## Analisis dan Pengukuran Rangkaian Pengisi Baterai pada Beberapa Produk Lampu Baca

## Fransiscus Dalu Setiaji
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga dalu.setiaji@uksw.edu

## Ringkasan
Produk lampu baca yang dilengkapi baterai isi ulang banyak yang beredar tanpa tanda SNI, seperti empat macam produk lampu yang diteliti pada makalah ini. Penelitian difokuskan pada  bagian  utamanya  yaitu charger baterai,  untuk  mengetahui  metode  pengisian  baterai SLA yang  digunakan.  Rangkaian charger akan  dianalisis  dan  diverifikasi melalui  simulasi maupun pengukuran. Kondisi pengujian yang dipilih adalah dengan terus menghubungkan produk lampu dengan jala-jala PLN, dalam rentang waktu lama yaitu tiga bulan, sehingga metode  pengisian  baterai  yang  cocok  adalah float  charging .  Namun  arus  pengisian  rerata yang digunakan pada semua produk terlalu besar, antara C bat /28 sampai C bat /14,  melebihi yang  disarankan  yaitu C bat /500,  sehingga  terjadi overcharging .  Akibatnya  empat  baterai dengan arus pengisian terbesar mengalami kerusakan yaitu satu baterai dengan arus C bat /17 dan tiga baterai yang dengan arus C bat /14. Ketiga baterai dengan arus rerata C bat /14 tersebut juga  memiliki  riak  arus  pengisian  yang  melebihi  ketentuan  yaitu C bat /20.  Analisis  dan pengukuran  selanjutnya  menunjukkan  kerusakan  baterai  akan  berimbas  pada  rusaknya kapasitor perata arus karena mendapatkan tegangan 62V sampai 95V sedangkan rating -nya hanya  16V  sampai  50V.  Kerusakan  baterai  juga  mengakibatkan  kerusakan  resistor  pada rangkaian indikator LED, pada salah satu jenis produk lampu, karena resistor yang rating dayanya hanya 0,25W mendapatkan daya rerata 0,49W dan daya puncak 9,8W.
Kata kunci: produk, lampu baca, baterai, charger , overcharging

## 1.   Pendahuluan

## 1.1.   Latar Belakang
Ketersediaan  cahaya  penerangan  di  dalam  rumah  terutama  pada  saat  malam  hari sangat dibutuhkan  oleh  warga  masyarakat,  antara  lain  untuk  keperluan  membaca  dan belajar. Pada umumnya cahaya penerangan berasal dari lampu yang dicatu oleh sumber listrik  PLN  (Perusahaan  Listrik  Negara).  Masalah  akan  muncul  jika  listrik  padam terkecuali jika terdapat sumber energi alternatif untuk tetap dapat menyalakan lampu.
Salah cara mengatasinya adalah dengan menggunakan produk lampu baca yang di dalamnya  telah  terdapat  baterai  yang  dapat  diisi  ulang.  Wujud  fisik  lampu  tersebut beraneka ragam, di antaranya berbentuk lampu duduk yang mudah diletakkan di meja belajar. Baterai diisi ulang pada saat listrik PLN tersedia, jika listrik padam maka baterai dapat mencatu lampu baca selama selang waktu tertentu.
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 1 April 2019 Hal 65 - 79
Lampu baca semacam itu mudah diperoleh di toko listrik maupun di berbagai situs jual beli online. Banyak produk lampu baca yang belum bertanda SNI (Standar Nasional Indonesia).  Padahal  ada  standar  wajib  SNI    IEC  60335-1:2009  yang  ruang  lingkupnya mencakup  keselamatan  peranti  listrik  untuk  keperluan  rumah  tangga  bertegangan  di bawah 250V, seperti tegangan yang dipakai produk lampu baca tersebut.
Berdasarkan  uraian  di  atas,  maka  dalam  makalah  ini    dilakukan  penelitian  pada empat jenis produk lampu baca yang dilengkapi baterai isi ulang, yang semuanya belum bertanda  SNI.  Penelitian  difokuskan  pada  bagian  pengisi  baterai  ( charger )  yang  bisa menimbulkan potensi kerusakan jika tidak dirancang atau digunakan dengan benar.
Kondisi  pengujian  yang  dipilih  adalah  lampu  terus  dihubungkan  dengan  sumber listrik  PLN.  Alasan  pemilihan  kondisi  ini  adalah  karena  pada  umumnya  pengguna menginginkan baterai terisi penuh setiap saat. Selain itu adanya anggapan bahwa daya yang  diserap charger kecil  sehingga    banyak  pengguna  membiarkan charger elektronik terus terhubung ke sumber listrik PLN [1].

## 1.2.   Tinjauan Pustaka
1.2.1.  Baterai Asam-Timbal ( Lead-Acid Battery )
Baterai  asam-timbal  merupakan  baterai  sekunder,  yang  energinya  bisa  diisi  ulang. Baterai ini memiliki keunggulan yaitu proses pengisian baterai (perubahan energi listrik ke  kimia)    dan  pengosongannya  (perubahan  energi  kimia  ke  listrik)  dapat  dilakukan bergantian  secara  efisien,  tanpa  banyak  mempengaruhi  kapasitas  baterai.  Sekalipun kepadatan energinya relatif rendah namun baterai ini mampu beroperasi pada rentang suhu yang lebar dan harganya murah. Kapasitas baterai asam-timbal tersedia mulai dari beberapa ratus mAh sampai diatas 10.000Ah. Kapasitas baterai, C bat , dinyatakan dalam Ah,  menunjukkan  nilai  arus  yang  bisa  dialirkan  selama  satu  jam  sampai  baterai kehabisan  energi.  Sedangkan  tegangan  nominal  atau  tegangan  operasional  baterai  ini adalah 2V untuk tiap sel baterai.
