Apakah itu kapasitor dan bagaimana ia berfungsi7 min read

Kapasitor adalah antara komponen elektronik yang paling kerap digunakan selepas perintang. Kapasitor memainkan peranan penting dalam elektronik kita hari ini yang akan dibincangkan di dalam artikel ini. Artikel ini akan menerangkan dengan lebih mendalam apakah itu kapasitor dan bagaimana ia berfungsi.

Apakah itu Kapasitor?

Kapasitor adalah sebuah komponen elektronik yang digunakan untuk menyimpan tenaga dalam bentuk tenaga elektrik. Sama seperti bateri yang juga berfungsi untuk menyimpan tenaga, namun kapasitor direka untuk dicas dan nyahcas dalam kadar yang sangat laju. Berbeza dengan bateri yang direka untuk dinyahcas dalam kadar yang perlahan untuk jangka masa yang lama. Perbezaan lain antara bateri dan kapasitor juga adalah bateri mempunyai kapasiti penyimpanan tenaga yang jauh lebih besar (10 000 kali ganda) berbanding dengan kapasitor.

Berbanding dengan perintang yang mengambil tenaga elektrik dan membuang tenaga tersebut dalam bentuk haba, kapasitor hanya menyimpan dan menyalurkan balik tenaga ke dalam litar, tiada tenaga dibazirkan. Kapasitor menyimpan tenaga tersebut dalam bentuk medan elektrostatik antara kedua-dua plat konduktornya.

Binaan dalam kapasitor terdiri daripada dua plat konduktor yang disusun rapat, namun tidak bersentuh antara satu sama lain. Plat konduktor tersebut kebiasannya diperbuat daripada bahan aluminum, tantalum atau bahan logam lain. Dibahagian tengah antara kedua dua plat tersebut terdapat bahgian tertebat yang dikenali sebagai bahan dielectric (dielectric material). Contoh bahan dielektrik tersebut seperti gelas, seramik, filem plastik, kertas, mika, udara atau apa-apa yang boleh menghalang arus elektrik. Eh, kenapa nak halang? Macamana arus elektrik nak lalu kalau alirannya dihalang oleh penebat diantara plat kapasitor tersebut? Mari kita lihat bagaimana kapasitor ini berfungsi untuk menjawab persoalan tadi.

Bagaimana kapasitor berfungsi?

Pengasingan cas atau mengecas kapasitor

Plat logam kapasitor yang tidak disambungkan dengan apa-apa mempunyai cas neutral, iaitu ia mempunyai jumlah cas positif dan cas negatif yang sama. Apabila kita sambungan kaki kapasitor kepada sumber kuasa atau bateri, arus elektrik akan mengalir antara plat kapasitor dan terminal bateri. Secara spesifiknya, elektron (cas negatif) daripada terminal negatif bateri akan mengalir ke plat kapasitor yang bersambung dengannya manakala elektron daripada plat kapasitor yang bersambung dengan terminal positif bateri akan mengalir ke terminal positif bateri tersebut.

Hasil daripada kedua-dua proses tadi, terdapatnya pengasingan cas kepada kedua-dua plat kapasitor tersebut. Dalam erti kata lain, satu plat mempunyai cas positif yang banyak manakala lagi satu plat mempunyai cas negatif yang sedikit. Proses pengasingan cas ini berlaku disebabkan terdapat bahagian dielektrik di tengah-tengah plat tersebut menyebabkan cas elektrik tidak dapat ‘melompat’ dari satu plat ke satu plat yang lain. Haa sebab itulah penebat dielektrik di tengah-tengah plat penting yang menghalang arus elektrik. Tanpa bahan dielektrik tersebut atau jika plat tersebut bersambung, cas dapat mengalir antara plat tersebut maka tiadalah pengasingan cas akan berlaku, ia akan menjadi seperti wayar biasa. Terjawablah persoalan kita tadi.

Proses nyahcas kapasitor

Tetapi, mesti ada terfikir kalau kapasitor menghalang arus elektrik, bagaimana kita nak gunakan dia di dalam litar? Begini, apabila bateri tidak mempunyai tenaga yang mencukupi untuk menolak elektron yang baru ke plat kapasitor, kita boleh panggil kapasitor itu telah dicas sepenuhnya. Satu plat mempunyai cas positif, lagi satu plat mempunyai cas negatif. Disebabkan ini, akan terhasilnya medan elektrik kerana terdapat daya tarikan elektrik antara plat yang bercas positif dan plat yang bercas negatif. Elektron yang berada di dalam plat negatif akan tertarik kepada plat positif, sama cas positif yang tertarik kepada elektron di plat negatif. Pada takat kapasitor dicas sepenuhnya, tiada lagi arus elektrik akan mengalir. Eh? Kenapa kita guna kapasitor kalau lepas ianya dicas sepenuhnya, tiada arus mengalir?

Ini kerana, kita akan sambungkan kapasitor di dalam litar dalam cara ianya akan nyahcas apabila diperlukan. Bila beban disambungkan ke kakai kapasitor, cas yang tersimpan di plat kapasitor tadi akan mengalir untuk memberi tenaga elektrik kepada beban tersebut. Jika beban tersebut adalah LED, maka tenaga elektrik yang disimpan tadi akan ditukarkan kepada tenaga cahaya. Manakala, jika beban tersebut adalah perintang, maka tenaga elektrik akan ditukarkan kepada tenaga haba, sehingalah cas yang disimpan di plat kapasitor tadi habis digunakan atau plat tersebut kembali bercas neutral. Kita boleh menyimpan tenaga semula dengan mengecas kapasitor tersebut.

