Subyek:
- Pengenalan kapasitor
- Pengoperasian kapasitor
- Koneksi seri
- Koneksi paralel
- Sensor tingkat kapasitif
- Waktu pengisian dan pengosongan kapasitor (waktu RC)
- Mengisi daya kapasitor (dengan waktu pengisian yang diketahui)
- Mengosongkan kapasitor
- Mengisi kapasitor (dengan tegangan akhir yang diketahui)
Pengenalan kapasitor:
Kapasitor digunakan pada peralatan listrik seperti papan sirkuit cetak komputer, televisi dan radio, namun pada halaman ini kami menerapkan istilah 'kapasitor' pada teknologi otomotif. Dalam teknologi otomotif, kapasitor dapat ditemukan pada filter elektronik, perangkat kontrol, pengukur level, koil pengapian, dan relay.
Kapasitor menyimpan energi. Energi ini dapat berfungsi sebagai penekan interferensi pada filter radio (kapasitor menyaring frekuensi tertentu, seperti kebisingan alternator), atau sebagai penundaan mematikan pada pencahayaan interior. Saat pintu ditutup, lampu interior perlahan padam. Fluktuasi tegangan penyearah (dioda) juga diperhalus. Kapasitor dapat mengisi dan mengosongkan dalam waktu singkat.
Pengoperasian kapasitor:
Kapasitor terdiri dari 2 konduktor (biasanya logam) yang dipisahkan oleh dielektrik. Itu adalah bahan non-konduktif seperti plastik, atau dengan cara vakum.
Jika sumber tegangan elektronik dialirkan ke pelat, kedua pelat akan bermuatan. Pelat kiri (yang bertanda -) akan bermuatan negatif dan pelat kanan (yang bertanda +) bermuatan positif.
Arus pengisian berhenti segera setelah perbedaan tegangan antara kedua pelat sama besarnya dengan perbedaan tegangan pada sumber tegangan. Pemuatan ini membutuhkan waktu. Kali ini bisa dihitung. Hal ini dibahas nanti di halaman ini.
Arus pengisian berhenti segera setelah perbedaan tegangan antara kedua pelat sama besarnya dengan perbedaan tegangan pada sumber tegangan. Pemuatan ini membutuhkan waktu. Kali ini bisa dihitung. Hal ini dibahas nanti di halaman ini.
Koneksi seri dengan kapasitor:
Dengan kapasitor dihubungkan secara seri, muatan pada semua kapasitor adalah sama
Koneksi paralel dengan kapasitor:
Dengan kapasitor dihubungkan secara paralel, tegangan pada semua kapasitor adalah sama.
Sensor tingkat kapasitif:
Contoh ini tentang sensor level pada tangki bensin mobil. Ada dielektrik bersama.
Prinsip pengukuran level kapasitif didasarkan pada perubahan kapasitansi kapasitor, yang bergantung pada perubahan level (dalam hal ini jumlah bahan bakar).
Bensin bukanlah zat yang bersifat konduktif, sehingga tidak dapat terjadi korsleting antar pelat kapasitor akibat konduksi, seperti halnya air, misalnya.
Kapasitansi kapasitor dapat ditentukan dengan rumus. Arti dari simbol-simbol tersebut adalah sebagai berikut:
- C = kapasitas
- A = permukaan pelat
- d = jarak antar pelat
Gambar menunjukkan tangki terisi bensin 40%. 60% sisanya adalah uap. Bilah abu-abu adalah kapasitor kapasitif dengan jarak S (antar pelat). Rumus umum dapat digunakan untuk menentukan kapasitas dan level tangki.
Fakta:
Konstanta dielektrik:
ε0 (vakum) = 8,85 x 10-12 (pangkat negatif keduabelas)
εR bensin = 2,0
εR uap = 1,18
Luas permukaan (A) kapasitor ini adalah 200mm² (panjang x lebar). Jarak antara elektroda (S) adalah 1,2mm
Karena tangki terisi 100%, kita asumsikan konstanta dielektrik bensin (2,0) bekerja pada seluruh permukaan kapasitor (200mm²). Ketika tangki tidak lagi 100% penuh, tetapi 40% (seperti pada gambar di atas), maka total luas permukaan kapasitor harus dibagi dalam persentase (40% dan 60% menjadi 100). Ada 40% untuk bensin dan 60% untuk uap. Oleh karena itu, harus dibuat 2 rumus (C1 dan C2):
Rumusnya menunjukkan bahwa dengan 40% bensin kapasitor bermuatan 1,18 pF dan dengan uap 1,04 pF. Karena 40% dan 60% harus dijumlahkan agar menjadi 100%, maka nilai kapasitor juga harus dijumlahkan.
