Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 18 Mei 2013
FADAPTASI PERALATAN PENGUJI KONDISI ESR PADA KAPASITOR
Sunu Pradana Teknik Elektro Politeknik Negeri Samarinda
Abstrak Salah satu karakterisktik dari kapasitor adalah adanya resistansi yang dinamakan ESR (equivalent series resistance). Nilai ESR pada kapasitor ini dapat menjadi faktor yang sangat berpengaruh pada unjuk kerja rangkaian dan sistem elektronika, terutama pada sistem catu daya tersaklar (SMPS). Nilai ESR juga dapat menjadi indikator utama dari kondisi kapasitor. Kapasitor yang telah terdegradasi sering masih menunjukkan nilai kapasitansi dalam rentang (range) toleransi dan masih menunjukkan tingkat tegangan listrik yang sesuai. Namun demikian kapasitor ini akan menunjukkan nilai ESR yang jauh lebih tinggi dari rata-rata nilai ESR pada kapasitor yang masih baik pada rating yang sama. Sekalipun merupakan parameter yang penting namun kebanyakan alat pengukur kapasitansi yang dijual di pasaran lokal tidak memiliki kemampuan untuk menguji kondisi ESR pada kapasitor. Selain itu perangkat yang memiliki kemampuan untuk pengukur nilai ESR umumnya berharga relatif mahal. Dalam makalah ini dibahas tentang ESR pada kapasitor (termasuk pengaruhnya terhadap unjuk kerja rangkaian) dan adaptasi terhadap rancangan asli dari alat penguji ESR kapasitor. Pengaruh nilai ESR pada rangkaian SMPS ditunjukkan melalui simulasi dengan LTspice. Adaptasi rancangan penguji ESR kapasitor dilakukan agar peralatan yang praktis dapat direalisasikan dengan menggunakan komponen yang umum tersedia secara lokal. Pengkajian terhadap rancangan menunjukkan bahwa sistem dapat dipergunakan sebagai sarana pembelajaran rangkaian dan sistem elektronika yang sederhana tetapi cukup komprehensif. Dengan pengkajian terhadap rancangan, adaptasi rangkaian serta pegujian terhadap bagian-bagian sistem yang direalisasikan diharapkan diperoleh peralatan penguji ESR kapasitor yang sederhana yang dapat secara mudah diduplikasi secara massal. Kemampuan untuk membuat peralatan penunjang pembelajaran secara mandiri akan mengurangi ketergantungan (sampai batas tertentu) terhadap peralatan impor yang mahal. Kata kunci: kapasitor, ESR, penguji kapasitor, simulasi, LTspice, SMPS,
PENDAHULUAN Kapasitor didefinisikan sebagai benda yang terdiri dari dua buah konduktor yang tidak terhubung satu sama lain dan dipisahkan oleh insulator (Sinclair, 2000; Sinclair & Dunton, 2007). Bentuk pengaturan yang paling sederhana baik secara teori maupun praktik adalah kapasitor yang dibuat dari dua buah pelat yang disusun paralel (Sinclair & Dunton, 2007, p.29). Kapasitor menyimpan energi dalam bentuk medan listrik sedangkan komponen elektronika induktor menyimpan energi dalam bentuk medan listrik. Keduanya dikelompokkan sebagai komponen reaktif. Berbeda dengan resistor, dalam bentuknya yang ideal kapasitor dan induktor tidak mendisipasi energi (dalam satu sikus penuh) (Graham, 2013).
F-1
ISBN.
