Arus dan Tegangan - Bagian 2

Energi, menurut definisi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Jika sebuah benda dengan massa (m) dinaikan beberapa tingkat ke ketinggian (h) diatas sebuah bidang referensi, maka benda tersebut memiliki energi potensial yang dinyatakan dalam satuan joule (J) dan dapat ditentukan dengan persamaan:

Dimana g adalah percepatan gravitasi (9,754 m/s²). Benda ini sekarang memiliki "potensi" untuk melakukan kerja, seperti menghancurkan obyek yang ditempatkan pada bidang referensi. Jika massanya dinaikan, maka energi potensial benda ini juga akan meningkat.

Tegangan Listrik

Didalam baterai, aksi kimia internal akan membentuk (melalui pengeluaran energi) akumulasi muatan negatif (elektron) pada satu terminal (terminal negatif) dan muatan positif (ion positif) disisi lainnya (terminal positif). Penempatan muatan yang telah terbentuk tersebut akan menghasilkan beda potensial antar terminal. Jika konduktor dihubungkan antar terminal baterai, maka elektron pada terminal negatif memiliki energi potensial yang cukup untuk menangani tumbukan dengan partikel lain didalam konduktor dan tolakan dari muatan yang sama untuk mencapai terminal positif.

Muatan dapat dinaikkan ke tingkat potensial yang lebih tinggi melalui pengeluaran energi dari sumber eksternal, atau suatu muatan dapat kehilangan energi potensialnya karena perjalanan melalui sistem listrik. Apapun kasusnya, menurut definisi: Perbedaan potensial sebesar 1 volt (V) antar dua titik akan terjadi jika energi sebesar 1 joule (J) menggerakan muatan sebesar 1 coulomb (C) agar berpindah tempat dari satu titik ke titik lainnya. Satuan pengukuran volt dipilih untuk menghormati Alessandro Volta.

Mendefinisikan satuan ukur tegangan

Secara ilustrasi diperlihatkan seperti gambar disamping, jika satu joule energi (1J) dibutuhkan untuk memindahkan satu coulomb muatan (1C) dari posisi x ke y, maka beda potensial atau tegangan antara dua titik tersebut adalah sebesar 1 volt (1V). Jika energi yang dibutuhkan untuk memindahan muatan 1C dinaikan menjadi 12J yang bertujuan untuk menambah gaya yang berlawanan, maka beda potensialnya akan meningkat menjadi 12V. Oleh karena itu, tegangan merupakan indikasi untuk mengetahui banyaknya energi yang terlibat dalam menggerakkan muatan antara dua titik di suatu sistem listrik. Sebaliknya, semakin tinggi rating tegangan dari sumber energi (seperti baterai), maka akan semakin banyak pula energi yang tersedia untuk memindahkan muatan melalui sistem. Catatan: pada pembahasan diatas, ketika membicarakan tentang tegangan atau beda potensial selalu melibatkan dua titik. Oleh karena itu, ini sangat penting untuk diingat bahwa pengukuran beda potensial atau tegangan dalam sistem selalu dilakukan diantara dua titik. Mengubah salah satu titik dapat mengubah beda potensial antara dua titik yang sedang diamati. Secara umum, beda potensial antar dua titik dapat ditentukan menggunakan persamaan:

Simbol berperan sangat penting dalam analisis sistem listrik dan elektronik. Untuk membedakan antara sumber tegangan (baterai dan sejenisnya) dengan rugi-rugi potensial di elemen disipatif, maka simbol dibawah ini akan digunakan:

• E untuk sumber tegangan (volt)
• V untuk voltage drops (volt)

Terkadang sumber dari kebingungan adalah istilah yang digunakan pada materi ini. Istilah yang umum ditemui meliputi: potensi, beda potensial, tegangan, beda tegangan (turun atau naik), electromotive force. Seperti disebutkan dalam uraian diatas, ada pula yang digunakan secara bergantian. Definisi dibawah ini digunakan sebagai bantuan dalam memahami arti dari istilah-istilah tersebut:

• Potensi (potential) : Tegangan pada sebuah titik terhadap titik lain dalam sistem kelistrikan. Biasanya titik referensi yang digunakan adalah tanah (ground), dimana memiliki potensial nol.
• Beda potensial : Perbedaan secara aljabar dalam potensi (atau tegangan) antara dua titik jaringan.
• Tegangan : Ketika terisolasi, seperti potensi, tegangan pada suatu titik terhadap beberapa referensi serperti ground (0 V).
• Beda tegangan : Perbedaan secara aljabar dalam tegangan (atau potensi) antara dua titik sistem. Istilah tegangan turun atau tegangan naik adalah sebagai istilah yang disarankan.
• Electromotive force (emf) : Gaya yang membentuk aliran muatan (atau arus) dalam sistem karena adanya beda potensial. Istilah ini tidak sering digunakan dalam literatur saat ini, tetapi hal ini berhubungan dengan sumber energi.

