LAPORAN PRAKTIKUM

Charge - Discharge

Nama : Raihan Aditya

NPM : 1306392166

Fakultas : Teknik

Departemen/Prodi : Teknik Mesin / Teknik Mesin

Grup : B9

Kode Praktikum : LR01

Minggu Percobaan : 1

Tanggal Praktikum : 27 Februari 2014

Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar

(UPP-IPD)

Universitas Indonesia

Depok

I. Tujuan Percobaan

Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan.

II. Peralatan

1. Kapasitor

2. Resistor

3. Amperemeter

4. Voltmeter

5. Variable power supply

6. Camcorder

7. Unit PC beserta DAQ perangkat pengendali otomatis

III. Landasan Teori

Kapasitor merupakan suatu komponen listrik yang berguna untuk menyimpan

muatan. Kapasitor terdiri dari 2 buah plat sejajar yang dipisahkan oleh suatu bahan

dielektrik. Pengisian kapasitor terjadi apabila kapasitor tersebut belum terisi penuh.

Namun apabila terjadi polaritas tegangan lebih rendah, maka kapasitor akan melepas

muatan. Kapasitansi adalah suatu ukuran jumlah muatan listrik yang disimpan pada

kapasitor. Kapasitansi dapat dirumuskan oleh

Dimana, C = kapasitansi (F)

Q = Muatan Listrik (C)

V = Tegangan listrik (V)

Pada rangkaian arus searah seperti pada gambar 1, kapasitor akan menjadi

hambatan tak hingga. Hanya saat rangkaian dibuka dan ditutup, arus akan mengalir.

Saat rangkaian tertutup, arus akan mengakibatkan kapasitor dimuati melalui resistor

saat rangkaian dibuka. Karakteristik tegangan pada kapasitor dapat diterangkan dengan

fungsi eksponensial.

Gambar 1. Rangkaian kapasitor dan resistor arus searah

Besar tegangan rangkaian terbuka adalah

V ( t )=V 0 e−t /τ

Dengan adalah konstanta waktu [s]. Konstanta waktu atau waktu paruh adalah

waktu yang dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi menjadi 1eV 0 yang ditentukan

dari besar hambatan dan kapasitansi

τ=RC

Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah

V (t )=V 0 (1−e−t / τ )

Penurunan tegangan akan melambat sebanding dengan waktu. Tegangan

kapasitor Vc(t) turun secara asimtotik menjadi nol. Kurva karakteristik ini dapat dilihat

gambar 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.

Gambar 2. Penentuan konstanta waktu dengan kurva pengisian dan pengosongan

muatan kapasitor

Pada percobaan kali ini, akan digunakan 4 buah model rangkaian, yaitu model 1,

2, 3, dan 4. Untuk model 1 dan 3 mengunakan kapasitor dengan kapasitas yang sama

dan untuk model 2 dan 4 menggunakan kapasitor dengan kapasitas yang sama pula.

IV. Langkah Kerja

Eksperimen rLab ini dilakukan melalui rLab LR01 pada

http://sitrampil6.ui.ac.id/lr01/index.php

1. Mengaktifkan Web cam ! (Klik 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. Menghidupkan power supply yang digunakan

5. Mengukur 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 3. Skema alat percobaan pengisian dan pelepasan muatan kapasitor

V. Data Percobaan

Model 1Waktu IC VC1 3.98 1.022 3.19 1.813 2.55 2.454 2.04 2.965 1.64 3.366 1.31 3.697 1.05 3.958 0.84 4.169 0.66 4.3410 0.53 4.4711 0.42 4.5812 0.32 4.6813 0.25 4.7514 0.19 4.8115 0.14 4.8616 3.89 3.8917 3.13 3.1318 2.52 2.5219 2.04 2.0420 1.65 1.6521 1.33 1.3322 1.09 1.0923 0.88 0.8824 0.71 0.7125 0.58 0.5826 0.47 0.4727 0.39 0.3928 0.31 0.3129 0.25 0.2530 0.21 0.21

Model 2Waktu IC VC1 11.18 1.422 8.05 2.423 5.80 3.144 4.18 3.665 3.01 4.046 2.15 4.317 1.53 4.51

8 1.07 4.669 0.72 4.7710 0.47 4.8511 0.29 4.9112 0.15 4.9513 0.05 4.9914 0.00 5.0015 0.00 5.0016 11.33 3.6317 8.25 2.6418 6.02 1.9319 4.40 1.4120 3.24 1.0421 2.38 0.7622 1.76 0.5623 1.30 0.4224 0.98 0.3125 0.72 0.2326 0.53 0.1727 0.40 0.1328 0.31 0.1029 0.23 0.0730 0.17 0.05

