BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kapasitor Kapasitor banyak digunakan dalam sirkuit elektronik dan mengerjakan berbagai fungsi. Pada dasarnya kapasitor merupakan alat penyimpan muatan listrik yang dibentuk dari dua permukaan (piringan) yang berhubungan, tetapi dipisahkan oleh suatu penyekat [3]. Bila elektron berpisah dari satu plat ke plat yang lain, akan terdapat muatan positif pada plat yang kehilangan elektron dan muatan negatif pada plat yang memperoleh elektron. Gambar 2.1 Rangkaian sederhana kapasitor terhubung dengan sumber DC [4] Apabila sebuah kapasitor disambungkan ke sebuah listrik DC seperti yang terlihat pada Gambar 2.1 [4], elektron-elektron akan berkumpul pada pelat yang tersambung ke terminal negatif sumber. Elektron-elektron ini akan menolak elektron-elektron yang ada pada pelat di seberangnya. Elektron-elektron yang tertolak akan mengalir menuju terminal positif sumber seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.2 [3]. Gambar 2.2 Ilustrasi pemindahan muatan dalam kapasitor [3] 5

2 Sebuah kapasitor yang disambungkan seperti ini ke sebuah sumber daya dengan seketika akan menjadi bermuatan. Tegangan antara kedua pelatnya adalah sama dengan tegangan sumber daya. Ketika kapasitor tersebut dilepaskan dari sumber daya, kapasitor tetap mempertahankan muatannya. Inilah alasan mengapa kapasitor dapat menyimpan muatannya [4] 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) [3]. Kapasitansi ini diukur berdasarkan besar muatan yang dapat disimpan pada suatu kenaikan tegangan, persamaannya dinyatakan oleh Persamaan (2.1) [3], =,, (2.1) Atau Persamaan (2.1) dapat disederhanakan menjadi Persamaan (2.2) = (2.2) Permukaan kapasitor yang berhubungan biasanya berbentuk plat rata. Ukuran kapasitor tergantung pada luas plat (A), jarak antar plat (d), dan medium penyekat. Kapasitansi dapat dihitung dengan Persamaan (2.3) [3]. = (2.3) Dimana : = = tempat yang tersedia (permitivitas tempat), berupa bilangan konstanta; 6

3 = permitivitas relatif, berupa faktor perkalian yang tergantung pada medium penyekat atau bahan dielektris yang digunakan di antara kedua plat Energi Pada Kapasitor Kapasitor dapat digunakan untuk menyimpan energi 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 ke lempeng konduktor lainnya. Energi yang tersimpan dalam kapasitor dapat dihitung dengan Persamaan (2.4) [3]. = 1 2 (2.4) Hubungan Seri dan paralel Bila sebuah kapasitor dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan DC seperti terlihat pada Gambar 2.3 [5] di bawah, maka besar kapasitas kapasitor dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.5) seperti berikut: = (2.5) Gambar 2.3 Rangkaian kapasitor sederhana [5] 7

4 Bila beberapa buah kapasitor dipasang seri dan dihubungkan dengan sumber tegangan, maka akan terjadi proses pembagian tegangan pada tiap kapasitor seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.4. Gambar 2.4 Kapasitor tersusun seri [5] Maka besar tegangan total pada rangkaian seri kapasitor di atas adalah pada Persamaan (2.6) [5]. = + + (2.6) Karena tegangan adalah muatan dibagi dengan kapasitas. = (2.7) Setelah di substitusi Persamaan (2.7) ke Persamaan (2.6) maka didapat Persamaan (2.8) seperti berikut: = + + (2.8) = + + (2.9) Atau Persamaan (2.8) dapat dituliskan dengan Persamaan (2.10). = (2.10) Sebaliknya bila beberapa kapasitor diparalelkan, maka tegangan yang terjadi di kaki tiap-tiap kapasitor akan sama, namun muatan yang diisikan ke 8

5 kapasitor akan terbagi ke masing masing kapasitor [5]. Rangkaian kapasitor terhubung paralel ke sumber daya DC diperlihatkan pada Gambar 2.5 [4]. Gambar 2.5 Kapasitor tersusun paralel [4] Maka jumlah muatan yang disimpan di dalam kapasitor tersusun paralel adalah pada Persamaan (2.11) : = + + (2.11) Karena, = (2.12) Persamaan (2.12) disubstitusikan ke dalam Persamaan (2.11) maka didapat hasil seperti Persamaan (2.13) berikut :. = (2.13) Atau Persamaan (2.13) dapat disederhanakan menjadi Persamaan (14) : = + + (2.14) Pengisian Muatan Pada Kapasitor Jika suatu kapasitor dengan kapasitansi C dihubungkan dengan suatu sumber tegangan V maka setelah beberapa waktu kapasitor akan terisi oleh muatan sebesar: =. (2.15) 9