Secara sederhana, rangkaian elektronik dapat dianalogikan sebagai aliran air dalam pipa yang didorong oleh pompa air. Perbedaan tekanan air dari satu titik dekat pompa dan titik lain di ujung pipa dapat dianalogikan dengan potensial tegangan listrik. Jika pompa mulai bekerja, tekanan air dalam pipa pada titik di dekat pompa menjadi lebih tinggi sehingga air dalam pipa mulai terdorong dari satu titik (dekat pompa) menuju titik yang lain (ujung pipa). Pergerakan air ini (yang disebabkan perbedaan tekanan) mampu melakukan usaha, misalnya memutar turbin. Begitu pula dalam rangkaian elektronik, perbedaan potensial tegangan (misalnya dihasilkan oleh baterai) mampu melakukan usaha pula, misalnya memutar motor listrik. Jika dalam analogi, air pompa tidak bekerja, maka tidak ada perbedaan tekanan dan air tidak mengalir. Begitu pula untuk rangkaian elektronik, jika baterai, misalnya, habis, maka tidak ada perbedaan potensial tegangan listrik dan motor listrik tidak akan berputar.

Sumber Tegangan DC

Simbol sumber tegangan dc

Karena sumber tegangan dc merupakan salah satu dari dua sumber tegangan yang lebih familiar, maka ini akan dibahas terlebih dahulu. Simbol yang digunakan untuk semua sumber tegangan dc dalam artikel ini diperlihatkan seperti gambar disamping. Panjang relatif dari bar menunjukkan masing-masing terminalnya.

Sumber tegangan dc dapat dibagi menjadi tiga kategori:

1. Baterai (chemical action).
2. Generator (electromechanical).
3. Power supplies (rectification).

Baterai

Bagi orang awam, baterai adalah yang paling umum dari sumber dc. Menurut definisi, baterai (berasal dari kata "battery of cells") terdiri dari kombinasi dua atau lebih sel yang sama, sel menjadi sumber utama energi listrik yang dikembangkan melalui konversi energi kimia atau energi matahari. Semua sel dapat dibagi ke dalam tipe primer atau sekunder. Sekunder dapat diisi ulang, sedangkan primer tidak. Artinya, reaksi kimia dari sel sekunder dapat dibalik untuk memulihkan kapasitasnya. Dua baterai isi ulang yang paling sering digunakan adalah baterai lead-acid (terutama digunakan pada mobil) dan baterai nickel-cadmium (digunakan dalam kalkulator, unit photoflash, alat cukur, dan sebagainya). Keuntungan dari baterai isi ulang adalah dapat mengurangi biaya yang dikeluarkan untuk selalu mengganti sel primer yang kosong.

Semua sel sebisa mungkin akan dibahas pada artikel ini kecuali sel surya (yang menyerap energi dari cahaya dalam bentuk foton, membentuk beda potensial dengan menggunakan energi kimia). Selain itu, masing-masing memiliki elektroda postisif dan negatif dan elektrolit untuk melengkapi rangkaian antar elektroda dalam baterai. Elektrolit adalah elemen kontak dan sumber ion untuk konduksi antar terminal.

Sel Primer Alkaline dan Lithium-Iodine

Baterai primer alkaline kebanyakan menggunakan anoda bubuk seng (+), elektrolit kalium hidroksida (logam alkali), dan mangan dioksida, juga karbon katoda (-). Secara khusus, perhatikan gambar (b) bahwa semakin besar ukuran silinder, maka semakin besar kapasitas arusnya. Latern dirancang terutama untuk penggunaan jangka panjang. Gambar dibawah menunjukkan dua unit lithium-iodine primer dengan area aplikasi dan rating yang akan diperkenalkan di akhir artikel ini.

