PENGISI BATERAI OTOMATIS DENGAN MENGGUNAKAN SOLAR

PENGISI BATERAI OTOMATIS DENGAN MENGGUNAKAN SOLAR CELL
Wahyu Purnomo
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma, Margonda Raya 100 Depok 16424 telp
(021) 78881112, 7863788
Tanggal Pembuatan : 8 Januari 2010
Dalam penggunaan alat elektonika sering kali disebut-sebut membutuhkan sebuah baterai sebagai
tenaganya, tetapi baterai yang telah habis dipakai diisi dengan menggunakan listrik dari PLN, tapi penggunaan
listrik yang berlebihan akan menghasilkan gas emisi sulfur dioksida, oksida nitrogen, dan karbondioksida yang
banyak berpengaruh terhadap lingkungan, karena suhu lingkungan akan meningkat, sehingga dapat menyebabkan
pemanasan global (global warming).[1]
Maka dari itu pengisi baterai otomatis dengan tenaga fosil (minyak bumi) diganti dengan menggunakan
tenaga surya atau matahari. Keunggulan dari tenaga surya bila dibanding dengan tenaga fosil (minyak bumi) adalah
tidak menimbulkan polusi atau mencemarkan lingkungan. Sehingga disebut juga sebagai energi ramah lingkungan.
Komponen utama dari alat ini adalah solar cell (sebagai masukan dengan mengubah energi surya menjadi
energi listrik), rangkaian pengisi baterai (sebagai pengontrol), led indikator (sebagai indikator pengisian baterai), dan
baterai charge (tegangan 12 V dengan arus 1,2 Ah).
Penggunaan alat ini sangat sederhana, rangkaian ini akan berfungsi apabila ada suplai dari energi cahaya
matahari yang kemudian energi ini diubah menjadi energi listrik melalui solar cell. Rangkaian ini menggunakan
kontrol tegangan pada saat pengisian baterai, dan indikator dari alat ini menggunakan sebuah alat avometer dan
ampermeter yang dapat menunjukkan baterai sedang diisi atau sudah penuh.
Dari hasil pengujian didapatkan bahwa alat tersebut berfungsi dengan baik, dimana setiap
pengisian baterai dapat diselesaikan dalam waktu 20 jam. Dan menyimpulkan bahwa alat ini sangat aman dan
mudah digunakan dalam setiap pengisian baterai.
1. PENDAHULUAN
Listrik adalah daya atau kekuatan yang
ditimbulkan oleh adanya pergesekan atau melalui
proses kimia. Dapat digunakan untuk menghasilkan
panas atau cahaya atau bisa juga, untuk menyalakan
mesin.
Dari pengertian listrik di atas, dapat
diketahui bahwa listrik sangat bermanfaat bagi hidup
manusia. Misalnya, untuk menyalakan lampu,
pendingin ruangan, TV, komputer, dan sebagainya.
Dapat dikatakan manusia sudah tidak dapat lagi hidup
tanpa adanya listrik.
Listrik memang sangat berguna, tapi
penggunaan listrik yang
berlebihan akan
menghasilkan gas emisi sulfur dioksida, oksida
nitrogen, dan karbondioksida yang banyak
berpengaruh terhadap lingkungan, karena suhu
lingkungan akan meningkat, sehingga dapat
menyebabkan pemanasan global (global warming).
Seperti yang diketahui oleh banyak khalayak
umum, akibat dari pemanasan global, cairan gletser
banyak yang mencair di daerah pegunungan yang
tinggi, di kutub utara maupun di kutub selatan. Hal ini
tentu saja menyebabkan debit air di bumi ini
meningkat, buktinya semakin banyaknya banjir dan
pulau-pulau kecil yang menghilang karena
tenggelam. Selain itu pemanasan global juga
menyebabkan pergantian musim yang temponya tidak
menentu.
Bisa dipastikan pemanasan global memang
tidak bisa dihindari, tapi para manusia bisa
meminimalisir dampak yang sudah terjadi, dan
mencegah, atau setidaknya memperlambat terjadinya
dampak yang lebih berbahaya.
Oleh karena itu, sudah seharusnya para
penduduk bumi menyadari terjadinya
pemanasan global dan melakukan suatu perubahan
dan suatu perubahan itu tidak harus besar, semisalnya
hal-hal kecil seperti alat pengisi baterai otomatis.