Salah  satu  teknologi  paling  populer  dalam  produksi  baterai  asam-timbal  adalah VRLA  ( Valve  Regulated  Lead-Acid )  atau  SLA  ( Sealed  Lead-Acid ).  Teknologi  ini  dapat mereduksi  jumlah  gas  oksigen  (O 2 )  maupun  hidrogen  (H 2 )  yang  dilepaskan  selama proses  pengisian,  dibandingkan  dengan  baterai  asam-timbal  basah  ( flooded ),  sehingga mengurangi bahaya terjadinya ledakan maupun penurunan kapasitas baterai.

## 1.2.2.   Metode Pengisian Baterai SLA
Ada  beberapa  metode  standar  pengisian  baterai  SLA  yaitu  Tegangan  Konstan, Pengisian Float dan Arus Konstan.
Pengisian dengan Tegangan Konstan ( Constant Voltage Charging )
Metode ini, yang biasa disingkat CV,  memungkinkan baterai SLA diisi secara efisien dan cepat. Efisiensi Arus-Pengisian adalah perbandingan nilai arus yang dipergunakan untuk proses konversi energi elektro-kimia terhadap nilai arus pengisian baterai. Grafik tegangan pengisian terhadap nilai efisiensi arus-pengisian untuk metode CV ditunjukkan Gambar  1,  yang  mengindikasikan  bahwa  nilai  efisiensi  akan  mendekati  100%  pada rentang tegangan  2,2V sampai 2,4V.

## Fransiscus Dalu Setiaji
Gambar 1. Grafik tegangan pengisian terhadap nilai efisiensi arus-pengisian pada metode CV [2]
Pengisian Float ( Float Charging )
Jika baterai SLA diaplikasikan sebagai baterai cadangan ( back-up ) dalam suatu sistem, maka    baterai  tersebut  diisi  dengan  cara float  charging .  Agar  baterai  berumur  panjang, tegangan baterai harus berada di antara 2,3 sampai 2,4V[2].  Pengisian dengan tegangan di atas 2,4V menyebabkan terjadinya korosi pada grid baterai. Gambar 2 menunjukkan perkiraan tegangan baterai saat mengalami float charging pada suhu 25°C dan 65°C. Arus C bat pada gambar adalah besarnya arus pengisian dalam A, yang nilainya sama dengan besarnya C bat dalam Ah.
Gambar 2. Grafik nilai arus pengisian terhadap tegangan baterai dengan metode float charging [2] Tegangan (V) Arus pengisian (A) 0 0,001 C bat 2,12 2,35 25 ° C 65 ° C Tegangan pengisian (V) Efisiensi Arus Pengisian (%) 100 0 2,1 2,6 2,2 2,3 2,4 2,5
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 1 April 2019 Hal 65 - 79
Gambar  2  menunjukkan  bahwa  pada  suhu  25°C,  baterai  yang  yang  sudah  penuh namun  diisi  terus  dengan  arus  kecil  ( trickle  current )  0,001C  maka  bertegangan  2,35V. Namun pada suhu 65°C, dengan arus yang sama, tegangannya hanya 2,12V yang berarti tidak memenuhi persyaratan.
Pengisian dengan Arus Konstan ( Constant Current Charging )
Pengisian  dengan  metode  ini,  yang  biasa  disingkat  CI,    juga  termasuk  pengisian baterai  SLA  yang  efisien.  Grafik  efisiensi  arus-pengisian  terhadap  arus  pengisian ditunjukkan Gambar 3.
Gambar 3.  Grafik efisiensi arus-pengisian terhadap nilai arus pengisian pada metode CI [2]
Gambar  3  menunjukkan  arus  pengisian  sebesar  C bat /1000  sampai  C bat /100 menghasilkan  efisiensi  mendekati  100%.  Jika  arus  pengisian  diperbesar  maka  efisiensi menurun  karena  pada  saat  sel  sudah  penuh,  energi  listrik  yang  diterima  baterai  tidak dapat  disimpan  lagi,  melainkan  digunakan  untuk  menghasilkan  gas  O 2 dan  H 2 yang akhirnya  harus  dibuang  baterai.  Pada  nilai  arus  pengisian  yang  rendah,  efisiensi  juga menurun karena nilai arus tersebut setara dengan arus bocor ( parasitic ) baterai sehingga tegangan baterai akan mendekati nilai hubung bukanya.
Tiga metode standar di atas memiliki kelemahan masing-masing. Metode CI beresiko menghasilkan  gas  berlebih  ketika  baterai  penuh,  sedangkan  CV  mengakibatkan terjadinya  arus  yang  besar  pada  saat  awal  pengisian  baterai.  Sedangkan float  charging dapat menimbulkan pengisian berlebihan ( overcharging ).