Sel primer alkaline

Sel primer lithium-iodine

Sel Sekunder Lead-Acid

Untuk unit sekunder lead-acid ditunjukkan dalam gambar dibawah ini, elektrolitnya adalah asam sulfat, elektrodanya adalah timbal kenyal (Pb) dan timbal peroksida (PbO₂). Saat beban dipasang pada terminal baterai, terjadi transfer elektron dari elektroda timbal kenyal ke elektroda timbal peroksida melalui beban. Transfer elektron ini akan terus terjadi sampai baterai benar-benar habis. Waktu pengosongan (dischrage) ditentukan oleh seberapa encer cairan asam dan seberapa berat lapisan timbal sulfat dimasing-masing plate. Keadaan discharge sel penyimpanan timbal dapat ditentukan dengan mengukur berat jenis elektrolit menggunakan hydrometer. Berat jenis zat didefinisikan sebagai rasio berat volume tertentu dari substansi terhadap berat volume yang sama dari air pada 4°C. Untuk baterai yang terisi penuh, berat jenisnya harus berada diantara 1,28 samapai 1,30. Saat berat jenis turun hingga mencapai 1,1 maka baterai harus diisi ulang.

Baterai lead-acid 12V (tepatnya 12,6V) bebas-perawatan

Karena sel penyimpanan timbal adalah sel sekunder, maka dapat diisi ulang setiap saat selama fase discharge hanya dengan menghubungkannya dengan sumber arus dc eksternal diseluruh sel yang akan melewati arus melalui sel dalam arah berlawanan. Hal ini akan menghilangkan timbal sulfat dari plates dan mengembalikan konsentasi asam sulfat.

Output dari tiap sel penyimpanan timbal adalah sekitar 2,1V. Dalam baterai penyimpanan timbal komersial yang digunakan pada mobil, tegangan sebesar 12,6V dapat dihasilkan oleh enam sel yang disusun seri (seperti ditunjukkan pada gambar diatas). Secara umum, baterai lead-acid digunakan dalam situasi dimana dibutuhkan arus yang tinggi dengan jangka waktu yang relatif singkat. Pada suatu saat, semua cairan baterai lead-acid dibuang. Gas yang terbentuk selama siklus dischrage akan keluar, ventilasi memberikan akses untuk mengganti air atau elektrolit dan memeriksa tingkat asam dengan menggunakan hydrometer. Memanfaatkan grid yang terbuat dari perpaduan strip alloy lead-calcium daripada grip cor lead-antimony yang banyak digunakan telah menghasilkan baterai bebas perawatan. Struktur lead-antimony rentan terhadap korosi, overcharge, gasing, penggunaan air, dan self-discharge. Penginkatan desain dengan grid lead-calcium telah menghilangkan atau secara substansial mengurangi sebagian besar masalah tersebut.

Perkembangan teknologi seputar baterai akan segera tersedia, lebih kecil dan lebih powerful. Namun pada mobil listrik dimana sekarang perlahan-lahan mulai populer dan diminati diseluruh dunia, baterai lead-acid masih menjadi sumber energi utamanya. Sebuah "station car" diproduksi di Norwegia dan digunakan atas dasar pengujian di San Fransico untuk menjalankan commuter khusus, memiliki berat total 1650 Kg dimana 550 Kg (sepertiga berat) untuk baterai lead-acid isi ulang. Meskipun station car dapat berjalan dengan kecepatan 65 mph, jangkauannya terbatas pada 65 mil dan harus diisi ulang. Membutuhkan waktu yang lama untuk mengurangi berat baterai secara signifikan, dibutuhkan desain baterai dengan inovasi baru.

Sel Sekunder Nickel-Cadmium

Baterai nikel-cadmium adalah baterai isi ulang yang sangat diminati dan perkembangannya sangat besar dalam beberapa tahun terakhir. Untuk aplikasi seperti senter, alat cukur, televisi portabel. bor listrik, dll dipilih baterai nickel-cadmium (Ni-Cad) karena tingkat arusnya kecil dan jangka waktu penggunaanya dapat lebih panjang. Baterai Ni-Cad biasanya dapat bertahan hidup lebih dari 1000 kali charge/discharge selama periode waktu bertahun-tahun.

Baterai nickel-cadmium (Ni-Cad)

