Kapasitor: Bermanfaat sekaligus   berbahaya

Posted on November 18, 2009 by angin165

Kapasitor: Bermanfaat sekaligus berbahaya

Pekik Argo Dahono

Dalam sistem tenaga listrik dikenal daya aktif dan daya reaktif. Daya aktif adalah daya yang harus dibangkitkan di sisi pembangkit dan disalurkan melalui saluran transmisi dan distribusi menuju konsumen, dan akhirnya dipakai untuk menjalankan peralatan industri dan komputer di banyak bangunan modern. Satuan dari daya aktif biasanya adalah watt (W), kilowatt (kW), atau tenaga kuda (HP). Sedangkan daya reaktif adalah suatu besaran yang menunjukkan adanya fluktuasi daya di saluran transmisi dan distribusi akibat digunakannya peralatan listrik yang bersifat induktif (misal : motor listrik, trafo, dan las listrik). Walaupun namanya adalah daya, daya reaktif ini tidak nyata dan tidak bisa dimanfaatkan. Akan tetapi adanya daya reaktif menyebabkan aliran daya aktif tidak bisa dilakukan secara efisien dan memerlukan peralatan listrik yang kapasitasnya lebih besar dari daya aktif yang diperlukan. Satuan dari daya reaktif adalah VAR (volt-ampere-reaktif). Untuk menunjukkan seberapa efisien daya aktif disalurkan, dalam teknik tenaga listrik dikenal suatu besaran yang disebut faktor-daya. Nilai maksimum faktor-daya adalah satu dan nilai minimumnya adalah nol. Semakin tinggi faktor-daya maka semakin efisien penyaluran dayanya. Artinya juga, semakin kecil faktor-daya maka semakin besar daya reaktifnya.

Bagi konsumen kecil atau rumah tangga, keberadaan daya reaktif tidak terlalu menjadi masalah karena PT. PLN tidak memperhitungkannya dalam penentuan tagihan listrik. Akan tetapi bagi konsumen besar, pabrik atau bangunan modern, PT. PLN mensyaratkan faktor-daya harus lebih dari 0,85. Jika nilai faktor-daya kurang dari nilai itu maka daya reaktif akan diukur dan diperhitungkan dalam penentuan besarnya tagihan. PT. PLN melakukan ini karena aliran daya reaktif yang besar menyebabkan peralatan milik PT. PLN tidak bisa bekerja secara efisien dan tidak bisa digunakan secara maksimum.

Untuk mengatasi masalah rendahnya faktor-daya atau tingginya daya reaktif, banyak industri atau bangunan modern memasang kapasitor. Kapasitor adalah peralatan listrik yang bisa menghasilkan daya reaktif yang diperlukan oleh konsumen sehingga aliran daya reaktif di saluran bisa berkurang. Dengan kata lain, kapasitor bermanfaat untuk menaikkan faktor-daya. Dengan memasang kapasitor, konsumen besar bisa terhindar dari tambahan tagihan listrik karena daya reaktif yang berlebih. Semakin mahalnya tarif listrik dan semakin tingginya keinginan untuk mengoperasikan peralatan secara efisien, menyebabkan penggunaan kapasitor semakin banyak dan meluas. Idealnya, kapasitor dipasang di dekat peralatan yang memerlukan daya reaktif sehingga tidak perlu terjadi adanya aliran daya reaktif melalui kabel, trafo, atau peralatan lainnya.

Sayangnya, semua teori tersebut hanya berjalan dengan baik jika gelombang tegangan dan arus listriknya mempunyai bentuk sinusoidal. Dengan semakin banyaknya banyaknya penggunaan inverter untuk menaikkan efisiensi peralatan industri, penggunaan ballast elektronik untuk

meningkatkan efisiensi lampu, dan penggunaan penyearah untuk memasok komputer, data center, dan bermacam peralatan IT maka bentuk gelombang tegangan dan arus berubah menjadi nonsinusoidal. Seberapa jauh suatu gelombang menyimpang dari bentuk sinusoidal dinyatakan dengan besarnya kandungan harmonisa. Arus harmonisa adalah arus listrik yang frekuensinya kelipatan bulat dari frekuensi dasarnya (PT. PLN menggunakan frekuensi dasar 50 Hz). Artinya, arus harmonisa mempunyai frekuensi yang lebih tinggi dibanding frekuensi dasar 50 Hz. Arus harmonisa yang banyak muncul di bangunan modern mempunyai frekuensi 150, 250, dan 350 Hz. Di banyak bangunan modern, kandungan arus harmonisa yang mengalir di jaringan listrik bisa mencapai lebih dari 30%.