6 Jika ada sebuah kapasitor dalam keadaan kosong dan belum dihubungkan dengan sumber tegangan seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.6 [4]. R1 S(n/o) C1 DC Gambar 2.6 Kapasitor terhubung dengan sumber tegangan Kemudian saklar ditutup sehingga kapasitor terhubung dengan sumber tegangan seperti terlihat pada Gambar 2.7 [4]. Kapasitor akan segera terisi muatan tetapi tidak langsung penuh. Perlu beberapa waktu agar kapasitor terisi penuh. R1 S(n/c) C1 DC Gambar 2.7 Pengisian Kapasitor Ketika muatan mulai memenuhi kapasitor, beda tegangan pada kaki kapasitor akan terus bertambah dan beda tegangan pada sumber akan menyamai beda tegangan pada kapasitor, hal ini akan mengakibatkan arus yang mengalir dalam rangkaian juga akan berkurang terhadap waktu. Pada suatu kapasitor terisi 10

7 muatan penuh dan tidak ada lagi aliran arus selama kapasitor tidak mengalami kebocoran diantara kedua plat [4]. Grafik dari pengisian sebuah kapasitor dapat diperlihatkan pada Gambar 2.8[3]. Gambar 2.8 Kurva pengisian dari kapasitor Saat kapasitor sedang diisi melalui sebuah sumber dc, kurva pengisiaannya adalah penaikan eksponensial seperti pada Gambar 2.8. Kurva ini bergantung kepada nilai arus pengisian serta waktu selama pengisian berlangsung. Jika muatan dalam kapasitor adalah Q dan arus rangkaian adalah i, maka dari hukum pertama Kirchoff [3] didapatkan: = 0 (2.16) = 0 (2.17) Dalam rangkaian pada Gambar 7, arus sama dengan laju peningkatan muatan kapasitor = (2.18) Dari Persamaan (2.17) didapatkan : = + (2.19) 11

8 Lalu Persamaan (2.18) disubstitusikan ke dalam Persamaan (2.19), menjadi Persamaan (2.20): = + (2.20) = (2.21) = (2.22) ( ) = (2.23) Dari Persamaan (2.23) dengan sama-sama mengkalikan kedua ruas dengan, maka didapatkan Persamaan (2.24): ( ) = (2.24) = (2.25) = (2.26) + = (2.27) Untuk persamaan tegangan dari pengisian kapasitor adalah pada Persamaan (2.28) hingga Persamaan (2.31): = (2.28) ( ) = 1 (2.29) = 1 (2.30) ( ) = 1 (2.31) Lalu untuk persamaan arus pada pengisian kapasitor adalah pada Persamaan (2.32) hingga Persamaan (2.34): 12

9 = (2.32) = (2.33) ( ) = (2.34) Tampak bahwa arus yang mengalir pada rangkaian semakin mengecil, dan arus ini disebut arus transien [6]. Pada Persamaan (2.31) tampak muatan Q dan tegangan antara kedua kaki kapasitor semakin lama semakin naik hingga pada nilai tertentu dengan kata lain kapasitor telah terisi penuh. Sedangkan pada persamaan arus pada Persamaan (2.34), bahwa semakin lama semakin mengecil hingga nol yang menandakan bahwa kapasitor telah terisi penuh [6] Pengosongan Muatan Pada Kapasitor Jika ada sebuah kapasitor dalam keadaan penuh dan belum dihubungkan dengan beban R seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.8 [4]. Sehingga tegangan antara kedua kaki kapasitor adalah seperti diperlihatkan pada Persamaan (2.35): = (2.35) Gambar 2.9 Kapasitor terhubung ke beban 13