Model 3Waktu IC VC1 2.76 2.242 1.63 3.373 0.98 4.024 0.58 4.425 0.34 4.666 0.19 4.817 0.10 4.908 0.03 4.979 0.00 5.0010 0.00 5.0011 0.00 5.0012 0.00 5.0013 0.00 5.0014 0.00 5.0015 0.00 5.0016 2.91 2.9117 1.75 1.7518 1.08 1.0819 0.67 0.67

20 0.43 0.4321 0.28 0.2822 0.18 0.1823 0.12 0.1224 0.08 0.0825 0.05 0.0526 0.04 0.0427 0.02 0.0228 0.01 0.0129 0.01 0.0130 0.01 0.01

Model 4Waktu

IC VC

1 6.69 2.862 3.12 4.003 1.45 4.544 0.64 4.795 0.23 4.936 0.02 5.007 0.00 5.008 0.00 5.009 0.00 5.0010 0.00 5.0011 0.00 5.0012 0.00 5.0013 0.00 5.0014 0.00 5.0015 0.00 5.0016 7.10 2.2717 3.45 1.1018 1.76 0.5619 0.92 0.2920 0.50 0.1621 0.29 0.0922 0.17 0.0523 0.11 0.0324 0.06 0.0225 0.05 0.0126 0.03 0.0127 0.02 0.0028 0.02 0.0029 0.00 0.00

30 0.00 0.00

VI. Pengolahan Data

Grafik V vs t saat pengisian kapasitor untuk setiap model:

Model 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Grafik V vs t

t (s)

VC (V

)

Model 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Grafik V vs t

t (s)

VC (V

)

Model 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Grafik V vs t

t (s)

VC (V

)

Model 4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Grafik V vs t

t (s)

VC (V

)

Grafik V vs t pada saat pengosongan kapasitor untuk setiap model

Model 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

V vs t

t (s)

VC (V

)

Model 2

y = 4.72 e-0.209x

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

V vs t

t (s)

VC (V

)

Model 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

V vs t

t (s)

VC (V

)

Model 4

y = 4.76 e-0.302x

y = 3.82 e-0.427x

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

V vs t

t (s)

VC (V

)

Setiap persamaan pada grafik di atas didapatkan menggunakan regresi eksponensial.

Menentukan konstanta waktu menggunakan kurva.Model 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Grafik V vs t

t (s)

VC (V

)

Konstanta waktu yang diperoleh adalah 4,6 s.

y = 3.03e-0.560x

Model 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Grafik V vs t

t (s)

VC (V

)

Konstanta waktu yang diperoleh adalah 3,2 s.

Model 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Grafik V vs t

t (s)

VC (V

)

Konstanta waktu yang diperoleh adalah 2,2 s.

Model 4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Grafik V vs t

t (s)

VC (V

)

Konstanta waktu yang diperoleh adalah 1,8 s.

Mencari konstanta waktu menggunakan rumus tegangan pada

kapasitor

Rumus : V (t )=V 0 . e−tτ

Persamaan dapat dianalogikan dengan bentuk y=a . e−b .x seperti persamaan pada

grafik pengosongan kapasitor.

Model 1

y=4,72e−0,209 x

τ=1b

τ= 10,209

τ=4,79 s

Model 2

y=4,76e−0,302 x

τ=1b

τ= 10,302

τ=3,31 s

Model 3

y=3,82e−0,427 x

τ=1b

τ= 10,427

τ=2,34 s

Model 4

y=3.03 e−0,560 x

τ=1b

τ= 10,560

τ=1,79 s

Perbandingan konstanta waktu dari kurva dan dari perhitungan.

Model ke

Konstanta waktu dari kurva

Konstanta waktu dari perhitungan

Perbedaan dalam % konstanta waktu perhitungan

1 4.6 s 4.79 s -3.9%2 3.2 s 3.31 s -3.2%3 2.2 s 2.34 s -6.0%4 1.8 s 1.79 s +0.56%

VII. AnalisisA. Analisis Percobaan

Percobaan kali ini dilakukan melalui rLab dengan 4 model yang berbeda. Model 1 dan 3 memiliki kapasitansi yang sama dan model 2 dan 4 memiliki kapasitansi yang sama tetapi berbeda dari model lainnya. Percobaan dimulai dengan muatan yang tersimpan pada kapasitor bermuatan 0 yang dapat diketahui dari nilai beda potensial yang menunjukkan angka 0.

