Alat Pengukur Tegangan Pengisian dan Pengosongan untuk Baterai si Ulang Wiwien Widyastuti, Martanto, Leonardus Utomo Pribadi,, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Kampus, Paingan, Maguwoharjo, Sleman wiwien@staff.usd.ac.id, martanto@staff.usd.ac.id 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 0.8%.. 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.. 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
arus sebesar C/00 hingga C/0 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-ate merupakan definisi untuk arus pengisian dan pengosongan baterai isi ulang. C-ate dapat dirumuskan menjadi C C _ ate =... () hour C = kapasitas baterai dalam A-hour atau ma-hour. Sebagai contoh jika sebuah baterai 000mA-hour akan mempunyai C-ate sebesar 000mA, arus penyesuaian untuk C adalah 000mA, arus penyesuaian untuk 0.C adalah 00mA dan arus penyesuaian untuk C adalah 000mA... angkaian Current Mirror angkaian current mirror menggunakan dua buah transistor yang dirangkai seperti Gambar akan menyediakan suatu arus konstan. Arus konstan dihasilkan dari T yang merupakan pencerminan dari transfer T. Arus bias diukur oleh transistor T dan resistor bias. bias merupakan arus konstan yang mengalir ke transistor T. Arus basis dari kedua transistor tersebut memiliki persamaan. Diasumsikan bahwa arus emitter ( E ) pada kedua transistor sama. x Vcc B B E T B T Sumber Variabel Baterai si Ulang Cermin Gambar angkaian Current Mirror E E B =... () β + β angkaian current mirror seperti Gambar, dengan menggunakan KVL memiliki persamaan. VCC VBE Sumber.... () + Variabel Arus B pada transistor dapat dicari dengan persamaan Sumber B =..... () β + Cermin sama dengan arus yang mengalir ke C sehingga besarnya Cermin dapat dicari dengan menggunakan persamaan Cer min = C = β B.... ()
dengan menggunakan persamaan dan didapatkan persamaan 6 β Cer min = Sumber.....(6) β + β dengan nilai β transistor yang besar maka β + sehingga Cermin sama dengan Sumber...(7) Cer min Sumber. Metode Penelitian Perancangan Perangkat Keras Diagram Blok Gambar. Diagram Blok Alat Pengukur Tegangan Pengisian dan Pengosongan untuk Baterai si Ulang angkaian Pengisian Baterai angkaian Gambar berfungsi sebagai penyedia arus konstan yang digunakan untuk pengisian baterai. Pengisian baterai menggunakan rangkaian current mirror yang menghasilkan current source. Nilai dan harus mempunyai nilai resistansi yang sama agar arus yang dicerminkan nilainya sama dengan arus hasil pencerminan. angkaian current mirror pada pengisian baterai isi ulang dibuat menggunakan transistor PNP SA67 dengan hfe 97 (pengukuran). angkaian Gambar, dengan menggunakan persamaan, pengukuran V BE = 0,6, nilai = Ω sehingga diperoleh nilai Variabel seperti Tabel. Tabel Nilai Variabel untuk Pengisian Baterai Arus yang diinginkan (ma) Nilai Variabel (Ω) 60mA 88 70mA 60,8 80mA 0, 90mA,6 0mA 9 0mA 8,7
0mA 79, 0mA 7 angkaian Pengosongan Baterai angkaian Gambar berfungsi sebagai penyedia arus konstan yang digunakan untuk pengosongan baterai. Pengosongan baterai menggunakan rangkaian current mirror yang menghasilkan current sink. Nilai dan harus mempunyai nilai resistansi yang sama agar arus yang dicerminkan nilainya sama dengan arus hasil pencerminan. angkaian current mirror pada pengisian baterai isi ulang dibuat menggunakan transistor NPN SC06 dengan hfe 8 (pengukuran). T T bias Baterai si Ulang - V Gambar angkaian Pengosongan Baterai Tabel Nilai Variabel untuk Pengosongan Baterai Arus yang diinginkan (ma) Nilai Variabel (Ω) -60mA 88-70mA 60,8-80mA 0, -90mA,6-0mA 9-0mA 8,7-0mA 79, -0mA 7 angkaian pengosongan baterai seperti Gambar, dengan menggunakan KVL rangkaian Gambar memiliki persamaan 8, VEE VBE x =... (8) + Variabel Dengan nilai V BE (pengukuran) = 0,6, =Ω, diperoleh nilai Variabel seperti Tabel. angkaian 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.
