Alat Pengukur Tegangan Pengisian dan Pengosongan
untuk Baterai Isi Ulang
Wiwien Widyastuti1, Martanto2, Leonardus Utomo Pribadi3 1,2,3
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Kampus III, Paingan, Maguwoharjo, Sleman
[email protected], [email protected]
Abstract
Battery is one of the energy source which is very important for portable electronic devices. NiMH and NiCd are rechargeable batteries. Charging and discharging voltage measuring device for this batteries can be build with hardware and software devices.
The hardware devices are consist of ADC, relay activator, current mirror circuit, and microcontroller as controller of the hardware. Visual Basic software devices can present charging and discharging voltage by time, in the graphic form.
This device can measures the charging battery voltage with mean error 0.7% and the discharging battery voltage with mean error 0.81%.
1. Pendahuluan
Masyarakat modern dengan mobilitas tinggi pada zaman sekarang membutuhkan adanya baterai yang praktis yang dapat diisi ulang. Baterai isi ulang berperan penting untuk keperluan sumber daya peralatan elektronik yang portable seperti handycam dan
handphone.
Tingginya permintaan atau kebutuhan pasar tersebut memacu perkembangan teknologi baterai sebagai catu daya. Salah satu karakteristik yang penting pada baterai isi ulang adalah tegangan baterai saat pengisian dan pengosongan. Dengan didukung perkembangan teknologi komputer yang semakin pesat serta didukung oleh perkembangan perangkat lunak pemrograman yang semakin maju, penulis mencoba membuat alat pengukur tegangan pengisian dan pengosongan baterai isi ulang dan dapat menampilkannya dalam bentuk grafik tegangan terhadap waktu.
2. Tinjauan Pustaka Proses Pengisian
Secara sederhana, proses pengisian baterai isi ulang adalah dengan memasukkan arus secara terus-menerus pada baterai sehingga tegangan bertambah hingga batas tertentu. Proses pengisian baterai secara berlebihan dapat merusak baterai sehingga umur baterai tidak dapat bertahan lama.
Proses Pengosongan
Secara sederhana, proses pengosongan baterai isi ulang adalah dengan cara menghabiskan arus pada baterai sehingga muatan pada baterai berkurang yang menyebabkan tegangan baterai semakin menurun pada batas tertentu. Untuk jenis baterai NiMH dan NiCd pengosongan baterai tidak boleh di bawah 0,9 Volt untuk setiap sel baterai.
Metode Pengisian
Kapasitas energi yang disimpan (C) dari sebuah baterai diukur dalam ampere hours atau mA hours. Pada kebanyakan kasus, mode trickle charging (slow rate) dengan laju
I Sumber
arus sebesar C/100 hingga C/10 akan menyebabkan baterai selalu dalam kondisi yang baik untuk waktu yang lama sedangkan pada mode fast charging dapat menimbulkan panas sehingga gas kimia yang ada pada baterai dapat bereaksi akan menyebabkan baterai akan cepat rusak. C-Rate merupakan definisi untuk arus pengisian dan pengosongan baterai isi ulang. C-Rate dapat dirumuskan menjadi
hour C Rate C 1 _ =
………... (1)
C = kapasitas baterai dalam A-hour atau mA-hour.
Sebagai contoh jika sebuah baterai 1000mA-hour akan mempunyai C-Rate sebesar 1000mA, arus penyesuaian untuk 1C adalah 1000mA, arus penyesuaian untuk 0.1C adalah 100mA dan arus penyesuaian untuk 2C adalah 2000mA.
2.4. Rangkaian Current Mirror
Rangkaian current mirror menggunakan dua buah transistor yang dirangkai seperti Gambar 1 akan menyediakan suatu arus konstan. Arus konstan dihasilkan dari TR2 yang merupakan pencerminan dari transfer TR1. Arus Ibias diukur oleh transistor TR1 dan
resistor Rbias. Ibias merupakan arus konstan yang mengalir ke transistor TR2. Arus basis dari
kedua transistor tersebut memiliki persamaan 2. Diasumsikan bahwa arus emitter (IE) pada
kedua transistor sama.