Berlawanan dengan trafo atau induktor, kapasitor mempunyai impedansi atau hambatan yang rendah pada frekuensi yang tinggi. Karena arus listrik cenderung mengalir melalui melalui lintasan yang hambatannya rendah maka arus harmonisa cenderung mengalir melalui kapasitor. Akibatnya, kapasitor bisa mengalami arus lebih karena adanya harmonisa. Jika hambatan kapasitor mempunyai nilai yang sama dengan hambatan jaringan sumber maka tercapailah suatu kondisi yang disebut resonansi. Pada kondisi resonansi, hambatan total sistem menjadi nol. Kondisi ini mirip dengan kondisi rangkaian pendek yang membahayakan kapasitor dan peralatan lainnya. Kondisi inilah yang sering menyebabkan rusaknya kapasitor dan peralatan lainnya. Karena kapasitor biasanya berisi minyak, kapasitor yang terbakar bisa memicu kebakaran yang lain. Kejadian inilah yang sering memicu banyak kebakaran di industri dan bangunan modern.

Untuk mengatasi masalah terbakarnya kapasitor karena adanya arus harmonisa, bermacam cara sederhana bisa dilakukan. Cara pertama yang umum ditawarkan oleh banyak pabrik pembuat kapasitor adalah dengan memasang induktor secara seri dengan kapasitor untuk mencegah mengalirnya arus harmonisa melalui kapasitor. Cara ini cukup efektif tetapi menyebabkan biaya pemasangan kapasitor menjadi mahal. Cara lain yang sering penulis lakukan untuk mengatasi masalah ini adalah menjauhkan pemasangan kapasitor dari posisi beban yang diperkirakan banyak menghasilkan harmonisa. Cara ini sering sekali bisa dilakukan tanpa banyak mengeluarkan biaya tambahan.

Secara umum, pemasangan kapasitor tidak mengkhawatirkan jika (i) kapasitas peralatan elektronik yang diperkirakan menghasilkan harmonisa tidak lebih dari 30% kapasitas sumber, dan (ii) besar kapasitor yang dipasang tidak lebih dari 50% kapasitas sumber. Jika penggunaan peralatan elektronik sangat banyak dan kapasitor yang akan dipasang besar maka suatu studi khusus tentang kemungkinan terjadinya resonansi harus dilakukan untuk mencegah terjadinya kebakaran. Di banyak bangunan modern yang penggunaan peralatan elektroniknya sangat banyak, peluang terjadinya resonansi sangat tinggi sehingga studi semacam ini menjadi sangat sering diperlukan. Dengan melakukan studi ini diharapkan kebakaran yang menyebabkan kerugian ratusan milyar rupiah bisa dicegah.

” Hari ini dengan ditemani sepiring pisang goreng, dan satu teko teh manis, mari kita bahas kapasitor atau ada juga yang menyebut kondensator. kata ini hampir mirip dengan kondensor. Kondensor adalah alat yang digunakan untuk mengubah fase uap menjadi fase cair. jadi mohon dengan sangat tidak menyamakan kondensor dengan kondensator, karena 2 alat ini sangat – sangat berbeda. Gak percaya? lihat gambar dari Eyang Google ini

Gambar 1 kondensor dan kapasitor (bedakan :) )

Ok lah……….. lanjut, dalam kesempatan yang indah ini kita akan mempelajari tentang kapasitor.”

Kapasitor adalah komponen elektronika yang digunakan untuk menyimpan muatan listrik dalam jangka waktu tertentu. Seperti sebuah baterai, kapasitor juga digunakan untuk menyimpan energi listrik hanya saja proses penyimpanan energi listrik pada kapasitor berbeda dengan proses penyimpanan energi listrik pada baterai. Di dalam kapasitor juga terdapat 2 buah terminal sama seperti baterai. Di dalam baterai terjadi reaksi kimia yang akan menyebabkan salah satu terminal menghasilkan elektron dan terminal yang lainnya menyerap elektron , sehingga terjadilah aliran muatan listrik. Sebuah kapasitor jauh lebih sederhana dibandingkan dengan baterai, kapasitor tidak menghasilkan elektron, tetapi kapasitor menyimpan muatan listrik.

Di dalam kapasitor terdiri dari 2 buah terminal atau sering disebut lempeng konduktor dan bahan dielektrik yang disisipkan di antara kedua lempeng konduktor. Dielektrik adalah bahan isolator yang dapat digunakan untuk meningkatkan kapasitas sebuah kapasitor. Kapasitor sederhana dapat dengan mudah dibuat dengan menggunakan 2 buah lempengan aluminium dan selembar kertas.