Matematik di dalam kapasitor

Ok, sekarang kita telah tahu asas bagaimana kapasitor berfungsi. Sekarang, kita lihat dari segi matematik, bagaimana kapasitor ini diukur. Kebolehan untuk kapasitor menyimpan cas elektrik pada kedua-dua platnya dipanggil kapasitans (capacitance). Unit bagi kapasitans adalah Farad [F], dinamakan sempena ahli fizik Inggeris, Michael Faraday. Kapasitans adalah nisbah cas (Q) yang disimpan kepada voltan (V) yang dikenakan keatas plat tersebut:

C=\frac{Q}{V}

Jumlah cas yang disimpan pada plat boleh ditentukan dengan menyusun semula persamaan diatas menjadi Q=CV, dan unitnya dalam Coulumb.

Satu Farad adalah bila satu Coulumb cas disimpan pada plat bervoltan satu Volt. Perlu diingat satu Farad adalah satu unit yang sangat besar bagi kapasitor. Kebiasannya nilai kapasitans berada di dalam jurang mikro-farad, nano-farad dan sekecil pico-farad.

Nilai kapasitans juga bergantung kepada keluasan plat kapasitor (A) dan juga jarak antara kedua-dua plat tersebut (d), berdasarkan persamaan tersebut:

C= ε\frac{A}{d}

Dimana ε adalah ketelusan bahan dilektrik (permittivity of dielectric). Lain bahan dielektrik mempunyai lain nilai ε.

Berdasarkan persamaan diatas, kita boleh lihat semakin besar keluasan plat kapasitor, semakin besar nilai kapasitans. Ini kerana lebih banyak cas boleh disimpan di dalam plat yang lebih besar. Manakala, semakin jauh jarak antara kedua-dua plat tersebut, semakin kecil nilai kapasitans kerana medan elektrik dihasilkan adalah kecil.

Kegunaan dan aplikasi kapasitor

Kapasitor decoupling

Juga dikenali sebagai kapasitor bypass, ia boleh dikatakan sebagai tangki tenaga. Sama dengan tangki air, kapasitor decoupling digunakan jika arus elektrik yang stabil diperlukan contohnya pada litar bersepadu. Kadang kala, isyarat elektrik tidak sentiasa stabil dan terdapat hingar atau noise. Isyarat yang tidak stabil ini akan menyebabkan komponen lain (litar bersepadu contohnya) kehilangan kuasa jika signal voltan jatuh atau meningkat dengan mendadak. Oleh itu, tugas kapasitor decoupling ini adalah untuk menyimpan tenaga lebihan dan melepaskan tenaga tersebut jika voltan jatuh dari paras yang ditetapkan.

Menghalang isyarat Arus Terus (DC) dan membenarkan isyarat Arus Ulang Alik (AC)

Disebabkan terdapatnya bahan tertebat iaitu bahan dielektrik pada tengah-tengah antara plat kapasitor, isyarat elektrik arus terus tidak dapat mengalir melalui kapasitor jika kapasitor tersebut telah dicas sepenuhnya. Namun, isyarat elektrik arus ulang alik mampu melepasi kapasitor kerana terminal positif dan negatif di dalam arus ulang alik sentiasa berubah setiap kitaran. Elektron akan sentiasan mengecas dan nyahcas plat kapasitor di dalam arus ulang alik. Oleh itu tiada masalah untuk arus elektrik ulang alik melepasi kapasitor.

Di dalam litar elektronik seringkali terdapat isyarat elektrik yang bercampur iaitu isyarat arus terus ditambah pada isyarat ulang alik. Ini dipanggil DC offset dan boleh dibuang dengan meletakkan kapasitor dalam sambungan siri. Hasilnya, hanya sinal arus terus (AC) dibenar melepasi kapasitor tersebut.

Penapis elektronik

Dalam aplikasi elektronik komunikasi contohnya memerlukan untuk kita memproses isyarat elektrik ulang alik yang mempunnyai pelbagai frekuensi. Dalam theori penjelmaan Fourier (Fourier Transform), suara kita atau ton muzik misalnya boleh dipecahkan kepada beberapa komponen frekuensi isyarat ulang alik. Dalam aplikasi elektronik komunikasi yang memproses suara atau isyarat analog lain memerlukan penapis elektronik untuk penapis isyarat ulang alik berdasarkan frekuensi yang diingini. Terdapat beberapa jenis penapis iaitu:

1. Laluan jalur rendah- Low-pass filter (membenarkan komponen frekuensi rendah)
2. Laluan jalur tinggi- High-pass filter (membenarkan komponen frekuensi tinggi)
3. Penapis lintasan jalur- Bandpass filter (membenarkan jurang frekuensi tertentu)
4. Penapis takuk- Notch filter (menghalang jurang frekuensi tertentu)

Konklusi

Secara ringkas, kapasitor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan tenaga dalam bentuk medan elektrostatik. Kita boleh anggap ianya seperti tangki di rumah kita yang menyimpan air dan memastikan aliran air keluar dengan lancar jika terdapat gangguan sementara pada paip air utama.

Bacaan Lanjut

https://learn.adafruit.com/circuit-playground-c-is-for-capacitor/what-is-a-capacitor

https://www.electronics-tutorials.ws/capacitor/cap_1.html

Dapatkan set kapasitor