Untuk  itu  dikembangkan  metode  yang menggabungkan  keduanya  (metode CICV), CI  digunakan  pada  awal  pengisian  dan  CV  digunakan  pada  saat  baterai  mendekati penuh.  Untuk  melaksanakan  metode  tersebut  dibutuhkan  catu  daya  yang  ‘cerdas’, seperti  yang  digunakan  pada  [3],  yang  memungkinkan  pengguna  memasukkan  data rentang  kapasitas  baterai  yang  akan  diisi.  Hasil  pengukuran  menunjukkan  pada  saat awal pengisian baterai diisi dengan arus konstan untuk waktu yang lama, setelah baterai penuh  maka  tegangan  pengisian  secara  otomatis  menjadi  konstan  dan  arus  pengisian mengecil  menjadi  sekitar  C bat /90.  Metode  CICV  mempunyai  kelemahan  yaitu  setelah baterai penuh, baterai terus diisi sehingga mengalami overcharged, walaupun dengan arus yang relatif kecil dibanding menggunakan metode CI saja.
Metode selanjutnya adalah CICVCV, yaitu pengisian dengan CI, diikuti CV dengan tegangan  relatif  tinggi  dan  diakhiri  dengan  CV  menggunakan  tegangan  lebih  rendah. Peralihan  antar  CV  tersebut  dilakukan  dengan  syarat  tertentu,  misalnya  jika  CV  yang
Efisiensi Arus-Pengisian (%) 10 -4 C bat 10 -3 C bat 10 -2 C bat 10 -1 C bat C bat 100 Arus Pengisian (A)
pertama  telah  dilaksanakan  selama  delapan  jam.  Metode  ini  tetap  membuat  baterai mengalami overcharged meskipun tidak sebesar pada CICV.
Metode yang lebih baru untuk menghindari masalah tersebut adalah IC ( Intermittent Charge ) yang mempunyai dua mode pengisian yaitu CI dan IC. Pada saat awal pengisian digunakan  mode  CI,  yaitu  pengisian  menggunakan  arus  konstan.  Setelah  tegangan baterai mencapai batas atas tertentu maka mode beralih ke IC. Pada mode IC baterai diisi dengan  arus  kecil  konstan  dengan  durasi  pendek,  lalu  dibiarkan  terbuka  ( open  circuit ) sampai tegangannya meluruh ke batas bawah tertentu yang memicu pengisian dengan arus kecil konstan lagi. Mode IC ini akan mengurangi tingkat overcharging dibandingkan CICVCV.  Pengembangan  selanjutnya  adalah  metode  ICC  ( Intermittent  Charge  Control ) seperti pada [4] yang ditujukan untuk mencegah terjadinya undercharging pada mode IC. Terdapat pula metode seperti pada [5] yang menggunakan  lima tahap pengisian baterai untuk  mengatasi  masalah  yang  muncul  pada  awal  pengisian  (adanya  arus  besar)  dan pada akhir pengisian, yaitu adanya stratifikasi atau penumpukan asam timbal di dasar baterai, akibat float charging .
Setelah baterai diisi dan dikosongkan berulangkali, terdapat mekanisme yang akan memperpendek  umur  baterai  yang disebut  sulfasi,  yang  merupakan  efek  lanjutan dari stratifikasi.  Sulfasi  mengakibatkan  baterai  kehilangan  material  aktif  untuk  reaksi elektrokimia sehingga kapasitasnya menurun. Maka dibutuhkan proses desulfasi untuk mengembalikan  sebagian  kapasitasnya,  salah  satunya  dengan  metode Pressure Feedback Control Charging [6]. Terdapat banyak metode sulfasi, hasil komparasinya seperti pada [7] mengarah pada kesimpulan bahwa metode sulfasi selanjutnya sebaiknya memanfaatkan AI ( Artificial Intelligent ).
Pengisian  baterai  merupakan  proses  yang  gayut  waktu  ( time  dependent )    dan  non- linear  sehingga  sulit  dipenuhi  menggunakan  teknik  kendali  standar.  Oleh  sebab  itu strategi pengisian baterai juga dikembangkan menggunakan kendali samar ( fuzzy control ) seperti  pada  [8]  dengan  hasil  yang  memuaskan,  meskipun  belum  memasukkan  unsur suhu sebagai masukan sistem kendali.
Permasalahan utama pengisian baterai adalah menentukan nilai State Of Charge (SOC) yang akurat, yaitu berapa persen C bat telah diisi. Metode Coulomb Counting yang sering digunakan  untuk  memprediksi  nilai  SOC  ternyata  memiliki  ralat  besar  karena menghasilkan  pengukuran  kapasitas  baterai  yang  terlalu  rendah  dibanding  nilai sesungguhnya.  Salah  satu  perbaikan  adalah  dengan  memodifikasi  metode  tersebut diunjukkan  pada  [9].  Sedangkan  untuk  sistem  baterai  yang  lebih  kompleks,  maka diperlukan  pemodelan  yang  lebih  tepat,  seperti  pada  [10]  yang  berhasil  menerapkan algoritma Particle  Swamp  Optimization  and  Perturbation untuk  memodelkan  SOC battery bank yang terdiri dari 24 baterai.
Berdasarkan  tinjauan  pustaka-pustaka  di  atas  maka  akan  diteliti  metode  pengisian mana  yang  dipakai  oleh charger pada  produk  lampu,  yang  semuanya  menggunakan baterai SLA.

