17.12 - Battery-charging regulator.

TUGAS CHAPTER 17

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Example

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Link Download

1. Pendahuluan[Kembali]

    Regulator pengisian baterai merupakan rangkaian yang digunakan untuk mengatur aliran arus yang masuk ke dalam baterai selama proses pengisian, dengan tujuan untuk mencegah kerusakan akibat pengisian berlebihan atau kekurangan arus. Salah satu teknologi yang umum digunakan dalam rangkaian regulator pengisian adalah Silicon-Controlled Rectifier (SCR). SCR merupakan komponen semikonduktor yang memiliki kemampuan untuk mengontrol aliran arus hanya dalam satu arah setelah diberi sinyal pemicu. Keuntungan utama dari penggunaan SCR adalah kemampuannya dalam mengatur arus secara efisien, yang sangat berguna dalam aplikasi pengisian baterai.

    Pada percobaan ini, digunakan rangkaian regulator pengisian baterai yang memanfaatkan SCR untuk mengatur arus pengisian yang mengalir ke baterai. Rangkaian ini bertujuan untuk menjaga agar pengisian baterai tetap aman dan efisien, mencegah terjadinya overcharging atau undercharging yang dapat merusak baterai. Selain itu, penggunaan SCR dalam rangkaian ini memungkinkan pengaturan tegangan dan arus pengisian dengan lebih presisi.

2. Tujuan[Kembali]

1. Menganalisis cara kerja rangkaian regulator pengisian baterai yang memanfaatkan Silicon-Controlled Rectifier (SCR) untuk mengatur arus pengisian.
2. Mengukur tegangan dan arus pengisian pada baterai untuk memastikan pengisian dilakukan dengan aman dan efisien.
3. Mencegah terjadinya overcharging atau undercharging yang dapat merusak baterai dengan memanfaatkan kemampuan SCR untuk mengatur aliran arus secara presisi.
4. Menilai efisiensi dan kestabilan pengaturan tegangan dan arus pada rangkaian regulator pengisian baterai menggunakan SCR.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

• Resistor 

     Resistor merupakan komponen elektronik yang memiliki dua pin dan didesain untuk mengatur tegangan listrik dan arus . Resistor mempunyai nilai resistansi (tahanan) tertentu yang dapat memproduksi tegangan listrik di antara kedua pin dimana nilai tegangan terhadap resistansi tersebut berbanding lurus dengan arus yang mengalir, berdasarkan persamaan hukum ohm 




 
• Transistor
  
  
  

                   Transistor merupakan sebuah alat semikonduktor yang dapat dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung arus (switching), stabilisasi tegangan, dan modulasi sinyal.

• Transformator
  

  
  
  

  Transformator adalah komponen elektromagnetik yang digunakan untuk mengubah tingkat tegangan listrik AC (arus bolak-balik) dari satu nilai ke nilai lainnya melalui prinsip induksi elektromagnetik. Transformator terdiri dari dua kumparan kawat, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder, yang dililitkan pada inti besi yang sama. Ketika arus AC mengalir melalui kumparan primer, medan magnet yang berubah-ubah terbentuk di inti, dan medan ini kemudian menginduksi tegangan pada kumparan sekunder. Besarnya tegangan output tergantung pada rasio jumlah lilitan antara kedua kumparan

• Ground

    Grounding atau Pentanahan adalah sistem pentanahan yang terpasang pada suatu instalasi listrik yang bekerja untuk meniadakan beda potensial dengan mengalirkan arus sisa dari kebocoran tegangan atau arus dari sambaran petir ke bumi. 






• Op-Amp 741

    Perangkat penguat tegangan yang dirancang untuk digunakan dengan komponen umpan balik eksternal seperti resistor dan kapasitor antara terminal keluaran dan masukannya.





• Baterai
            Baterai adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.










• Voltmeter DC



• Kapasitor
          Kapasitor merupakan komponen listrik yang digunakan untuk menyimpan muatan listrik

        Voltmeter DC berfungsi untuk mengetahui beda potensial tegangan DC antara 2 titik pada suatu beban listrik atau rangkaian elektronika.


• Amperemeter DC
Amperemeter DC berfungsi untuk mengetahui arus tegangan DC pada suatu rangkaian listrik atau beban listrik

4. Dasar Teori[Kembali]

  SCR banyak digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronik, seperti saklar statis, pengatur fase, pengisi daya baterai, pengendali suhu, dan sistem penerangan darurat. Komponen ini berfungsi sebagai saklar elektronik yang dapat mengendalikan arus besar dengan sinyal pemicu kecil.

