lr01 - charge discharge

Laporan Praktikum

Nama/NPM: Asteri Nursyamsiyah Purnomo / 1406531063Fak/Prog. Studi: Teknik / Teknik ElektroGroup & Kawan Kerja: 131. Muhammad Rully Syahputra2. Vioni Dwi Sartika3. Mohamad Aufar Ghaizani4. Faris Adnan5. Debby Rachel6. Haris Pradhikto7. Ananda Santia Citra DewiNo&Nama Percobaan: LR01 Charge DischargeMinggu Percobaan: Pekan 1Tanggal Percobaan: Senin, 14 September 2015Nama Asisten:

Laboratorium Fisika DasarUPP IPDUniversitas Indonesia

Pengisian dan Pelepasan Muatan di Kapasitor

I. Tujuan

Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan

II. Peralatan

Kapasitor Resistor Amperemeter Voltmeter Variable power supply Camcorder Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

III. Teori

Pada rangkaian arus searah seperti pada Gbr.1, kapasitor akan menjadi hambatan tak hingga. Hanya saat rangkaian dibuka dan ditutp, arus akan mengalir. Saat rangkaian tertutup, arus akan mengakibatkan kapasitor dimuati hingga saa dengan tegangan yang diberikan sebesar V0. Sebaliknya, kapasitor akan melepaskan muatan melalui resistor saat rangkaian dibuka. Karakteristik tegangan pada kapasitor dapat diterangkan dengan fungsi eksponensial.V(t)Vc

Gbr.1. Rangkaian kapaitor dan resisitor arus searahBesar tegangan saat rangkaian terbuka adalah(1)Dengan adalah konstanta waktu [s]. Konstanta waktu atau waktu paruh adalah waktu yang dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi yang ditentukan dari besar hambatan dan kapasitans(2)Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah(3)Penurunan tegangan akan melambat sebanding dengan waktu. Tegangan kapasitor Vc(t) turun secara asimtotik menjadi nol. Kurva karakteristik ini dapat dilihat pada Gbr. 2Konstanta 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.

Gbr. 1 Kurva pengisian dan pengosongan dari kapasitor serta penentuan konstanta waktuPada percobaan di R-Lab akan digunakan 4 buah model rangkaian , yaitu Model 1 , 2 , 3 dan 4. Untuk Model 1 dan 3 mengunakan kapasitor dengan kapasitas yang sama, Untuk Model 2 dan 4 menggunakan kapasitor dengan kapasitas yang sama.

Teori Tambahan:Sifat-sifat kapasitor pada umumnya : Kapasitor terhadap tegangan dc merupakan hambatan yang sangat besar. Kapasitor terhadap tegangan ac mempunyai resistansi yang berubah-ubah sesuai dengan frequency kerja. Kapasitor terhadap tegangan ac akan menimbulkan pergeseran fasa, dimana arus 90 mendahului tegangannya.Resistansi dari sebuah kapasitor terhadap tegangan ac disebut reaktansi. Disimbolkan dengan Xc, besarnya reaktansi kapasitor ditulis dengan rumus : Xc = 1/2fcDimana : Xc = Reaktansi kapasitif (ohm) f = frekuensi kerja rangkain dalam satuan hertz c = kapasitansi (farad) Kapasitansi Pada Rangkaian Kapasitor Besarnya kapasitansi atau kapasitas total (Ct) pada kapasitor yang dirangkai seri seperti gambar dibawah dapat dirumuskan sebagai berikut.

Untuk kapasitor yang dirangkai seri nilai kapasitansi atau kapasitas total (Ct) untuk rangkaian seperti berikut adalah.

Pengisian Dan Pengosongan Kapasitor Saat pengisian dan pengosongan muatan pada kapasitor, lamanya pengisian dan pengosongan muatannya tergantung dari besarnya nilai resistansi dan kapasitansi yang digunakan pada rangkaian. Pada saat saklar menghubungkan ketitik 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 titik 2 maka terjadi proses pengosongan. Seperti yang ditunjukan pada gambar dibawah.

Tegangan kapasitor menurun, arah arus berlawanan dari arah pengisian. Tegangan pada R menjadi negatif dan berangsur-angsur tegangannya menjadi 0 volt. Pengisian dan pengosongan masing-masing memerlukan 5 R.C (time constan).

IV. Prosedur Eksperimen Eksperimen rLab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di bagian bawah halaman ini. 1. Mengaktifkan Web cam. 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.