Untuk membuat kapasitor sederhana ini kita hanya membutuhkan 2 lempengan aluminium dengan tebal 1 mm, 1 lembar kertas,  sedikit kertas untuk isolator, dan 2 buah penjepit kertas.

Gambar 2 membuat kapasitor sederhana

Secara teori, bahan dielektrik adalah sejenis isolator. Banyak bahan yang dapat digunakan sebagai bahan dielektrik sebuah kapasitor antara lain : keramik, mika, kaca, kertas, udara, serat selulosa, porselein, mylar, teflon dan bahan kimia cair. Penggunaan bahan-bahan dielektrik ini disesuaikan dengan penggunaan kapasitor itu sendiri. Berikut adalah contoh penggunaan kapasitor yang disesuaikan dengan bahan dielektriknya :

Bahan dielektrik udara atau lebih dikenal dengan variabel kapasitor, umumnya digunakan untuk men-turning frekuensi radio.

Kapasitor mylar dengan bahan dielektrik mylar umum digunakan pada rangkaian clock frekuensi, alarm atau counter.

Gelas atau kaca untuk digunakan pada kapasitor yang bekerja pada tegangan tinggi. Kapasitor keramik banyak digunakan pada frekuensi tinggi. Seperti pada rangkaian

pemancar dan antena, mesin sinar X dan mesin MRI. Kapasitor elektrolit dengan bahan dielektrika dari bahan kimia cair, umum digunakan

pada frekuensi rendah dan rangkaian daya. Kapasitor elektrolit ini umumnya memiliki kapasitas yang besar-besar.

Super kapasitor adalah kapasitor dengan muatan yang cukup besar bekerja pada tegangan rendah dan memiliki waktu pengisian yang sangat singkat. Super kapasitor umum digunakan pada rangkaian daya listrik dan mobil – mobil tenaga listrik.

sekarang kita sedikit bermain-main dengan matematika, “fisika tanpa matematika sama seperti penari tanpa busana :) hehehehehe.”

Sebuah kapasitor dalam kondisi tidak diisi muatan listrik, maka pada kedua lempeng konduktornya tidak akan ada  muatan listrik. Selama proses pengisian kapasitor, sebuah muatan listrik dipindahkan dari satu konduktor ke konduktor lainnya dan memberikan muatan positif pada salah satu lempeng konduktor dan muatan negatif pada lempeng konduktor lainnya. Contoh sederhana sebuah kapasitor dapat dibuat dari 2 lempengan konduktor dengan luas permukaan yang sama (A), yang dipasangkan paralel satu dengan lainnya dan terpisah pada jarak d seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 3 ilustrasi sebuah kapasitor sederhana

Melalui percobaan banyaknya muatan (Q) yang disimpan dalam sebuah kapasitor besarnya linier dan proporsioal terhadap beda tegangan pada kedua lempeng konduktor kapasitor atau secara matematis dapat ditulis :

Dimana Q : muatan listrik (satuan Coulomb ( C ) )

C : kapasitas kapasitor (satuan Farrad (F))

: beda tegangan listrik pada kedua lempeng konduktor (satuan Volt (V))

Menghitung Kapasitas Kapasitor

Bila ada 2 buah pelat konduktor dengan luas permukaan yang sama yaitu A yang dipisahkan pada jarak d, kemudian lempeng konduktor bagian atas diberi muatan +Q dan lempeng konduktor bagian bawah diberi muatan –Q, maka medan muatan pada 2 buah lempeng konduktor tersebut dapat digambarkan sebagai berikut

Untuk menghitung kapasitas kapasitor (C), pertama-tama kita harus mengetahui medan listrik antara kedua lempeng konduktor. Sebenarnya sebuah kapasitor memiliki ukuran lempeng konduktor yang terbatas panjangnya. Maka garis medan listrik pada ujung pelat tidaklah berupa garis lurus, tetapi berbentuk kurva lengkung yang disebut efek tepi. Medan listrik pada ujung lempeng konduktor ini tidak seragam, namun untuk memudahkan menghitung kapasitas kapasitor, kita akan mengabaikan efek ujung ini.

Dengan asumsi lempeng konduktor tidak terbatas panjangnya dan sistem mempunyai bentuk yang simetri, maka kita dapat menghitung medan listrik di sembarang tempat dengan menggunakan persamaan hukum Gauss didapat:

Bila maka dapat ditulis :

Dimana A’ : luas penampang Gaussian dapat digambarkan sebagai berikut.

