ARTIKEL

SUMBER LISTRIK EKSTERNALUNTUK PROSES DE KONT AMINASI SECARA

ELEKTROKIMIA DENGAN STABILISASI TEGANGAN

Arief GoeritnoPusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif, BAT AN

ABSTRAKSUMBER LISTRIK EKSTERNAL UNTUK PROSES DEKONTAMINASI SECARA ELEKTRO-

KIMIA DENGAN STABILISASI TEGANGAN. Telah dilakukan penelitian terhadap peralatan yangmenghasilkan sumber listrik ekstemal yang digunakan untuk proses dekontarninasi secara elektrokimia. Penelitianini bertujuan untuk memperoleh kestabilan arus listrik selama proses dekontarninasi tanpa menimbulkan fluktuasitegangan. Untuk mengatasi fluktuasi tegangan, maka pada sumber listrik ekstemal ditambahkan rangkaian umpanbalik elektronika.

ABSTRACT

THE EXTERNAL ELECfRICAL SOURCE FOR ELECfROCHEMICAL DECONTAMINA-TIONPROCESS WITH VOLTAGE STABILIZATION. The investigation of electrical device for electrochemicaldecontamination process has been done. The experiment was purposed to found stabilization of current electricwithout' produced volatge fluctuation. This experiment result that voltage fluctuation can be avoid by added asystem feedback electronic circuit.

PENDAHULUAN

Oekontaminasi secara elektrokimiadidasarkan pada perubahan energi, daTienergi listrik menjadi energi kimia.Berdasarkan hukum Faraday,perubahan energi listrik menjadi reaksikimia sangat dipengaruhi oleh besar-nya arus listrik yang digunakan, hat ini

dapat diperlihatkan dengan persamaanberikut :

Pada persamaan tersebut di atasterlihat, bahwa arus yang dipasok darisumber listrik eksternal hams konstanuntuk mendapatkan jumlah grek yangkonstan pada jumlah waktu yangditentukan.

Ants listrik dalam kaitannya denganhambatan yang terjadi dalam suatuproses elektrokimia mengacu kepadahukum Ohm yang menyatakanhubungan antara tegangan, arus clanhambatan listrik diperlihatkan dalampersamaan berikut :

(1)I .tGrek = 96~

V=I,R (2)

dengan :V = tegangan, dalam voltI = arus, dalam ampereR = hambatan, dalam olun

dengan :I = arus listrik, dalam amperet = waktu, dalam detik96.500 = konstanta Faraday

[]J

t?JuldlnL./I1t?J.I1I1

Vd ~ Na / 2OCXJ

ARTIKEL

Untuk mendapatkan arus listrik yangkonstan dengan fluktuasi hambatan,adalah dengan fluktuasi tegangan.Fluktuasi tegangan pada batas-batastertentu masih diperbolehkan, yaitutidak boleh lebih rendah dari Eotertinggi dalam suatu reaksi kimia yangakan dilakukan proses elektro-kimianya.

Perubahan tegangan dari sumberlistrik eksternal akibat adanya per-ubahan hambatan dapat diatasi denganmetoda umpan batik (feedback), yaituperpindahan energi dari keluaran(output) suatu jaringan listrik kemasukan (input)-nya seperti ditunjuk-kan dengan diagram blok dalamGambar I berikut :

Input [R(s)] berupa masukan tegangan ke Plant [G(s)] untuknlembantu proses.~ nlerupakall summing point.Plant [G(s)] nlerupakan larutan daJanl proses elektroklnlia.FeedbackfH(s)J merupakan suatu sirtem umpan balik akibat adanya output fC(s)J .vang belum stabiL

Gambar 1. Diagram blok sistem umpan balik

C(s) = G(s).E(s)F(s) = H(s).C(s)E(s) = R(s)-F(s)

(3)(4)

(5)

Dengan mensubstitusikan persamaan(4) ke dalam persamaan (5), diperoleh:

E(s) = R(s)- H(s).C(s) (6)

Penggabungan persamaan (3) dan (6)akan didapatkan :

C(s) = G(s) [R(s) -H(s).C(s)]= G(s).R(s) -H(s).G(s).C(s)

(7)

Sehingga diperoleh transfer function(fungsi alih) :

G(s) menyatakan seluruh komponenpada lintasan maju (forward path)antara output dan input dengan directtransfer function atau direct trans-mission gain (DTG). H(s) menyatakansemua komponen antara output dansumming point (titik penjumlahan)input melalui lintasan umpan batik.Dalam hat apabila H(s) = 1 (umpanbatik unity) sinyal E(s) merupakanperbedaan antara input dan output[R(s) -C(s)]. Pada umumnya E(s)dinamakan kesalahan/penyimpangan(error), juga disebut actuating signaljika sebuah sinyal yang menyebabkanE(s) akan menghasilkan tanggapansistem. F(s) menyatakan sinyal umpanbatik.