Penting untuk diketahui bahwa ketika sebuah alat atau sistem menyebut baterai Ni-Cad, maka sel primer tidak boleh digunakan pada sistem tersebut. Alat atau sistem mungkin memiliki jaringan pengisisan internal yang akan tidak berfungsi dengan sel primer. Selain itu semua baterai Ni-Cad memiliki tegangan 1,2V per-sel, sedangkan sel primer biasanya memiliki tegangan 1,5V per-selnya. Ada beberapa ambiguitas tentang seberapa sering sebuah sel sekunder dapat diisi ulang. Untuk sebagian besar situasi, baterai bisa digunakan sampai ada beberapa idikasi bahwa tingkat energi baterai rendah, seperti lampu senter yang meredup, daya bor berkurang, atau lampu yang berkedip pada peralatan tertentu. Perlu diketahui bahwa sel sekunder memiliki "memory". Jika baterai ini terus menerus diisi ulang setelah digunakan dalam jangka waktu singkat, maka mereka mungkin mulai percaya bahwa mereka merupakan unit jangka-pendek dan akan benar-benar gagal menyimpan muatan untuk periode waktu yang seharusnya. Dalam kondisi apapun, selalu usahakan untuk menghindari "hard" discharge, yang dihasilkan saat setiap energi yang terkuras dari sel. Terlalu banyak siklus hard discharge akan mengurangi umur baterai. Akhirnya, kita memasuki mekanisme pengisian sel Ni-Cad yang sangat berbeda dengan baterai lead-acid. Baterai Ni-Cad diisi ulang menggunakan sumber arus konstan, dengan terminal tegangan yang cukup stabil sampai siklus pengisian selesai. Baterai lead-acid diisi ulang menggunakan sumber tegangan konstan, memungkinkan besar arusnya bervariasi tergantung dari keadaan baterainya. Kapasitas dari baterai Ni-Cad meningkat hampir linear sepanjang siklus pengisiannya. Dapat ditemukan fenomena dimana baterai Ni-Cad akan relatif hangat ketika dalam proses pengisian. Semakin rendah kapasitas baterai saat diisi, semakin tinggi suhu selnya. Saat baterai semakin mendekati kapasitas penuhnya, maka suhu selnya akan semakin mendekati suhu ruang.

Sel Sekunder Nickel-Hydrogen dan Nickel–Metal Hydride

Baterai nickel-metal hydride (Ni-MH)

Dua jenis sel sekunder lainnya adalah sel nickel-Hydrogen dan sel Nickel-Metal Hydride. Sel nickel-hydrogen aplikasinya masih terbatas, sel ini biasanya digunakan untuk kendaraan ruang angkasa dimana baterai dengan kepadatan tinggi energi diperlukan, kokoh, dapat diandalkan, dan dapat menangani sejumlah besar siklus charge/discharge selama waktu yang relatif lama. Sel Nickel-Metal Hydride sebenarnya adalah gabungan dari sel Nickel-Cadmium dan sel Nickel-Hydrige, Penggabungan karakteristik baik dari masing-masing sel tersebut untuk menciptakan produk dengan tingkat daya tingi dalam paket kecil yang memiliki siklus hidup yang panjang. Meskipun relatif mahal, penggabungan ini merupakan pilihan yang valid untuk aplikasi seperti komputer portabel.

Sel Surya (Solar Cell)

Solar module

Sebuah high-density, sel surya berdaya 40W diperlihatkan pada gambar disamping dengan beberapa data terkait dan bidang aplikasinya. Karena daya maksimum yang tersedia dalam sehari rata-rata matahari dengan sinar cerah adalah 100 mW/cm² dan efisiensi konversi arus antara 10% sampai 14%, maka daya maksimum yang tersedia per sentimeter persegi dari unit yang paling komersial adalah antara 10mW sampai 14mW. Untuk satu meter persegi akan menghasilkan 100W sampai 140W. Pada tulisan ini tidak akan menjelaskan lebih rinci mengenai sel surya. Saat ini, penting untuk disadari bahwa pencahayaan yang tetap sel surya akan memberikan tegangan dc yang cukup stabil untuk menangani berbagai beban, mulai dari jam tangan sampai mobil.

Ampere-Hour Rating

Baterai memiliki rating kapasitas dalam ampere-hour (Ah) atau miliampere-hour (mAh). Beberapa rating disertakan pada gambar-gambar diatas. Sebuah baterai dengan rating 100Ah secara teoritis akan memberikan arus stabil sebesar 1A dalam jangka waktu 100 jam, 2A untuk 50 jam, dan seterusnya, sebagaimana ditentukan oleh persamaan:

Karakteristik sel eveready® BH 500

Dua faktor yang memperngaruhi rating ini, suhu dan tingkat discharge. Sel Eveready® BH 500 jenis disc yang terdapat pada sebelumnya diatas memiliki karakteristik terminal yang ditunjukkan pada gambar disamping. Gambar disamping menunjukkan bahwa kapasitas baterai dc menurun bersamaan dengan peningkatan permintaan arus dan kapasitas baterai dc menurun secara relatif (dibandingkan dengan suhu kamar) pada suhu rendah dan tinggi.