V. Data PercobaanData percobaan yang praktikan peroleh pada praktikum LR01 ini ada 120 data dengan berbagai model. Model 1WaktuICVC

13.981.02

23.181.82

32.552.45

42.042.96

51.643.36

61.313.69

71.053.95

80.844.16

90.674.33

100.534.47

110.424.58

120.334.67

130.254.75

140.194.81

150.144.86

163.903.90

173.153.15

182.552.55

192.072.07

201.681.68

211.371.37

221.111.11

230.910.91

240.740.74

250.610.61

260.490.49

270.410.41

280.330.33

290.270.27

300.220.22

Model 2WaktuICVC

111.181.42

28.052.42

35.803.14

44.183.66

53.014.04

62.154.31

71.534.51

81.074.66

90.734.77

100.474.85

110.314.90

120.154.95

130.064.98

140.005.00

150.005.00

1611.473.67

178.432.70

186.231.99

194.631.48

203.441.10

212.550.82

221.910.61

231.440.46

241.070.34

250.810.26

260.610.20

270.460.15

280.350.11

290.260.08

300.200.06

Model 3WaktuICVC

12.692.31

21.583.42

30.944.06

40.574.43

50.334.67

60.194.81

70.104.90

80.044.96

90.005.00

100.005.00

110.005.00

120.005.00

130.005.00

140.005.00

150.005.00

162.892.89

171.751.75

181.091.09

190.690.69

200.440.44

210.290.29

220.200.20

230.130.13

240.090.09

250.060.06

260.050.05

270.030.03

280.020.02

290.020.02

300.010.01

Model 4WaktuICVC

16.462.93

22.994.04

31.414.55

40.644.79

50.244.92

60.054.99

70.005.00

80.005.00

90.005.00

100.005.00

110.005.00

120.005.00

130.005.00

140.005.00

150.005.00

167.182.30

173.561.14

181.850.59

190.990.32

200.570.18

210.340.11

220.210.07

230.140.04

240.090.03

250.060.02

260.050.01

270.030.01

280.030.01

290.020.00

300.020.00

VI. Pengolahan Data

1. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengisian kapasitor untuk tiap model rangkaian yang digunakan.

Dari percobaan yang dilakukan praktikan secara Rlab, maka jika dibuat grafik hubungan antara V dengan t saat pengisian kapasitor yaitu pada waktu t = 1 sekon sampai t= 15 sekon untuk tiap model, didapatkan hasil sebagai berikut:

a. Model 1

Grafik pengisian kapasitor untuk hubungan antara tegangan (V) dengan waktu (t) :

Grafik 1. Hubugan Tegangan (V) dengan Waktu (t) untuk Model 2

b. Model 2 Grafik pengisian kapasitor untuk hubungan antara tegangan (V) dengan waktu (t) :


c. Model 3



d. Model 4



2. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengosongan kapasitor untuk tiap model rangkaian yang digunakan.

Dari percobaan yang dilakukan praktikan secara Rlab, maka jika dibuat grafik hubungan antara V dengan t saat pengosongan kapasitor yaitu pada waktu t = 16 sekon sampai t = 30 sekon untuk tiap model, didapatkan hasil sebagai berikut:

a. Model 1 Grafik pengosongan kapasitor untuk hubungan antara tegangan (V) dengan waktu (t) :


b. Model 2 Grafik pengosongan kapasitor untuk hubungan antara tegangan (V) dengan waktu (t) :


c. Model 3

Grafik pengosongan kapasitor untuk hubungan antara tegangan (V) dengan waktu (t) :


d. Model 4 Grafik pengosongan kapasitor untuk hubungan antara tegangan (V) dengan waktu (t) :


3. Menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian kapasitor berdasarkan kurva yang dibuat dan besar konstanta waktu yang dihitung dari nilai kompenen R dan C kemudian membandingkan hasilnya. Setelah memperoleh persamaan garis dari kurva untuk setiap model baik saat pengisian maupun pengosongan, maka untuk mengitung konstanta waktu dari rangkaian kapasitor sebagai berikut :

a. Model 1

Berdasarkan grafik pengisian kapasitor diatas, persamaan eksponensial yang didapatkany = 1.7821e0.0832xMaka, untuk mencari besar konstanta waktu dari rangkaian pengisian model I adalah

=0 (1/)=0.0832

Karena x adalah variable yang menunjukkan waktu t, maka x dapat diganti dengan t,= 0.0832t = 0.0832 = = 12,02 s

Sedangkan berdasarkan grafik saat pengosongan kapasitor diatas, maka persamaan eksponensial yang didapatkan

y = 4.7066e-0.205xMaka, untuk mencari besar konstanta waktu dari rangkaian pengosongan model I adalah =0 (1/)=0.205

Karena x adalah variable yang menunjukkan waktu t, maka x dapat diganti dengan t,

