LAPORAN R-LABCharge DischargeNama NPM Fakultas Departemen/Prog. Studi No. Percobaan Nama Percobaan Pekan ke Tanggal Percobaan : Rizki Herdian : 1006758426 : Teknik : Teknik Sipil / Teknik Sipil : LR01 : Charge Discharge :3 : 13 Oktober 2011

Unit Pelaksanaan Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar (UPP-IPD) Universitas Indonesia

LR-01 Charge Discharge Tujuan Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan

Peralatan Kapasitor Resistor Amperemeter Voltmeter Variable power supply Camcorder Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

Landasan Teori Kapasitor dan resistor sering kali ditemukan serempak pada rangkaian. Pada rangkaian arus searah seperti pada Gbr.1, kapasitor akan menjadi hambatan tak hingga. Hanya saat rangkaian dibuka dan ditutup, arus akan mengalir. Saat rangkaian tertutup, elektron-elektron akan mengalir ke luar dari terminal negatif baterai, melalui resistor R dan terkumpul di pelat teratas kapasitor. Sementara muatan terkumpul pada kapasitor, beda potensial antar pelatnya bertambah, dan arus diperkecil sampai akhirnya tegangan pada kapasitor sama dengan ggl baterai. Sebaliknya, kapasitor akan melepaskan muatan melalui resistor saat rangkaian dibuka. Karakteristik tegangan pada kapasitor dapat diterangkan dengan fungsi eksponensial.

V(t)

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 hambatan dan kapasitansi (2) Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah ( ) (

yang ditentukan dari besar

)

(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.

Gbr. 2 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.

I.

Prosedur Percobaan Eksperimen rLab ini dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di halaman elaboratory. 1. Mengaktifkan webcam (memutar video pada rLab) 2. Memperhatikan tampilan video dari peralatan yang digunakan 3. Mengatur model rangkaian yang akan digunakan , yaitu model 1 4. Menghidupkan Power Supply yang digunakan 5. Mengkur beda potensial di kaki-kaki kapasitor dan arus pengisian / pelepasan kapasitor 6. Mengulangi langkah 4 dan 6 untuk model rangkaian 2 , 3 dan 4

Gambar model percobaan

Data Pengmatan Model 1 Waktu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 IC 3.97 3.18 2.55 2.04 1.64 1.31 1.05 0.84 0.67 0.53 0.42 0.33 0.25 0.2 0.15 3.86 3.1 2.5 2.02 1.63 1.32 1.07 0.87 0.7 0.57 VC 1.03 1.82 2.45 2.96 3.36 3.69 3.95 4.16 4.33 4.47 4.58 4.67 4.75 4.8 4.85 3.86 3.1 2.5 2.02 1.63 1.32 1.07 0.87 0.7 0.57

26 27 28 29 30

0.46 0.38 0.31 0.25 0.21

0.46 0.38 0.31 0.25 0.21

Model 2 Waktu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 IC 11.13 8.02 5.79 4.18 3.01 2.15 1.53 1.07 0.73 0.49 0.31 0.17 0.06 0 0 11.24 8.19 5.97 4.37 3.21 VC 1.44 2.43 3.15 3.66 4.04 4.31 4.51 4.66 4.77 4.84 4.9 4.95 4.98 5 5 3.6 2.62 1.91 1.4 1.03

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

2.37 1.76 1.3 0.96 0.72 0.53 0.4 0.31 0.23 0.17

0.76 0.56 0.42 0.31 0.23 0.17 0.13 0.1 0.07 0.05

Model 3 Waktu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 IC 2.79 1.65 0.99 0.59 0.35 0.2 0.1 0.04 0 0 0 0 0 0 0 VC 2.21 3.35 4.01 4.41 4.65 4.8 4.9 4.96 5 5 5 5 5 5 5

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

2.91 1.76 1.08 0.67 0.43 0.27 0.18 0.12 0.08 0.05 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01

2.91 1.76 1.08 0.67 0.43 0.27 0.18 0.12 0.08 0.05 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01