Untuk unit 1V dari gambar (a), rating hanya diatas 500mAh pada arus discharge sebesar 100mA, namun turun menjadi sekitar 300mAh disekitar 1A. Untuk unit dengan diameter yang kurang dari 1½ inci dan dengan ketebalan kurang dari ½ inci, ini merupakan karakteristik terminal yang baik. Gambar (b) mengungkapkan bahwa rating mAh maksimum (pada mengalirkan arus 50mA) terjadi sekitar 75°F (≈24°C) atau hampir diatas rata-rata suhu ruang. Perhatikan bahwa kurva turun kearah kanan dan kiri ke nilai maksimumnya. Kita semua mengetahui "kekuatan" sebuah baterai berkurang pada suhu rendah. Perhatikan bahwa telah turun menjadi 300mAh disekitar -8°F.

Kurva discharge sel eveready® BH 500

Kurva menarik lainnya terdapat pada gambar diatas. Kurva ini menunjukkan tegangan sel yang diharapkan pada saluran pengosongan selama waktu penggunaan. Perlu dicatat bahwa kehilangan dalam periode waktu antara 50mA sampai 100mA jauh lebih besar daripada antara 100mA sampai 150mA, meskipun peningkatan arus sama antar tingkat. Secara umum, tegangan terminal baterai dc menurun dengan lama waktu dischare pada saluran pengosongan arus.

Generator

Generator dc

Generator dc sangat berbeda dari baterai, baik dari segi konstruksinya maupun dari cara kerjanya. Saat poros generator berputar pada kecepatan nameplate yang diakibatkan oleh torsi yang diberikan kepadanya dari sumber tenaga mekanik eksternal, sebuah tegangan dengan besar tertentu akan muncul di terminal eksternal. Besarnya tegangan dan kemampuan penanganan-daya  generator dc biasanya lebih tinggi daripada baterai pada umumnya dan masa pakainyapun hanya ditentukan oleh konstruksinya. Generator dc yang digunakan secara komersial biasanya memiliki variasi tegangan 120V atau 240V. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, tidak ada perbedaan simbol antara baterai dan generator.

Power Supplies

Suplai dc laboratorium

Suplai dc yang paling sering dijumpai di laboratorium dimana menggunakan proses rectification dan filtering sebagai sarana untuk mendapatkan tegangan dc yang stabil. Secara keseluruhan, tegangan berubah terhadap waktu (seperti tegangan ac yang tersedia distop kontak rumah) dikonversi ke suatu nilai yang tetap.

Kebanyakan suplai dc laboratorium memiliki pengaturan, tegangan keluaran yang dapat disesuaikan dengan tiga buah terminal yang tersedia. Simbol untuk ground atau potensial nol (referensi) juga ditunjukkan pada gambar (a) dibawah. Jika 10V terhadap ground diperlukan, maka koneksi yang dibuat seperti gambar (b). Jika 15V terhadap ground yang dibutuhkan, maka koneksi yang dibuat seperti gambar (c). Jika koneksi yang dibuat seperti gambar (d), kita akan mendapatkan tegangan "floating" sebesar 5V karena tingkat referensi tidak termasuk. Konfigurasi seperti gambar (d) jarang digunakan karena akan gagal melindungi operator dengan menyediakan secara langsung resistansi-rendah ke ground dan membuat common ground untuk sistem. Dalam kasus apapun, terminal positif dan negatif harus menjadi bagian dari konfigurasi rangkaian.

Konfigurasi terminal suplai dc laboratorium

Sumber Arus DC

Karakteristik terminal:
(a) Sumber tegangan ideal
(b) Sumber arus ideal

Berbagai jenis dan aplikasi, sumber tegangan dc telah menjadi perangkat yang cukup familiar, setidaknya bagi orang awam paham akan karakteristik dasarnya. Misalnya, sudah menjadi rahasia umum bahwa baterai mobil memiliki tegangan terminal (setidaknya mendekati) 12V, meskipun pengurasan arus oleh mobil dapat bervariasi dalam kondisi operasi yang berbeda. Dengan kata lain, sebuah sumber tegangan dc secara ideal akan memberikan teganan terminal yang tetap, meskipun permintaan arus dari sistem listrik/elektronik dapat bervariasi seperti yang ditunjukan pada gambar (a) disamping. Sebuah sumber arus dc adalah sumber tegangan ganda, yaitu sumber arus secara ideal akan mensuplai arus yang tetap ke sistem listrik/elektronik meskipun mungkin ada variasi tegangan terminal yang ditentukan oleh sistem, seperti yang ditunjukkan pada gambar (b) disamping, Jangan khawatir jika konsep sebuah sumber arus adalah hal yang aneh dan agak membingungkan saat ini. Teruskanlah belajar dan mencari pembahasan yang menyangkut tentang sumber arus ini. ;)