Volume 20 Nomor 1 .
E Ae Link P-ISSN 1858-2109 E-ISSN 2656-5676
Jurnal Teknik Elektro dan Informatika
PENGARUH KOMPONEN PARASITIK ESR TERHADAP AMPLITUDO
ARUS CHARGING DAN DISIPASI THERMAL KAPASITOR ELEKTROLIT
Winarno.
Ari Santoso.
Jurusan Teknik Elektro.
Fakultas Teknik.
Universitas Muhammadiyah Surabaya Jl.
Sutorejo No 59.
Surabaya 60113.
Jawa Timur.
Indonesia Departemen Teknik Elektro.
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Keputih.
Sukolilo.
Surabaya 60111.
Jawa Timur.
Indonesia E-mail : .
winarno@ft.
um-surabaya.
id, .
santoso@ee.
ABSTRAK
Paper ini menyajikan pengaruh komponen parasitik ESR .
quivalent series resistanc.
terhadap amplitudo arus charging dan disipasi thermal kapasitor elektrolit di circuit filter RC frekuensi rendah orde pertama pada frekuensi cut off.
Evaluasi pengaruh komponen parasitik ESR di kapasitor elektrolit sangat penting karena mempengaruhi umur pemakaian komponen dan degradasi struktur di dalamnya.
Di penelitian ini arus charging ke kapasitor elektrolit dihasilkan dengan cara menginputkan tegangan step ke circuit dan analisis statis dilakukan dalam rentang lima konstantawaktu yua.
Disipasi thermal dihitung berdasar besar arus RMS .
oot mean squar.
dan nilai ESR.
Simulasi menunjukkan kapasitor elektrolit dengan komponen parasitik ESR menghasilkan arus charging dengan amplitudo lebih tinggi dibanding kapasitor tanpa komponen parasitik ESR.
Berdasar simulasi diperoleh selisih amplitudo rata Ae rata sebesar 0,000076 dan disipasi thermal sebesar 2687 yuNycOycaycyc.
Kedua nilai akan bervariasi mengikuti frekuensi kerja filter dan dalam jangka panjang mengakibatkan degradasi struktur kapasitor elektrolit.
Kata kunci: ESR.
LPF, frekwensi cut off, konstanta waktu yua
ABSTRACT
This paper presents the effect of parasitic components ESR on the amplitude of charging current and thermal dissipation in first order low pass passive RC filter at cut off frequency.
Evaluation of parasitic components ESR is crucial because of affecting lifetime and structural degradation in electrolytic capacitor.
In this paper charging current is made by inputting step voltage to circuit and static analysis performed in the range of five time constants yyO.
Thermal dissipation calculated based on RMS current and ESR value.
Simulation shows electrolytic capacitor with parasitic components ESR contributes to a higher charging current amplitude.
Based on simulation the differential amplitude average of 0.
000076 and thermal dissipation of ya.
yayiynyi yyAWatt.
Both value varies response to operating frequency of filter and structural degradtion for long time operation.
Keywords: ESR.
LPF, cut off frequency, time constant yyO.
PENDAHULUAN
Komponen parasitik ESR ada di dalam struktur kapasitor elektrolit aluminum dan kapasitor elektrolit tantalum.
Komponen ESR ini terjadi ketika kapasitor elektrolit dalam proses pembuatan di industri.
Faktor Ae faktor yang mempengaruhi nilai komponen parasitik di dalam Diterima Redaksi: 22 April 2025 | Selesai Revisi: 23 Mei 2025 | Diterbitkan Online: 28 Mei 2025 Volume 20 Nomor 1 .
53-59 E Ae Link P-ISSN 1858-2109 E-ISSN 2656-5676 Jurnal Teknik Elektro dan Informatika struktur kapasitor elektrolit mencakup.
yang digunakan, nilai ohmic, panjang foil, ketebalan layer oksida aluminum .
Salah satu implementasi kapasitor elektrolit ada di filter RC frekuensi rendah orde pertama .
Ini adalah tipe filter paling sederhana yang disusun dari satu resistor dan satu kapasitor Filter ini difungsikan untuk menguatkan sinyal dibawah frekuensi cut off dan melemahkan sinyal diatas frekuensi cut off .
Daerah dimana sinyal terletak dibawah frekuensi cut off disebut pass band dan daerah dimana sinyal terletak diatas frekuensi cut off disebut stop Pelemahan sinyal mulai terjadi pada frekuensi cut off dan terus terjadi selama frekuensi kerja filter melebihi frekuensi cut off.
Di penelitian ini switch S ditambahkan ke circuit untuk mendeskripsikan tegangan step, gambar 1 .
Tegangan input ycOycnycu dihubungkan pada salah satu terminal resistor pada sisi kiri circuit sementara tegangan output ycOycuycyc disadap pada salah satu terminal kapasitor elektrolit pada sisi kanan circuit.