## 2.   Pelaksanaan Penelitian

## 2.1.   Produk Lampu yang Diteliti
Ada empat macam produk lampu baca  pada penelitian ini seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Merk dan tipe lampu diganti dengan sebutan Lampu- A , - B , - C dan - D seperti yang  tertera  pada  gambar  tersebut.  Keempat  lampu  tersebut  dipilih  karena  rangkaian
charger -nya  serupa.  Jumlah  produk  lampu  yang  diteliti  untuk  masing-masing  jenis adalah tiga buah.
Gambar 4.  Gambar jenis produk lampu baca yang diteliti
Langkah pertama yang dilakukan adalah menggambar ulang rangkaian elektronik di dalamnya, dengan hasil seperti  ditunjukkan Gambar 5 sampai Gambar 8.
Gambar 5.  Diagram rangkaian Lampu- A
Gambar 6.  Diagram rangkaian Lampu- B
1 2 3 L2 S L1 D3 D4 D2 D1 /400V C1 820nF + Vb 4V + - Vs D5 + /35V C2 220uF /1W R4 2 R1 330k R2 330 R3 1.5 1 2 3 L D6 S D3 D4 D2 D1 /250V C1 1uF + Vb 4V + - Vs D5 + /50V C2 100uF R1 390k R2 1k
Gambar 7.  Diagram rangkaian Lampu- C
Gambar 8.  Diagram rangkaian Lampu- D
Simbol  L,  L 2 dalam  masing  masing  produk  tersebut  adalah  berupa  deretan  lampu LED (seri-paralel) yang merupakan lampu utama. Pada Lampu- A dan - D terdapat saklar untuk  memilih  apakah  lampu  dimatikan  (posisi  1),  dinyalakan  terang  (posisi  2)  atau redup  (posisi 3).  Pada  Lampu- B ,  saklar digunakan  untuk  mematikan  lampu  (posisi  1), menyalakan  lampu  utama (posisi  2)  dan  menghidupkan  lampu LED L 1 sebagai  lampu senter  (posisi  3).  Pada  Lampu- C terdapat  satu  kipas  angin  kecil  yang  diaktifkan  jika saklar  S 2 berada  di  posisi  2.  Terdapat  pula  tempat  untuk  baterai  eksternal  ( V X ).  Jika menggunakan catu V X maka hanya lampu L yang bisa dihidupkan dengan mengatur S 1 dan S 2, keduanya ke posisi 1.
Tabel 1 menunjukkan intensitas cahaya rerata untuk masing–masing produk ketika lampu  utama  dihidupkan.  Untuk  Lampu- A dan  - D ,  saklar  dipilih  pada  posisi  lampu terang  maksimal.  Pengukuran  dilakukan  dengan  menggunakan  lux-meter  yang menghadap ke arah lampu yang dinyalakan dengan jarak 17 cm, yang sama dengan jarak antara  lampu  dengan  permukaan  meja  ketika  digunakan.  Pengukuran  dilakukan  di malam hari dengan mematikan sumber cahaya sekitar.
Tabel 1. Intensitas cahaya masing-masing jenis lampu baca Jenis Lampu Intensitas (lux) A 700 B 630 C 1200 D 710
L D3 D4 D2 D1 /400V C1 680nF + Vb 4V + - Vs D5 S D6 + /16V C2 100uF R1 560k R2 330 /1W R3 1 1 2 3 L + Vx D6 S2 Fan S1 D3 D4 D2 D1 /400V C1 820nF + Vb 4V + - Vs D5 /1W R3 1.2 R1 560k R2 330 1 2 1 2
(1) V ) 100 sin( 314 ) sin( ) ( t t V t v M S p w = = (2) ) 100 sin( ) ( q p + = t I t i M S
Nilai-nilai  intensitas  tersebut    telah    melampaui  standar  pencahayaan  untuk membaca  yaitu 300-500 lux [11]. Intensitas cahaya dapat diatur dengan menjauhkan atau mendekatkan lampu dengan permukaan meja melalui lengan penyangga lampu fleksibel yang terdapat pada keempat jenis lampu tersebut.

## 2.2   Analisis, Simulasi dan Pengukuran Rangkaian Charger Baterai
Karena penelitian ini difokuskan pada charger baterai yang ada di tiap produk lampu, maka rangkaian diuji tanpa melibatkan beban lain, sehingga lampu utama, lampu senter dan kipas dimatikan selama pengukuran.
