BAB II TINJAUAN PUSTAKA. dielektrik.gambar 2.1 merupakan gambar sederhana struktur kapasitor. Bahan-bahan

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kapasitor Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik.gambar 2.1 merupakan gambar sederhana struktur kapasitor. 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 muatanmuatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup positif karena terpisah oleh bahan elektrik yang nonkonduktif. Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduktif pada ujung- ujung kakinya. Gambar 2.1 Struktur kapasitor Kapasitor merupakan komponen pasif elektronika yang sering dipakai didalam merancang suatu sistem yang berfungsi untuk mengeblok arus DC, Filter, dan penyimpan energi listrik. Didalamnya 2 buah pelat elektroda yang saling berhadapan dan dipisahkan oleh sebuah insulator. Sedangkan bahan yang digunakan sebagai insulator dinamakan dielektrik. Ketika kapasitor diberikan tegangan DC maka energi listrik disimpan pada tiap 5

2 elektrodanya. Selama kapasitor melakukan pengisian, arus mengalir. Aliran arus tersebut akan berhenti bila kapasitor telah penuh[2] Kapasitansi Muatan (Q) diukur dengan satuan coulomb dan kapasitor yang memperoleh muatan listrik akan mempunyai tegangan antar terminal sebesar V volt. Kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan disebut kapasitansi (C). Kapasitansi ini diukur berdasarkan besar muatan yang dapat disimpan pada suatu kenaikan tegangan, persamaannya dinyatakan oleh Persamaan 2.1 [2]. KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK, CC = mmmmmmmmmmmm,qq tttttttttttttttt,vv (2.1) Atau persamaan diatas disederhanakan menjadi Persamaan 2.2. CC = QQ VV (2.2) Energi Pada Kapasitor Kapasitor dapat digunakan untuk menyimpan energy listrik dalam bentuk muatan listrik. Banyaknya energi yang tersimpan di dalam sebuah kapasitor sama besarnya dengan kerja yang dilakukan oleh muatan listrik. Selama proses pengisian kapasitor, sebuah sumber arus searah seperti baterai melakukan kerja dengan memindahkan muatan listrik dari satu lempeng konduktor dan menimbunnya kelempeng konduktorlainnya. Energi yang tersimpan dalam kapasitor dapat dihitung dengan Persamaan 2.3 [2]. EEEEEEEEEEEE = 1 2 CCVV2 jjjjjjjjjj (2.3) 6

3 2.1.3 Pengisian dan Pengosongan Muatan Pada Kapasitor Saat pengisian dan pengosongan muatan pada kapasitor, waktu lamanya pengisian dan pengosongan muatannya tergantung dari besarnya dari resistansi dan kapasitansi yang digunakan pada rangkaian. Pada saat saklar menghubungkan ke titik 1 arus listrik mengalir dari sumber-sumber tegangan melalui komponen R menuju komponen C. tegangan pada kapasitor meningkat dari 0 volt sampai sebesar tegangan sumber, kemudian tak terjadi aliran, saklar dipindahkan posisinya ke saklar 2 maka terjadi proses pengosongan. Seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.2[2]. Gambar 2.2 Rangkaian RC hubungan seri dicatu oleh tegangan dc Tegangan kapasitor menurun, arah arus berlawanan dari arah pengisian. Tegangan pada R menjadi negative dan berangsur-angsur tegangan nya menjadi 0 volt Hubungan Seri dan Paralel Kapasitor Hubungan seri Kapasitor yang dihubungkan seri, kemampuan menahan listrik akan menjadi lebih tinggi, kapasitansi totalnya menjadi lebih rendah dan bahan dielektrikum seolah-olah menjadi lebih tebal. Jumlah muatan listrik pada setiap kapasitor menjadi sama besar. Jika perbedaan potensial tiap-tiap kapasitor sama dengan pemberian tegangan pada rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 2.3[2]. 7

4 Gambar 2.3 Rangkaian seri kapasitor Berdasarkan Gambar 2.3, maka diperoleh Persamaan = CCCC CC1 CC2 CC3 (2.4) Hubungan Paralel Beberapa kapasitor dihubungkan parallel yang diberi tegangan V seperti Gambar 2.4, memiliki tegangan pada tiap-tiap kapasitor sama dengan tegangan sumber yang dicantumkan. Gambar 2.4 Rangkaian paralel kapasitor Berdasarkan Gambar 2.4, maka diperoleh Persamaan 2.5[2]. CT = C1 + C2 + C3 (2.5) 8

5 2.1.5 Tipe Kapasitor Kapasitor yang dipelajari dan digunakan dalam rangkaian elektronika ada beberapa jenis. Cara membedakan kapasitor juga ada beberapa sudut pandang yang digunakan, kapasitor dapat dibedakan berdasarkan kapasitasnya, berdasarkan dielektrikum yang digunakan dan polaritas kapasitor. Berdasarkan kapasitas dari suatu kapasitor, maka kapasitor dapat dibedakan dalam 2 jenis. 1. Kapasitor tetap Kapasitor tetap adalah kapasitor yang memiliki kapasitansi tetap dan tidak dapat diubah-ubah. Pada kategori kapasitor tetap, terdapat 2 jenis kapasitor yang dapat dibedakan berdasarkan polaritas elektrodanya[3]. a. Kapasitor polar Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan di badannya. Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda dan kutup negatif katoda. Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida (oxide film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup kedalam larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte terlepas dan mengoksidai permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan 9