Ke angkaian Pemilihan Proses J 6 7 8 K ELAY SPDT K7 ELAY SPDT K ELAY SPDT K8 ELAY SPDT K6 ELAY SPDT K ELAY SPDT K ELAY SPDT K ELAY SPDT Volt D D D D D D6 D7 D8 J T T T T T T6 T7 T8 B B B B B B6 B7 B8 V 9 0 8 7 6 6 Ke Port Gambar. angkaian Pemilihan Arus Konstan angkaian Pemilihan Kondisi Pengisian atau Pengosongan baterai Gambar. merupakan rangkaian pemilihan kondisi proses pengisian atau pengosongan. Jika P. bernilai maka transistor berada dalam kondisi saturasi sehingga relay bekerja tetapi jika P. 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. + V - V T T T T Pengaturan Arus Bat si Ulang 8 7 6 K ELAY DPDT + V + V D BT DODE SC8 P. Gambar angkaian Pemilihan Proses Pengisian atau Pengosongan Baterai Tipe relay yang digunakan adalah HHP yang memiliki relay = 60Ω. Dengan pengukuran ß SC8 = 8, V CEsat = 0, V, pengukuran V BE = 0,8 maka arus basis yang menyebabkan saturasi adalah :
V VCEsat ( C ) =...... (9) sat relay ( C ) =, 77mA. sat ( Csat) =.......... (0) b( sat) β b ( ) =, ma sat Syarat transistor sebagai saklar adalah b b(sat ), dengan menggunakan b =, ma, nilai b dapat dicari: VBE b =.... () b b = 96,Ω kω angkaian ADC080 Dengan Mikrokontroler AT89S angkaian ADC080 Dengan Mikrokontroler AT89S seperti Gambar 6 digunakan untuk mengubah masukan sinyal analog menjadi keluaran sinyal digital.,7 V Dari Pengkondisi Sinyal 0K 0pF 6 7 +N -N 9 9 VEF/ CLK CLKN CS D W ADC080 DB0 DB DB DB DB DB DB6 DB7 NT 8 7 6 P.0 P. P. P. P. P. P.6 P.7 P.7 P.6 P. Gambar 6. angkaian ADC080 dengan Mikrokontroler AT89S Perancangan Perangkat Lunak
Diagram Alir Program Utama Gambar 7. Diagram Alir Program Utama. Hasil dan Pembahasan.. 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.
F A C B D E G J H K 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. 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... Pengamatan Sistem.. Proses Pengisian Baterai si Ulang
Gambar 9 merupakan grafik perbandingan pengukuran tegangan baterai menggunakan multimeter dengan tampilan pada program Visual Basic saat pengisian baterai terhadap waktu yang dicuplik tiap menit.,6,, 0,8 0,6 0, 0, 0 8 6 0 8 6 0 8 6 60 6 68 7 76 80 8 88 9 Tegangan Man VB Waktu 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: TegMulti( TegAcuan) TegTampilanVisualBasic Error =. x00%...() TegMulti( TegAcuan) 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 0. Dari hasil tersebut dapat dikatakan bahwa proses dari alat ukur untuk pengisian baterai isi ulang dapat berhasil baik.
,6, Tegangan Tampilan VB,,,,,,,,,,,,,,,,6 Tegangan Multimeter Gambar 0. Grafik Perbandingan Hasil Pengukuran Tegangan Mengunakan Multimeter dengan Tampilan Visual Basic saat Pengisian Baterai... Proses Pengosongan Baterai si Ulang Gambar merupakan grafik perbandingan pengukuran tegangan baterai secara manual dengan tampilan pada program Visual Basic saat pengosongan baterai terhadap waktu yang dicuplik tiap menit.,6,, Tegangan 0,8 0,6 0, 0, 0 man VB 0 0 6 80 9 0 0 70 8 00 0 60 7 90 0 0 0 6 80 9 0 0 70 8 00 Gambar. 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. Waktu Berdasarkan pengamatan grafik Gambar dapat dihitung bahwa kesalahan rata rata pengukuran tegangan saat pengosongan baterai adalah sebesar 0,8%. Dari hasil tersebut dapat dikatakan bahwa proses dari alat ukur untuk pengosongan baterai isi ulang dapat berhasil baik.
, Tegangan Tampilan VB,,,0 0,9 0,8 0,8 0,9,0,,, Tegangan Multimeter Gambar Grafik Perbandingan Hasil Pengukuran Tegangan Menggunakan Multimeter dengan Tampilan Visual Basic saat Pengosongan Baterai. Kesimpulan Setelah melakukan perancangan dan pengujian alat pengukur tegangan pengisian dan pengosongan baterai isi ulang dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:. Alat ini dapat digunakan untuk mengisi baterai dengan kesalahan rata-rata pengukuran saat pengisian sebesar 0,7%.. Alat ini dapat digunakan untuk mengosongkan baterai isi ulang dengan kesalahan rata-rata pengukuran saat pengosongan sebesar 0,8%.. Program Visual Basic dapat menampilkan dengan baik data tegangan saat pengosongan serta pengisian baterai isi ulang dalam bentuk grafik tegangan terhadap waktu. Daftar Pustaka