Proses pengisian dan pengosongan kapasitor dilakukan dengan menggunakan saklar yang akan menghubungkan kapasitor dan resistor dengan power supply seperti pada gambar 3. Saat pengisian, saklar akan menghubungkan baterai dengan kapasitor dan resistor, sehingga kapasitor akan terisi muatan. Sedangkan saat pengosongan kapasitor, saklar kan memutuskan hubungan listrik dengan power supply dan mengshort circuit kapasitor dan resistor, sehingga muatan akan mengalir ke resistor dan didisipasikan menjadi panas oleh resistor.

Dari data yang didapatkan, proses pengisian kapasitor terjadi pada detik 1 – 15 dan proses pengosongan terjadi pada detik 16 – 30. Kedua proses ini pada pengolahan data akan dipisahkan dalam perhitungannya sehingga ada 1 – 15 detik pengisian dan 1 – 15 detik pengosongan kapasitor. Hal ini perlu dilakukan karena akan mempengaruhi perhitungan.

Praktikan harus menghitung nilai konstanta waktu. Konstanta waktu ini sendiri dipengaruhi oleh kapasitansi kapasitor dan resistansi resistor. Sehingga dapat diketahui pada model 1 dan 3, kapasitor yang digunakan sama, tetapi resistor yang digunakan berbeda. Begitu pula pada model 2 dan 4. Perhitungan nilai konstanta waktu ini sendiri akan dilakukan dengan 2 metode, metode kurva dan metode perhitungan pendekatan regresi eksponensial.

B. Analisis Data dan GrafikData yang didapatkan menunjukkan bahwa pada waktu 1 – 15 detik tegangan

terus naik hingga mencapai keadaan steady state (sama dengan tegangan power supply), yaitu pada beda potensial 5V, dan pada waktu 16-30 detik tegangan terus turun hingga mencapai 0V. Hal ini menunjukkan bahwa benar pada 1 – 15 detik terjadi pengisian kapasitor dan pada 16-30 detik terjadi pengosongan kapasitor.

Dari data pengisian dan pengosongan kapasitor dapat ditentukan nilai konstanta waktu. Data tersebut diplot ke grafik dan khusus untuk grafik pengosongan kapasitor akan dicari regresi eksponensialnya untuk mendapatkan persamaannya.

Dari grafik pengisian akan ditentukan konstanta waktunya dengan metode garis tangensial dan asimtot, sedangkan dari pengosongan akan ditentukan konstanta waktunya dengan metode perhitungan dengan pendekatan regresi tadi.Dari perbandingan yang didapat, perbedaan antara metode grafik dan perhitungan tidak cukup signifikan, perbedaan tertingginya adalah sekitar 6%, tidak cukup signifikan.

C. Analisis KesalahanPerbedaan yang terjadi antara metode kurva dan metode perhitungan,

walaupun cukup kecil, menandakan adanya kesalahan yang terjadi. Kesalahan pertama adalah perbedaan kondisi lingkungan saat detik 1-15 dan detik 16-30. Bisa

saja pada saat pengisian dan saat pengosongan ada perbedaan yang timbul dari lingkungan, misalnya tegangan yang naik turun.

Kesalahan yang kedua adalah ketidak telitian manusia, atau human error, yang dalam hal ini dilakukan oleh praktikan sendiri. Kesalahan yang paling mungkin terjadi adalah ketidak telitian saat menggambar garis asimtot dan tangensial. Garis tangensial digambar dari titik 0 hingga titik pertama yang ada. Ada kemungkinan dari detik 0 hingga detik 1 sebenarnya garis tangensial yang digambar memotong kurva tegangan vs waktu sehingga tidak benar-benar tangensial.

VIII. Kesimpulan

Berdasarkan hasil percobaan, dapat disimpulkan:

1. Perhitungan menggunakan metode kurva pengisian muatan memiliki nilai yang

hampir sama dengan perhitungan pendekatan regresi eksponensial dari grafik

pelepasan muatan. Yakni perbedaan terbesarnya hanya 6%.

2. Grafik beda potensial vs waktu pada saat pengosongan bebentuk kurva

eksponensial.

3. Setiap model memiliki konstanta waktu yang berbeda-beda, model 1 = 4.79s,

model 2 = 3.31s, model 3 = 2.34s dan model 4 = 1.79s dari metode perhitungan.

4. Kapasitor akan terisi apabila terhubung dengan power supply, dan akan terbuang

muatannya apabila diputuskan dari power supply dan dishort circuitkan.

IX. Daftar Pustaka

Halliday, Resnick, Walker.2005. Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended

Edition.NJ: John Wiley & Sons, Inc

P.A., Tipler. 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik.(Terjemahan Ed.3 Jilid. 2). Jakarta:

Erlangga