Alat Pengukur Tegangan Pengisian dan Pengosongan untuk

Alat Pengukur Tegangan Pengisian dan Pengosongan
untuk Baterai Isi Ulang
Wiwien Widyastuti1, Martanto2, Leonardus Utomo Pribadi3
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta
Kampus III, Paingan, Maguwoharjo, Sleman
[email protected], [email protected]
1,2,3
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
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
C _ Rate =
C
…………………………………...................... (1)
1hour
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.
Vcc
Ix
R
R
TR1
2IB
IE
TR2
Baterai Isi Ulang
R Variabel
2
I Sumber
IB
1
IB
I Cermin
Gambar 1 Rangkaian Current Mirror
IE
I
≈ E …................................................................. (2)
β +1 β
Rangkaian current mirror seperti Gambar 1, dengan menggunakan KVL memiliki
persamaan 3.
V − V BE
………………….…………….............. (3)
I Sumber ≅ CC
R + RVariabel
Arus IB pada transistor dapat dicari dengan persamaan 4
I
I B = Sumber ………………………………..…...................... (4)
β +2
I Cermin sama dengan arus yang mengalir ke IC2 sehingga besarnya I Cermin dapat dicari
dengan menggunakan persamaan 5
I Cer min = I C 2 = β I B ………………………….................……. (5)
IB =
dengan menggunakan persamaan 4 dan 5 didapatkan persamaan 6
I Cer min =
β
β +2
I Sumber …………………………................…..(6)
dengan nilai β transistor yang besar maka
β
β +2
≅ 1 sehingga ICermin sama dengan ISumber
I Cer min ≅ I Sumber ………………………………........................(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)
60mA
70mA
80mA
90mA
120mA
130mA
Nilai R Variabel
(Ω)
188
160,8
140,5
124,6
93
85,7
140mA
150mA
79,4
74
1
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).
TR3
Rbias
2
Baterai Isi Ulang
TR4
R3
R4
-12 V
Gambar 3 Rangkaian Pengosongan Baterai
Tabel 2 Nilai R Variabel untuk Pengosongan Baterai
Arus yang diinginkan
(mA)
-60mA
-70mA
-80mA
-90mA
-120mA
-130mA
-140mA
-150mA
Nilai R Variabel
(Ω)
188
160,8
140,5
124,6
93
85,7
79,4
74
Rangkaian pengosongan baterai seperti Gambar 3, dengan menggunakan KVL rangkaian
Gambar 3 memiliki persamaan 8,
V − V BE
……………………………............ (8)
I x = EE
R3 + RVariabel
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.
Ke Rangkaian Pemilihan Proses
J3
1
2
4
5
K7
K8
1
2
RELAY SPDT
3
RELAY SPDT
1
2
3
RELAY SPDT
1
2
3
R8
4
5
K6
RELAY SPDT
1
2
3
R7
4
5
K5
RELAY SPDT
3
1
2
3
1
2
K4
RELAY SPDT
R6
4
5
4
K3
RELAY SPDT
3
1
2
3
5
K2
RELAY SPDT
R5
1
2
K1
R4
4
5
R3
4
5
R2
4
5
R1
12 Volt
D1
D2
D3
TR1
RB1
D4
TR2
RB2
D5
TR3
RB3
TR4
RB4
D6
TR5
RB5
D7
TR6
RB6
2
1
J2
D8
TR7
RB7
TR8
RB8
5V
R10
R
R11
R
R16
R
R15
R
R14
R
8
7
6
5
4
3
2
1
R9
R
R12
R
R13
R
Ke Port 2
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.
+ 12 V
- 12V
R
R
R
R
TR4
TR1
TR3
7
8
5
4
TR2
K1
2
1
6
Bat Is
i Ula1ng
2
3
RPengaturan Arus
RELAY DPDT
+ 12 V
+ 5V
D1
BT1
DIODE
R
2SC1383
R
P3.2
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
menyebabkan saturasi adalah :
12V − VCEsat
………….……..……….........…… (9)
Rrelay
I ( C sat ) = 32,77mA .
I ( C sat ) =
I b ( sat ) =
I (Csat )
β
………………..………..……........….... (10)
I b ( sat ) = 4,53mA
Syarat transistor sebagai saklar adalah I b ≥ I b (sat ) , dengan menggunakan I b = 4,53mA ,
nilai Rb dapat dicari:
Rb =
5 − VBE
……………….……………….............…(11)
Ib
Rb = 916,11Ω ≈ 1kΩ
Rangkaian ADC0804 Dengan Mikrokontroler AT89S51
Rangkaian ADC0804 Dengan Mikrokontroler AT89S51 seperti Gambar 6 digunakan
untuk mengubah masukan sinyal analog menjadi keluaran sinyal digital.
1,275 V
Dari Pengkondisi Sinyal
P1.0
10K
9
19
4
1
2
3
+IN
-IN
VREF/2
CLKR
CLKIN
CS
RD
WR
ADC0804
P1.1
6
7
DB0
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
DB7
INTR
150pF
18
17
16
15
14
13
12
11
5
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P3.7 P3.6 P3.5
Gambar 6. Rangkaian ADC0804 dengan Mikrokontroler AT89S51
Perancangan Perangkat Lunak
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.
F
C
A
H
E
B
D
I
G J
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 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
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.
1,6
1,4
T eg an g an
1,2
1
Man
0,8
VB
0,6
0,4
0,2
5
45
85
125
165
205
245
285
325
365
405
445
485
525
565
605
645
685
725
765
805
845
885
925
0
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 =
.x100% .....................(12)
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 10.
Dari hasil tersebut dapat dikatakan bahwa proses dari alat ukur untuk pengisian
baterai isi ulang dapat berhasil baik.
1,6
Tegangan Tam pilan VB
1,55
1,5
1,45
1,4
1,35
1,3
1,25
1,2
1,2
1,25
1,3
1,35
1,4
1,45
1,5
1,55
1,6
Tegangan Multimeter
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.
1,6
1,4
Tegangan
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
500
485
470
455
440
425
410
395
380
365
350
335
320
305
290
275
260
245
230
215
200
185
170
155
140
125
95
110
80
65
50
35
5
man
20
0
Waktu
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.
Tegangan Tampilan VB
1,35
1,25
1,15
1,05
0,95
0,85
0,85
0,95
1,05
1,15
Tegangan Multimeter
1,25
1,35
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.
Daftar Pustaka