Sunu Pradana /Adaptasi Peralatan Penguji
Kapasitor adalah salah satu komponen elektronika yang penting karena sangat umum dipergunakan dalam rangkaian dan sistem elektronis (Burris, n.d.) bahkan ada sumber acuan yang menyatakan bahwa kapasitor dipergunakan hampir sama seringnya dengan resistor (“Capacitors,” n.d.). Oleh sebab itu adalah penting untuk sedapat mungkin mengetahui kondisi kapasitor yang dipergunakan guna menjamin unjuk kerja rangkaian atau sistem elektronis. PEMBAHASAN Unsur Parasitik Pada Kapasitor Kapasitor yang ideal hanya memiliki satu unsur yaitu unsur kapasitif. Namun demikian pada kenyataannya setiap komponen elektronika (termasuk kapasitor) memiliki apa yang disebut sebagai unsur parasitic. Elemen parasitik pada setiap komponen elektronika dapat diartikan sebagai unsur yang tidak diinginkan yang dimiliki oleh komponen tersebut. Sebagai contoh, setiap komponen kapasitor memiliki unsur resistif dan induktif. Unsur-unsur yang tidak diinginkan ini disebabkan oleh konstruksi fisik dari kapasitor (Brown, 2001), sehingga sulit untuk dihindari. Unsur parasitik induktif pada kapasitor dinamakan ESL (equivalent series inductance) sedangkan unsur parasitik resistif pada kapasitor dinamakan ESR (equivalent series resistor). Setiap kapasitor memiliki ESR (Brown, 2001; Maniktala, 2006). Nilai ESR sensitif terhadap perubahan frekuensi, umumnya untuk kebanyakan kapasitor nilai ESR akan meningkat seiring naiknya frekuensi operasi (Sinclair, 2000). Namun demikian terdapat referensi yang menyatakan bahwa nilai ESR kapasitor elektrolit akan menurun pada frekuensi operasi yang lebih tinggi (Gebbia, 2001; Maniktala, 2007). Semakin rendah suhu operasi kapasitor maka akan semakin besar nilai ESR kapasitor tersebut (Brown, 2008; Gebbia, 2001; Maniktala, 2007).
Gambar 1. Rangkaian ekivalen untuk kapasitor dengan elemen parasitik Dalam Gambar 1 dapat dilihat salah satu model yang dapat dibuat untuk menggambarkan secara sederhana elemen-elemen dalam komponen kapasitor yang nyata (Fred, 2012; Mack, 2005). Disipasi daya nyata (real power) terjadi pada kapasitor disebabkan adanya ESR yang dialiri oleh arus AC. Pada rangkaian SMPS, nilai disipasi daya dari output capacitor berbanding lurus dengan nilai ESR (Mack, 2005, p.89). Disipasi daya ini akan menyebabkan panas yang akan meningkatkan temperatur pada kapasitor. Sesungguhnya ESR adalah konsep yang cukup kompleks, kumpulan proses yang menghasilkannya tidak sesederhana sebagaimana diwakili oleh model yang terdiri dari sejumlah elemen ideal. General Atomics Energy Products mengungkapkan sebagai berikut: “In truth, the Equivalent Series Resistance is the value of resistance which is equal to the total effect of a large and complex set of energy loss mechanisms occuring under a particular set of measurement or operating conditions” (GAEP, n.d.).
F‐2
Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 18 Mei 2013
Gambar 2. Simulasi pengaruh nilai ESR pada rangkaian buck converter LT1076 Pada Gambar 2 dapat dilihat pengaruh kenaikan nilai ESR pada output capacitor terhadap tegangan keluaran dari rangkaian buck converter. Pada rangkaian buck converter pengaruh nilai ESR lebih dominan terhadap riak tegangan keluaran bila dibandingkan dengan pengaruh ESL (Semtech, 2005). Nilai ESR yang besar dapat menyebabkan banyak masalah pada sistem catu daya, terutama pada catu daya tersaklar (switched-mode power supply) (Sinclair & Dunton, 2007). Elemen ESR pada kapasitor akan menyebabkan tegangan riak (ripple voltage) dan membuat kapasitor menjadi lebih panas sehingga akan memperpendek umur pakai kapasitor (Brown, 2001). Kapasitor Elektrolit Aluminium Kapasitor elektrolit aluminium (aluminium electrolytic) adalah teknologi kapasitor massal & komersial yang tertua. Pada dasarnya jenis kapasitor ini dibuat dengan lapisan kertas aluminium sebagai anode dan katode, dan lembaran kertas sebagai pemisah. Lapisan-lapisan ini dibenamkan ke dalam larutan elektrolit dan dimasukkan ke dalam kaleng aluminium sebagai wadah (Mack, 2005). Penyebutan kapasitor aluminium electrolytic dapat disingkat sebagai elko (Maniktala, 2007, p.79). Elko masih merupakan jenis kapasitor yang paling banyak dipergunakan pada rangkaian catu daya (Maniktala, 2007). Hal ini disebabkan karena harga elko relatif murah, memiliki nilai kapasitansi yang besar (Sinclair & Dunton, 2007), memiliki rentang tegangan operasi yang besar, dan memiliki nilai CV yang besar. Disamping memiliki keunggulan, elko juga memililiki kekurangan yang menjadi faktor resiko pada sistem yang menggunakannya. Larutan elektrolit dalam elko akan mangalami penguapan seiring waktu. Penguapan ini akan mengakibatkan kenaikan nilai ESR yang akan meningkatkan disipasi daya pada kapasitor. Peningkatan daya ini akan menaikkan suhu kapasitor yang kemudian mempercepat penguapan elektrolit. Kondisi berbahaya ini dikenal sebagai situasi thermal runaway (Maniktala, 2007). Karena itu pada elko menjadi penting untuk mengetahui nilai impedansi, terutama ESR, sebagai salah satu indikator kondisi kelayakan kapasitor. Peralatan Penguji ESR Terdapat beberapa peralatan penguji ESR yang skema/diagram rangkaiannya bisa didapat secara bebas di Internet. Rangkaian-rangkaian tersebut memiliki persamaan dengan peralatan penguji ESR komersial, yaitu dalam hal sama-sama menggunakan pendekatan tabel nilai ESR yang dianggap baik. Hal ini dikarenakan umumnya peralatan penguji hanya dipergunakan sebagai sarana bantu untuk mengetahui kelayakan kondisi sebuah kapasitor. Untuk keperluan ini aproksimasi dari nilai ESR yang baik dianggap memadai (Capriracer351, 2012; Jones, 2012).
