Sub 17.5 (Fig 17.12)

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

         Dalam dunia modern yang semakin bergantung pada perangkat elektronik portabel dan sistem cadangan daya, baterai menjadi salah satu komponen vital dalam berbagai bidang seperti telekomunikasi, otomotif, sistem tenaga cadangan (UPS), serta perangkat elektronik rumah tangga. Untuk menjaga kinerja optimal dan umur panjang dari sebuah baterai, sistem pengisian (charging) yang andal dan aman sangatlah diperlukan. Salah satu cara untuk mengatur proses pengisian baterai agar tetap efisien dan aman adalah dengan menggunakan rangkaian battery-charging regulator, yang dirancang untuk mengatur arus dan tegangan pengisian agar tidak berlebihan.

        Rangkaian battery-charging regulator yang dibahas dalam laporan ini merupakan implementasi dari penggunaan Silicon Controlled Rectifier (SCR) sebagai saklar elektronik yang dikendalikan berdasarkan kondisi tegangan baterai. SCR adalah komponen semikonduktor dengan tiga terminal (anoda, katoda, dan gate) yang dapat mengendalikan arus besar dengan sinyal pemicu kecil pada gate-nya. SCR hanya akan menghantarkan arus jika mendapat sinyal trigger yang sesuai, dan tetap aktif hingga arus mengalir di bawah ambang minimum (holding current). Karakteristik ini membuat SCR sangat sesuai digunakan dalam pengaturan daya dan proteksi pengisian.

        Rangkaian pengatur pengisian ini menggunakan sistem penyearah gelombang penuh yang dibentuk oleh dua dioda dan transformator CT (center tap), sehingga menghasilkan sinyal DC yang cukup untuk mengisi baterai 12V. Pengendalian utama pengisian dilakukan oleh SCR1, yang akan mengalirkan arus ke baterai selama belum mencapai tegangan penuh. Sementara itu, bagian kontrol yang terdiri dari SCR2, resistor, kapasitor, dan zener diode bertugas sebagai detektor tegangan baterai. Ketika tegangan baterai mencapai ambang batas tertentu (misalnya 11V–12V), sinyal dari kontrol ini akan memicu SCR2 untuk mengatur agar SCR1 berhenti menghantarkan arus, sehingga proses pengisian dihentikan secara otomatis.

        Simulasi dari rangkaian ini dilakukan menggunakan Proteus, yaitu software simulasi elektronik yang memungkinkan pengguna untuk merancang dan menguji kinerja rangkaian secara virtual. Dengan menggunakan Proteus, kinerja dari sistem pengatur pengisian baterai dapat dianalisis tanpa risiko merusak komponen fisik secara langsung.

        Tujuan dari perancangan dan simulasi ini tidak hanya sebatas memahami prinsip kerja rangkaian pengisian otomatis, tetapi juga untuk mendalami pemanfaatan SCR dalam aplikasi praktis serta meningkatkan pemahaman mahasiswa terhadap konsep-konsep dasar elektronika daya dan sistem kontrol tegangan.

2. Tujuan (kembali)

• 1. Memahami prinsip kerja rangkaian pengatur pengisian baterai (battery-charging regulator) yang menggunakan komponen utama berupa Silicon Controlled Rectifier (SCR) sebagai saklar elektronik yang dikendalikan berdasarkan tegangan output baterai.
  2. Mempelajari cara kerja SCR dalam pengaturan arus dan tegangan, khususnya dalam mengontrol proses pengisian baterai agar berhenti secara otomatis ketika tegangan baterai telah mencapai batas maksimum yang ditentukan.
  3. Menganalisis dan mensimulasikan kinerja rangkaian pengisian baterai berdasarkan diagram Fig 17.12 melalui software Proteus, untuk memahami secara visual dan interaktif bagaimana komponen-komponen dalam rangkaian bekerja secara bersama-sama.
  4. Mengetahui peran komponen pendukung lainnya seperti dioda penyearah, resistor, kapasitor, dan zener diode dalam rangkaian kontrol tegangan pada proses pengisian.
  5. Melatih keterampilan dalam merancang dan menyusun rangkaian elektronika daya, serta melakukan analisis hasil simulasi untuk mengevaluasi keefektifan dan keakuratan rangkaian dalam mengisi dan melindungi baterai 12 volt.
  6. Menumbuhkan kesadaran akan pentingnya sistem proteksi dalam pengisian baterai, agar baterai tidak mengalami overcharge yang dapat menurunkan usia pakai atau bahkan menyebabkan kerusakan.
  7. Mengatur proses pengisian baterai secara otomatis, agar pengisian berhenti ketika baterai telah terisi penuh, sehingga mencegah overcharging yang dapat merusak sel baterai.
  8. Menstabilkan tegangan pengisian yang diterima oleh baterai, sehingga proses pengisian berlangsung secara efisien dan aman.
  9. Mendeteksi level tegangan baterai menggunakan kombinasi komponen seperti zener diode, resistor, dan kapasitor untuk mengaktifkan atau menonaktifkan SCR berdasarkan kondisi baterai.
  10. Menyediakan pengisian arus searah (DC) dari sumber arus bolak-balik (AC) dengan bantuan penyearah gelombang penuh menggunakan dioda.
  11. Mengontrol arus pengisian melalui SCR1 sebagai saklar aktif yang akan menghantarkan arus ke baterai hanya saat tegangan baterai masih di bawah ambang batas yang ditentukan.
  12. Melindungi baterai dari kerusakan akibat pengisian berlebih, dengan memastikan SCR1 otomatis tidak menghantarkan saat baterai telah mencapai tegangan maksimum.

