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