Metalurgi dan Material
Kode Praktikum : LR-01
Tanggal Praktikum : 13 November 2012
Unit Pelaksana Pendidikan – Ilmu Pengetahuan Dasar
(UPP-IPD)
Universitas Indonesia
Depok
2012
2
I. Tujuan
Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan
muatan.
II. Alat
Kapasitor
Resistor
Amperemeter
Voltmeter
Variable Power Supply
Camcorder
Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
III. Teori
A. Resistor
Resistor adalah komponen elektronika yang terbuat dari arang yang bersifat
sebagai tahanan / penghambat. Satuan Resistor adalah Ohm (Ω). Ukuran
ainnya adalah Watt. Resistor memiliki gelang warna yang merupakan kode
ukuran dari resistor tersebut. Resistor terbagi menjadi dua Fixed resistor (
resistor biasa ) adalah resistor yang ukurannya tetap dan Variable resistor
adalah resistor yang ukurannya dapat dirubah. Fungsi resistor dalam rangkaian
elektronika adalah sebagai beban pada rangkaian dan Untuk membagi tegangan
atau arus.
.
Figure 1Simbol Resistor dalam rangkaian
3
Kode warna dalam resistor
B. Kapasitor
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.
4
C. Rangkain 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
(1)
Dengan adalah konstanta waktu [s]. Konstanta waktu atau waktu paruh adalah
waktu yang dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi yang ditentukan dari
besar hambatan dan kapasitans
(2)
Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah
(3)
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.
V(t)
Vc
5
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.
IV. Prosedur Percobaan
Eksperimen rLab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di bagian bawah
halaman ini.
1. Mengaktifkan Web cam dengan mengklik icon video pada halaman web r-Lab.
2. Memperhatikan tampilan video dari peralatan yang digunakan.
3. Mengatur model rangkaian yang akan digunakan, yaitu model 1.
4. Mengaktifkan power supply yang digunakan.
5. Mengukur beda potensial di kaki-kaki kapasitor dan arus pengisian/pelepasan
kapasitor.
6. Mengulangi langkah 4 dan 5 untuk model rangkaian 2, 3, dan 4.
V. Tugas dan evaluasi
1. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengisian kapasitor untuk
tiap model rangkaian yang digunakan !
2. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengosongan kapasitor
untuk tiap model rangkaian yang digunakan!
6
3. Menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian kapasitor berdasarkan kurva
yang dibuat dan besar konstanta waktu yang dihitung dari nilai kompenen R dan C
.
V. Data Pengamatan
Model Waktu IC VC
1 1 3.97 1.03
2 3.17 1.83
3 2.54 2.46
4 2.03 2.97
5 1.62 3.38
6 1.3 3.7
7 1.04 3.96
8 0.83 4.17
9 0.65 4.35
10 0.52 4.48
11 0.41 4.59
12 0.31 4.69
13 0.24 4.76
14 0.18 4.82
15 0.13 4.87
16 3.89 3.89
17 3.12 3.12
18 2.51 2.51
19 2.02 2.02
20 1.63 1.63
21 1.32 1.32
22 1.07 1.07
23 0.87 0.87
24 0.7 0.7
25 0.57 0.57
26 0.46 0.46
27 0.38 0.38
7
28 0.31 0.31
29 0.25 0.25
30 0.21 0.21
2 1 11.13 1.44
2 7.99 2.44
3 5.74 3.16
4 4.12 3.68
5 2.95 4.06
6 2.11 4.33
7 1.48 4.53
8 1.02 4.67
9 0.69 4.78
10 0.44 4.86
11 0.26 4.92
12 0.12 4.96
13 0.03 4.99
14 0 5
15 0 5
16 11.3 3.62
17 8.19 2.62
18 5.96 1.91
19 4.35 1.39
20 3.19 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 0.53 0.17
27 0.4 0.13
28 0.31 0.1
29 0.23 0.07
30 0.17 0.05
8
3
4
1 2.7 2.3
2 1.59 3.41
3 0.95 4.05
4 0.57 4.43
5 0.33 4.67
6 0.19 4.81
7 0.1 4.9
8 0.03 4.97
9 0 5
10 0 5
11 0 5
12 0 5
13 0 5
14 0 5
15 0 5
16 2.86 2.86
17 1.72 1.72
18 1.06 1.06
19 0.66 0.66
20 0.43 0.43
21 0.28 0.28
22 0.19 0.19
23 0.12 0.12
24 0.08 0.08
25 0.06 0.06
26 0.04 0.04
27 0.03 0.03
28 0.02 0.02
29 0.01 0.01
30 0.01 0.01
1 6.52 2.91
2 3.04 4.03
3 1.42 4.55
9
4 0.64 4.79
5 0.23 4.93
6 0.02 5
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 6.95 2.22
17 3.38 1.08
18 1.73 0.55
19 0.93 0.3
20 0.52 0.17