Saklar Statis Seri

• Pada rangkaian setengah gelombang, SCR digunakan sebagai saklar yang dikendalikan oleh sinyal gate. Jika sinyal gate diberikan saat setengah gelombang positif, SCR akan menghantarkan arus dan menyalakan beban.

• SCR akan tetap menghantarkan hingga arus turun di bawah nilai minimum (holding current), biasanya saat gelombang input berubah ke negatif. Dioda digunakan untuk mencegah arus balik

Pengendalian Fase dengan Variabel Resistansi

• Dengan menambahkan resistor variabel pada rangkaian gate SCR, sudut konduksi SCR dapat diatur antara 90° hingga 180°.

• Semakin besar resistansi, semakin lambat SCR akan menghantarkan arus, sehingga hanya sebagian gelombang yang diteruskan ke beban. Ini memungkinkan pengaturan daya yang masuk ke beban, seperti lampu atau pemanas

Pengatur Pengisian Baterai (Battery-Charging Regulator)

       •  SCR digunakan untuk mengatur pengisian baterai secara otomatis.

     •  Ketika tegangan baterai rendah, SCR akan menghantarkan dan mengisi baterai. Setelah baterai penuh dan tegangan mencapai batas tertentu, SCR akan berhenti menghantarkan untuk mencegah overcharging

Pengendali Suhu (Temperature Controller)

• SCR digunakan untuk mengendalikan pemanas listrik berdasarkan suhu yang terdeteksi oleh termostat.

• SCR berfungsi sebagai saklar arus yang dikendalikan oleh output termostat, sehingga pemanas hanya aktif saat suhu di bawah setpoint.

Sistem Penerangan Darurat (Emergency-Lighting System)

• SCR digunakan dalam sistem penerangan darurat untuk mengatur pengisian dan pelepasan baterai cadangan.

• Saat listrik padam, SCR akan mengalihkan arus dari baterai ke lampu darurat secara otomatis, dan akan mengisi ulang baterai saat listrik utama kembali menyala

Penggunaan SCR (Silicon Controlled Rectifier) dalam sistem battery charging regulator merupakan salah satu aplikasi penting dalam rangkaian pengendalian daya listrik. SCR berperan sebagai saklar elektronik yang dapat mengatur aliran arus dari sumber daya ke baterai secara otomatis, berdasarkan kondisi tegangan baterai. Dengan memanfaatkan karakteristik SCR yang dapat dikendalikan melalui terminal gate-nya, sistem pengisian dapat dirancang agar bekerja secara otomatis dan efisien, serta mencegah overcharging (pengisian berlebih) pada baterai.

A. Prinsip Dasar SCR

SCR merupakan komponen semikonduktor empat lapis (PNPN) yang bekerja sebagai saklar yang dikendalikan. Ia memiliki tiga terminal utama:

• Anoda (A)
• Katoda (K)
• Gate (G)

SCR akan tetap dalam kondisi OFF (non-konduksi) meskipun terdapat tegangan antara anoda dan katoda, kecuali jika diberikan arus pemicu (trigger current) melalui terminal gate. Setelah dipicu, SCR akan tetap ON (mengalirkan arus dari anoda ke katoda) selama arus anoda lebih besar dari arus penahan minimum (holding current). Jika arus anoda turun di bawah nilai tersebut, SCR akan kembali ke kondisi OFF.

B. Penerapan SCR dalam Battery Charging Regulator

Dalam aplikasi pengatur pengisian baterai (battery charging regulator), SCR digunakan untuk mengontrol kapan arus dari sumber daya (misalnya trafo atau adaptor DC) dapat mengalir ke baterai. Sistem ini umumnya terdiri atas:

1. Sumber Daya AC atau DC – sebagai input utama yang akan diubah menjadi arus pengisian baterai.
2. Penyearah (jika menggunakan AC) – untuk mengubah arus AC menjadi DC sebelum dialirkan ke baterai.
3. SCR – berfungsi sebagai saklar aktif yang mengatur kapan arus pengisian dialirkan.
4. Komparator atau rangkaian sensor tegangan – untuk mendeteksi level tegangan baterai.
5. Rangkaian pemicu gate – mengatur kapan SCR akan aktif berdasarkan sinyal dari sensor tegangan.