Dengan  memperhatikan  Gambar  5  sampai  Gambar  8  dapat  disimpulkan  bahwa semua lampu menggunakan charger yang sederhana, tanpa adanya sensor untuk umpan- balik pengendalian pengisian baterai. Pada prinsipnya rangkaian charger yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 9.  Rangkaian dasar charger yang digunakan
Mengacu ke Gambar 9, komponen atau parameter yang sama yang digunakan pada keempat jenis produk lampu adalah: Dioda D 1 - D 4 menggunakan tipe 1N4007, LED ( D 5 ) yang  berfungsi  sebagai  indikator  pengisian  baterai  merupakan  LED  warna  merah berukuran 5mm. Tegangan nominal baterai SLA yang dipakai ( V b ) adalah 4V.  Namun ada sejumlah variasi pada masing-masing produk yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2 Variasi komponen atau parameter masing-masing produk lampu Jenis Lampu C 1 (µF) V C1M (V) R 1 (kΩ) C 2 (µF) V C2M (V) R 2 (Ω) C bat (mAh) A 1 250 390 100 50 1000 1000 B 0,82 400 330 220 35 330 800 C 0,82 400 560 - - 330 600 D 0,68 400 560 100 16 330 1000 Catatan: V C1M ( V C2M ) adalah tegangan nominal kapasitor C 1 ( C 2 )

## Metode Pengisian Baterai yang Digunakan
Pada Gambar 9, sumber tegangan v S berasal dari jala-jala listrik PLN maka:
Diode D 1 - D 4 membentuk  konfigurasi  penyearah  gelombang  penuh.  Setiap  kali  terjadi pengisian, arus i S ( t ) melewati dua buah diode dan baterai V b , sehingga tegangan jatuhnya 2×0,7V+ V b =5,4V.  Karena V M >>5,4V, maka untuk menghitung i S ( t ) tegangan jatuh tersebut bisa diabaikan sehingga diperoleh:
D3 D4 D2 D1 C1 + Vb 4V + - D5 + C2 R1 R2 ) ( t v S ) ( t i S ) ( t i b
(3) ) 100 ( 1 1 2 1 1 R C R V I M M p + = (4) ) (100 tan 1 1 1 C R p q - = dengan: Hasil perhitungan I RMS = I M /√2, dengan I M sesuai Persamaan (3), untuk masing-masing lampu ditunjukkan pada Tabel 3. Nilai tegangan jala-jala diasumsikan konstan, V M =314V atau V RMS =220V.    Hasil  perhitungan I RMS juga  dibandingkan  dengan  hasil  pengukuran menggunakan sebuah true -RMS multimeter. Arus sumber tersebut sebagian digunakan untuk  mengisi  baterai.  Indikator  pengisian  berupa  sebuah  LED  5mm diseri  dengan R 2 , dipasang seperti pada Gambar 9 agar LED hanya menyala ketika terdapat tegangan jala- jala, dan tidak menarik arus dari baterai V b .
Tabel 3. Hasil perhitungan dan pengukuran I RMS Jenis Lampu I RMS(perhitungan) (mA) I RMS(pengukuran) (mA)  Selisih (%) A 70 72 3 B 57 56 2 C 57 56 2 D 48 47 2
Dengan  adanya  penyearah  gelombang  penuh D 1 - D 4 maka  saat  pengisian berlangsung,  arus pada baterai selalu positif (masuk melalui kutub positif baterai) dan berbentuk seperti keluaran penyearah gelombang penuh sinusoida. Karena arus sumber diasumsikan  sinusoidal  maka  faktor  bentuknya  ( form  factor ),  yaitu  perbandingan  nilai RMS dan nilai reratanya adalah 1,1. Tabel 4 menunjukkan perhitungan nilai DC dari arus sumber  ( I DC )  dibandingkan  dengan  hasil  pengukuran  nilai  DC  arus  pengisian  baterai ( I bDC ).
Tabel 4. Hasil perhitungan I DC dan hasil pengukuran I bDC
Jenis Lampu I DC (mA) I bDC (mA) A 63,6 58 B 51,8 44 C 51,8 43 D 43,6 36
Dari Tabel 4 terlihat bahwa I DC > I bDC , hal ini dikarenakan ada sebagian  arus sumber yang  mengalir  ke  LED,  dan  ke  kapasitor C 2 .  Dengan  arus  pengisian I bDC maka  dapat diperkirakan  durasi  pengisian  baterai  dari  kosong  sampai  penuh, T=C bat /I bDC ,    untuk masing-masing produk lampu seperti ditunjukkan Tabel 5.
Tabel 5. Perkiraan durasi waktu pengisian baterai Jenis Lampu C bat (Ah) T (h) A 1 17 B 0,8 18 C 0,6 14 D 1 28
Setelah penuh, baterai akan tetap diisi dengan arus rerata sebesar I bDC .
Kapasitor C 2 yang  ada  pada  Lampu- A ,- B ,- D ,  berfungsi  untuk  meratakan  arus pengisian  baterai.  Tabel  6  menunjukkan  perbandingan  nilai  DC  arus  pengisian  baterai
( I bDC ) dengan nilai AC arus pengisian baterai ( I bAC ). Nilai I bAC adalah nilai efektif dari riak arus pengisian baterai.
Tabel 6. Perbandingan  nilai DC dan AC arus pengisian baterai Jenis Lampu I bDC (mA) I bAC (mA) I bAC / I bDC (%) C bat / 20 A 58 34 58 50 B 44 21 48 40 C 43 31 73 30 D 36 24 66 50
Tabel 6 menunjukkan Lampu- C yang tidak menggunakan kapasitor C 2 memiliki rasio I bAC terhadap I bDC terbesar, yang mengindikasikan amplitude riak arusnya relatif paling besar.  Sedangkan  Lampu- B yang  memiliki C 2 terbesar,  rasionya  paling  kecil  yang menunjukkan arus pengisian baterai relatif paling rata.

