Teknologi Elektrik 1 - Unit 6

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/1

PRINSIP ASAS PEMUAT (CAPACITOR)

OBJEKTIF AM Memahami prinsip-prinsip asas pemuat dalam litar elektrik.

Un it

6

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Mentakrifkan pemuat beserta dengan unitnya.  Melukis cas-cas di atas plat pemuat.  Menjelaskan penyusunan pemuat dalam litar siri dan selari.  Memberikan contoh-contoh kesan pemuat dalam litar dan alat elektrik.

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/2

INPUT

6.0

PEMUAT Pemuat adalah satu peranti elektrik yang berkemampuan untuk menyimpan tenaga elektrik. Kuantiti dan lamanya tenaga yang boleh disimpan bergantung kepada nilai kemuatan pemuat tersebut. Tenaga elektrik yang disimpan di dalam pemuat berbentuk cas di mana satu plat akan mempunyai cas negatif (-ve) dan plat lain mempunyai cas berlawanan iaitu cas positif (+ve) seperti dalam Rajah 6.1 di bawah. Arah pengaliran arus ++++ ____

++++ C

V

____ Rajah 6.1 : Cas Di Atas Plat Pemuat

Pemuat atau juga dinamakan kondenser terbina dengan dua pengalir yang disusun bertentangan antara satu sama lain dan dipisahkan oleh bahan penebat . Pengalir bagi penebat itu dipanggil plat dan penebat pemisah itu dipanggil dielektrik seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6.2(a), manakala Rajah 6.2(b) pula menunjukkan simbol bagi pemuat. Penebat

Pengalir

Simbol : C

(a)

(b) Rajah 6.2 : Binaan Asas Pemuat

6.1

KEMUATAN

Unit : Farad (F)

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/3

Kemuatan ialah sifat sesuatu pemuat untuk menyimpan tenaga elektrik . Ia juga boleh ditakrifkan sebagai kuantiti atau jumlah cas elektrik yang diperlukan untuk mengadakan satu perbezaan upaya di antara dua platnya. Unit bagi kemuatan ialah Farad (F), simbolnya C. Kemuatan 1 Farad bermakna suatu pemuat boleh menyimpan 1 coulomb cas elektrik apabila voltan dibekalkan pada pemuat itu ialah 1 volt. Hal ini dapat ditunjukkan secara persamaan (6.1). Kemuatan, (Farad) =

Cas (Coulomb) Bezaupaya(Volt )

(6.1)

Dalam penggunaan harian, unit Farad mungkin terlalu besar untuk digunakan. Kemuatan pemuat biasanya menggunakan unit-unit gabungan yang lebih kecil misalnya mikroFarad (μF) atau pikoFarad (pF). 1 mikroFarad = 10-6 Farad 1 pikoFarad = 10-12 Farad 6.2

TENAGA ELEKTRIK DI DALAM PEMUAT Tenaga elektrik di dalam pemuat boleh dikira dengan menggunakan persamaan (6.2) di bawah.

E =

1 QV 2

(6.2)

Kita juga boleh menerbitkan beberapa formula tenaga eletrik di dalam pemuat dengan memasukkan persamaan (6.1) ke dalam persamaan (6.2).

1 1 Q2 2 E = CV dan E = ( ) 2 2 C

(6.3)

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/4

Contoh 6.1 : Sebuah pemuat 8pF di sambungkan ke bekalan kuasa 600V. Kirakan cas dan tenaga yang dapat disimpan oleh pemuat tersebut. Penyelesaian : Diketahui cas, Q = CV = (8 x10 −12 )(600) = 4.8 x 10-7 C tenaga elektrik, E =

6.3

JENIS-JENIS PEMUAT a) b) c) d) e) f) g)

6.4

1 QV = ( 4.8 x10−12 )(600) = 2.88 x 10-9 Joule 2

Pemuat Jenis Dielektrik Udara Boleh Ubah Pemuat Jenis Kertas Pemuat Jenis Poliester Pemuat Jenis Mika Pemuat Jenis Seramik Pemuat Jenis Elektrolitik Pemuat Jenis Tantalum

KEGUNAAN PEMUAT DALAM LITAR ELEKTRIK a) b) c) d) e)

Meninggikan faktor kuasa litar elektrik. Mengurangkan bunga api semasa suis dibuka dalam litar. Mengurangkan gangguan ulangan radio dalam penghidup litar lampu pendaflour. Menguatkan arus elektrik. Menyimpan cas elektrik.

