Kutub positif baterai menggunakan lempeng timbal peroksida dan kutub negatifnya menggunakan lempeng timbal sedangkan larutan elektrolitnya adalah larutan asam sulfat. Ketika baterai dipakai, terjadi reaksi kimia yang mengakibatkan endapan pada elektroda negatif (reduksi) dan elektroda positif (oksidasi). Akibatnya, dalam waktu tertentu antara kedua elektroda tidak ada beda potensial, artinya baterai menjadi kosong. Supaya baterai dapat dipakai lagi, harus diisi dengan cara mengalirkan arus listrik kearah yang berlawanan dengan arus listrik yang dikeluarkan baterai itu. Ketika baterai diisi akan terjadi pengumpulan muatan listrik. Pengumpulan jumlah muatan listrik dinyatakan dalam ampere jam disebut tenaga baterai. Pada kenyataannya, pemakaian baterai tidak dapat mengeluarkan seluruh energi yang tersimpan dalam baterai itu. Oleh karenanya, baterai mempunyai rendemen atau efisiensi.

Pada kesempatan yang lalu saya telah membahas mengenai cara atau prosedur melakukan pengisian baterai, maka pada kesempatan kali ini akan dibahas mengenai proses reaksi kimia pada proses pengosongan dan pengisian baterai itu sendiri yang bila diilustrasikan dalam animasi yang saya buat sebagai berikut:

Bila baterai dihubungkan dengan beban maka, elektron mengalir ke elektroda positif (PbO2) melalui beban dari elektroda negatif (Pb), kemudian ion-ion negatif mengalir ke  elektroda positif dan ion-ion positif mengalir ke elektroda negatif. Arus listrik dapat mengalir disebabkan adanya elektron yang bergerak ke dan/atau dari elektroda sel melalui reaksi ion antara molekul elektroda dengan molekul elektrolit sehingga memberikan jalan bagi elektron untuk mengalir.

Reaksi kimia yang terjadi dapat dijelaskan sebagai berikut:

Setiap molekul cairan elektrolit Asam sulfat (H2SO4) dalam sel tersebut pecah menjadi dua yaitu ion hydrogen yang bermuatan positif (2H+) dan ion sulfat yang bermuatan negatif (SO42-)

Bila baterai dibebani, maka tiap ion negatif sulfat (SO42-)akan bereaksi dengan plat timah murni (Pb) menjadi timah sulfat (PbSO4) sambil melepaskan dua elektron. Sedangkan sepasang ion hidrogen (2H+ ) akan bereaksi dengan plat timah peroksida (PbO2) menjadi timah sulfat (PbSO4) sambil mengambil dua elektron dan bersenyawa dengan satu atom oksigen untuk membentuk air (H2O). Pengambilan dan pemberian elektron dalam proses kimia ini akan menyebabkan timbulnya beda potensial listrik antara kutub-kutub sel baterai.

PbO2 = Timah peroxida (katub positif / anoda)

Pb = Timah murni (kutub negatif/katoda)

2H2SO4= Asam sulfat (elektrolit)

PbSO4 = Timah sulfat (kutub positif dan negatif setelah proses pengosongan)

H2O= Air yang terjadi setelah pengosongan

Proses ini adalah kebalikan dari proses pengosongan dimana arus listrik dialirkan yang arahnya berlawanan dengan arus yang terjadi pada saat pengosongan. Pada proses ini setiap molekul air terurai. Ion oksigen yang bebas bersatu dengan tiap atom Pb pada plat positif membentuk timah peroxida (PbO2). Sedangkan tiap pasang ion hidrogen (2H+) yang dekat plat negatif bersatu dengan ion negatif Sulfat (SO4–) pada plat negatif untuk membentuk asam sulfat. Akibatnya berat jenis cairan elektrolit bertambah menjadi sekitar 1,285 (pada baterai yang terisi penuh).Proses reaksi kima yang terjadi adalah sebagai berikut :

 

Berawal dari tugas mengajar di salah satu sekolah mekanik alat berat di kota palembang beberapa waktu yang lalu, saya berkesempatan untuk mengajak para siswa untuk lebih mendalami srtuktur dan cara kerja regulator tegangan pada alternator yang digunakan pada alat berat Komatsu.Alternator merupakan komponen yang berfungsi sebagai pembangkit tegangan dengan merubah energi kinetik menjadi energi listrik. Seperti halnya pada kendaraan pada umumnya, pada alat berat alternator digunakan sebagai pembangkit tenaga listrik untuk mengisi kembali baterai / akumulator. Tenaga putar dari engine akan dirubah oleh alternator menjadi energi listrik sesuai dengan kaidah tangan kanan dari flemming.  Listrik yang dibangkitkan berupa listrik AC (alternating current) dengan polaritas yang selau berubah ubah sehingga perlu disearahkan (di DC kan). Komponen yang digunakan adalah dioda rectifier, sementara itu penggunaan cincin belah / komutator sebagai penyearah sudah sejak lama ditinggalkan. Bisa jadi masih bisa ditemui hanya ada pada unit-unit lama yang sudah tidak diproduksi lagi dan populasinya juga sudah mulai habis. Listrik yang sudah searah tadi yang selanjutnya digunakan untuk mengisi kembali baterai. Dalam hal ini alternator berfungsi sebagai charging system. Selain itu, alternator juga berfungsi sebagai sumber tegangan untuk menyuplay kelistrikan alat berat selama unit dioperasikan. Lampu kerja, lampu signal, controller, radio dan peralatan elektronik lain yang ada pada alat berat akan disuplay dari baterai selama engine tidak dihidupkan.