## Potensi Kerusakan Komponen Akibat Metode Pengisian yang Digunakan
Berdasarkan hasil pengujian selama tiga bulan, dengan  menghubungkan lampu ke jala-jala listrik PLN, yang berarti baterai terus menerus diisi,  terdapat empat buah lampu (dari 12 yang diuji) yang baterainya rusak.  Tiga di antaranya merupakan baterai pada Lampu- C ,  dan  yang  satu  merupakan  baterai  Lampu- A .  Jenis  kerusakannya  adalah baterai tidak bisa diisi lagi atau bersifat hubung buka.
Analisis penyebab kerusakan tersebut adalah sebagai berikut. Dari Tabel 4 dan Tabel 5 didapatkan rasio I bDC / C bat yang sama dengan  1/ T ,  berada dalam rentang  1/28  (baterai pada Lampu- D ) sampai 1/14 (baterai pada Lampu- C ). Nilai tersebut terlalu besar karena untuk float  charging ,  rasio    tersebut  seharusnya  sekitar  1/500  [2].  Khususnya  untuk Lampu- C , rerata  arus  pengisian  bernilai 500/14  atau 36  kali  lipat  lebih  besar dari  yang disarankan.
Terlebih  lagi  arus  pengisian  baterai  bukan  arus  konstan  melainkan  berbentuk gelombang  sinus  yang  disearahkan,  sehingga  memiliki  riak  ( ripple )  yang  besar,  yang memperpendek  umur  baterai.  Berdasarkan  [12],  nilai  riak  arus  pengisian  maksimum yang  disarankan  pabrikan  baterai  adalah C bat /20. Dari  Tabel 6  terlihat  bahwa Lampu- C memiliki  nilai  riak  arus  pengisian  yang  melebihi  nilai  rekomendasi  tersebut,  atau I bAC > C bat /20.
Pada Lampu- A yang  baterainya rusak tersebut,  terdapat  pula  komponen  lain  yang ikut rusak yaitu kapasitor perata arus ( C 2 ), serta komponen indikator pengisian baterai yaitu R 2 . Analisis berikut ini menunjukkan bahwa kerusakan baterai, dalam hal ini tidak lagi  bisa  diisi  atau  bersifat  hubung  buka,  dapat  menimbulkan  dampak  susulan  yaitu rusaknya kedua komponen tersebut.
Rangkaian Lampu- A yang baterainya rusak baterai (hubung buka) ditunjukkan pada Gambar 10.
1 C v 2 C v Gambar 10.  Rangkaian charger pada Lampu- A tanpa baterai
Untuk  mempermudah  analisis, R 2 dan D 5 dilepas  dulu,  maka  rangkaian  akan berfungsi sebagai detektor tegangan puncak, dan tegangan kapasitor C 2 , v C2 ( t ) akan diisi sehingga  mencapai V M .  Kapasitor C 2 diisi  jika  dipenuhi v S ( t )> v C1 ( t )+ v C2 ( t ),  atau v C1 ( t )- v S ( t )> v C2 ( t ).  Nilai v C2 ( t )  akan  naik  seiring  waktu,  sedangkan v C1 ( t )  akan  turun  sampai akhirnya  menuju  nol  ketika v C2 = V M =314V.  Hal  ini  ditunjukkan  oleh  hasil  simulasi rangkaian Gambar 11 untuk Lampu- A , menggunakan perangkat lunak Circuit Maker .
Gambar 11. Hasil simulasi bentuk gelombang v C1 ( t ) dan v C2 ( t ) pada Lampu- A tanpa adanya R 2 dan D 5
Jika R 2 dan D 5 dipasang maka terdapat jalur pengisian dari sumber tegangan ke C 1 sehingga tegangan C 1 dapat mencapai V M , maka tegangan pada C 2 akan dapat mencapai 2 V M ,  sehingga  rangkaian  bersifat  seperti  pengganda  tegangan  ( voltage  doubler ).  Seperti ditunjukkan pada Gambar 12, tegangan C 2 menurut hasil simulasi mencapai 2 V M =628V.
Gambar 12.  Hasil simulasi bentuk gelombang v C1 ( t ) dan v C2 ( t ) pada Lampu- A dengan adanya R 2 dan D 5 Hasil yang sama juga didapat untuk rangkaian Lampu- B dan - D , padahal tegangan nominal atau rating tegangannya ( V C2M ) yang tertera di badan kapasitor C 2 untuk Lampu-
- D3 D4 D2 D1 C1 + - D5 + C2 R1 R2 ) ( t v S ) ( 1 t v C ) ( 2 t v C + - ) ( 2 t i R 1 C v 2 C v
(5) ) 100 sin( 20 1 M 10 0 2 p p I dt t I m I m M DC R = ò = (6) 2 2 2 2 2 2 2 R I R I P M DC R avg R p = = (7) 2 2 2 R I
P M peak R =
A ,- B ,- D hanya  berkisar  antara  16V  sampai  50V.    Dengan  demikian  jika  baterai  rusak, tidak bisa diisi sehingga bersifat hubung buka, maka C 2 mendapat tegangan yang sangat besar. Untuk memverifikasi hasil simulasi tersebut, dilakukan pengukuran tegangan C 2 pada  Lampu- A ,- B dan  - D ,  dengan  kondisi  baterai  dilepas,  hasilnya  ditunjukkan  pada Tabel  7.   Tegangan  yang  terukur  tersebut  diperoleh sebelum semua  kapasitor tersebut rusak akibat nilai tegangannya jauh melampaui nilai tegangan nominal atau rating -nya.