F-3
ISBN.
Sunu Pradana /Adaptasi Perralatan Pengujji
Di antara skkema rangkaiian yang bereedar, yang dip pilih untuk diiimpelentasik kan adalah hassil karya dari d Lawrencce P. Glaister (Glaister, 20009). Beberappa dasar pertiimbangan anttara lain adalaah karena di situs peraancang, diagrram rangkaiann tersebut dissediakan secaara lengkap dan d disertai file fi simulasi untuk LTsppice. Rangkaian ini telah dibuat dan diiuji oleh bebeerapa pihak (Capriracer35 ( 51, 2012; CassetteMastter, 2012), serta rangkaiann penguji ESR R ini mengguunakan kompponen inti yanng sebagiaan besar terseedia secara lok kal. Pembaangkit Sinyall dan Jembattan Uji Rangkaian penguji p ESR karya Lawreence P. Glaistter (Glaister, 2009) dapat dibagi menjaadi dua baagian. Bagiann pertama ad dalah bagian sub-sistem yang y terdiri dari osilator dan jembataan pengukkuran.
mbar 3. Diaggram osilator & penyanggaa Gam
Gambar 4. Skema rrangkaian sim mulasi
Bagian perttama dari rang gkaian pada G Gambar 3 adalah rangkaiaan osilator yaang diwujudkaan dengann menggunak kan SN74HC C14N. Berdassarkan penguj ujian, formulaa yang palingg sesuai untuuk mengh hitung frekuennsi osilasi ranngkaian denggan konfiguraasi ini adalah f ≈ 1.2/(R1 x C1), (Anannd, 2009; Tocci, Widm mer, & Moss, 2006). Bagiaan penyanggaa (buffers) m menggunakan lebih dari saatu gerban ng untuk meng gingkatkan kaapasitas total sourcing. Pada Gambbar 4 rangkaiian penyanggga dapat diseederhanakan menjadi limaa buah resisttor paralell. Dengan pennambahan C11 maka resistor paralel dann kapasitor m membentuk LPF. Komponeen D1, D2, D C3 & R10 R ditambahhkan sebagaai perlindunggan jika kappasitor yang diukur massih mengandung muataan. Adaptasi dapat d dilakukkan pada C3 dengan mennggantinya deengan kapasittor yang memiliki m nilaai tegangan lebih rendah yang lebih mudah m didapat. Komponeen R11 & R12 membeentuk jembattan yang padda prinsipnya akan menjaddi dua resistoor paralel jikka titik-titik uuji kapasittor dihubung singkat.
ar 5. Hasil peengujian kapaasitor 10 μF (O Oscilloscope ADS A 1102CA AL) Gamba F‐4
Prosiding P Semiinar Nasional Penelitian, P Penndidikan dan Penerapan P MIP PA, F Fakultas MIPA, Universitas Negeri N Yogyakarrta, 18 Mei 2013
Penguat dan Peratta Bagian keddua (akhir) daari alat penguuji ESR ini terdiri dari peenguat common emitter daan rangkaaian dioda sebbagai perata tegangan kelluaran. Skem ma rangkaian asli untuk sim mulasi LTspice dimodiifikasi sehing gga lebih meemudahkan ppemahaman blok b rangkaiaan. Seluruh rangkaian r padda Gambaar 4 (terkecuaali kapasitor yang y akan diuuji) diringkas ke dalam subb-circuit X2 pada p Gambarr 6 dengann menggunakan fasilitas hiierarchy padaa LTspice. Addaptasi pada bbagian ini dilakukan dengaan mengg ganti microam mpere-meter yang y sulit dipeeroleh dengann VU-meter. Komponen K R13, R14 & R115 tidak dipergunakan d n, C6 diperbeesar menjadi 470 μF dan R3 diganti dengan trimppot agar fakttor penguaatan dapat lebih l mudahh disesuaikann. Kalibrasi indikasi VU U-meter dilaakukan dengaan membaandingkan pada nilai kompponen resistorr/potensiometter.