Hal ini dapat dilakukan sebagai berikut: 1,18 + 1,04 menghasilkan 2,22 pF.
2,22 pF ini diteruskan ke pengukur tangki di dasbor dan, antara lain, ke ECU.
Kalkulator:
Daripada harus mengisi rumus sendiri setiap saat, datanya juga bisa dimasukkan ke dalam kalkulator. Ini kemudian secara otomatis menghitung kapasitansi kapasitor. Juga sangat berguna untuk memeriksa jawaban yang dihitung!
Klik pada gambar di bawah untuk memulai kalkulator. Ini terbuka di jendela baru:
Waktu pengisian dan pengosongan kapasitor (waktu RC):
Pertama, konsep Tau dijelaskan:
Segera setelah kapasitor dipasang seri dengan resistor, kapasitor akan terisi hingga tegangan yang diberikan (tegangan sumber atau tegangan baterai) tercapai. Telah ditentukan bahwa kapasitor diisi hingga 63,2% dari tegangan yang diberikan setelah 1 (Tau). Pada 5 kapasitor terisi 99,3%. (Secara teoritis, kapasitor tidak akan pernah terisi penuh hingga 100%). Hal ini diperjelas melalui gambar berikut:
Grafik di atas menunjukkan pengisian kapasitor. Pada t0 kapasitor menyala dan terisi pada t0 + 5.
Pada waktu t0+ (pada sumbu x) kapasitor mempunyai tepat 1 muatan, karena dinyalakan pada waktu t0. Sumbu Y menunjukkan bahwa ini adalah 63,2% dari Uc. Pada waktu t0+5 kapasitor terisi 99,3%.
Rumusnya = R x C menghitung besaran (Tau).
Pada rangkaian dibawah ini terdapat 2 buah resistor yang dirangkai seri satu sama lain. Oleh karena itu, hambatan totalnya adalah R1+R2. Ini menghasilkan 10+10=20k. (20×10^3). Dikalikan dengan C dari 10 Mikrofarad (10×10^-6) menghasilkan (200×10^-3) = 0,2.
0,2 ini harus dimasukkan dalam perhitungan nanti.
R1 = 10rb
R2 = 10rb
C = 10µ
Nilai resistansi dan kapasitansi kapasitor menentukan waktu pengisian dan pengosongan kapasitor. Kecepatan pengisian dan pengosongan kapasitor bisa menjadi sangat penting. Waktu ini harus sangat singkat, terutama di sirkuit mikroprosesor. Penundaan mematikan lampu interior mobil mungkin memerlukan waktu yang lama. Rumus umum waktu peralihan adalah sebagai berikut:
Uct mewakili ketegangan dalam waktu tertentu. Kali ini dihitung dalam rumus. Uct 0 adalah tegangan awal, dimana pengisian atau pengosongan dimulai. Uct ~ (tanda tak terhingga) mewakili tegangan maksimum yang dapat dicapai (yaitu tegangan yang diberikan/tegangan baterai). E berarti kekuatan e. Ini adalah logaritma natural. Itu adalah angka eksponensial. -(t1 – t0) dibagi τ (Tau) sekarang dalam bentuk pangkat. Oleh karena itu, ia juga harus dinyatakan dan dihitung sebagai e pangkat -(t1 – t0) dibagi τ.
Ini diikuti oleh + Uct ~. Ini juga merupakan tegangan yang diberikan/tegangan baterai.
Setelah perhitungan ini dilakukan, jawabannya akan diberikan dalam volt (tegangan).
Paragraf berikutnya menunjukkan contoh rangkaian:
Mengisi daya kapasitor (dengan waktu pengisian yang diketahui):
Pada gambar, saklar dalam keadaan tertutup. Arus mengalir dari baterai melalui resistor ke kapasitor. Kita ingin menghitung tegangan ketika kapasitor diisi selama 200 milidetik (200 x 10^-3).
kamu = 10v
R1 = 10rb
R2 = 10rb
C = 10 µF (Mikrofarad).