Pelajar semua seharusnya faham di dalam pertukaran unit kerana ia mempengaruhi jawapan di dalam sebarang pengiraan. Jika tidak pasti, gunakan calculator.

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/5

AKTIVITI 6A 6.1. Berikan takrifan bagi pemuat dan kemuatan . 6.2. Lukiskan gambar rajah cas di atas plat sebuah pemuat. 6.3. Sebuah pemuat 50μF di sambungkan ke bekalan kuasa 240V. Kirakan cas dan tenaga yang dapat disimpan oleh pemuat tersebut. 6.4. Nyatakan tiga(3) kegunaan pemuat di dalam bidang elektrik.

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/6

MAKLUM BALAS 6A 6.1. Pemuat ialah komponen elektronik yang berkemampuan untuk menyimpan cas eletrik. Kemuatan ialah sifat sesuatu pemuat yang berkemampuan untuk menyimpan cas dan tenaga elektrik. 6.2. Gambar rajah cas di atas plat sebuah pemuat adalah seperti rajah di bawah; Arah pengaliran arus ++++ ____ V

++++ C ____

Cas di atas plat pemuat 6.3.

Diketahui cas, Q = CV = (50 x10 −6 )(240) = 12 x 10-3 C tenaga elektrik, E =

1 QV = (12 x10 −12 )(240) = 2.88 Joule 2

6.3. Kegunaan pemuat di dalam bidang elektrik adalah : a). Meninggikan faktor kuasa litar elektrik. b). Mengurangkan bunga api semasa suis dibuka dalam litar. c). Mengurangkan gangguan ulangan radio dalam penghidup litar lampu pendaflour. d). Menguatkan arus elektrik. e). Menyimpan cas elektrik. (Pilih tiga sahaja)

INPUT

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/7

6.5 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI NILAI KEMUATAN Terdapat tiga(3) faktor yang mempengaruhi nilai kemuatan sebuah pemuat iaitu, keluasan plat, jarak di antara plat dan ketelapan. 6.5.1

Keluasan Plat, A Di mana kemuatan berkadar terus dengan luas keratan rentas bagi plat. Ini bermakna kemuatan sebuah pemuat berubah mengikut keluasan plat pemuat. Keluasan plat yang besar dapat menampung banyak elektron dan dapat menyimpan banyak cas.

C ∝ A. 6.5.2

Jarak Di Antara Kedua-Dua Plat, d Di mana kemuatan berkadar songsang dengan jarak di antara plat. Ini bermakna kemuatan bagi satu pemuat berubah apabila jarak di antara platnya berubah. Kemuatan akan bertambah apabila plat-plat didekatkan bersama dan berkurangan apabila plat-platnya dijauhkan.

C∝ 6.5.3

Ketelapan,

1 d

ε

Di mana kemuatan berkadar terus dengan ketelapan pengalir.

C ∝ε .

6.6

REGANGAN BERKEMUATAN, X C

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/8

Dalam litar AU arus dan voltan bekalan sentiasa berubah-ubah. Oleh itu proses mengecas juga berubah. Pada separuh kitar pertama, ia mengecas pada satu arah arus dan pada separuh kitar kedua ia mengecas pemuat itu pada arah yang bertentangan pula. Pada masa yang sama wujud satu nilai penentangan arus ketika voltan bekalan mula menurun yang dipanggil regangan. Dalam litar pemuat regangan ini dipanggil regangan berkemuatan,. Nilai regangan berkemuatan ini berkadar songsang dengan nilai frekuensi voltan A.U. Dalam bentuk persamaan matematik ia boleh ditulis seperti persamaan (6.4). Simbol : X C

XC =

,

Unit : ohm ( Ω )

1 , di mana ω = 2πf . ωC

XC =

1 2πfC

(6.4)

di mana, C = kemuatan (F) f = frekuensi(Hz ) ω = halaju sudut (rads-1) 2π = pemalar Contoh 6.2 Pemuat 8μF disambungkan ke bekalan 240V, 50Hz. Kirakan berapakah nilai regangan berkemuatan. Penyelesaian :

XC =

6.7

1 1 = = 397.9Ω 2πfC 2π (8 x10− 6 )

PENYUSUNAN PEMUAT DALAM LITAR SESIRI DAN SELARI

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/9

Kaedah analisis litar pemuat berbeza sedikit dengan kaedah analisis litar pearuh dan perintang. Dalam bahagian ini para pelajar akan didedahkan mengenai analisis litar sesiri, selari dan gabungan kedua-duanya. 6.7.1

Litar Sesiri C1

C2

C3

V Rajah 6.3 : Litar Sesiri

a). Kemuatan jumlah bagi litar sesiri boleh dikira menggunakan persamaan (6.5).