Dapat dibayangkan berapa besar gas emisi
yang dihasilkan negara Indonesia hanya untuk
mengisi ulang baterai. Belum juga ditambah
pemakaian alat-alat yang membutuhkan listrik
lainnya. Itu hanya negara Indonesia, belum ditambah
China, Amerika, bahkan seluruh negara di dunia.
Oleh karena itu, ada salah satu cara yang
dapat menanggulangi atau meminimalisir dampak
pemanasan global yaitu pemanfaatan energi surya
yang dapat dijadikan alternatif pengganti sumber
tenaga listrik. Energi surya tersebut dapat digunakan
untuk mengisi ulang baterai, sehingga diharapkan
dapat mengurangi emisi gas yang dapat menyebabkan
pemanasan global.
Namun alat ini banyak sekali kekurangannya
yaitu apabila berada di musim penghujan sehingga
alat ini tidak berfungsi secara mestinya serta tidak
adanya supply dari energi surya.
2. LANDASAN TEORI[2]
Prinsip kerja sel surya silikon adalah
berdasarkan konsep semikonduktir p-n junction. Sel
terdiri dari lapisan semikonduktor doping-n dan
doping-p yang membentuk p-n junction, lapisan
antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat
mengalirnya arus dari lapisan tipe- n (elektron) dan
tipe-p (hole).
Gambar 2.1. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction.
Semikonduktor tipe-n didapat dengan
mendoping silikon dengan unsur dari golongan V
sehingga terdapat kelebihan elektron valensi
dibanding atom sekitar. Pada sisi lain semikonduktor
tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III
sehingga electron valensinya defisit satu dibanding
atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut
mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipen berdifusi pada tipe-p. Sehingga area doping-n akan
bermuatan positif sedangkan area doping-p akan
bermuatan negatif. Medan elektrik yan terjadi antara
keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n
dan hole ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk
p-n junction. Dengan menambahkan kontak logam
pada area p dan n maka telah terbentuk dioda.
Gambar 2.2. Cara kerja Sel Surya Silikon.
Ketika junction disinari, photon yang
mempunyai energi sama atau lebih besar dari lebar
pita energi materia tersebut akan menyebabkan
eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi
dan akan meninggalkan hole pada pita valensi.
Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material
sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole.
Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel
surya, maka elektron dari area-n akan kembali ke
area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial
dan arus akan mengalir. Skema cara kerja sel surya
silikon ditunjukkan pada Gambar 2.2.
3. PERANCANGAN ALAT
Pada prinsipnya pengisian muatan baterai
adalah dengan cara mengaliri baterai dengan arus
listrik secara terus menerus.
Pengisian dihentikan ketika tegangan baterai
telah sampai pada tegangan maksimumnya (muatan
penuh). Jika baterai telah mencapai tegangan
maksimumnya tetapi tetap dilakukan pengisian maka
akan menimbulkan kerugian yaitu pemborosan energi
listrik serta akan terjadi pemanasan berlebihan pada
baterai yang akan memperpendek umurnya.
Untuk menghindari kerugian tersebut,
maka akan lebih baik jika charger dapat bekerja
secara otomatis untuk mengisi baterai jika baterai
itu kosong muatannya (tegangan dibawah nilai
nominalnya) serta berhenti mengisi jika baterai
telah penuh.
Gambar 3.3. Rangkaian Pengisi Baterai Otomatis
Gambar 3.3. berikut adalah contoh
sederhana dari rangkaian pengisi baterai otomatis.
Prinsip kerja dari rangkaian ini adalah
pembandingan tegangan baterai dengan tegangan
penuh dan kosong. Pembandingan dilakukan oleh
op-amp1 dan op-amp2. Jika hasil pembandingan
menyatakan tegangan baterai kosong maka
pengisian akan berlangsung (yaitu dengan men-set
D flip-flop). Ketika hasil pembandingan
menyatakan tegangan baterai adalah penuh, maka
pengisian dihentikan (yaitu dengan meng-clear D
flip-flip). Besarnya tegangan penuh dan tegangan
kosong adalah dengan mengatur VR1 dan VR2.
•
Rangkaian pewaktu
Rangkaian ini berfungsi untuk pembangkit
waktu pada rangkaian pengisi baterai yang
menghasilkan tegangan output yang secara terus-
menerus dan otomatis di-switch dari kondisi tinggi
ke rendah kemudian dari rendah ke tinggi dan
seterusnya.