Berdasarkan Gambar 1, berlakuhubungan-hubungan (berdasarkanprinsip-prinsip perkalian) :

[1:?J ~t-ldlnL./I'1~/tI1 Vd -" Na /.2000

ARTIKEL

No. DensitasArus

(~~)-

KonsentrasiH2SO4

VoltageDrop

(V/cm)

No. DensitasArtis

(A/dm1.)

KonsentrasiH2SO4

VoltageDrop

(V/cm)

No.1 Volt~geDrop

(V/cm)

;

,39 0,70

1,201,90

~

2.70I):

0,65

7,00

l,~ol1°.

t'lIIdillL.//1£'m Vol ~ Na /2000 00

ARTIKEL

KonsentrasiH2SO4

VoltageDrop

(V/cm)

No.DensitasArus

(A/dm2)-

DensitasArus

(A/dm2)

No. KonsentrasiH2SO4

22-~~!1J~~,~

S!d

~~SJ..dM~~

VoltageDrop

,0,400,601,001,602.00

i

,18 0,27 0,44

0,60

0.80

~

.4.5.6.

~

.

5.6.

1235710

1235710

HASIL DAN BAHASAN

Dari data-data terlihat, bahwa per-ubahan konsentrasi akan menyebabkanperubahan hambatan. Sedangkan ke-butuhan arus tetap konstan, maka akan

terjadi penurunan tegangan sebagaiakibat dari energi yang tersedia konstan(besar arus ditentukan saat pertamakali dilakukan percobaan). Jikaperistiwa tersebut dianalogikan dengandiagram blok pada gambar I, makaPlant merupakan larutan yangmembutuhkan sumber listrik eksternal.

Sedangkan Output berupa basil, yaituterjadinya Voltage drop. Dalam halkejadian Voltage drop menandakanPlant tidak stabil sehingga akanmempengaruhi proses elektrokimia(dalam hal ini tidak dikehendaki),untuk itu ditempuh cara denganmelakukan umpan balik, hal inididasarkan pada upaya penstabilan

dengan penambahan tegangan agarsuplai tegangan eksternal dapat naiklagi untuk mengkompensasi setiapperubahan hambatan dalam larutan.

Sumber listrik eksternal yang palingideal adalah batere (kering atau basah)seperti diperlihatkan dalam rangkaianelektrokimia pada gambar 2. Untukmencatu arus beban yang besar,sumber eksternal dengan batere

sangatlah kurang menguntungkan,karena memerlukan bentuk fisik yangbesar sebagai kompensasi untuk suplaiarus yang besar disamping teganganantara kutub positif dan negatifnyarelatif kecil. Untuk mengatasi jumlahenergi yang hams alirkannya, bateredibatasi oleh spesifikasi besarnyategangan antara kedua kutubnya, jugaoleh besar harga ampere-hour (AH)-nya, yaitu satuan ampere dan waktu(dalam jam). Jika membutuhkan arusyang besar, maka waktu untukmelayani menjadi lebih pendek.Disamping itu, batere membutuhkanalat bantu untuk pengisian kembali.

Untuk mengatasi kekurangan yangada pada batere, ditempuh denganpenyearahan arus listrik bolak-balik(alternating current, ac) rasa satu (lcp)untuk memperoleh sumber arus listriksearah (direct current, dc). Berbagaicara dapat dilakukan untuk mem-peroleh sumber dc, diantaranya denganrangkaian 4 dioda untuk mendapatkangelombang penuh yang diilustrasikanseperti Gambar 3. Sedangkan bentuk

gelombang ke-luarannya sepertiGambar 4.

Tegangan pada C] adalah tegangandc, besarnya sarna dengan V peak. V peakdiperoleh dari tegangan efektif (yangterukur dalam voltmeter) dibagi .J2.

t'vldlnL.//1t'/1I1 Va( ~ No. / 2OCXJ[E]

ARTIKEL

Gambar 2. Rangkaian elektrokimia dengan somber eksternal dari batere

Gambar 3. Sumber dc gelombang penuh sebagai catu daya

Gambar 4. Bentuk gelombang keluaran

,t'tIfd;nf.l/1t'/f/1 Vd::;; Na /.2axJ 00

ARTIKEL

Gambar 5. Somber listrik ekstemal dengan pengaturan

pengendali calli daya eksternal untukmengatasi perubahan tegangan.