(6.5)

Persamaan (6.5) di atas boleh juga ditulis dalam bentuk persamaan (6.6).

Cj =

C1C2C3 C1C2 + C1C3 + C2C3

(6.6)

b). Cas setiap pemuat adalah sama,

Q1 = Q2 = Q3 = Q j , di mana Q j = C jV

(6.7)

c). Kejatuhan voltan pada setiap pemuat adalah berbeza bergantung kepada nilai kemuatan masing-masing dan boleh dikira dengan menggunakan persamaan (6.8).

VC1 =

Qj C1

,

VC 2 =

Qj C2

dan

VC 3 =

Qj C3

(6.8)

Untuk dua(2) buah pemuat seperti litar Rajah 6.4 di bawah, kemuatan jumlah juga boleh dikira dengan menggunakan persamaan (6.9).

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/10

C1 V

Cj =

C1C2 C1 + C2

(6.9) (6.9)

C2

Rajah 6.4 : Litar Sesiri 2 Pemuat

Kejatuhan voltan pada setiap pemuat boleh dikira dengan menggunakan formula (6.10) di bawah.

C2 )V C1 + C2 C1 =( )V C1 + C 2

VC1 = (

VC 2

(6.10)

Cas yang melalui setiap pemuat juga sama,

Q1 = Q 2 = Q j di mana Q j = C jV .

Begitu juga untuk mengira kemuatan jumlah. Pelajar digalakkan menggunakan pers.(6.5) kerana pelajar selalu cuai apabila menggunakan

6.7.2

Litar Selari

Pelajar digalakkan menggunakan per. (6.8) untuk mengira kejatuhan voltan pada setiap pemuat. Pers.(6.10) tidak digalakkan kerana ia mengelirukan pelajar.

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/11

a). Kemuatan jumlah, Cj bagi litar pemuat selari adalah hasil tambah semua kemuatan dalam litar. Formula matematiknya adalah seperti persamaan (6.11) di bawah.

V

C1

C2

C3

Rajah 6.5 : Litar Selari

C j = C1 + C2 + C3

(6 .11)

b). Kejatuhan voltan pada setiap pemuat adalah sama ;

VC1 = VC 2 = VC 3 = V j

(6.12) c). Cas yang melalui setiap pemuat adalah berbeza bergantung kepada nilai kemuatan pemuat tersebut dan ia boleh dikira dengan menggunakan persamaan (6.13). QC1 =

Vj C1

, QC 2 =

Vj C2

dan QC 3 =

Vj C3

(6.13) Contoh 6.3 Berapakah nilai kemuatan bagi tiga(3) buah pemuat, masing-masing dengan kemuatan 120μF jika ia disambung secara : a) selari b) sesiri Penyelesaian a) C J = C1 + C2 + C3 = (120+120+120) x 10-6 = 360 x 10-6 = 360 μF b)

1 1 1 1 1 1 1 3 1 = + + = + + = = C j C1 C2 C3 120 120 120 120 40

∴ C j = 40µF

.

(selari)

(sesiri)

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/12

Contoh 6.4 Dua(2) buah pemuat mempunyai kemuatan masing-masing dengan nilai 6 µF dan 10 µF dihubungkan bersiri dengan satu bekalan kuasa 200V. Dapatkan ; a) Jumlah kemuatan b) Cas setiap pemuat c) Bezaupaya merentasi setiap pemuat. Penyelesaian : a)

Kemuatan jumlah, C j

Cj = b)

C1C2 (6)(10) = = 3.75µ F C1 + C2 6 + 10

Cas setiap pemuat adalah sama ,

Q1 = Q2 = Q j = C j V = (3.75 x10 −6 )(200) = 750 x10 −6 = 750 µC c)

Kejatuhan voltan pada setiap pemuat,

750 x10−6 V1 = = = 125V C1 6 x10− 6 Qj

V2 =

Qj C2

=

750 x10 −6 = 75V 10 x10− 6

Ta hukah Anda ? Jika di dalam suatu soalan itu mempunyai nilai yang sama unitnya, semasa penyelesaian dilakukan unit tersebut tidak perlu dimasukkan untuk memudahkan proses pengiraan. Unit hanya perlu dimasukkan pada jawapan akhir sahaja.