Rangkaian pewaktu ini menggunakan
rangkaian pewaktu jenis multivibrator astable yaitu
menggunakan IC timer 555 yang dapat ditentukan
durasi waktunya untuk masing masing state
(kondisi 1 dan 0) sesuai dengan nilai resistor dan
kapasitansi external. Rangkaian ini memanfaatkan
osilasi tegangan pada kapasitor disekitar 1/3 Vcc
sampai 2/3 Vcc. Komponen eksternal yang
diperlukan adalah sebuah kapasitor (C1) dan dua
buah resistor (RA dan RB).
Sehingga
dapat
dicari,
Untuk
menghasilkan frekuensi osilasi sebesar 1 KHz,
dengan menggunakan komponen Ra = 470 Ω dan
nilai
Rb 5K6 Ω maka nilai kapasitor yang
dibutuhkan adalah sebagai berikut :
Baterai ini bisa memberikan kuat arus
sebesar 1,2 Ampere dalam satu jam artinya
memberikan daya rata-rata sebesar 14,4 Watt (Watt
= V x I = Voltase x Ampere = 12 V x 1,2 A).
Secara hitungan kasar dapat menyuplai alat berdaya
14,4 Watt selama satu jam atau alat berdaya 1,44
Watt selama 10 jam, walaupun pada kenyataannya
tidak seperti itu.
3.4
Indikator
Indikator dipergunakan sebagai tampilan
dari suatu masukan dan outputan, sehingga dapat
diketahui suatu alat atau suatu sistem bekerja.
Indikator level tegangan ini menggunakan
voltmeter analog sebagai penunjuk tegangan,
indikator ini akan bekerja seiring apabila ada
pengisian baterai dilihat pada gambar 3.5.
1
F (frekuensi) =
0,693 x ( RA+2xRB ) C
1 KHz =
C =
C =
1
x
(
0,693 470 + 2 x 56 K ) C
1
0,693 x ( 470 + 2 x 56 K ) 1KHz
1
Gambar 3.5. Rangkaian Indikator level
Tegangan
77941710
C = 0,00000001283 = 0,01283 µ F
Karena nilai kapasitor tidak ada yang
bernilai 0,01283 µF maka dalam perancangan akan
digunakan kapasitor yang nilainya mendekati yakni
0,01 µF.
3.3.
Baterai charge
Baterai charge berfungsi sebagai media
penyimpan dan penyedia energi listrik. Sumber listrik
yang digunakan sebagai pembangkit power dalam
bentuk arus searah (DC). Alat ini digunakan di dunia
elektronika untuk menjalankan fungsi dari alat-alat
elektronika itu sendiri. Di bawah ini adalah gambar
baterai charge yang dipakai pada penulisan ini.
Gambar 3.4. Baterai 12 Volt / 1,2 Ah
Gambar 3.6. Rangkaian Indikator Arus
Sedangkan indikator arus menggunakan
ampermeter analog berfungsi untuk mengetahui
besarnya arus yang ditimbulkan pada saat pengisian
baterai.
4. UJI COBA
4.1
Pengujian Modul Solar cell
Pengujian ini dilakukan langsung dibawah
sinar matahari dengan cuaca cerah pada saat pagi,
siang maupun sore dengan menggunakan multimeter
digital, pengujian ini tidak hanya mengambil 1 hari
saja tetapi 3 hari dengan waktu dari jam 9 pagi hingga
jam 4 sore. Tujuan pengujian modul solar cell untuk
mengetahui apakah alat ini bekerja atau tidak.
Pengujian modul solar cell dapat dilihat pada Gambar
4.1 dibawah ini.
Gambar 4.2. Grafik Tegangan Solar Cell
Gambar 4.1. Pengujian Modul Solar Cell
Sistem kerja keseluruhan dari alat pengisi
baterai menggunakan solar cell dengan tegangan
sebesar 21,13 volt. Tegangan 21,13 V dibutuhkan
untuk tegangan masukkan rangkaian pengisi baterai,
indikator, dan baterai charge.
Tegangan pada solar cell mempunyai
tegangan nominal dan tegangan open circuit. Jika
dilihat tabel dibawah ini tegangan nominal solar cell
yaitu pada saat pengukuran hari ke-3 adalah sekitar
18,41 V terjadi pada jam 09.00 WIB sedangkan
tegangan open circuit solar cell yaitu pada saat
pengukuran hari pertama adalah sekitar 21,13 V
terjadi pada jam 13.00 WIB. Hasil uji coba solar cell
terdapat pada tabel 4.1.