10 Ketika saklar ditutup seperti pada Gambar 2.9, maka muatan dalam kapasitor akan segera mengalir dalam rangkaian. Hal ini mengakibatkan muatan dalam kapasitor berkurang. Muatan yang bergerak dalam rangkaian tak lain adalah arus listrik yang mengalir. Gambar 2.10 Kapasitor terhubung seri ke beban Grafik dari pengosongan dari sebuah kapasitor dapat kita lihat dari Gambar 2.11[3]. Gambar 2.11 Kurva pengosongan dari kapasitor Saat kapasitor sedang melepaskan muatan melalui sebuah tahanan yang terhubung seri dengan kapasitor, maka kurva pengosongan kapasitor adalah penurunan ekponensial yang ditentukan oleh nilai tahanan dari resistor. Besarnya arus yang mengalir sama dengan laju pengurangan muatan seperti pada Persamaan (2.35): 14

11 = (2.36) Penurunan rumus dapat dilihat dari Persamaan (2.19) hingga Persamaan (2.27), lalu untuk persamaan tegangan pada kedua kaki kapasitor dijelaskan oleh Persamaan (2.37): = (2.37) Kemudian untuk persamaan arus yang mengalir dalam rangkaian dijelaskan pada Persamaan (2.38): = (2.38) 2.2 Superkapasitor Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan dari alternatif penyimpanan energi menjadi lebih penting dari biasanya. Media penyimpanan energi telah menarik perhatian oleh banyak peneliti [7]. Baterai dan superkapasitor sejauh ini adalah komponen penyimpanan energi. Berdasarkan keuntungan dalam teknologi dan peningkatan kapasitas penyimpanan energi, sistem ini mulai dipertimbangkan untuk sistem penyimpanan energi pada Pembangkit Listrik Energi Terbarukan [8]. Baterai mampu dalam menyediakan energi yg besar, namun kurang dalam hal kerapatan daya. Superkapasitor menyediakan kerapatan daya yang besar dan kurang dalam menyimpan energi dibandingkan baterai, hal ini diperlihatkan pada Gambar 2.12 [9] yang merupakan gambar perbandingan antara kerapatan daya dan kerapatan energi. 15

12 Gambar 2.12 Gambar Ragone Penggunaan bersama kedua komponen ini menciptakan keseimbangan yang sempurna untuk banyak aplikasi seperti UPS(Uninterruptible Power Supply). Ketika beban tiba-tiba berubah dapat ditangani oleh superkapasitor dan baterai dapat menangani beban yang konstan [10-11]. Superkapasitor merupakan suatu kapasitor dengan nilai kapasitansi yang jauh lebih besar dari kapasitor biasa [12]. Hal yang membedakan superkapasitor dengan kapasitor biasa adalah pada strukturnya, pada superkapasitor elektroda yang dipakai berbasis pada material karbon, tidak seperti kapasitor biasa yang menggunakan metal. Selain itu, tidak seperti kapasitor konvensional, kedua elektroda tidak dipisahkan oleh dielektrik, efek kapasitansi superkapasitor muncul akibat dua layer substrat karbon yang terpisah pada jarak yang sangat kecil di skala nanometer, oleh sebab itu superkapasitor disebut juga dengan Electric Double Layer Capacitor(EDLC). Luas permukaan eletroda pada superkapasitor dapat diperbesar karena range dari jarak antara layer superkapasitor berada pada skala nanometer, sehingga didapat suatu kapasitansi yang besar untuk ukuran divais yang sama dengan kapasitor konvensional [13]. Strukutur dari sebuah superkapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.13 dimana kutub katoda dan anoda yang merupakan Collector dipisahkan oleh sebuah Separator. 16

13 Gambar 2.13 Struktur dari Superkapasitor Perbedaan antara superkapasitor kapasitor - baterai Superkapasitor dikenal juga dengan ultrakapasitor, kapasitor dua lapisan listrik-kimia. Superkapasitor memanfaatkan material permukaan elektroda yang besar dan dielektrik elektrolit yang tipis untuk mendapatkan kapasitansi yang lebih besar nilainya dari kapasitor konvensional biasa [14]. Gambar dari diagram superkapasitor diperlihatkan oleh Gambar 2.14 [14]. Gambar 2.14 Diagram dari konstruksi superkapasitor [14] Superkapasitor dapat menyimpan lebih banyak energi daripada kapasitor konvensional dan memiliki kerapatan energi yang lebih besar dari baterai. Superkapasitor bekerja berdasarkan prinsip dari kapasitansi dua lapisan pada permukaan elektroda/elektrolit dimana listrik diisi dengan mengakumulasi pada 17