= 0.205t = 0.205 = = 4.88 s

b. Model 2

Berdasarkan grafik pengisian kapasitor diatas, persamaan eksponensial yang didapatkan :

y = 2.4127e0.0627xMaka, untuk mencari besar konstanta waktu dari rangkaian pengisian model 2 adalah =0 (1/)=0.0627


= 0.0627t = 0.0627 = = 15.95 s

Sedangkan berdasarkan grafik saat pengosongan kapasitor diatas, maka persamaan eksponensial yang didapatkan:

y = 4.7798e-0.291x

Maka, untuk mencari besar konstanta waktu dari rangkaian pengosongan model 2 adalah =0 (1/)=0.291


= 0.291t = 0.291 = = 3.44 s

c. Model 3


y = 3.4209e0.034x

Maka, untuk mencari besar konstanta waktu dari rangkaian pengisian model 3 adalah

=0 (1/)=0.034


= 0.034t = 0.034 = = 29.41 s


y = 3.4107e-0.391x

Maka, untuk mencari besar konstanta waktu dari rangkaian pengosongan model 3 adalah

=0 (1/)=0.0391


= 0.0391t = 0.0391 = = 25.57 s

d. Model 4


y = 3.9985e0.0204x

Maka, untuk mencari besar konstanta waktu dari rangkaian pengisian model 4 adalah

=0 (1/)=0.0204


= 0.0204t = 0.0204 = = 49.02 s


y= -0.0993x + 1.1166

Dari hasil kurva telah diketahui bahwasannya dalam persamaan grafik pengosongan model 4 tidak ditemukan persamaan ekponensialnya, maka besar konstantanya tidak dapat ditemukan.

VII. Analisis Percobaan

A. Analisis Prosedur dan Data

Pada percobaan R-Lab modul LR01 dengan judul Charge Discharge ini, digunakan suatu rangkaian RC dalam menganalisis karakteristik dari tegangan kapasitor pada dua proses utama yaitu pengisian tegangan dan pengosongan tegangan. Model rangkaian yang diberikan bervariasi dan terdiri dari 4 model yang berbeda.

Langkah-langkah dan prosedur yang terdapat dalam percobaan ini mudah untuk dilakukan karena dipraktekkan melalui jaringan online yang tidak mengharuskan praktikan berada langsung di dalam lab dan menggunakan peralatan-peralatan praktikum secara langsung. Dengan meng-klik tombol ukur pada situs digital laboratory, praktikan langsung mendapatkan data sebanyak 120 buah, dimana masing-masing rangkaian diambil data sebanyak 30 kali. Pada percobaan ini, data yang didapatkan untuk mengukur arus dan tegangan tidak tetap atau bervariasi terhadap waktu. Halini dikarenakan adanya pengisian dan pengosongan pada kapasitor di dalam rangkaian tersebut. Secara umum data yang diperoleh dibedakan menjadi 3 variabel yang berbeda, yaitu waktu/sekon (s), arus kapasitor/IC (mA), dan tegangan kapasitor/VC (volt).

Dalam melakukan analisis data, praktikan akan menjelaskan perlunya mengambil data sebanyak tiga puluh kali untuk setiap model rangkaian. Tujuan dari pengambilan data sebanyak tiga puluh kali tersebut adalah untuk memperoleh gambaran rinci akan kenaikan atau penurunan yang terjadi, baik pada arus maupun tegangan kapasitor. Selain itu, hal ini juga bertujuan untuk memperkecil error yang mungkin ditimbulkan pada saat percobaan maupun saat perhitungan data. Melalui data tersebut, praktikan juga dapat lebih mudah menganalisis bentuk kurva eksponensial yang terbentuk, sehingga variable-variable yang sebelumnya tidak diketahui, dapat diketahui, sebagai contoh yaitu konstanta waktu. Apabila ditelaah lebih lanjut, kecukupan data yang diperoleh (yaitu sejumlah tiga puluh untuk masing-masing model rangkaian) terlihat pada grafik-grafik yang terbentuk pada bagian pengolahan dan evaluasi sebelumnya. Dapat diamati bahwa pada pengambilan data diakhir rentang waktu, grafik cenderung lebih stabil dan rata (tidak ada kenaikan dan penurunan yang berarti). Berikut analisis pada saat pengisian dan pengosongan kapasitor.

Pada saat pengisian kapasitorNilai tegangan kapasitor semakin lama semakin meningkat sementara arus yang mengalir dalam rangkaian semakin kecil. Hal ini dapat dimengerti bahwa pada rangkaian tertutup terjadi pengisian kapasitor hingga mencapai keadaan tunak, yaitu dimana arus yang mengalir menjadi nol, berarti kapasitor telah penuh dimuati oleh arus. Tegangan kapasitor ini akan terus membesar jika tegangan sumber yang digunakan juga besar, dimana electron-elektron pada keeping ditarik oleh kutub positif baterai dan dilanjutkan ke keping lain dari kapasitor, sehingga kapasitor menjadi bermuatan.

