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.