R Variabel
Baterai Isi Ulang
1 2 TR2 R R TR1 Vcc
Gambar 1 Rangkaian Current Mirror
β β E E B I I I ≈ + = 1 …... (2)
Rangkaian current mirror seperti Gambar 1, dengan menggunakan KVL memiliki persamaan 3. Variabel BE CC Sumber R R V V I + − ≅ ……….………... (3) Arus IB pada transistor dapat dicari dengan persamaan 4
2 + = βSumber B I I ………..…... (4)
I Cermin sama dengan arus yang mengalir ke IC2 sehingga besarnya I Cermin dapat dicari
dengan menggunakan persamaan 5
B C Cer I I I min = 2 =β ………...……. (5) I Cermin I E I x IB IB 2IB
dengan menggunakan persamaan 4 dan 5 didapatkan persamaan 6 Sumber Cer I I 2 min = β + β ………...…..(6) dengan nilai β transistor yang besar maka 1
2 ≅ +
β β
sehingga ICermin sama dengan ISumber Sumber
Cer I
I min ≅ ………...(7) 3. Metode Penelitian
Perancangan Perangkat Keras Diagram Blok
Gambar 2. Diagram Blok Alat Pengukur Tegangan Pengisian dan Pengosongan untuk Baterai Isi Ulang
Rangkaian Pengisian Baterai
Rangkaian Gambar 1 berfungsi sebagai penyedia arus konstan yang digunakan untuk pengisian baterai. Pengisian baterai menggunakan rangkaian current mirror yang menghasilkan current source. Nilai R1 dan R2 harus mempunyai nilai resistansi yang sama agar arus yang dicerminkan nilainya sama dengan arus hasil pencerminan. Rangkaian
current mirror pada pengisian baterai isi ulang dibuat menggunakan transistor PNP 2SA671 dengan hfe 97 (pengukuran).
Rangkaian Gambar 1, dengan menggunakan persamaan 3, pengukuran VBE = 0,6,
nilai R1 = 2Ω sehingga diperoleh nilai R Variabel seperti Tabel 1.
Tabel 1 Nilai R Variabel untuk Pengisian Baterai
Arus yang diinginkan (mA) Nilai R Variabel (Ω) 60mA 188 70mA 160,8 80mA 140,5 90mA 124,6 120mA 93 130mA 85,7
140mA 79,4 150mA 74 Rangkaian Pengosongan Baterai
Rangkaian Gambar 3 berfungsi sebagai penyedia arus konstan yang digunakan untuk pengosongan baterai. Pengosongan baterai menggunakan rangkaian current mirror yang menghasilkan current sink. Nilai R3 dan R4 harus mempunyai nilai resistansi yang sama agar arus yang dicerminkan nilainya sama dengan arus hasil pencerminan. Rangkaian
current mirror pada pengisian baterai isi ulang dibuat menggunakan transistor NPN 2SC1061 dengan hfe 118 (pengukuran).
R3 TR3
-12 V
Baterai Isi Ulang
1
2
Rbias TR4
R4
Gambar 3 Rangkaian Pengosongan Baterai
Tabel 2 Nilai R Variabel untuk Pengosongan Baterai
Arus yang diinginkan (mA) Nilai R Variabel (Ω) -60mA 188 -70mA 160,8 -80mA 140,5 -90mA 124,6 -120mA 93 -130mA 85,7 -140mA 79,4 -150mA 74
Rangkaian pengosongan baterai seperti Gambar 3, dengan menggunakan KVL rangkaian Gambar 3 memiliki persamaan 8,
Variabel BE EE x R R V V I + − = 3 ………... (8)
Dengan nilai VBE (pengukuran) = 0,6 , R3=2Ω, diperoleh nilai RVariabel seperti Tabel 2.
Rangkaian Pemilihan Arus Konstan
Untuk mengetahui karakteristik suatu baterai isi ulang diperlukan pengujian dengan memberikan laju arus konstan yang berbeda-beda. Pada perancangan rangkaian pemilihan arus konstan seperti Gambar 4.