4.2
Pengujian Rangkaian Pengisi Baterai
Pengujian yang pertama yaitu mengukur
tegangan input (+) op-amp 1 (titik A) dan tegangan
input (-) op-amp 2 (titik B) dengan masing-masing
nilai tahanan yang berbeda. Tegangan penuh berada
pada op-amp 1 dengan mengatur VR1 sedangkan
tegangan kosong berada pada op-amp 2 dengan
mengatur VR2, sesuai pada gambar 4.2 di bawah ini.
Tabel 4.1 Hasil Uji Coba Solar Cell
JAM
09.00 WIB
10.00 WIB
11.00 WIB
12.00 WIB
13.00 WIB
14.00 WIB
15.00 WIB
16.00 WIB
Tegangan
Solar Cell
Hari
Pertama
(V)
19,73 V
19,76 V
19,83 V
20,02 V
21,13 V
21,04 V
20,81 V
19,95 V
Tegangan
Solar Cell
Hari
Kedua
(V)
19,56 V
19,56 V
19,79 V
19,81 V
20,36 V
20,32 V
20,34 V
19,66 V
Tegangan
Solar Cell
Hari
Ketiga
(V)
18,41 V
19,02 V
19,13 V
20,08 V
20,19 V
20,83 V
20,23 V
19,89 V
Sedangkan perbandingan tegangan antara
hari pertama, kedua dan ketiga dapat dilihat pada
Gambar grafik dibawah ini.
Gambar 4.2. Pengujian Rangkaian Pengisi
Baterai
Hasil pengujian 1:
Tabel 4.2.Hasil Pengujian Tegangan input Opamp dititik A dan dititik B
Nilai Tahanan Variabel
Tegangan Input
(Volt)
Tahanan minimum
= 0 KΩ
Tahanan Midle (tengah)
= 5 KΩ
Tahanan Maksimal
= 10 KΩ
Dititik A = 0,41 V
Dititik B = 0,21 V
Dititik A = 4,31 V
Dititik B = 4,07 V
Dititik A = 7,89 V
Dititik B = 7,58 V
Sedangkan pengujian yang kedua yaitu
mengukur tegangan output op-amp 1 dititik C dan
output op-amp 2 dititik D dengan masing-masing
tegangan inverting tahanan variabel yang berbeda.
Tujuan pengukuran ini untuk mengetahui
keluaran dari masing–masing op-amp dibandingkan
terhadap perubahan level teganga
Hasil pengujian 2 :
Tabel 4.3.Hasil Tegangan Output Op-Amp 1 dan 2
(dititik C dan D)
Tegangan
Output
Op-Amp 1
dititik C
(Volt)
0,03 V
0,14 V
0,34 V
0,26 V
0,63 V
0,97 V
0,98 V
1,14 V
1,57 V
Tahanan
Variabel
(Ω )
Tegangan
Inverting
(Volt)
0 KΩ
5 KΩ
10 KΩ
0 KΩ
5 KΩ
10 KΩ
0 KΩ
5 KΩ
10 KΩ
5,25 Volt
5,5 Volt
6,24 Volt
Tegangan
Output
Op- Amp 2
dititik D
(Volt)
0,01 V
0,12 V
0,31 V
0,21 V
0,59 V
0,88 V
0, 93 V
1,12 V
1,45 V
Rangkaian pengujian pewaktu astable dapat
dilihat pada Gambar 4.4 di bawah ini.
Gambar 4.4. Hasil Pengukuran Rangkaian Pewaktu
Astable
4.3
Pengujian indikator level tegangan dan arus
Pengujian ini dilakukan pada saat pengisian
baterai secara bertahap, dengan cara mengamati
setiap pergerakan arah jarum yang terdapat pada
voltmeter. Sehingga alat ini akan menunjukkan angka
dimana pada saat pengisian baterai berlangsung.
Seperti terlihat pada gambar 4.5.
Tujuan dari pengujian ini untuk mengetahui
apakah indikator level tegangan berfungsi ketika pada
saat pengisian baterai berlangsung.