τ = R x C
τ = (10.000 + 10.000) x 0,000010 = 0,2
τ = 200 x 10^-3
Dalam bentuk rumusnya menjadi:
Dari t0 sampai t1 kapasitor diisi dengan tegangan 6,3 volt. Ini sama dengan 1τ (karena pada 1 kapasitor terisi 63,2%). Setelah dilakukan perhitungan maka grafiknya akan terlihat seperti ini:
Mengosongkan kapasitor:
Sekarang kita akan melepaskan kapasitor. Saklar pada diagram dipindahkan dari posisi 1 ke posisi 2. Sumber tegangan (baterai) diputuskan dari rangkaian kapasitor. Pada diagram, kedua sisi kapasitor dihubungkan ke ground (melalui resistor R2). Kapasitor sekarang akan habis. Sekali lagi, nilai resistansi dan kapasitansi kapasitor menentukan waktu pengosongan, seperti halnya saat pengisian daya. Namun, sekarang resistansinya berkurang satu (karena R1 tidak lagi berada di sirkuit yang sama). Oleh karena itu, waktu pengosongan kini akan lebih singkat daripada waktu pengisian daya:
Sekarang kita isi lagi rumusnya untuk menghitung Tau:
τ = R x C
= 100.000 x 0,001
= 100
Menurut rumusnya, kapasitor dilepaskan menjadi 100 volt setelah 2,32ms. Jika kita mengukur t1-t2 tidak lebih dari 100 ms tetapi lebih dari 200 ms, grafiknya akan kembali mendekati 0 volt. Charging membutuhkan waktu lebih lama dibandingkan discharging, karena pada saat discharging terdapat 1 buah resistor pada rangkaian, dibandingkan pada saat charge yang mana terdapat 2 buah resistor yang dihubungkan secara seri. Pada prinsipnya, kapasitor memerlukan waktu lebih lama dari 200ms untuk mencapai 0 volt. Jika sakelar diputar kembali ke posisi 2 pada t1, kapasitor akan segera mulai mengisi daya kembali.
Kita kemudian dapat memasukkan periode pelepasan ke dalam grafik:
Mengisi kapasitor (dengan tegangan akhir yang diketahui):
Saat mengisi daya kapasitor pada contoh di atas, waktu pengisian (200 ms) diketahui. Tegangan akhir dapat dihitung dengan menggunakan data tegangan awal dan akhir, waktu pengisian dan jumlah Tau. Kapasitor kemudian diisi dengan 200 volt setelah 6,3ms.
Sekarang kita sampai pada situasi di mana waktu pengisian tidak diketahui, tetapi tegangan akhir telah diberikan. Untuk kenyamanan, kami menggunakan contoh yang sama;
(Nilai resistor dan jenis kapasitor sama seperti pada contoh pertama).
R1 = 10rb
R2 = 10rb
C = 10µF (Mikrofarad).
τ = R x C
τ = (10.000 + 10.000) x 0,000010 = 0,2
τ = 200 x 10^-3
Yang ingin kita ketahui sekarang adalah, berapa lama waktu yang diperlukan (dari t0 hingga t1) untuk mengisi kapasitor hingga 6,3 volt?
Dengan memasukkan data yang diketahui ke dalam rumus persamaan diferensial orde 1, tidak mungkin memperoleh jawaban secara instan. Rumus tersebut harus diubah, karena -(t1 – t0) tidak diketahui dan pada prinsipnya kita ingin mengetahuinya.
Penjelasan: Pertama rumus dasarnya dibuat. Kami mengisinya dengan informasi yang kami ketahui. Karena kita ingin mengetahui waktu pada waktu pengisian 6,3 volt, kita masukkan di awal rumus. (t1 – t0) tetap ditulis seperti ini.
Kita kemudian membagi Uct~ dari 10 v dengan 6,3 v di sebelah kiri rumus, yang menghasilkan jawaban 3,7 v. +10 sekarang dapat dicoret.
Langkah selanjutnya adalah menghilangkan -10 (angka pangkat e). Dengan membagi -3,7 dengan -10, hal ini dibatalkan. Kita sekarang memasukkan 0,37 di sisi kiri rumus.
Kini saatnya menghilangkan e-power. Kebalikan dari suatu pangkat e adalah ln, sebuah logaritma natural, (sama seperti kebalikan dari suatu pangkat adalah akarnya).
Dengan memasukkan rumus di kalkulator dengan tombol ln, jawabannya -0,200. Karena tanda = kiri dan kanannya negatif, maka tanda minusnya bisa dihapus.
Jawabannya adalah 200 ms. Jadi kapasitor membutuhkan waktu 200 ms untuk diisi menjadi 6,3 volt. Itu benar, karena pada perhitungan pertama waktu pengisian sudah ditentukan, yang mana harus dihitung 6,3 volt.
Dengan rumus ini waktu, misalnya, 3 volt juga dapat dihitung. Kemudian ubah 6,3 volt menjadi 3 volt, kurangi 10 volt, bagi dengan -10 volt, kalikan lagi dengan ln dan 200. 10^-3. Respons 71 ms kemudian dihasilkan.