3. Alat dan Bahan (kembali)

1. Laptop/PC – Digunakan untuk merancang dan mensimulasikan rangkaian.

2. Software Proteus Design Suite – Untuk membuat dan mensimulasikan rangkaian elektronik secara virtual.

3. Multimeter Virtual (dalam Proteus) – Untuk mengukur tegangan dan arus pada berbagai titik rangkaian.

4. Osiloskop Virtual (jika diperlukan) – Untuk mengamati bentuk gelombang dan analisis sinyal.

Bahan/Komponen Elektronika (Dalam Simulasi):

1. Transformator Center Tap (CT) – 12V–0–12V, untuk menurunkan dan membagi tegangan AC dari sumber.

2. Dioda Penyearah (2 buah) – Misalnya 1N4007, digunakan untuk penyearah gelombang penuh

3. Silicon Controlled Rectifier (SCR) – 2 buah, misalnya tipe T106 atau C106.

• SCR1 untuk pengendali arus pengisian baterai.
• SCR2 sebagai bagian dari rangkaian kontrol tegangan.

4. Zener Diode 11V – Untuk mendeteksi level tegangan baterai (tegangan referensi).

5. Resistor:

• R1 = 47Ω (2W)
• R2 = 47Ω (2W)
• R3 = 10kΩ
• R4 = 47Ω
• R5 = 750Ω (1W)

6. Kapasitor:

• C1 = 50µF (sebagai filter dan penentu delay pemicu)

7. Baterai 12V – Sebagai beban dan objek pengisian utama dalam simulasi.

8. Sumber AC 24V – Digunakan sebagai input daya melalui transformator.

9. Ground – Sebagai referensi tegangan pada rangkaian.

4. Dasar Teori (kembali)

Rangkaian battery-charging regulator adalah sistem elektronik yang dirancang untuk mengatur proses pengisian baterai secara otomatis agar tetap aman, efisien, dan tidak menyebabkan kerusakan pada baterai. Salah satu komponen utama yang umum digunakan dalam pengatur pengisian ini adalah Silicon Controlled Rectifier (SCR). SCR merupakan komponen semikonduktor yang tergolong dalam keluarga thyristor, dan bekerja sebagai saklar elektronik yang dikendalikan melalui terminal gate-nya.

1. Silicon Controlled Rectifier (SCR)

SCR adalah perangkat empat lapis (PNPN) dengan tiga terminal utama: anoda (A), katoda (K), dan gate (G). Ketika tegangan diberikan pada anoda terhadap katoda dan sinyal pemicu (trigger) diberikan ke gate, SCR akan menghantarkan arus dari anoda ke katoda. SCR tetap menghantarkan arus hingga arusnya turun di bawah ambang minimum yang disebut holding current. Sifat ini memungkinkan SCR digunakan sebagai saklar yang dapat mengontrol arus besar menggunakan sinyal pemicu kecil, menjadikannya ideal untuk aplikasi pengatur daya seperti pengisian baterai.

2. Penyearah Gelombang Penuh (Full-Wave Rectifier)

Dalam rangkaian ini, digunakan dua buah dioda dan transformator center-tap (CT) untuk membentuk penyearah gelombang penuh. Fungsi penyearah ini adalah mengubah tegangan AC (bolak-balik) dari transformator menjadi tegangan DC (searah) yang digunakan untuk mengisi baterai. Tegangan DC ini akan dihantarkan melalui SCR ke baterai, selama kondisi SCR aktif.

3. Zener Diode sebagai Detektor Tegangan

Zener diode adalah komponen semikonduktor yang memungkinkan arus mengalir secara terbalik saat tegangan mencapai nilai tertentu (tegangan zener). Dalam rangkaian ini, zener digunakan untuk mendeteksi apakah tegangan baterai telah mencapai batas maksimum. Jika tegangan baterai melebihi tegangan kerja zener (misalnya 11V), maka zener akan mengalirkan arus dan memicu SCR2 untuk mengaktifkan rangkaian kontrol yang mematikan SCR1, sehingga proses pengisian berhenti.

4. Sistem Kontrol Otomatis

Bagian kontrol terdiri dari kombinasi SCR2, resistor, kapasitor, dan zener diode. Ketika tegangan baterai masih di bawah ambang, SCR1 akan tetap aktif dan mengalirkan arus pengisian. Namun ketika tegangan baterai cukup tinggi dan melebihi ambang zener, SCR2 akan aktif dan mengalihkan arus kontrol sehingga SCR1 berhenti menghantarkan. Proses ini membuat pengisian berhenti secara otomatis, melindungi baterai dari overcharge.

5. Aplikasi Battery-Charging Regulator

• Rangkaian pengatur pengisian ini banyak digunakan dalam sistem penyimpanan daya seperti:
• Catu daya cadangan (UPS)
• Sistem tenaga surya (solar charge controller)
• Perangkat elektronik portabel
• Kendaraan listrik dan sepeda motor

Dengan memahami prinsip kerja dan fungsi tiap komponen, pengguna dapat merancang sistem pengisian daya yang hemat energi dan memperpanjang umur baterai.

5. Prinsip Kerja (kembali)

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:

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

Diketahui:

• $V_{DC} = 24V$

• $V_{bat} = 12V$

• $R = 6 \Omega$

• $\alpha = 60^\circ = \pi/3$

Langkah 1: Tegangan efektif:

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

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

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

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)

$$9.\; Download\; File$$(kembali)

Download Rangkaian [DISINI]