21,15V
OSILOSCOP
100 O
R1
BC
549
470 O
RA
7
56
K
8
4
3
LM
555
RB
6
2
Q2
BC
549
1
C1
0,01 µF
Gambar 4.5.Pengujian Indikator Level Tegangan
Gambar 4.3. Pengujian Rangkaian Pewaktu Astable
Pengukuran ini dilakukan adalah untuk
mengukur frekuensi gelombang keluaran dari IC 555.
alat ukur yang digunakan dalam pengujian ini adalah
Oscilloscope. Pada pengujian ini didapatkan hasil
pengukuran sebesar 1 KHz, didapat dari persamaan
sebagai berikut :
Time/Div
= 0,2 mS
Volt/Div = 5 Volt
Perioda = 0,2 mS x 5 Volt = 1 mS
Sehingga frekuensinya :
Gambar 4.6. Pengujian Indikator Arus
Berikut tabel 4.5 adalah hasil dari pengujian
level tegangan beserta indikator arus sesuai penunjuk
jarum pada Voltmeter dan Ampermeter.
Gambar hasil pengukuran pada oscilloscope
dapat dilihat pada Gambar 4.4 dibawah ini.
Hasil Pengujian :
Tabel 4.4. Hasil dari Pengujian Indikator Level
Tegangan dan Indikator Arus
Tegangan
Yang
diperoleh
(V)
Arus
Yang
diperoleh
(mA)
10.5
V
11
V
11.5
V
12
V
5.1.
Kesimpulan
Bardasarkan pengujian alat dan hasil analisa
terhadap data yang telah diperoleh maka pada Bab ini
dapat ditarik kesimpulan :
12.5
V
1.
0,5
mA
0,5
mA
10
mA
10,05
mA
10,6
mA
2.
4.4.
Pengujian lama waktu pengisian baterai
Pengujian lamanya waktu pengisian baterai
dilakukan pada
saat pengisian berlangsung yaitu baterai pada saat
mendapatkan tegangan nominal hingga pada saat
tegangan baterai penuh.
Tujuan dari pengujian ini untuk mengetahui
lama waktu yang dibutuhkan untuk mengisi baterai
hingga penuh dengan besar arus tertentu.
Hasil pengujian :
Tabel 4.5. Hasil dari pengujian lama waktu pengisian
baterai 12 V / 1,2 Ah
3.
Solar cell memanfaatkan cahaya langsung
dari matahari yang dirubah menjadi energi
listrik. Apabila dalam keadaan digunakan,
salah satu cell ditutup maka daya akan turun.
Tegangan dan arus akan mulai meningkat
pada pagi hari, kemudian akan mencapai
level yang maksimum pada siang hari, dan
turun pada saat matahari mulai terbenam.
Semakin bertambahnya waktu pengisian
baterai maka tegangan baterai pun akan
meningkat.
5.2.
Saran
Daya yang di hasilkan solar cell selain
disimpan ke baterai, ke depannya digunakan langsung
menggerakkan beban misalnya sepeda motor bahkan
mobil.
DAFTAR PUSTAKA
Waktu
pengisian
baterai
2
jam
4
jam
6
jam
8
jam
10
jam
12
jam
Tegangan
baterai
per jam
(V)
10,67
Volt
10,86
Volt
10,95
Volt
11,07
Volt
11,36
Volt
11,58
Volt
Jika di lihat dari tabel 4.5 diatas bahwa pada
setiap 2 jam sekali baterai pada saat pengisian
menghasilkan tegangan sekitar 0,22 V s/d 1,54 V.
Gambar 4.7. Grafik Pengisian Baterai
[1] http://www.progrosir.co.cc/2008/10/listriktenaga-surya-praktis-ramah.html,mei
2009.
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell, mei
2009
[3] Hughes, Fredrick W. Panduan Op - Amp, Elex
Media Komputindo, Jakarta, 1990.
[4] http://kimiaunsps2.wordpress.com/2008/12/
15/terapan/, juni 2009.
[5] http://www.untirtaroboticclub.co.cc/index.ph
p/article-section/44-pengisi batereotomatis, mei 2009.
[6] Malvino dan Hanapi Gunawan Diktat Kuliah,
Prinsip-Prinsip Elektronik, Edisi Kedua,
PT. Gelora Aksara Pratama, Jakarta, 1981.
[7] Muhammad Muhsin, Elektronika Digital-Teori
Dan Soal Penyelesaian,
Penerbit
Andi, Yogyakarta, 2004.
[8] www.alldatasheets.com, april 2009.
[9] www.kpsec.freeuk.com555timer.htm, juni 2009
[10] Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik Dan
Elektronika Daya, Gramedia pustaka
Utama, Jakarta, Desember 1988.