Jika tegangan step dipilih sebagai tegangan input ycOycnycu maka proses charging kapasitor elektrolit terjadi ketika switch S ditutup.
Arus charging masuk ke kapasitor elektrolit secara exponensial dari nilai tertinggi ke nilai terendah .
Bentuk gelombang arus charging Amplitudo arus charging mengalami penurunan dari besar ke rendah sementara amplitudo tegangan charging mengalami kenaikan dari rendah ke besar.
Proses discharging oleh kapasitor elektrolit terjadi ketika switch S dibuka dan ada pembebanan pada sisi output circuit yang memungkinkan arus keluar dari kapasitor elektrolit menuju ke beban.
Jika switch S dibuka dan ditutup secara kontinyu, secara mekanik maupun elektronik, maka proses charging dan discharging juga terjadi secara kontinyu .
mekanisme ini frekuensi hadir yang nilainya ditentukan oleh kecepatan buka-tutup switch S.
Model dari kapasitor elektrolit dengan komponen parasitik ESR telah diinvestigasi dengan teliti di .
Model menunjukkan komponen parasitik ESR dihubung secara seri dengan kapasitansi kapasitor elektrolit.
Di circuit filter RC frekuensi rendah orde pertama, komponen parasitik ESR membentuk rangkaian seri dengan resistor R sehingga resistansi total adalah penjumlahan kedua komponen ini.
Ketika frekuensi kerja di filter RC frekuensi rendah orde pertama melebihi frekuensi cut off maka ada pengaruh signifikan di sinyal output.
Efek ini telah diinvestigasi dengan teliti di .
METODE PENELITIAN
Gambar 1 .
menunjukkan filter RC frekuensi rendah orde pertama tanpa komponen parasitik ESR.
Rangkaian disusun dari sebuah resistor R satuan ohm dan sebuah kapasitor C satuan farad tanpa komponen parasitik ESR.
Tegangan input ycOycnycu disambung dengan salah satu terminal resistor R sementara tegangan output ycOycuycyc disadap pada salah satu terminal kapasitor Gambar 1 .
menunjukkan filter RC frekuensi rendah orde pertama dengan komponen parasitik ESR.
Komponen parasitik ESR disambung secara seri dengan kapasitansi kapasitor C sehingga membentuk dua resistor didalam circuit yang mana adalah beban bagi tegangan input ycOycnycu .
Gambar 1 .
menunjukkan penambahan switch S didalam circuit yang disambung secara seri dengan salah satu terminal resistor R untuk mendeskripsikan proses charging.
Ketika switch S ditutup arus charging mengalir lewat resistor R menuju ke kapasitor elektrolit C.
Diasumsikan tegangan awal pada kapasitor elektrolit C adalah 0 volt.
Vin Vout .
Diterima Redaksi: 22 April 2025 | Selesai Revisi: 23 Mei 2025 | Diterbitkan Online: 28 Mei 2025 Volume 20 Nomor 1 .
53-59 E Ae Link P-ISSN 1858-2109 E-ISSN 2656-5676 Jurnal Teknik Elektro dan Informatika ya.
= ycyaycOycuycyc.
Substitusi persamaan .
ke persamaan .
, kita .
Gambar 1 .
kapasitor tanpa ESR .
kapasitor dengan ESR .
circuit untuk mendeskripsikan proses charging ycOycnycu.
= ycyaycOycuycyc.
ycI ycOycuycyc.
dan perbandingan tegangan output ycOycuycyc.
ke tegangan input ycOycnycu.
kita dapatkan ycOycnycu.
= ycOycuycyc.
cyaycI .
Konversi ke dalam bentuk Laplace untuk kedua komponen pasip resistor R dan kapasitor elektrolit C kita dapatkan ycOycuycyc.
resistor R menjadi Persamaan .
adalah fungsi transfer dari tegangan output ycOycuycyc.
ke tegangan input ycOycnycu.
untuk filter RC frekuensi rendah orde pertama tanpa komponen parasitik ESR.
ycI = ycI A A A A A A A A A A A A A A A A .
kapasitor elektrolit C menjadi ycOycnycu.
A A A A A A A A A A A .
ycyaycI 1 A A A A A A A A A A A A A A A A .
ycya Dengan mengkonversi ke domain waktu kita Mengacu ke gambar 1 .
dan menggunakan hukum II Kirchhoff , kita dapatkan ycOycuycyc.
= ycOycnycu.
Oe yce OeycIya ) A A A A A A A .
ycOycnycu.
= ycOycI.
ycOya.