14 permukaan elektroda dan ion-ion dari seberang akan mengisi pada permukaan elektrolit. Seperti pada baterai, superkapasitor memiliki sebuah elektrolit didalamnya, memisahkan bagian plat-platnya, dimana ini lebih mirip elektrolit pada baterai daripada dielektrik pada kapasitor konvensional (yang mana mungkin hanya potongan plastik atau hanya udara). Perbandingan antara kapasitor konvensional, baterai dan superkapasitor diperlihatkan pada Tabel 2.1. Tabel 2.1 Perbandingan antara baterai, kapasitor konvensional dan superkapasitor Rangkaian Ekuivalen Superkapasitor Karakteristik elektrik dari sebuah superkapasitor adalah lebih komplek dari sebuah kapasitor konvensional. Kapasitor konvensional yang ideal menyimpan dan mengubah semua energi tanpa adanya rugi-rugi [15]. Namun sebenarnya kapasitor konvensional akan mengalami rugi-rugi berdasarkan tahanan dalam dan arus bocor. Rangkaian ekuivalen untuk kapasitor konvensional dapat juga diterapkan pada superkapasitor. Bentuk asli dari rangkaian ekuivalen superkapasitor diperlihatkan pada Gambar 2.15 [16]. 18

15 Gambar 2.15 Rangkaian ekuivalen superkapasitor Rangkaian tersebut terdiri dari 4 elemen rangkaian ideal, kapasitansi dalam (C), sebuah tahanan seri Rs (ESR), tahanan paralel (Rp) dan induktor (L). Tahanan seri (ESR) memberikan rugi energi selama pengisian dan pengosongan. Tahanan paralel (Rp) membuat rugi energi berdasarkan pengosongan kapasitor itu sendiri. Komponen terakhir, sebuah induktor kecil (L) merupakan hasil dari konstruksi fisik dari superkapasitor. Tahanan paralel (Rp) sangat mungkin bisa diabaikan karena pada waktu percobaan berlangsung Rp sangat kecil dibandingkan waktu pengosongan superkapasitor sendiri. Dan juga arus pengisian dan pengosongan superkapasitor hanya berasal dari DC, maka induktor (L) juga bisa diabaikan. Hasil dari rangkaian ekuivalen yang lebih sederhana dari superkapasitor diperlihatkan oleh Gambar Gambar 2.16 Rangkaian ekuivalen superkapasitor yang disederhanakan 19

16 2.3 Baterai Baterai merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Perubahan ini dilakukan dengan memanfaatkan prinsip transfer elektron dari satu material ke material lainnya melalui sirkuit elektrik. Baterai saat ini banyak digunakan sebagai sumber suplai tenaga listrik bagi perangkat-perangkat elektronik, sehingga perangkat elektronik dapat digunakan tanpa harus menghubungkannya secara langsung dengan sumber listrik. Energi listrik yang dihasilkan oleh baterai berasal dari konversi energi kimia karena di dalamnya terjadi reaksi reduksi-oksidasi (redoks) [10]. Seperti yang telah dijelaskan, baterai mengubah energi kimia menjadi energi listrik karena terjadi reaksi redoks dalam sel nya. Maka dari itu komponen penyusun baterai itu sendiri tersusun atas elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan larutan elektrolit seperti Gambar 2.17 [17]. Gambar 2.17 Sel Baterai Gambar 2.17 memperlihatkan bagaimana aliran elektron dari sebuah baterai yang digunakan untuk menyalakan sebuah lampu. Katoda merupakan bagian dimana terjadi proses oksidasi sedangkan anoda merupakan bagian dimana terjadinya proses reduksi. Sedangkan larutan elektrolit merupakan satu medium transfer elektron antara katoda dan anoda. Sehingga dengan adanya tiga komponen 20

17 utama tersebut, reaksi redoks dapat berlangsung dan bisa mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Pada penelitian ini, yang akan diujikan adalah baterai tipe Lithium-ion yang biasa digunakan sebagai baterai untuk smartphone yang sekarang sudah beredar sangat banyak di pasaran. Dan ada tipe baterai lain yaitu Lead-acid. Pada Gambar 2.18 akan dijelaskan mengenai perbedaan antara baterai tipe Lithium-ion dengan baterai tipe Lead-acid. Gambar 2.18 Perbedaan antara baterai Lithium-ion dan baterai Lead-acid 21