Mengingat sedemikian vitalnya fungsi alternator, tegangan yang dihasilkan harus dijaga kestabilannya pada nilai tertentu sesuai dengan kebutuhan sistem. Tegangan yang terlalu rendah akan mengakibatkan tidak berfungsinya charging sistem sebagaimana mestinya. Tegangan yang terlalu tinggi selain mengakibatkan overcharging, juga dapat menyebabkan kerusakan serius pada sistem kelistrikan. dengan demikian, keberadaan regulator tegangan sangan diperlukan pada alternator.

Beragam desain regulator tegangan berkembang. Bila pada waktu yang lampau masih digunakan regulator tipe tirrill (menggunakan magnetic contactor yang sekarang sudah tidak digunakan/ diproduksi lagi) maka seiring kemajuan teknologi semikonduktor muncullah regulator type semikonduktor dan regulator dengan ic (integrated circuit) semikonduktor.

Kesempatan kali ini kita akan mempelajari rangkaian regulator tegangan pada alternator yang diproduksi Nikko Electric Industries 24 vdc yang banyak digunakan pada unit Komatsu.

Regulator ini mempunyai 2 kaki masing masing terminal R dan F serta terminal E pada body (chasisnya). Fisik dari luar dapat dilihat pada gambar berikut.

 

kemasan didesain agar tahan air, panas maupun getaran dengan dicor menggunakan karet rubber. Konsekuensinya, jika terjadi kerusakan pada komponen elektronik di dalamnya kita kesulitan membongkarnya. Membeli regulator baru akan lebih efektif dari segi kemudahan dan waktu pengerjaan.

 

Setelah rangkaian elektroniknya berhasil dibuka dan diberaihkan dari sisa sisa karet rubber yang masih menempel, kita dapat mengidentifikasi tiap komponen yang digunakan.

 

Regulator ini merupakan regulator type semikonduktor dengan transistor sebagai komponen utamanya. Dua buah tranistor tipe NPN berfungsi sebagai saklar elektronik dengan memberikan arus bias ke kaki basis sehingga kaki colector dan emitor terhubung. Kedua transistor dirangkai sedemikian rupa sehingga ketika terjadi kenaikan tegangan dari alternator, transistor kedua akan aktif untuk mentanahkan arus basis transistor pertama untuk memutuskan arus penguat medan magnet pada field coil/ rotor coil (field coil alternator terhubung dengan terminal R dan F). Turunnya kemagnetan yang dibangkitkan field coil serta merta akan mengakibatkan turunnya tegangan alternator sehingga transistor kedua akan off dan transistor pertama akan on untuk kembali mengalirkan arus penguat medan magnet pada field coil alternator, begitu seterusnya.

Agar dapat berfunsi sebagaimana mestinya, transistor dilenglapi dengan komponen seperti resistor, capasitor, dioda dan dioda zener.

Sebuah dioda freewheel (D2) yang akan terhubung paralel dengan field coil (antara terminal R dan F) berfungsi sebagai penyalur arus induksi diri dari field coil ketika arus penguat medan magnet diputus.

Resistor pembagi tegangan ( R3, R4, R5, dan R6) berfungsi sebagai penurun tegangan alternator sebelum diumpankan ke dioda zener (ZD/ D1) yang terhubung reverse dengan kaki basis transystor kedua.
Resistor pull up (R1) berfungsi menghubungkan kaki basis transistor pertama (Q1) dengan terminal R agar secara default mendapat logic satu sehingga transistor pertama (Q1) akan on, sampai ketika Q2 on menghubungkannya langsung dengan ground maka akan berubah menjadi logic nol sehingga transistor 2 akan off.
Sebaliknya, Resistor pull down (R2) berfungsi menghubungkan kaki basis Q2 dengan ground agar secara default mendapat logic nol sehingga transistor 2 akan off, sampai ada trigger dari D1 maka akan berubah menjadi logic satu sehingga transistor 2 akan on.Tanpa harus ribet dengan alat ukur, pembangkit pulsa, CRO, dll, rangkaian regulator di atas dapat kita simulasikan menggunakan program livewire, proteus, electronics workbench atau yang lainnya untuk melihat lebih detil cara kerja dan parameter-parameter yang ada di tiap komponen. Saya sendiri mennggunakan livewire karena terlihat lebih menarik dan mudah dipahami siswa karena disajikan pula aliran arusnya. (mengenai penggunaan lifewire akan saya share pada kesempatan yang lain ^^)Demikian kiranya, sedikit tulisan saya mengenai regulator tipe semikonduktor. Semoga bermanfaat. Maju terus Indonesia. ^^