Apa itu Rangkaian Kapasitor Murni

Rangkaian Kapasitor Murni

Rangkaian yang terdiri hanya dari kapasitor murni dengan kapasitansi C (diukur dalam farad) disebut Rangkaian Kapasitor Murni. Kapasitor menyimpan energi listrik dalam medan elektrik, sifat ini dikenal sebagai kapasitansi (juga disebut "kondenser"). Dari segi struktur, kapasitor terdiri dari dua pelat konduktif yang dipisahkan oleh medium dielektrik—bahan dielektrik umum termasuk kaca, kertas, mika, dan lapisan oksida. Dalam rangkaian kapasitor AC ideal, arus mendahului tegangan dengan sudut fase 90 derajat.

Ketika tegangan diterapkan pada kapasitor, medan elektrik terbentuk antara pelat-pelatnya, tetapi tidak ada arus yang melewati dielektrik. Dengan sumber tegangan AC yang berfluktuasi, aliran arus berkelanjutan terjadi karena proses pengisian dan pengosongan siklik kapasitor.

Penjelasan dan Turunan Rangkaian Kapasitor

Kapasitor terdiri dari dua pelat yang terisolasi dan dipisahkan oleh medium dielektrik, berfungsi sebagai perangkat penyimpan energi untuk muatan listrik. Kapasitor mengisi ketika terhubung ke sumber daya dan mengosongkan ketika terputus. Ketika dihubungkan ke sumber DC, kapasitor mengisi hingga tegangan yang sama dengan potensial yang diterapkan, menunjukkan perannya sebagai komponen listrik pasif yang menolak perubahan tegangan.

Misalkan tegangan bolak-balik yang diterapkan pada rangkaian diberikan oleh persamaan:

Muatan kapasitor pada setiap saat diberikan sebagai:

Arus yang mengalir melalui rangkaian diberikan oleh persamaan:

Dengan memasukkan nilai q dari persamaan (2) ke dalam persamaan (3) kita akan mendapatkan

Sekarang, dengan memasukkan nilai v dari persamaan (1) ke dalam persamaan (3) kita akan mendapatkan

Di mana Xc = 1/ωC menunjukkan penolakan terhadap aliran arus bolak-balik oleh kapasitor murni, dikenal sebagai reaktansi kapasitif. Arus mencapai nilai maksimumnya ketika sin(ωt + π/2) = 1. Jadi, arus maksimum I_m dinyatakan sebagai:

Dengan memasukkan nilai I_m ke dalam persamaan (4) kita akan mendapatkan:

Diagram Fasa dan Kurva Daya

Dalam rangkaian kapasitor murni, arus melalui kapasitor mendahului tegangan dengan sudut fase 90 derajat. Diagram fasa dan bentuk gelombang untuk tegangan, arus, dan daya digambarkan di bawah ini:

Dalam bentuk gelombang di atas, kurva merah mewakili arus, kurva biru menandakan tegangan, dan kurva pink menunjukkan daya. Ketika tegangan meningkat, kapasitor mengisi hingga nilai maksimum, membentuk setengah siklus positif; ketika tegangan menurun, kapasitor mengosongkan, menciptakan setengah siklus negatif. Pemeriksaan cermat terhadap kurva menunjukkan bahwa ketika tegangan mencapai puncak, arus turun menjadi nol, artinya tidak ada arus yang mengalir pada saat itu. Sebagai tegangan menurun ke π dan menjadi negatif, arus mencapai puncak, memicu kapasitor untuk mengosongkan—andai siklus pengisian dan pengosongan ini berlanjut.

Tegangan dan arus tidak pernah mencapai maksimumnya secara bersamaan karena perbedaan fase 90°, seperti ditunjukkan dalam diagram fasa di mana arus (Im) mendahului tegangan (Vm) dengan π/2. Daya seketika dalam rangkaian kapasitor murni ini didefinisikan oleh p = vi.

Jadi, dapat disimpulkan dari persamaan di atas bahwa daya rata-rata dalam rangkaian kapasitif adalah nol. Daya rata-rata selama setengah siklus sama dengan nol karena simetri bentuk gelombang, di mana area loop positif dan negatif identik.

Selama seperempat siklus pertama, daya yang disuplai oleh sumber disimpan dalam medan elektrik yang dibentuk antara pelat-pelat kapasitor. Pada seperempat siklus berikutnya, seiring medan elektrik menghilang, energi yang tersimpan dikembalikan ke sumber. Proses siklik penyimpanan dan pengembalian energi ini terjadi secara terus-menerus, menghasilkan tidak ada konsumsi daya bersih oleh rangkaian kapasitor.