Beda potensial listrik antara 2 lempeng konduktor adalah :

Dimana sehingga didapat:

Dari persamaan awal ( )   maka didapat:

Dimana : 0 : permitivitas ruang hampa (8,85 x 10-12 F/m)

d : jarak pisah antara 2 lempeng konduktor (m)

A : luas permukaan lempeng konduktor yang berhadapan (m2)

Q : besar muatan listrik ( C )

V : beda potensial tegangan listrik antara 2 lempeng konduktor (V)

 ” sedikit catatan : “

0 adalah permitivitas ruang hampa atau sering di sebut juga dengan konstanta listrik dapat dihitung dengan persamaan :

0 : permitivitas ruang hampa

c0 : kecepatan suara

µ0 : permeabilitas ruang hampa

Untuk kapasitor sederhana yang terdiri 2 lempeng konduktor sejajar, kapasitas kapasitor sangat ditentukan oleh dimensi kapasitor.

” uraian di atas menunjukan cara menghitung kapasitas sebuah kapasitor berbentuk lempengan dengan luas permukaan dan jarak diketahui, terus bagaimana jika kapasitor tersebut berbentuk seperti sebuah tabung ?,  nah berikut uraiannya. “

Menghitung Kapasitas Kapasitor tipe Silinder.

Sebuah konduktor silinder dengan jari-jari a diselimuti oleh sebuah tabung dengan jari-jari bagian dalam b seperti pada gambar berikut ini.

Gambar  4 ilustrasi kapasitor silinder

Panjang kapasitor adalah L dan panjang L jauh lebih besar dibandingkan jarak b – a. efek tepi diabaikan untuk memudahkan perhitungan. Inti bagian dalam tabung kapasitor diberi muatan +Q dan selimut tabung diberi muatan listrik –Q, maka hukum Gauss untuk kapasitor silinder dapat ditulis :

A adalah luas permukaan tabung yang besarnya A = 2πrL

dan  = besar muatan per satuan panjang (C/m) maka didapat :

Beda potensial antara inti silinder dengan selimut tabung adalah :

Maka kapasitas kapasitor didapat :

Dapat dilihat dari persamaan kapasitor silinder, bahwa kapasitas sebuah kapasitor berbentuk silinder sangat ditentukan oleh dimensi kapasitor tersebut.

” Fisika memang unik dan menarik, setelah kita dapat menghitung kapasitor berbentuk tabung, muncul lagi bahasan yang lainnya, bagaimana kapasitas sebuah kapasitor berbentuk bola. salah satu model ini adalah pada bola logam yang terdapat pada generator van de graff. Apa generator van de graff?…..(what hari gini gak kenal generator van de graff???????? oh my God)  lihat gambar berikut :

Gambar 5 generator Van De Graff

Bola logam besar pada generator Van De Graff adalah sebuah kapasitor besar. Nah sekarang mari kita lihat bagaimana cara menghitung kapasitasnya>

lanjut……………………. “

Menghitung kapasitas kapasitor tipe bola

Pada bagian ini kita akan menghitung kapasitas sebuah kapasitor yang berbentuk bola. Bila ada sebuah kapasitor yang terdiri dari 2 buah bola yang disusun paralel dengan bola yang kecil di bagian dalam dan bola yang lebih besar di bagian luar. Bola yang dibagian dalam diberi potensial listrik positif dan bola bagian luar di beri potensial negative seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 6 ilustrasi model kapasitor berbentuk bola

Pada bola yang diberi potensial listrik positif akan ada muatan listrik positif dan pada bola yang diberi potensial listrik negaitf akan ada muatan listrik negatif. Jari-jari bola kecil adalah a dan jari-jari bola besar adalah b. sedangkan r adalah jari-jari luas bidang Gaussian, maka medan listrik pada daerah a < r < b dapat dihitung :

atau

Beda potensial antara 2 konduktor yaitu bola dalam dan bola luar dapat dihitung :

Maka kapasitas kapasitor tipe bola dapat dihitung :

Sekali lagi terlihat bahwa kapasitas kapasitor sangat ditentukan oleh dimensi kapasitor ( a dan b).

Bila konduktor b memiliki ukuran yang “tak terhingga” atau secara matematis ditulis  maka kapasitas kapasitor menjadi :

Maka untuk kapasitor dengan konduktor tunggal denga jari-jari R dapat dihitung kapasitasnya :

Jadi besar kapasitas sebuah kapasitor bola ditentukan oleh dimensi kapasitor tersebut

Nah , sudah lengkap rumus-rumus dasar untuk sebuah kapasitor, O……. tidak mengapa pisang goreng dan teh selalu habis pada saat sedang asyik-asyiknya ?…………..itu pertanyaan fisika yang harus segera dijawab………….. ya sudah, sekian dulu, sy mau siapkan dulu pisang dan teh manisnya, bersambung ……………