K5 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 R9 R RB4 K7 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 R1 R15 R D6 R5 TR1 R3 TR7 R4 K1 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 J2 12 Volt 1 2 RB6 R8 K8 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 D5 R16 R K6 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 D7 TR5 TR3 R10 R RB1 RB2 RB5 D1 R6 D4 TR4 TR8 Ke Port 2 1 2 3 4 5 6 7 8 K4 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 RB8 R11 R D3 J3 Ke Rangkaian Pemilihan Proses
1 2 R7 D2 TR6 5 V K3 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 RB3 R13 R D8 R2 RB7 K2 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 TR2 R12 R R14 R
Gambar 4. Rangkaian Pemilihan Arus Konstan
Rangkaian Pemilihan Kondisi Pengisian atau Pengosongan baterai
Gambar 5. merupakan rangkaian pemilihan kondisi proses pengisian atau pengosongan. Jika P3.2 bernilai “1” maka transistor berada dalam kondisi saturasi sehingga relay bekerja tetapi jika P3.2 bernilai “0” maka transistor berada pada kondisi
cut-off sehingga relay tidak bekerja. Saat awal relay memilih kondisi discharge sehingga apabila penggerak relay dalam kondisi aktif akan mengubah kondisi dari discharge menjadi charge. BT1 B a t Is i U la n g 1 2 TR3 + 5V - 12V R R P3.2 + 12 V R 2SC1383 R K1 RELAY DPDT 3 4 5 6 8 7 1 2 TR2 R D1 DIODE R P e nga tu ra n A rus TR4 TR1 + 12 V R
Gambar 5 Rangkaian Pemilihan Proses Pengisian atau Pengosongan Baterai
Tipe relay yang digunakan adalah HH52P yang memiliki Rrelay = 360Ω. Dengan pengukuran ß 2SC1383 = 85, VCEsat = 0,2 V, pengukuran VBE = 0,85 maka arus basis yang
Rrelay V V I(Csat)=12 − CEsat ………….……..………...…… (9) mA I(Csat)=32,77 .
β
) ( ) ( Csat sat bI
I
=
………..………..……...….... (10)mA
I
b(sat)=
4
,
53
Syarat transistor sebagai saklar adalah
I
b≥
I
b( sat), dengan menggunakanI
b=
4
,
53
mA
, nilai Rb dapat dicari:b BE b
I
V
R
=
5
−
……….………...…(11)Ω
≈
Ω
=
k
R
b916
,
11
1
Rangkaian ADC0804 Dengan Mikrokontroler AT89S51
Rangkaian ADC0804 Dengan Mikrokontroler AT89S51 seperti Gambar 6 digunakan untuk mengubah masukan sinyal analog menjadi keluaran sinyal digital.
P1.3 P3.7 P1.1 A D C 0804 6 7 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 4 5 1 2 3 +IN -IN VREF/2 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CLKR CLKIN INTR CS RD WR P1.7 1,275 V P1.5 10K P1.0 P1.2 P1.4 P3.5 150pF
Dari Pengkondisi Sinyal
P1.6
P3.6
Gambar 6. Rangkaian ADC0804 dengan Mikrokontroler AT89S51
Diagram Alir Program Utama
Gambar 7. Diagram Alir Program Utama
4. Hasil dan Pembahasan
4.1. Pengamatan Perangkat Lunak
Tampilan program untuk Form proses dapat dilihat pada Gambar 8. Program dapat dijalankan dengan mudah dengan mengikuti urutan perintah untuk menjalankan program seperti ditampilkan pada bagian F yakni dengan menggunakan label berisikan keterangan yang mengarahkan pengguna untuk melakukan perintah selanjutnya.
Gambar 8. Form Proses
Sebelum memilih proses pengisian atau pengosongan baterai isi ulang, pengguna harus terlebih dahulu mengetahui tegangan awal baterai yang akan diproses dengan cara menekan tombol ‘Cek Baterai’, yang kemudian ditampilkan pada bagian B. Selanjutnya dapat dipilih proses yang akan dilakukan. Pemilihan ini ditampilkan pada bagian A.
Pada bagian G terdapat tombol ‘Simpan Status’, untuk memeriksa pemilihan proses, pemilihan arus dan nilai kapasitas baterai. Pemilihan proses pada bagian A tidak dapat diubah lagi ketika dengan penekanan tombol ‘Simpan Status’ tidak ada tampilan pesan kesalahan. Kemudian dengan menekan tombol ‘Proses Mulai’ , program akan memulai proses.
Bagian H akan menampilkan perubahan tegangan baterai isi ulang per detik. Setelah 60 data yang terkumpul pada bagaian H kemudian dirata-rata. Hasil rata-rata 60 data tersebut menjadi nilai tegangan yang ditampilkan pada bagaian I.
Perubahan tegangan ditampilkan dengan sebuah progressbar pada bagian J dan grafik pada bagian K. Setelah pengambilan data tegangan selesai, pada bagian G pengguna dapat menekan tombol ‘Hentikan Proses’ Pada bagian G juga terdapat tombol ‘Simpan Proses’ yang digunakan untuk menyimpan keterangan pada bagian E selain keterangan waktu komputer. Selain itu, penekanan tombol ‘Simpan Proses’ akan menyimpan informasi data-data tegangan dalam format *.txt dan juga grafik dalam format *.jpg.