21 0.31 0.1
22 0.18 0.06
23 0.12 0.04
24 0.08 0.02
25 0.05 0.01
26 0.03 0.01
27 0.03 0.01
28 0.02 0
29 0.02 0
30 0 0
10
Model 1
Pengisian
11
y = 0.245x + 1.772R² = 0.861
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20
VC
VC
Linear (VC)
V
t
12
Pengosongan
13
y = -0.235x + 6.702R² = 0.859
y = 108.1e-0.20x
R² = 0.999
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 10 20 30 40
Series1
Linear (Series1)
Expon. (Series1)
V
t
14
Model 2
Pengisian
y = 0.208x + 2.518R² = 0.752
y = 2.436e0.062x
R² = 0.631
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20
Series1
Linear (Series1)
Expon. (Series1)
V
t
15
Pengosongan
16
y = -0.208x + 5.671R² = 0.756
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 10 20 30 40
Series1
Linear (Series1)
V
t
17
Model 3
Pengisian
Pengosongan
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20
Series1
18
19
Model 4
Pengisian
Pengosongan
y = -0.141x + 3.761R² = 0.61
y = 1563.e-0.40x
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 5 10 15 20 25 30 35
Series1
Linear (Series1)
Expon. (Series1)
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20
Series1
V
t
V
t
20
D. Konstanta waktu berdasarkan kurva
Untuk mendapatkan nilai konstanta waktu yang pasti dari kurva pengisian,
maka dilakukan interpolasi. Konstanta waktu adalah waktu yang diperlukan
perbedaan potensial kapasitor untuk mencapai nilai (1-(1/e))=0.632 dari
perbedaan potensial awal. Kemudian dilihat waktu yang memiliki perbedaan
potensial yang mendekati nilai tersebut.
Contoh model 1
V(t) = 0.632V0
= 0.632 x 4.85
= 3.0652 V
Waktu yang paling mendekati t=x saat perbedaan terjadi sebesar 3.0652V
adalah antara 4 sekon dan 5 sekon.
Apabila dihitung akan didapatkan kontanta waktu
Model Kurva [s] Persamaan [s]
1 4,26 4,78
2 3,02 3,30
3 1,84 2,24
4 1,28 1,69
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 5 10 15 20 25 30 35
Series1
21
VI. Kesimpulan dan Analisis
Pada praktikum kali ini, kita melakukan percobaan Charge Discharge
(Pengisian dan Pelepasan Muatan di Kapasitor). Praktikum ini bertujuan untuk
melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan
muatan. Praktikum ini tidak dilaksanakan secara manual, melainkan streaming
melalui internet, yaitu situs r-Lab. Langkah yang dilakukan adalah dengan
menggunakan 4 model rangkaian RC yang tersedia. Untuk Model 1 dan 3
mengunakan kapasitor dengan kapasitas yang sama. Untuk Model 2 dan 4
menggunakan kapasitor dengan kapasitas yang sama. Untuk tiap-tiap
rangkaian, pada mulanya dibiarkan sebagai rangkaian terbuka. Kemudian,
ketika power supply dihidupkan, akan timbul tegangan dan arus pada
rangkaian. Bersamaan dengan itu, terjadi proses pengisian kapasitor. Pada
waktu t tertentu, muatan pada kapasitor akan terisi penuh dan terjadi proses
pengosongan kapasitor. Waktu yang digunakan untuk mengamati tiap
rangkaian adalah 30 sekon. Dari data-data yang telah diperoleh, kemudian
diplot grafik tegangan (V) vs waktu (t) pada saat pengisian dan pengosongan,
masing-masing untuk setiap model rangkaian. Pada saat pengisian, kurva
tegangan/perbedaan potensial pada kapasitor bergerak naik mulai dari nol. Hal
ini menunjukkan bahwa sebelum rangkaian diberi daya (t < 0), antara kaki-kaki
kapasitor belum terdapat perbedaan potensial. Selama pelat diisi (0 – 15 sekon),
perbedaan potensial kapasitor bertambah dan pada suatu saat akan mencapai
maksimum atau sama dengan tegangan pada baterai. Dari hasil percobaan, hal
tersebut ditunjukkan dengan jelas oleh kurva pengisian yang bertambah dengan
laju eksponensial. Laju pengisian berkurang seiring dengan waktu. Keempat
model rangkaian menunjukkan karakteristik yang sama.
Hal berbeda terjadi pada saat pengosongan (detik ke-16 hingga 30). Ketika
muatan kapasitor terisi penuh, arus mengalir keluar dari kapasitor ke rangkaian.