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/13

AKTIVITI 6B 6.4. Nyatakan faktor-faktor yang mempengaruhi nilai kemuatan sebuah pemuat. 6.5. Apakah yang dimaksudkan dengan regangan berkemuatan. 6.6 Berapakah nilai kemuatan bagi tiga(3) buah pemuat, masing-masing dengan kemuatan 120μF, 240 µF dan 360 µF jika ia disambung secara : a). Selari b). Sesiri

Selesaikan soalan dalam aktiviti ini sebelum anda menjawab soalan dalam Penilaian Kendiri.. Selamat Mencuba.

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/14

MAKLUM BALAS 6B 6.4 Terdapat tiga(3) faktor yang mempengaruhi nilai kemuatan sebuah pemuat ; i). Keluasan plat ii). Jarak antara plat iii). Ketelapan penebat. 6.5

Regangan berkemuatan ialah penentangan pengaliran arus terhadap pemuat apabila bekalan voltan mula menurun.

6.6

a) C J = C1 + C2 + C3 = (120+240+360) x 10-6 = 720 x 10-6 = 720 μF b)

1 1 1 1 1 1 1 = + + = + + = 0.0153 C j C1 C 2 C 3 120 240 360

∴ Cj

=

1 = 65.45µF . 0.0153

(sesiri)

(selari)

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/15

Penilaian Kendiri 1.

Berikan definisi bagi regangan berkemuatan berserta persamaan dalam bentuk matematik.

2.

Berikan definisi pemuat, seterusnya lukiskan binaan asas pemuat beserta simbol dan unitnya.

3.

Lukiskan gambar rajah yang menunjukkan cas di atas plat pemuat dan beberapa kegunaannya.

4.

Dapatkan nilai kemuatan jumlah bagi litar-litar dalam Rajah K6.1 di bawah; 120 µF

i). 40 µF

A

60 µF

80 µF

20 µF 850pF

ii).

350 µF 200 µF A

400 µF B 500pF Rajah K6.1

B

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/16

MAKLUM BALAS KENDIRI 1.

Regangan berkemuatan ialah penentangan arus ketika voltan bekalan mula menurun yang dipanggil regangan. Dalam bentuk persamaan matematik ia boleh ditunjukkan dalam persamaan di bawah.

XC =

1 ’ 2πfC

di mana, C = kemuatan (F) f = frekuensi(Hz ) ω = halaju sudut (rads-1) 2π = pemalar

2.

Pemuat adalah satu peranti elektrik yang berkemampuan untuk menyimpan tenaga elektrik, manakala rajah dibawah menunjukkan binaan asas dan simbolnya. Penebat

Simbol : C

Pengalir (a) 3.

Binaan asas pemuat

(b)

Unit : Farad (F)

Simbol

Gambar rajah cas di atas plat sebuah pemuat adalah seperti rajah di bawah; Arah pengaliran arus ++++ ____ V

++++ C ____

PRINSIP ASAS PEMUAT

E1063/UNIT6/17

Terdapat beberapa kegunaan pemuat di dalam bidang elektrik antaranya ; a). Meninggikan faktor kuasa litar elektrik. b). Mengurangkan bunga api semasa suis dibuka dalam litar. c). Mengurangkan gangguan ulangan radio dalam penghidup litar lampu pendaflour. d). Menguatkan arus elektrik. e). Menyimpan cas elektrik 4. i). C P = 120 + 60 + 20 = 200 µF (selari)

1 1 1 1 1 1 1 = + + = + + = 0.0425 (sesiri) CS 40 CP 80 40 200 80 1 ∴ CS = = 23.53 µF 0.0425 ∴ C AB = CS + 850 x10 −12 = 23.53 x10 −6 + 850 x10 −12 = 2.44 x10 −5 = 24.4µF (selari)

ii). C A = 300 + 400 = 750 µF

(selari)

1 1 1 1 = + + (sesiri) C AB 200 µF C A 850 pF

=

1 1 1 + + = 1.19 x109 −6 −6 −12 200 x10 750 x10 850 x10

∴ C AB =

1 −10 = 8 . 45 x 10 F 9 1.19 x10