C. Mekanisme Kerja

1. Saat baterai kosong atau belum penuh, tegangan baterai masih rendah. Sensor tegangan akan mengaktifkan sinyal pemicu (trigger) ke gate SCR. Ketika SCR mendapatkan pulsa gate, SCR menjadi konduktif, dan arus mengalir dari sumber daya ke baterai, sehingga proses pengisian berjalan.
2. Saat tegangan baterai mencapai batas tertentu (fully charged), sensor tegangan akan menghentikan sinyal trigger ke gate, atau secara otomatis merancang kondisi agar arus beban turun di bawah holding current SCR. Akibatnya, SCR akan mati, dan proses pengisian baterai akan berhenti secara otomatis.
3. Beberapa sistem juga dilengkapi dengan indikator LED yang menandai status pengisian (charging/done), atau dengan rangkaian pembatas arus untuk melindungi baterai dari arus lebih.

D. Keunggulan Sistem SCR

• Pengisian otomatis tanpa pengawasan manual.
• Efisiensi tinggi karena SCR hanya aktif saat diperlukan.
• Perlindungan terhadap overcharging, yang dapat memperpanjang umur baterai.
• Komponen hemat biaya dan cocok untuk aplikasi regulator daya sederhana.

E. Integrasi dengan Simulasi Komputer

Dalam analisis berbasis komputer (seperti menggunakan Proteus atau Multisim), prinsip kerja SCR dalam rangkaian pengatur pengisian baterai dapat disimulasikan dengan mengamati:

• Tegangan pada baterai saat SCR aktif/non-aktif.
• Arus pengisian seiring waktu.
• Status SCR berdasarkan kondisi sinyal gate dan tegangan sistem.

6. Problem[Kembali]

SOAL 1:
Rancang sebuah battery charging regulator menggunakan SCR untuk mengisi baterai 12V dengan arus pengisian maksimum 2A. Tegangan sumber adalah 220V AC yang diturunkan menjadi 18V AC melalui transformator. Tambahkan penyearah dan rangkaian kontrol untuk mengatur tegangan output agar tidak melebihi 14.5V. Jelaskan cara kerja pengaturan tegangan menggunakan SCR.

Jawaban:
Langkah-langkah Desain:

1. Transformator:
   Menurunkan tegangan AC dari 220V ke 18V AC.
2. Penyearah (Full Wave):
   Mengubah 18V AC menjadi ±25V DC (setelah disearahkan dan difilter).
3. SCR sebagai Regulator:
   SCR dikendalikan oleh rangkaian kontrol (biasanya melibatkan zener diode + transistor) untuk mengatur kapan SCR mulai menghantar (fase firing angle).
4. Kontrol Tegangan:
   Jika tegangan baterai > 14.5V, rangkaian kontrol menunda firing angle atau memutuskan SCR sehingga arus pengisian berhenti.

Cara Kerja:

• SCR akan menghantar ketika menerima pulsa gate.
• Saat tegangan baterai rendah, SCR menghantar penuh.
• Saat tegangan baterai mencapai batas, sinyal gate dihentikan sehingga SCR tidak menghantar → charging berhenti.

SOAL 2:
Sebuah battery charger menggunakan SCR dikendalikan dengan firing angle 60°. Tegangan setelah penyearah adalah 24V DC. Hitung arus rata-rata pengisian jika baterai 12V disambungkan melalui resistor pembatas 6Ω.

Jawaban:
Gunakan rumus arus rata-rata pada beban resistif:

$$I_{avg}=\frac{V_{DC}-V_{bat}}{R}\cdot (\frac{1}{\pi }\cdot (\pi -\alpha +\sin \alpha ))$$

Diketahui:

• $V_{DC}=24V$

• $V_{bat}=12V$

• $R=6\mathrm{\Omega }$

• $\alpha ={60}^{\circ }=\pi \mathrm{/}3$

Langkah 1: Tegangan efektif:

$$V=24V-12V=12V$$

Langkah 2: Faktor penghantar SCR (dari firing angle):

$$\frac{1}{\pi }\cdot (\pi -\alpha +\sin \alpha )=\frac{1}{\pi }\cdot (\pi -\frac{\pi }{3}+\sin \frac{\pi }{3})=\frac{1}{\pi }\cdot (\frac{2\pi }{3}+0.866)\approx \frac{2.094+0.866}{3.142}\approx 0.94$$

Langkah 3: Hitung arus:

$$I_{avg}=\frac{12}{6}\cdot 0.94=2\cdot 0.94=1.88A$$

Jawaban akhir:
Arus rata-rata pengisian = 1.88 A

SOAL 3:
Jelaskan bagaimana SCR dapat digunakan untuk membuat charger otomatis yang berhenti mengisi saat baterai penuh, dan mulai mengisi kembali saat tegangan turun. Sertakan komponen pendukung penting.