Hal ini menyebabkan perbedaan potensial antara kaki-kaki kapasitor menjadi
berkurang. Kurva bergerak turun dengan laju eksponensial, hingga mendekati
nol. Laju pengosongan berkurang seiring dengan waktu. Pada saat itu, muatan
kapasitor juga berkurang menjadi nol. Keempat model rangkaian menunjukkan
karakteristik yang sama.
22
Pada saat pengisian, muatan kapasitor bertambah, perbedaan potensial pada
kapasitor sementara arusnya berkurang berbanding lurus dengan waktu.
Sementara, saat pengosongan
di mana Q/RC sama dengan I0. Tanda negatif menunjukkan arus listrik yang
mengalir pada rangkaian arahnya berlawanan dengan waktu pengisian. Kita
melihat bahwa baik arus maupun muatan kapasitor berkurang dengan laju
eksponensial dan konstanta waktu τ = RC.
Besarnya konstanta waktu τ dapat dihitung menggunakan kurva (grafis) maupun
menggunakan nilai komponen R dan C. Cara penghitungan menggunakan metode
grafis dihitung berdasarkan kurva pengisian kapasitor. Dengan menarik garis
tangensial dari kurva pengisian pada titik t = 0 s dan menarik garis asimtot dari
kurva pengisian, lalu dibuat garis yang tegak lurus dari titik perpotongan antara
tangensial dengan garis asimtot ke sumbu x, maka akan didapat sebuah titik. Titik
yang diperoleh pada sumbu x adalah konstanta waktu. Sedangkan, untuk metode
yang berikutnya, yaitu menggunakan nilai komponen R dan C, cukup sulit untuk
dilakukan, mengingat nilai R dan C tidak diketahui secara eksplisit. Oleh sebab itu,
untuk membandingkan dengan metode grafis, dilakukan pendekatan menggunakan
persamaan eksponensial dari kurva pengosongan.Dengan menggunakan kedua
metode tersebut, didapat hasil sebagai berikut:
Model Kurva [s] Persamaan [s]
1 4,26 4,78
2 3,02 3,30
3 1,84 2,24
4 1,28 1,69
23
Ternyata, dengan menggunakan metode yang berbeda, didapat hasil yang
berbeda. Bila dibandingkan, sebenarnya kedua metode memberikan hasil yang
relatif saling mendekati, sebab perbedaan waktu persekian detik tentu tidak terlalu
memberikan perbedaan yang signifikan, kecuali pada alat-alat yang membutuhkan
ketelitian tinggi dan perbedaan waktu persekian detik dapat menimbulkan masalah.
Kesalahan dapat terjadi antara lain akibat tidak diketahuinya kondisi di
sekitar lingkungan percobaan. Kita tidak dapat mengetahui kondisi alat-alat yang
digunakan dalam percobaan dan pengaruhnya terhadap hasil percobaan. Bila
diperhatikan, pada model rangkaian 1, perbedaan potensial puncak pada kapasitor
tidak sama dengan model rangkaian lain. Kemungkinan pertama, perbedaan
potensial tidak mencapai puncaknya dan arus yang mengalir pada rangkaian tidak
menjadi nol. Atau bisa pula akibat perbedaan tegangan baterai yang dipakai pada
model rangkaian 1. Pada dasarnya prosedur percobaan sudah dilakukan dengan
benar, karena pada dasarnya alat pada sistem benar-benar sudah di-setting dengan
baik sehingga bekerja sesuai dengan perintah dan prosedur yang telah ada. Kecil
kemungkinan untuk terjadi kesalahan pada prosedur. Kendala dialami pada saat
pengolahan data. Untuk menentukan konstanta waktu τ = RC, praktikan mengalami
kesulitan sebab nilai resistor (R) dan kapasitor (C) tidak ditentukan dengan pasti.
Dalam kehidupan sehari-hari, kapasitor umum dipakai dalam berbagai
macam rangkaian listrik, misalnya dipakai untuk mencari frekuensi pemancar
radio, sebagai filter pada power supply, untuk menghilangkan bunga api pada
sistem starter kendaraan bermesin, dan sebagai piranti penyimpan energi. Hampir
tidak rangkaian elektronik tanpa menggunakan kapasitor. Walaupun secara fisik
kapasitor tidak dipakai dalam suatu rangkaian elektronik, sifat-sifat kapasitor tetap
muncul pada piranti-piranti yang lain, baik itu pada resistor, diode, ataupun
transistor.
Kesimpulan
Grafik pengisian maupun pengosongan akan membentuk kurva eksponensial.
Konstanta waktu atau waktu paruh (τ) adalah waktu yang diperlukan tegangan
untuk menjadi tegangan awalnya pada saat pengisian atau pengosongan.
24
Referensi
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.
Tipler, Paul.A.; Fisika Untuk Sains dan Teknik (Terjemahan), Edisi ketiga,
Erlangga, 2001