Model 4 Waktu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 IC 6.75 3.16 1.48 0.66 0.24 0.03 0 0 0 0 VC 2.84 3.99 4.53 4.79 4.92 4.99 5 5 5 5

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

0 0 0 0 0 7.1 3.45 1.76 0.92 0.5 0.27 0.17 0.09 0.06 0.03 0.02 0.02 0 0 0

5 5 5 5 5 2.27 1.1 0.56 0.29 0.16 0.09 0.05 0.03 0.02 0.01 0 0 0 0 0

Pengolahan data Model 1 Proses pengisian kapasitor berlangsung pada detik 1-15

Charge 17 6 5 Volt 4 3 2 1 0 0 5 10 Waktu 15 20 y = 1.7877e0.0829x R = 0.7156 Series1 Expon. (Series1)

( )

Proses pengosongan kapasitor berlangsung pada detik 16-30

Discharge 14.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 Waktu 30 40 y = 107.06e-0.209x R = 0.9998 Series1 Expon. (Series1)

Volt

( )

Model 2 Proses pengisian kapasitor berlangsung pada detik 1-15

Charge 27 6 5 Volt 4 3 2 1 0 0 5 10 Waktu 15 20

y = 2.4257e0.0622x R = 0.6359Series1 Expon. (Series1)

( )

Proses pengosongan kapasitor berlangsung pada detik 16-30

Discharge 24 3.5 3 2.5 Volt 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 Waktu 30 40 y = 431.54e-0.301x R = 0.9997 Series1 Expon. (Series1)

( )

Model 3 Proses pengisian kapasitor berlangsung pada detik 1-15

Charge 37 6 5 Volt 4 3 2 1 0 0 5 10 Waktu 15 20 y = 3.3496e0.0359x R = 0.5109 Series1 Expon. (Series1)

( )

Proses pengosongan kapasitor berlangsung pada detik 16-30

Discharge 33.5 3 2.5 Volt 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 Waktu 30 40 Series1 Expon. (Series1) y = 2419.9e-0.43x R = 0.9914

( )

Model 4 Proses pengisian kapasitor berlangsung pada detik 1-15

Charge 46 5 4 Volt 3 2 1 0 0 5 10 Waktu 15 20 Series1 Expon. (Series1) y = 3.95e0.0215x R = 0.4029

( )

Proses pengosongan kapasitor berlangsung pada detik 16-30

Discharge 42.5 2 Volt 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Waktu Series1

Pada proses pengosongan kapasitor model 4, praktikan tidak dapat menghitung konstanta waktu () karena saat mengolah grafiknya di excel tidak dapat ditambahkan garis trendline sehingga tidak diketahui rumus garis eksponensialnya. Pada bagian tugas dan evaluasi, praktikan seharusnya juga menghitung konstanta waktu berdasarkan rumus =RC, namun hal tersebut tidak dapat dilakukan praktikan karena tidak mendapatkan keterangan nilai kapasitas kapasitor yang digunakan.

Analisis Data Pada percobaan kali ini praktikan melakukan percobaan R-Lab yang berarti praktikan tidak perlu praktek langsung di laboratorium untuk melakukan percobaan. Meski begitu, praktikan tetap bisa melakukan percobaan dengan alat sebenarnya menggunakan fasilitas jaringan internet dan web cam. Percobaan ini berjudul Charge Discharge (pengisian dan pengosongan kapasitor). Tujuannya adalah untuk melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan. Percobaan ini dilakukan dengan memberikan arus yang mengalir melalui rangkaian menuju ke kapasitor, lalu mengukur tegangan yang terdapat pada kapasitor tersebut. Waktu pengukurannya adalah 30 detik untuk tiap model. Percobaan ini menggunakan 4 model rangkaian, dimana rangkaian 1 dan 3 memiliki kapasitas kapasitor yang sama, sedangkan rangkaian model 2 dan 4 memiliki kapasitas kapasitor yang sama.