Pada saat pengosongan kapasitorPada saat pengosongan ini baik arus dan tegangan yang mengalir dalam rangkaian semakin kecil seiring dengan penambahan waktu. Pada saat pengosongan ini muatan pada kapasitor dilepaskan dan dialirkan ke dalam rangkaian, mula-mula arus yang dihasilkan besar. Akan tetapi seiring berjalannya waktu arus semakin lama akan semakin kecil. Hal ini juga disertai dengan penurunan tegangan dalam rangkaian . Penurunan arus yang disertai dengan penurunan tegangan ini sesuai dengan Hukum Kirchoff, dimana tegangan berbanding lurus dengan arus.

B. Analisis Grafik dan Perhitungan

Dapat dilihat setiap grafik pada tiap model saat pengisian memiliki bentuk yang berbeda-beda karena model yang diberikan berbeda-beda pula. Berdasarkan sumber yang praktikan peroleh bahwasannya jika menggunakan kapasitor dengan tegangan AC ada dua kemungkinan yang bisa kita peroleh yakni nilai kapasitor akan lebih besar dan membuat proses pengisian menjadi lambat sehingga kapasitor baru terisi sedikit, supply tegangan sudah berbalik ke siklus sebaliknya, kemungkinan kedua nilai kapasitor yang lebih kecil akan membuat proses pengisan menjadi lebih cepat, sehingga kapasitor telah terisi penuh sebelum siklus selanjutnya dan pada kondisi kapasitor yang penuh arus tidak akan bisa melewati kapasitor dikarenakan adanya keseimbangan. Sedangkan jika dipasang dengan cara kapasitor dengan menggunakan hambatan seri maka arus listrik yang akan mengalir melalui kapasitor dan akan berlanjut ke resistor. Sehingga jika kapasitor belum terisi penuh maka arus listrik akan tetap mengalir pada rangkaian tersebut, yang mengasilkan nilai arus kecil. Jika pada pengisian tegangan pada kapasitor bernilai kecil, maka sisa tegangan yang lebih besar jatuh pada resistor, sebaliknuya pada saat kapasitor sudah terisi penuh maka tegangan yang jatuh pada resistor akan bernilai 0 volt dikarenakan tidak ada lagi arus yang mengalir pada rangkaian.

Maka dari itu persamaan eksponensialnya baik saat pengisian maupun pengosongan memiliki nilai yang berbeda-beda. Begitu juga waktu pada setiap rangkaian kapasitor berbeda-beda pula. Namun, pada model 4 saat pengosongan kapsitor praktikan tidak memperoleh waktu pada rangkaian kapasitor tersebut karena tegangan yang diperoleh semakin menurun menuju nol. Karena berdasarkan sumber yang praktikan peroleh semakin besar nilai hambatan yang kita gunakan maka semakin lama pula waktu yang diperlukan untuk pengisian muatan pada kapasitor. Sehingga ada hubungan antara tegangan dengan waktu yang dimana semakin besar waktunya maka e nya juga akan semakin besar.

Pada praktikum kali ini tidak diketahui berapa nilai dari kapasitas kapasitor dan resistor yang digunakan, sehingga nilai dari konstanta waktu tidak dapat dicari dengan menggunakan perhitungan sebagai pembanding partikan jika menggunakan persamaan eksponensialnya yang diperoleh dari kurva. Penyebabnya yaitu masalah yang terjadi pada web cam saat pengambilan data R-Lab (error) dan tidak dapat dinyalakan. Jadi, nilai koefisien waktu hanya didapatkan melalui perhitungan dengan data grafik tegangan terhadap waktu.

VIII. Kesimpulan1. Tegangan kapasitor akan naik pada saat proses pengisian kapasitor.2. Tegangan kapasitor akan turun hingga sama dengan nol pada saat proses pengosongan kapasitor.3. Jika pada kapasitor yang menggunakan arus bolak balik nilai kapasitor yang dihasilkan adalah kecil sehingga arus tidak bisa melewati kapasitor tersebut. Hal ini juga dikarenakan kapasitor sudah terisi penuh jauh sebelum siklus sinyal selanjutnya. 4. Pada pengosongan kapasitor nilai waktu lebih kecil daripada nilai waktu pada saat pengisian kapasitor.

IX. ReferensiGiancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engeeners, Third Edition, Prentice Hall, NJ, 2000. Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.

lr01 - charge discharge

Documents