Tabel 7. Hasil pengukuran tegangan C 2 pada saat baterai rusak (tidak bisa diisi)
Jenis Lampu v C2 (V) A 95 B 62 D 75
Berdasarkan  Tabel  7,  tegangan  kapasitor  hasil  pengukuran  tidak  pernah  mencapai nilai seperti Gambar 11 dan Gambar 12 karena kapasitor mengalami kedadalan dielektrik sehingga  tegangannya  tidak  bisa  naik  lagi  meskipun  terus  diberi  arus,  dan  setelah beberapa waktu kapasitor menjadi rusak.
Pada  saat-saat  awal  kapasitor C 2 diisi  (masih  kondisi  transien)    dan  tegangannya menuju  2V M seperti Gambar  12,  maka  LED D 5 akan  mendapat  arus  setiap  setengah periode v S , yaitu saat v S ( t )> v C1 ( t )+ v C2 ( t ). Nilai arus pada R 2 , atau i R2 ( t ), mendekati nilai arus sumber  namun  hanya  untuk  setengah  periode  (10ms),  seperti  ditunjukkan  oleh  hasil simulasi Gambar 13 untuk Lampu- A .
Gambar 13.  Hasil simulasi i R2 ( t ) pada Lampu -A, saat kapasitor C 2 masih dalam kondisi transien .
Nilai DC atau rerata arus i R2 ( t ) adalah:
Nilai I M dihitung  menggunakan  Persamaan  (3).  Hasil  perhitungan I R2DC dan  hasil pengukurannya pada kondisi transien C 2 , untuk Lampu- A ,- B ,- D ditunjukkan pada Tabel 8. Lampu- C tidak diperhitungkan karena tidak memiliki kapasitor C 2 .
Tabel 8. Hasil perhitungan dan pengukuran I R2DC saat kapasitor C 2 dalam kondisi transien
Jenis Lampu I R2DC(perhitungan) (mA) I R2DC(pengukuran) (mA) Selisih (%) A 22 21 4,5 B 26 22 15 D 21 18 14 Daya rerata pada R 2 adalah:
Daya puncak pada R 2 adalah:
R2 i t
S v C1 v R2 i
Hasil  perhitungan  menggunakan  Persamaan  6  dan  7  pada  saat C 2 dalam  kondisi transien ditunjukkan pada Tabel 9.
Tabel 9. Hasil perhitungan daya rerata dan daya puncak pada R 2 Jenis Lampu P R2avg (W) P R2peak (W) A 0,49 9,8 B 0,22 2,2 D 0,14 1,5 Rating daya resistor R 2 yang digunakan untuk keempat lampu tersebut adalah 0,25W, jadi  hanya Lampu- A yang daya reratanya berlebihan. Namun demikian karena semua resistor  mendapat  daya  puncak  yang  tinggi,  melebihi rating dayanya,  maka  resistor menjadi panas dan ada yang rusak terbakar, yaitu pada Lampu- A . Rangkaian charger pada Lampu- C , yang tidak memiliki C 2 , tidak mengalami masalah jika  baterai  rusak  (tidak  bisa  diisi).  Karena  rangkaian  Gambar  10  jika  tanpa C 2 akan bersifat seperti detektor tegangan puncak, dalam hal ini tegangan C 1 akan terisi melalui R 2 ,  sampai  tegangannya  mencapai V M lalu  pengisian  berhenti,  sehingga  arus R 2 nol. Kapasitor C 1 akan  mengosongkan  tegangan  melalui R 1 secara  lambat  (tetapan  waktu, τ = R 1 C 1 =270ms),  dan  ketika  nilai v S mencapai V M maka C 1 akan  diisi  lagi,  sehingga R 2 dialiri  arus  namun  hanya  sesaat  karena v C1 segera  menjadi V M lagi,  begitu  seterusnya, seperti ditunjukkan Gambar 14.
Gambar 14. Hasil simulasi bentuk gelombang arus i R2 ( t ) pada Lampu -C, saat baterai rusak (hubung buka) .
Terlihat  pada  Gambar  14, R 2 akan  dialiri  pulsa-pulsa  arus  dengan  amplitude  kecil yang  tidak  merusakkannya  karena  daya  puncak  yang  dirasakan  jauh  dibawah rating dayanya.  Rerata i R2 sekitar  0,55mA,  sangat  mendekati  hasil  pengukuran  yaitu  0,5mA, atau daya puncaknya 82µW, jauh di bawah rating dayanya yaitu 250mW. Dengan arus tersebut,  LED  indikator  pengisian  baterai  yang  terdapat  pada  rangkaian  masih  dapat menyala cukup terang dengan aman.

## 3.   Kesimpulan
Beberapa  kesimpulan  yang  bisa  diambil  setelah  dilakukan  penelitian  ini  adalah sebagai berikut ini.
1.  Semua  produk  lampu  yang  diteliti  menggunakan  rangkaian  pengisi  baterai sederhana  tanpa  sensor  pendeteksi  baterai  penuh.  Rasio  rerata  arus  pengisian baterai ( I bDC ) terhadap kapasitas baterai ( C bat ) untuk keempat jenis produk berada dalam rentang 1/28 (Lampu- D ) sampai 1/14 (Lampu- C ). Nilai tersebut jauh di atas yang  disarankan  untuk  pengisian  baterai  SLA  secara  terus  menerus  ( float charging ) yaitu 1/500, sehingga menimbulkan overcharging .