Berdasarkan beberapa sumber, detik ke 1-15 merupakan waktu pengisian kapasitor, sementara detik ke 16-30 adalah waktu pengosongan kapasitor. Setelah mendapatkan data percobaan praktikan harus menghitung nilai konstanta waktu rangkaian kapasitor () untuk setiap modelnya. Praktikan bisa menghitung konstanta waktu dengan dua cara. Cara yang pertama yaitu dengan menggunakan rumus =RC. Dan cara yang ke dua adalah dengan menggunakan grafik tegangan kapasitor terhadap wak tu ( v vs t). Praktikan tidak bisa menghitung nilai konstanta waktu dengan menggunakan rumus =RC, karena dalam percobaan ini tidak diketahui nilai kapasitas kapasitornya. Menurut analisis praktikan, praktikan tidak dapat mengetahui nilai kapasitas kapasitornya karena video webcam pada r-lab tidak berfungsi dengan baik ketika praktikan melakukan percobaan r-lab tersebut. Akhirnya praktikan mencari nilai kapasitas kapasitor dengan menggunakan grafik. Hal yang pertama praktikan lakukan adalah mengolah data tersebut menjadi grafik tegangan kapasitor terhadap waktu percobaan (v vs t) masing-masing model saat pengisian dan pengosongan kapasitor.

Persamaan grafik praktikan dapatkan dengan fasilitas Trendline di Microsoft Excel. Setelah didapatkan persamaan eksponensial dari grafik, dapat dicari nilai dari konstanta waktu tiap grafik berdasarkan persamaan ( ) . Berdasarkan perhitungan tersebut praktikan

memperoleh nilai konstanta waktu sebagai berikut : Rangkaian Model charge discharge

1 2 3 4

12,06 s 16,07 s 27,85 s 46,51 s

4,784 s 3,32 s 2,32 s -

Keterangan : Pada model 4 praktikan tidak dapat mencari nilai konstanta waktu saat pengosongan kapasitornya karena Microsoft Excel tidak dapat memberikan persamaan eksponensial untuk grafiknya.

Dari grafik tegangan kapasitor terhadap waktu (bisa dilihat pada bagian pengolahan data) dan hasil perhitungan konstanta waktu kita dapat mengetahui karakteristik kapasitor pada saat pengisian dan pengosongan muatan. Dari grafik yang telah didapat, dapat terlihat bahwa tegangan pada kapasitor akan naik pada proses pengisian, lalu berhenti pada saat tegangan pada kapasitor sama dengan tegangan pada sumber GGl. Sebaliknya pada saat proses pengosongan kapasitor, tegangan akan turun hingga nol. Dari bentuk kurva yang ada dapat pula ditarik kesimpulan bahwa grafik tersebut adalah grafik eksponensial. Dari hasil perhitungan konstanta waktu pun kita dapat mengetahui bahwa ternyata nilai konstanta waktu kapasitor bukanlah konstanta yang nilainya tetap karena konstanta waktu sesungguhnya menunjukkan seberapa cepat kapasitor termuati yang aertinya nilai

konstanta waktu tergantung pada besarnya hambatan dan kapasitas kapasitor yang digunakan. Hal ini sejalan dengan dasar teori yang mengatakan bahwa =RC. Semakin kecil nilai hambatannya, maka semakin kecil pula nilai konstanta waktunya karena arusnya bisa lebih cepat mengalir sehingga waktu kapasitor termuati pun akan semakin cepat. Kesimpulan Nilai tegangan kapasitor akan naik selama proses pengisian muatan kapasitor, dan sebaliknya nilai tegangan kapasitor akan turun saat proses pengosongan muatan kapasitor. Grafik tegangan terhadap waktu pada proses pengisian dan pengosonan kapasitor merupakan grafik eksponensial Nilai konstanta waktu () dapat diperoleh menggunakan persamaan grafik eksponensial pada saat proses pengisian dan pengosongan kapasitor Nilai konstanta waktu () bukanlah konstanta yang nilainya tetap (konstan)

Referensi Giancoli, Douglas C.2001.Fisika Edisi ke 5 Jilid 2. Jakarta: Erlangga. Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.