A A A A A A A A A A .
yua = ycIya ycOycnycu.
ycayccycaycoycaEa ycyceyciycaycuyciycaycu ycycnycycn ycnycuycyycyc ycycaycycycaycu ycycuycoyc yua ycayccycaycoycaEa ycoycuycuycycycaycuycyca Oe ycycaycoycyc ycycaycycycaycu yccyceycycnyco ycOycI.
ycayccycaycoycaEa ycyceyciycaycuyciycaycu ycyycayccyca ycyceycycnycycycuyc ycycaycycycaycu ycycuycoyc Dengan cara yang sama kita dapatkan fungsi transfer dari tegangan output ycOycuycyc.
ke tegangan input ycOycnycu.
untuk filter RC frekuensi rendah orde pertama dengan komponen parasitik ESR ya= ycOya.
ycayccycaycoycaEa ycyceyciycaycuyciycaycu ycyycayccyca ycoycaycyycaycycnycycuyc ycycaycycycaycu ycycuycoyc Substitusi persamaan .
dan persamaan .
ke persamaan .
, kita dapatkan ycOycnycu.
= ya.
ycI ya.
A A A A A A A A A .
ycya ycOycnycu.
= ya.
cI ycya dan tegangan output ycOycuycyc.
adalah tegangan pada kapasitor elektrolit ycOya.
, kita dapatkan ycOycuycyc.
= ya.
A A A A A A A A A A A A .
ycya yc ycOycuycyc.
ycOycnycu.
A A A A A A A A A A A .
ycyayu 1 yc 2 ycI .
Oe ya2 ) ycI yccycnycoycaycuyca yu = ycya 1Oe ycI Mengacu ke persamaan .
kita dapatkan persamaan tegangan output ycOycuycyc.
adalah ycOycuycyc.
= ycOycnycu.
( ycyayu 1 Diterima Redaksi: 22 April 2025 | Selesai Revisi: 23 Mei 2025 | Diterbitkan Online: 28 Mei 2025 Volume 20 Nomor 1 .
53-59 E Ae Link P-ISSN 1858-2109 E-ISSN 2656-5676 Jurnal Teknik Elektro dan Informatika Dengan mengkonversi ke domain waktu kita ESR Frekuensi yayc yc ycOycuycyc.
= ycOycnycu.
Oe yce Oeyuya ) A A A A A A A .
Besar arus yang masuk ke kapasitor elektrolit C dapat menggunakan rumus dasar sebagai berikut yccycOya.
ycnya = ya yccyc Dengan mendeferensialkan .
kita dapatkan ycnya.
= ycOycnycu.
yu yc yce Oeyuya A A A A A A A A A A .
Persamaan .
adalah persamaan arus charging yang masuk ke dalam kapasitor elektrolit C.
Disipasi thermal diperoleh dengan cara mengalikan besar arus yaycIycAycI dan nilai ESR.
Nilai arus yaycIycAycI dapat dihitung berdasar persamaan dibawah ini ycn1 2 ycn2 2 U ycnycu 2 Oo yaycIycAycI = A A A A A .
HASIL DAN DISKUSI
Mengacu ke persamaan .
dan persamaan .
kita dapatkan fungsi transfer dari arus charging ke tegangan input untuk kapasitor elektrolit dengan komponen parasitik ESR dan kapasitor elektrolit tanpa komponen parasitik ESR.
Menggunakan parameter - parameter di tabel 1 kita dapatkan hasil fungsi transfer sebagai yaya.
= ycOycnycu.
Fungsi transfer diatas adalah fungsi transfer dari arus charging ke tegangan input untuk kapasitor elektrolit dengan komponen parasitik ESR.
Amplitudo arus charging awal pada kapasitor elektrolit dengan komponen parasitik ESR adalah bagian pembilang dari fungsi transfer yaitu ya.
= ycnycu ycayccycaycoycaEa ycycaycoycyyceyco ycaycycyc ycycaycycycaycu ycaycoycyyceyc ycu ycayccycaycoycaEa ycaycaycuycycaycoycuycyca ycycaycoycyyceyco Kita dapat menghitung disipasi thermal pada ESR ycEycycaycycaOeycycaycyca berdasar persamaan ycEycycaycycaOeycycaycyca = yaycIycAycI2 yaycIycI A A A A A A .
A A .
ycEycycaycycaOeycycaycyca ycayccycaycoycaEa yccycnycycnycyycaycycn ycEayceycycoycayco ycycaycycycaycu ycycaycyc yaycIycAycI ycayccycaycoycaEa ycaycycyc yceyceyceyceycaycycnycyce ycycaycycycaycu ycaycoycyyceyc yaycIycI ycayccycaycoycaEa ycuycnycoycaycn ycoycuycoycyycuycuyceycu ycyycaycycaycycnycycnyco ycycaycycycaycu ycuEayco Parameter Ae parameter yang digunakan di filter RC frekuensi rendah orde pertama ditunjukkan oleh tabel 1.