Berdasarkan pengamatan yang dilakukan, program sistem secara keseluruhan dapat bekerja dengan baik.
4.2. Pengamatan Sistem
4.2.1 Proses Pengisian Baterai Isi Ulang
A
B
C
D
E
F
G J
H
K
I
Gambar 9 merupakan grafik perbandingan pengukuran tegangan baterai menggunakan multimeter dengan tampilan pada program Visual Basic saat pengisian baterai terhadap waktu yang dicuplik tiap 5 menit.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 5 45 85 125 165 205 245 528 325 365 405 445 485 525 565 605 645 685 572 765 805 845 885 925 Waktu Te ga ng a n Man VB
Gambar 9. Grafik Perbandingan antara Pengukuran Tegangan menggunakan Multimeter dengan Tampilan Visual Basic terhadap Waktu saat Pengisian Baterai
Kesalahan relatif untuk setiap pengukuran tegangan saat pengisian baterai dihitung dengan rumus sebagai berikut:
% 100 . ) ( ) ( x TegAcuan TegMulti ic nVisualBas TegTampila TegAcuan TegMulti Error= − ...(12)
Berdasarkan hasil pengamatan grafik Gambar 9 dapat dihitung bahwa kesalahan rata –rata pengukuran tegangan saat pengisian baterai adalah sebesar 0,7%. Grafik perbandingan hasil pengukuran tegangan menggunakan multimeter dengan tampilan Visual Basic dapat dilihat pada Gambar 10.
Dari hasil tersebut dapat dikatakan bahwa proses dari alat ukur untuk pengisian baterai isi ulang dapat berhasil baik.
1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 Tegangan Multimeter Te ga ng a n Ta m p il a n V B
Gambar 10. Grafik Perbandingan Hasil Pengukuran Tegangan Mengunakan Multimeter dengan Tampilan Visual Basic saat Pengisian Baterai
4.2.2. Proses Pengosongan Baterai Isi Ulang
Gambar 11 merupakan grafik perbandingan pengukuran tegangan baterai secara manual dengan tampilan pada program Visual Basic saat pengosongan baterai terhadap waktu yang dicuplik tiap 5 menit.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 5 20 35 50 65 80 95 11 0 12 5 14 0 15 5 17 0 18 5 20 0 21 5 23 0 24 5 26 0 27 5 29 0 30 5 32 0 33 5 35 0 36 5 38 0 39 5 41 0 42 5 44 0 45 5 47 0 48 5 50 0 Waktu Te g a nga n man VB
Gambar 11. Grafik Perbandingan Pengukuran Tegangan menggunakan Multimeter dengan Tampilan Visual
Basic terhadap Waktu saat Pengosongan Baterai
Kesalahan relatif untuk setiap pengukuran tegangan saat pengosongan baterai dapat dihitung dengan persamaan 12.
Berdasarkan pengamatan grafik Gambar 11 dapat dihitung bahwa kesalahan rata – rata pengukuran tegangan saat pengosongan baterai adalah sebesar 0,81%. Dari hasil tersebut dapat dikatakan bahwa proses dari alat ukur untuk pengosongan baterai isi ulang dapat berhasil baik.
0,85 0,95 1,05 1,15 1,25 1,35 0,85 0,95 1,05 1,15 1,25 1,35 Tegangan Multimeter Te ga nga n Ta m p il a n V B
Gambar 12 Grafik Perbandingan Hasil Pengukuran Tegangan Menggunakan Multimeter dengan Tampilan Visual Basic saat Pengosongan Baterai
5. Kesimpulan
Setelah melakukan perancangan dan pengujian alat pengukur tegangan pengisian dan pengosongan baterai isi ulang dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Alat ini dapat digunakan untuk mengisi baterai dengan kesalahan rata-rata pengukuran saat pengisian sebesar 0,7%.
2. Alat ini dapat digunakan untuk mengosongkan baterai isi ulang dengan kesalahan rata-rata pengukuran saat pengosongan sebesar 0,81%.
3. Program Visual Basic dapat menampilkan dengan baik data tegangan saat
pengosongan serta pengisian baterai isi ulang dalam bentuk grafik tegangan terhadap waktu.