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 1 April 2019 Hal 65 - 79
2.  Arus  pengisian  memiliki  riak  yang  besar,  antara  48%  sampai  73%  dari  nilai reratanya. Pada Lampu- C , yang tidak menggunakan kapasitor perata, nilai efektif riak arus pengisiannya melampaui batas yang disarankan pabrikan yaitu C bat /20. 3.  Pengisian  baterai  selama  tiga  bulan  secara float  charging menyebabkan  satu Lampu- A rusak dan tiga Lampu- C rusak, sebagai akibat dari arus yang  berlebih dan riak arus pengisian yang terlalu besar seperti disebutkan pada poin 1 dan 2.
4.  Kerusakan  baterai  yang  diamati  adalah  baterai  tidak  lagi  bisa  diisi  arus  atau bersifat  hubung  buka.  Pengujian  menunjukkan  hal  tersebut  menyebabkan tegangan  kapasitor  perata  arus  ( C 2 )  pada  Lampu- A ,  - B dan  - D mencapai  nilai antara  75V  sampai  95V,  jauh  di  atas  nilai  tegangan  nominal  kapasitor  yang dipakai (16V sampai 50V) sehingga pada akhirnya kapasitor rusak.
5.  Kerusakan baterai juga akan membuat resistor pembatas arus indikator LED ( R 2 ) mendapatkan arus puncak yang besar saat C 2 dalam kondisi transien,  sehingga resistor  tersebut  ada  yang  mengalami  kerusakan  (Lampu- A )  karena  daya reratanya  (0,49W)    dan  daya  puncaknya  (9,8W)  melampaui rating dayanya (0,25W).
6.  Pada Lampu- C yang tidak memiliki C 2 , ketika baterai rusak, arus R 2 berupa pulsa beramplitudo kecil dengan rerata sekitar 0,5mA sehingga LED 5mm yang dipakai tetap dapat menyala dengan aman.

## Daftar Pustaka
[1]  D.  Rohi,  J.  E.  Luik,  Kesadaran  Masyarakat  Surabaya  untuk  Memiliki  Gaya  Hidup Ramah Lingkungan “Green Living” Melalui Menghemat Penggunaan Energi Listrik [Online], http://repository.petra.ac.id/16377/1/Publikasi1_97030_905.pdf , diakses tanggal 20 Maret 2019.
[2]  D. Linden, TP Reddy, Handbook of Batteries , McGraw-Hill, New York, 2002, 3 rd ed.
[3]  C. M. Dinis et. al, 2015, “Study on Sources of Charging Lead Acid Batteries”, Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng . 85 01201.
[4]  Y.  S  Wong et  al. ,    “Charge    Regimes    for  Valve-regulated    Lead-Acid    Batteries: Performance  Overview  Inclusive  of  Temperature  Compensation”, Journal  of  Power Sources , vol. 183, no. 2, pp. 783–791, September 2008.
[5]  J. Jana et al ., “Design and Development of High Efficiency Five Stage Battery Charge Controller  with  Improved  MPPT  Performance  for  Solar  PV  Systems”, International Journal of Renewable Energy Research , vol. 8, no. 2, June 2008.
[6]  S.  Ying,  A.  F.  Christopher,  R.  Chris.,  “Capacity  Recovery  of  a  Sulfated  Lead-Acid Battery Using Pressure Feedback Charging Control”, in. Proc. ASME 2012 5th Annual Dynamic  Systems  and  Control  Conference  joint  with  the  JSME  2012  11th  Motion  and Vibration Conference , Fort Lauderdale, Florida, USA, 17-19 October 2012.
[7]  A. Singh, P. B. Karandikar, “Review on Desulfation of Lead-Acid Battery for HEV”, International Journal of Current Engineering And Scientific Research , vol. 2, no. 9, 2015.
[8]  Y Yin et al ., “A Battery Charging Control Strategy for Renewable Energy Generation Systems”, Proceedings of the World Congress on Engineering 2008, vol. 1, London, U.K., July 2- 4 2008.
[9]  Yee  Wan  Wong et  al. ,  “A  New  State-of-Charge  Estimation  Method  for  Valve Regulated Lead-Acid Batteries”, Journal of Engineering Science and Technology, vol. 12, no. 3 pp. 584-595, 2017.
[10] H.  Eduardo  Ariza  Chacón et  al. ,  “Modelling,  Parameter  Identification,  and Experimental  Validation  of  a  Lead  Acid  Battery  Bank  Using  Evolutionary Algorithms”, Energies, vol. 11, no. 9,  September 2018.
[11] Narein Perera, Nirma Swaris, “Good Reading Light: Visual Comfort Perception and Daylight  Integration  in  Library  Spaces”,  Proceedings  of  the  10 th International Conference  of  Faculty  of  Architecture  Research  Unit  (FARU),  At  University  of Moratuwa, Sri Lanka, 8-10 December, 2017.
[12] Emerson-Network Power, Effects of AC Ripple Current on VRLA Battery Life [Online], http://www.aeroelectric.com/Reference_Docs/Battery/Effects%20of %20AC%20Ripple%20Current%20on%20VRLA%20Battery%20Life.pdf , diakses tanggal 20 Maret 2019.
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 1 April 2019 Hal 65 - 79