Tabel 1 parameter yang digunakan Parameter Resistor Kapasitor elektrolit Nilai Satuan yuNya yaya.
ycOycnycu.
Fungsi transfer diatas adalah fungsi transfer dari arus charging ke tegangan input untuk kapasitor elektrolit tanpa komponen parasitik ESR.
Amplitudo arus charging awal pada kapasitor elektrolit tanpa komponen parasitik ESR adalah bagian pembilang dari fungsi transfer yaitu Simulasi direalisasi menggunakan bahasa pemrograman Mathlab.
Analisis statis dilakukan dalam rentang konstanta-waktu yua pertama hingga konstanta-waktu yua kelima.
Gambar 2 .
menunjukkan arus charging turun secara exponensial dimulai dengan nilai awal 0.
untuk kapasitor elektrolit C tanpa komponen parasitik ESR dan dengan nilai awal 0.
untuk kapasitor elektrolit C dengan komponen parasitik ESR.
Di grafik ini juga ditunjukkan lokasi lima titik yang dipilih berdasar konstantawaktu yua masing Ae masing titik A.
Diterima Redaksi: 22 April 2025 | Selesai Revisi: 23 Mei 2025 | Diterbitkan Online: 28 Mei 2025 Volume 20 Nomor 1 .
53-59 E Ae Link P-ISSN 1858-2109 E-ISSN 2656-5676 Jurnal Teknik Elektro dan Informatika Gambar 2 .
menunjukkan selisih amplitudo arus charging sebesar 0.
00001 pada konstantawaktu yua pertama.
Gambar 2 .
menunjukkan selisih amplitudo arus charging sebesar 0.
pada konstanta-waktu yua kedua.
Gambar 2 .
menunjukkan selisih amplitudo arus charging 00005 pada konstanta-waktu yua ketiga.
Gambar 2 .
menunjukkan selisih amplitudo arus charging sebesar 0.
00010 pada konstantawaktu yua keempat.
Gambar 2 .
menunjukkan selisih amplitudo arus charging sebesar 0.
pada konstanta-waktu yua kelima.
Tabel 2 menunjukkan selisih amplitudo arus charging mulai dari konstanta-waktu yua pertama hingga konstanta-waktu yua kelima.
Diterima Redaksi: 22 April 2025 | Selesai Revisi: 23 Mei 2025 | Diterbitkan Online: 28 Mei 2025 Volume 20 Nomor 1 .
53-59 E Ae Link P-ISSN 1858-2109 E-ISSN 2656-5676 Jurnal Teknik Elektro dan Informatika yaycIycAycI = 0.
12286 ycaycoycyyceyc ycEycycaycycaOeycycaycyca = 0.
019 = 0.
2868 ycoycOycaycyc Untuk kapasitor elektrolit C tanpa komponen parasitik ESR kita dapatkan yaycIycAycI = 0.
12335 ycaycoycyyceyc ycEycycaycycaOeycycaycyca = 0.
019 = 0.
2891 ycoycOycaycyc Disipasi thermal yang terjadi akibat adanya komponen parasitik ESR kita dapatkan OIycEycycaycycaOeycycaycyca = 0.
2891 Oe 0.
2868 = 2.
2687 yuNycOycaycyc
KESIMPULAN DAN SARAN
Gambar 2 .
lokasi lima titik yang dipilih pada grafik arus charging .
perubahan amplitudo berdasar konstanta-waktu yua Gambar 2 .
menunjukkan lokasi lima titik yang dipilih masing Ae masing titik A.
Gambar 2 .
diatas menunjukkan kapasitor elektrolit C dengan komponen parasitik ESR, ditunjukkan oleh garis berwarna biru didalam grafik, menghasilkan amplitudo arus charging yang lebih besar dibanding kapasitor elektrolit C tanpa komponen parasitik ESR, ditunjukkan oleh garis warna merah didalam Selisih amplitudo rata Ae rata sebesar Tabel 2 menunjukkan perubahan amplitudo arus charging mulai dari konstanta-waktu yua pertama hingga konstanta-waktu yua ke lima.
Komponen parasitik ESR didalam struktur kapasitor elektrolit mempunyai pengaruh terhadap amplitudo arus charging di rangkaian filter RC frekuensi rendah orde pertama.
Pada frekuensi cut off komponen ini mampu menaikkan amplitudo arus charging dengan selisih amplitudo rata Ae rata sebesar 0.
Disipasi thermal yang dihasilkan sebesar 2687 yuNycOycaycyc.
Komponen parasitik ESR harus menjadi pertimbangan dalam mendesign rangkaian filter karena akan mempengaruhi umur
pemakaian komponen dan degradasi struktur
DAFTAR PUSTAKA