Gambar 6. 6 Skema LTsspice bagian penguat p dan perata p
Gambar 7. 7 Hasil penguujian kapasitoor 10 μF, tegaangan keluaraan (ADS 11022CAL)
F-5
ISBN.
Sunu Pradana /Adaptasi Peralatan Penguji
KESIMPULAN Rancangan alat penguji ESR kapasitor karya Lawrence P. Glaister (Glaister, 2009) telah berhasil diwujudkan dengan adaptasi dan berhasil diuji. Adaptasi untuk menyesuaikan dengan komponen yang tersedia lokal tidak menimbulkan penyimpangan jauh dari rancangan asli. Peralatan penguji ESR ini dalap menjadi bahan belajar yang baik untuk rekayasa suatu sistem elektronis. Masing-masing blok fungsi dapat disimulasikan dengan mudah. Setelah diwujudkan, unjuk kerja blok dapat diuji dengan alat ukur untuk dibandingkan dengan hasil simulasi. DAFTAR PUSTAKA
Anand, K. A. (2009). Fundamentals of digital circuits (2nd edition.). Motilal UK Books of India. Burris, M. (n.d.). Types of Capacitors. Retrieved May 2, 2013, from http://components.about.com/od/Components/a/Types-Of-Capacitors.htm Brown, M. (2001). Power supply cookbook, second edition (2nd ed.). Newnes. Brown, M. (Ed.). (2008). Power sources and supplies world class designs. Amsterdam: Newnes. Capacitors. (n.d.). Retrieved May 2, 2013, from http://www.mikroe.com/old/books/keu/02.htm Capriracer351. (2012). ESR Tester Project Part 1: Overview and General Functionality [Video file]. Retrieved from http://www.youtube.com/watch?v=qgAzAEvqYJA CassetteMaster. (2012). Homemade ESR meter!! (WHHOOOOO!!) [Video file]. Retrieved from http://www.youtube.com/watch?v=qfO2tmxVxqo Fred. (2012, October 12). All about ESR measurement | PA4TIM’s opvangtehuis voor buizenbakken. Retrieved May 2, 2013, from http://www.pa4tim.nl/?p=3775 Gebbia, M. (2001, February). Low ESR Capacitors: Fact or Fiction? Electronic Component News. Retrieved from http://www.illinoiscapacitor.com/pdf/Papers/low_ESR_fact_or_fiction.pdf GAEP. (n.d.). Equivalent series resistance (ESR) [TechNote]. Retrieved from http://www.gaesi.com/support/ep/tech-bulletins/capacitor-engineering-bulletins.pdf Glaister, L. P. (2009, September). Capacitor ESR Tester. Retrieved May 2, 2013, from http://members.shaw.ca/swstuff/esrmeter.html Graham, P. (2013, March). Understanding Capacitance and Electron Flow. Retrieved May 2, 2013, from http://digitaleditiononline.com/display_article.php?id=1342879 Jones. (2012). EEVblog #365 - ESR Meter Bad Cap Monitor Repair [Video file]. Retrieved from http://www.youtube.com/watch?v=72sJ5Infuu0 Mack, R. A. (2005). Demystifying switching power supplies (1st ed.). Newnes. Mancini, R. (1999). Understanding basic analog – passive devices (Application Note No. SLOA027). Texas Instruments. Retrieved from http://bit.ly/132PbPB Maniktala, S. (2006). Switching power supplies A to Z. Burlington, MA: Newnes. Maniktala, S. (2007). Troubleshooting switching power converters: a hands-on guide (1st ed.). Newnes. Semtech. (2005, August 24). SC2542 High Performance Wide Input RangeDual Synchronous Buck Controller [Datasheet]. Retrieved from http://bit.ly/15cgB99 Sinclair, I. R. (2000). Passive components for circuit design. Oxford: Newnes. Sinclair, I., & Dunton, J. (2007). Practical electronics handbook, sixth edition (6th ed.). Newnes. Tocci, R. J., Widmer, N., & Moss, G. (2006). Digital systems: principles and applications (10th ed.).
F‐6