Rangkaian yang dipasang me-nyediakan tegangan dc yang tidakbergantung pada arus IL yang ditarikdati V 0, juga tidak bergantung tem-peratur clan perubahan-perubahantegangan jala-jala ac, sehingga meng-gambarkan suatu umpan batiktegangan serio Dimisalkan teganganpacta pengikut emitor (emitor follower)QI (QI juga disebut elemen lewat/ passelement) kira-kira sarna dengan 1,sehingga :

~ =Av~ =AV(VR-P~)~ Vo

Tegangan ~ adalah tegangan dc de-ngan ripple 100 hertz. Nilainya akanbertambah besar jika nilai C1 kecil.

Ada tiga alasan catu daya tersebutdi atas tidak cukup baik untuk di-gunakan, karena :1. pengaturannya kurang baik,

tegangan keluaran tidak konstanpada beban berubah-ubah;

2. tegangan keluaran dc berubahmenurut tegangan masukan;

3. tegangan keluaran berubah ter-hadap waktu, terutama diguna-kannya peralatan semikonduktor.Blok umpan balik untuk mengatasi

ketidakstabilan tegangan pada larutan,ditunjukan seperti gambar 5. RL(beban) dianalogikan sebagai larutanelektrolit, sedangkan blok "catu claratanpa pengaturan (Vdc)" di gambar 5merupakan sumber pengganti batereyang tidak mampu mengatasi per-ubahan tegangan akibat perlunyakestabilan arus untuk mengatasiperubahan hambatan dalam larutan.Rangkaian yang terdapat di antara (V IN-Acuan) clan (VO -3) merupakan

dengan faktor umpan balik sarnadengan :

R2

p=~~~

Tegangan keluaran yang diperolehdaTi persamaan (10), yaitu :

[§] t'vldinL./I'1PA/1 Va( ~ Na /.2(X)O

ARTIKEL

.

(12)

Koefisien temperatur

S = ~ 1 ~Vdc=O

T ilT ~IL=O (17)

Makin kecil harga ketiga koefisien,makin baik pengaturan catu daya.

KESIMPULAN

Dari bahasan di atas tentang sistemsumber listrik eksternal untuk proseselektrokimia, dapat diambil simpulansebagai berikut :I. Batere sebagai sumber ideal mem-

punyai masalah pada kemampuansuplai yang terkait dengan waktupenyediaan, disamping membutuh-kan alat charger.

2

Tegangan V 0 dapat diubah denganmerubah-ubah faktor umpan batik (P).Pengikut emitor (QJ digunakan untukmenyediakan perolehan arns, karenaarns diumpan oleh penguat operasinal(Operational Amplifier, Op-Amp), di-mana Av biasanya kurang mencukupi.Juga elemen lewat harns menyerapselisih antara tegangan masuk tanpapengaturan V IN dan tegangan keluaranyang diatur Vo. Tegangan dc kolektoryang dibutuhkan oleh penguat, ke-salahan Av didapatkan daTi teganganyang tidak diatur.

Karena tegangan keluaran (titik 2dan titik 3; V 0) tergantung pacta sumbertegangan masukan dc V dc, arus bebanIL dan temperatur T, perubahan L\ V 0dalam tegangan keluaran catu daya,maka dapat diungkapkan :

ilV = ~ilV +~ill +~ilT (13)0 bY dc ~ L bT

dc L3

Penggantian batere dengan callidaya dari listrik ac 1 <p justrumenimbulkan perubahan tegangan,akibat suplai arus ke elektrolitkonstan, dimana perubahan ham-batan elektrolit karena perubahankonsentrasi larutan.Penambahan rangkaian elektro-nika dalam bentuk umpan batikpada calli daya ac 1 <p, mampumengatasi turun tegangan yangterjadi.

atau

~vo SvL\Vdc +~ L\t +STL\T (14)

= ~1 6IL_=O (15]

Sv L1Vdc 6T-O

.

Resistans keluaran :

R = ~ IAV.=OL M AT=O

L

(16)

[illPv/dlntll1PAIt Vd~ Na/2000

dimana ketiga koefisien didefinisikansebagi berikut :.F aktor pengaturan masukan :

ARTIKEL

DAFTARPUSTAKA

[1][2]

[3]

JAERI, JAERlmemo No. 62-225, p.73, Fig. 8.2.3., (1996).D. Chattopadhyay (et. aI.), Dasar Elektronika, terjemahan Sutanto,Penerbit Universitas Indonesia (UI-Press), Jakarta, (1989).Jocob Millman, Mikroelektronika ..Sistem Digital dan Rangkaian Analog,terjemahan Sutanto, Penerbit Erlangga, Jakarta, (1987).Sumaryono, Diktat Dasar Sistem Pengaturan, Jakarta, (1994).[4]

---0000000---

~ t'v/dtil/./I1t'/Vt Vd -" Na /.2a:x)