6 Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada permukaannya. Gambar 2.5 Kapasitor polar Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda). Lapisan metal-oksida dan electrolyte (katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan metaloksida sebagai dilektrik. Besar kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar. Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak digunakan adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah adalah aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat aluminium ini biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor yang kapasitansinya besar. Sebagai contoh 100uF, 470uF, 4700uF, dan lain-lain, yang sering juga disebut kapasitor elco. Bahan electrolyte pada kapasitor tantalum ada yang cair tetapi ada pula yang padat. Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolyte yang menjadi elektroda negatifnya, melainkan bahan lain yaitu manganese-dioksida. Dengan demikian kapasitor jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi lebih ramping dan mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya menjadi tahan 10

7 lama. Kapasitor ini juga memiliki arus bocor yang sangat kecil, jadi dapat dipahami mengapa kapasitor tantalum menjadi relatif mahal. b. Kapasitor non-polar Kapasitor non polar adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pf sampai beberapa uf, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan-bahan material seperti polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainnya. 2. Kapasitor tidak tetap/kapasitor variabel Kapasitor tidak tetap atau kapasitor variabel adalah kapasitor yang nilai kapasitansinya dapat diubah atau kapasitansinya dapat diatur sesuai keinginan dengan batas maksimal sesuai yang tertera pada kapasitor tersebut. Contoh suatu kapasitor variabel (Varco/trimer kapasitor) tertulis 100pF maka kapasitansi kapasitor tersebut dapat diatur maksimal 100pF sampai mendekati 0 pf. Gambar 2.6 merupakan kapasitor tidak tetap Gambar 2.6 Kapasitor tidak tetap 11

8 2.2 Super Kapasitor Superkapasitor adalah kapasitor double layer, energi disimpan oleh transfer muatan pada batas antara elektroda dan elektrolit. Ketika komposit logam oksida dan karbon digunakan sebagai elektroda untuk superkapasitor, mekanisme penyimpanan termasuk kapasitansi lapisan ganda ( double layer capacitance) dan pseudocapacitance, sehingga menghasilkan kapasitansi yang lebih tinggi. Struktur super kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.7[4].. Gambar 2.7 Struktur super kapasitor Superkapasitor dapat menggantikan baterai berkaitan dengan sifatnya yang mampu bertahan lama meskipun diisi ulang berkali-kali serta mempunyai kemampuan mengisi ulang dengan cepat. Kebutuhan waktu yang singkat dalam pengisian ulang ini menyebabkan superkapasitor mempunyai potensi yang besar dibandingkan baterai. Hal ini disebabkan karena baterai harus mengubah energi listrik menjadi bentuk kimia agar energi ini dapat tersimpan. Superkapasitor memiliki sifat yang melengkapi kekurangan dari baterai dan kapasitor konvensional. Baterai memiliki rapat energi yang sangat tinggi, namun demikian 12

9 memiliki rapat daya yang sangat rendah. Sedangkan kapasitor konvensional pada umumnya memiliki rapat daya yang sangat tinggi namun rapat energinya sangat rendah. Super kapasitor menghasilkan rapat daya yang tinggi serta rapat energi yang tinggi. Rapat daya berhubungan dengan kekuatan (jumlah watt) kombinasi dari arus dan volt, sedangkan rapat energi berhubungan dengan waktu pemakaian. Posisi super kapasitor, dibandingkan dengan baterai dan kapasitor konvensional [5]. Kelebihan superkapasitor dibandingkan dengan baterai atau super kapasitor konvensional adalah: 1. Superkapasitor memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan dengan baterai sehingga, menjadikan super kapasitor lebih ringan dibandingkan dengan baterai. 2. Superkapasitor memiliki akses yang cepat untuk menyimpan energi, pengisian yang sangat cepat dibandingkan dengan baterai. 3. Siklus charge/discharge 106 kali dibandingkan baterai. 4. Rapat energi superkapasitor adalah kali lebih besar dibandingkan dengan kapasitor konvensional (tipe MJ/m3). 5. Nilai kapasitansinya lebih dari 5 F/cm2. 6. Memiliki efisiensi yang tinggi yaitu 95%. Rapat daya 10 kali lebih besar dibandingkan dengan baterai. 7. Waktu charge dan discharge sangat singkat. 8. Nilai kapasitansinya berkisar antara F. 13