Jawaban:
Prinsip Kerja Charger Otomatis dengan SCR:

• SCR menghantar arus ke baterai saat gate-nya dipicu.
• Rangkaian pengendali (biasanya zener + transistor) memantau tegangan baterai.
• Saat tegangan baterai < 13.5V:
  Zener tidak konduksi → transistor mati → gate SCR mendapat pulsa → SCR menghantar → charging ON.

• Saat tegangan baterai > 14.5V:

  • Zener konduksi → transistor aktif → gate SCR di-ground → SCR tidak menghantar → charging OFF.

• Saat baterai turun lagi, siklus diulang.

Komponen Pendukung:

• Zener Diode: Menentukan batas tegangan maksimum (cut-off charging).

• Transistor: Bertindak sebagai saklar kontrol gate SCR.

• Resistor + Kapasitor: Untuk penyesuaian sensitivitas dan waktu delay.

Kesimpulan:

SCR bekerja seperti saklar elektronik yang dikontrol otomatis oleh level tegangan baterai, sehingga mencegah overcharging.

7. Soal Latihan[Kembali]

SOAL 1:
Apa peran utama SCR (Silicon Controlled Rectifier) dalam rangkaian battery charging regulator?

A. Menyimpan energi listrik untuk baterai
B. Mengatur kapan arus pengisian dialirkan ke baterai
C. Mengubah arus DC menjadi AC
D. Mengurangi kapasitas baterai saat penuh

Jawaban:
B. Mengatur kapan arus pengisian dialirkan ke baterai

Pembahasan:
SCR bertindak seperti saklar elektronik yang hanya menghantar arus ketika menerima pulsa pada gate. Dalam charger, ia mengontrol kapan arus dialirkan ke baterai berdasarkan tegangan yang dipantau oleh rangkaian kontrol.

SOAL 2:
Bagaimana cara rangkaian SCR charger otomatis menghentikan pengisian baterai saat baterai sudah penuh?

A. Dengan mematikan tegangan AC input secara otomatis
B. Dengan membuat hubungan singkat pada terminal baterai
C. Dengan menghentikan sinyal gate pada SCR
D. Dengan membalik polaritas tegangan output

Jawaban:
C. Dengan menghentikan sinyal gate pada SCR

Pembahasan:
Ketika tegangan baterai melebihi batas yang ditentukan, rangkaian kontrol (biasanya zener + transistor) menghentikan pulsa ke gate SCR, sehingga SCR tidak menghantar dan arus pengisian terputus.

SOAL 3:
Apa efek meningkatkan sudut pemicu (firing angle) pada SCR terhadap arus pengisian baterai?

A. Arus pengisian meningkat
B. Arus pengisian menurun
C. Arus pengisian tetap
D. Tegangan output menjadi nol

Jawaban:
B. Arus pengisian menurun

Pembahasan:
Meningkatkan firing angle berarti SCR menghantar lebih terlambat dalam satu siklus AC, sehingga durasi arus lebih pendek → arus rata-rata ke baterai menurun. Ini berguna untuk mengatur kecepatan pengisian.

8. Percobaan[Kembali]

a. Prosedur

1). Buka aplikasi proteus

2). Pilih komponen yang akan digunakan dalam rangkaian

3). Susunlah komponen sesuai gambar

4). Setelah merangkai seluruh komponen, jalankan simulasi

5). Amatilah simulasi yang sedang berjalan

b. Rangkaian simulasi

9. Link Download[Kembali]

Download rangkaian klik disini

Download Datasheet Resistor klik disini

Download Datasheet Transistor 2N2222 klik disini

Download Tambahan Datasheet Transistor 2N2222 klik disini

Download Datasheet Kapasitor klik disini

Download Datasheet MOSFET klik disini