10 2.3 Baterai Baterai didefenisikan sebagai suatu alat yang dapat mengubah langsung energi kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Pengertian baterai yang saat ini umum digunakan sesungguhnya mencakup satu atau beberapa sel baterai yang digabungkan secara seri atau paralel sesuai dengan tegangan dan kapasitas listrik yang diinginkan. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektrokimia yang terdiri dari elektroda, elektrolit, separator, wadah terminal / current collector. Listrik yang dihasilkan oleh sebuah baterai muncul akibat adanya perbedaan potensial energi listrik kedua buah elektrodanya. Perbedaan potensial ini dikenal dengan potensial sel atau gaya gerak listrik (ggl). Struktur baterai dapat dilihat pada Gambar 2.8[6]. Komponen terpenting dari sel baterai yaitu: 1. Anoda / Elektroda negatif yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia berlangsung. 2. Katoda / Elektroda positif yaitu elektroda yang menerima elektron dari rangkaian luar serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia berlangsung. 3. Elektrolit adalah zat yang jika dilarutkan dalam air menghasilkan larutan yang dapat menghantarkan arus listri. Sebuah elektrolit yang cocok harus memiliki konduktivitas elektron yang baik, stabilitas kimia tinggi, biaya murah dan menjamin keselamatan. Elektrolit berfungsi sebagai penghantar ion litium dari anoda ke katoda dan begitu pula sebaliknya. Pergerakan elektron dalam elektrolit dan diantara elektroda akan menghasilkan arus listrik 4. Separator adalah material berpori yang diletakkan diantara anoda dan katoda, yang dapat mencegah terjadinya gesekan antara kedua elektroda tersebut yang dapat menyebabkan arus pendek. 14

11 Gambar 2.8 Struktur baterai Jenis Baterai Baterai yang digunakan dalam Penelitian ini adalah baterai lithium ion. Lithium ion merupakan salah satu nama yang digunakan untuk bahan aktif sebuah baerai. Penulisan nama dapat ditulis dengan lengkap atau disingkat dengan menulis rumus kimianya. Misalnya, lithium cobalt oxide, salah sati jenis baterai lithium ion yang paling umum, memiliki symbol kimia LiCoO2 dan singkatan LCO. Karena memiliki spesifikasi energy yang tinggi, Li-Cobalt menjadi pilihan popular untuk telepon selular, laptop, dan kamera digital. Baterai terdiri dari katoda cobalt oksida dan anoda grafit karbon. Katoda memiliki struktur yang berlapis, ion lithium bergerak dari anoda ke katoda. Kelemahan lithium cobalt adalah masa hidup yang relatif singkat dan memiliki baban yang terbatas. Gambar 2.9 merupakan struktur Li-Cobalt[7]. Gambar 2.9 Struktur Li-Cobalt 15

12 Li-Cobalt tidak dapat diisi dan dipakai pada saat arusnya lebih besar dibandingkan dengan C-ratingnya. Sehingga sel dengan muatan 2400 mah hanya dapat diiisi dan dikosongkan dengan arus 2400 ma. Jika dipaksakan dengan bebang yang lebih tinggi dari 2400 ma, maka akan menyebabkan baterai kelebihan energi. Tabel 2.1 merupakan spesifikasi Li-Cobalt. Tabel 2.1 Spesifikasi baterai Lithium Cobalt Oxide Kapasitas Baterai Kapasitas baterai merupakan kemampuan baterai menyimpan daya listrik atau besarnya energi yang dapat disimpan dan dikeluarkan oleh baterai. Besarnya 16

13 kapasitas, tergantung dari banyaknya bahan aktif pada plat positif maupun plat negatif yang bereaksi, dipengaruhi oleh jumlah plat tiap-tiap sel, ukuran, dan tebal plat, kualitas elektrolit serta umur baterai. Kapasitas energi suatu baterai dinyatakan dalam ampere jam (Ah), misalkan kapasitas baterai 100 Ah 12 volt artinya secara ideal arus yang dapat dikeluarkan sebesar 5 ampere selama 20 jam pemakaian[8]. Besar kecilnya tegangan baterai ditentukan oleh besar / banyak sedikitnya sel baterai yang ada di dalamnya. Sekalipun demikian, arus hanya akan mengalir bila ada konduktor dan beban yang dihubungkan ke baterai. Kapasitas baterai juga menunjukan kemampuan baterai untuk mengeluarkan arus (discharging) selama waktu tertentu, dinyatakan dalam Ah (Ampere hour). Berarti sebuah baterai dapat memberikan arus yang kecil untuk waktu yang lama atau arus yang besar untuk waktu yang pendek. Pada saat baterai diisi (charging), terjadilah penimbunan muatan listrik. Jumlah maksimum muatan listrik yang dapat ditampung oleh baterai disebut kapasitas baterai dan dinyatakan dalam ampere jam (Ampere - hour), muatan inilah yang akan dikeluarkan untuk menyuplai beban ke pelanggan. Kapasitas baterai dapat dinyatakan dengan persamaan dibawah ini : Ah = Kuat Arus (ampere) x waktu (hours) (2.6) Dimana : Ah = kapasitas baterai I = kuat arus (ampere) t = waktu (jam/sekon) 17