Sepeda motor konvensional, kelistrikan: alternator magnet permanen, regulator-penyearah, aki 12 volt, starter, lampu, sekring, dan mengukur sistem pengisian

Sebuah rumah sakit memakai enam sepeda motor untuk mengantar sampel laboratorium, obat, dan dokumen ke dua klinik satelit. Dalam tiga bulan, satu motor sudah empat kali berganti bola lampu rem dan sekali berganti lampu utama. Bulan lalu akinya diganti karena tidak kuat menstarter. Pagi ini pengantar melapor bahwa jok terasa hangat dan tercium bau asam; kotak aki menggembung, dan konektor di regulator berwarna kecokelatan.

Teknisi rumah sakit mengukur tegangan di terminal aki dengan multimeter. Saat mesin mati, angkanya wajar. Saat mesin hidup dan digas, angkanya naik terus sampai 15,8 V. Aki baru dan lampu baru tidak menolong, karena sumber masalahnya ada di pengatur tegangan. Bab ini menjelaskan kelistrikan sepeda motor konvensional dan cara mengukurnya dengan aman, supaya penggantian suku cadang mengikuti hasil diagnosis.

Batas pembahasan

Bab ini membahas kelistrikan sepeda motor bermesin bensin, dari alternator sampai gejala gangguan. Kimia, pengisian, dan resistans dalam asam timbal ada di Bab 7; tegangan istirahat aki 12 V dan arus siaga di Bab 10; dioda dan penyearah jembatan di Bab 84 · Kelistrikan & Kendali; multimeter di Bab 15 · Kelistrikan & Kendali dan tang ampere di Bab 16 · Kelistrikan & Kendali; arus asut motor DC di Bab 45 · Kelistrikan & Kendali; koordinasi sekring dengan kabel di Bab 23 · Kelistrikan & Kendali. Pengapian dan sensor pemicu dibahas di Bab 12; kelistrikan 12 V mobil, uji beban aki, dan kabel jumper di Bab 19. Nilai untuk motor tertentu diambil dari manual pabrik.

Alternator magnet permanen: satu fasa dan tiga fasa

Alternator magnet permanen (permanent magnet alternator) adalah pembangkit arus bolak-balik yang rotornya membawa magnet tetap dan statornya berupa kumparan diam. Pada sepeda motor, rotor berbentuk mangkuk di ujung poros engkol berputar mengelilingi stator yang dibaut ke bak mesin; bengkel menyebut kumparan stator ini spul. Rotor itu sering juga membawa tonjolan pemicu sensor pengapian, yang dibahas di Bab 12 tentang bahan bakar dan pengapian sepeda motor.

Karena medannya dari magnet tetap, tegangan yang dibangkitkan naik bersama putaran dan tidak dapat diatur dari dalam alternator. Alternator mobil berbeda: arus kumparan medannya diatur regulator, seperti di Bab 19 tentang kelistrikan 12 volt mobil. Tegangan terminal alternator juga berubah ketika bebannya berubah. Pada stasioner spul memberi sedikit daya; pada putaran tinggi tegangannya jauh melebihi kebutuhan aki bila tidak dibatasi.

Ada dua susunan kumparan:

1. Satu fasa: dua kabel keluaran ke regulator. Sebagian motor lama mencatu lampu dengan arus bolak-balik langsung dari kumparan terpisah, sehingga lampu terang dan redup mengikuti putaran.
2. Tiga fasa: tiga kabel keluaran yang biasanya berwarna sama. Keluaran tiga fasa dihasilkan belitan stator yang disambung bintang atau segitiga, dan pada sambungan bintang, tegangan antarkawat adalah $\sqrt{3}$ kali tegangan fasa. Susunan ini memberi daya lebih besar dan arus lebih rata untuk ukuran yang sama.

Regulator-penyearah: menyearahkan dan membatasi tegangan

Regulator-penyearah (regulator-rectifier) adalah modul yang mengubah arus bolak-balik dari kumparan alternator menjadi arus searah untuk aki dan beban, sekaligus membatasi tegangan sistem kelistrikan sepeda motor. Penyearahnya berupa jembatan dioda, empat dioda untuk spul satu fasa dan enam untuk tiga fasa; cara mengujinya ada di Bab 84 · Kelistrikan & Kendali tentang dioda dan penyearah. Pemeriksaan tegangan pada penyearah jembatan dianjurkan.

Pengaturnya pada kebanyakan sepeda motor konvensional berjenis shunt. Regulator shunt (shunt regulator) adalah pengatur tegangan yang menghubungsingkatkan kumparan alternator ke massa ketika tegangan sistem melewati batas, sehingga arus berlebih tidak masuk ke aki. Sakelarnya biasanya SCR, dan SCR yang padam dapat dinyalakan lagi oleh sinyal gerbang. Acuannya dapat berupa dioda zener, yang tegangannya stabil sehingga dapat dipakai sebagai tegangan referensi.

Akibat cara kerja shunt bagi perawatan:

1. Spul terus membangkitkan arus selama mesin berputar. Energi yang tidak dipakai menjadi panas di regulator dan spul, sehingga regulator bersirip dan dipasang di jalur udara.
2. Makin kecil beban, makin banyak arus yang dihubungsingkatkan. Lampu LED mengurangi arus beban, tetapi regulator justru membuang lebih banyak (Contoh 2).
3. Konektor spul, regulator, dan aki membawa arus penuh terus-menerus. Tahanan kontak karena korosi atau kendur membuatnya panas, menghitam, lalu meleleh. Konektor yang berubah bentuk diganti.

Regulator jenis seri, umumnya dengan MOSFET, memutus aliran dari spul sehingga lebih dingin. Pengganti regulator mengikuti manual pabrik.

Aki 12 volt: asam timbal basah dan VRLA

Setiap sel asam timbal menghasilkan 2 V, sehingga enam sel disusun seri untuk memperoleh aki 12 V. Aki asam timbal murah dan mampu memberi arus besar untuk motor starter, tetapi berat, berisi asam sulfat yang korosif, dan harus dibuang dengan benar karena mengandung timbal. Reaksi, pengisian, dan sulfatasinya ada di Bab 7 tentang baterai traksi dan pengisian.

Aki sepeda motor berkapasitas kecil, umumnya beberapa ampere-jam, sehingga arus siaga kecil pun cepat menguras muatannya. Dua jenis yang lazim:

1. Asam timbal basah, dengan tutup sel dan garis batas elektrolit yang diperiksa menurut manual.
2. VRLA. Aki VRLA (valve-regulated lead-acid battery) adalah aki asam timbal tertutup yang elektrolitnya terserap atau terikat dan yang melepas gas hanya melalui katup pengaman ketika tekanan di dalamnya berlebih. Jenis berpemisah serat kaca penyerap disebut AGM (absorbent glass mat). Aki AGM dan VRLA tidak perlu diperiksa elektrolitnya dan tidak boleh dibuka.

Tabel tegangan istirahat ada di Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik. Aki AGM penuh beristirahat pada sekitar 12,8 sampai 13,0 V, lebih tinggi dari aki basah penuh yang sekitar 12,6 V; aki diistirahatkan sedikitnya 2 jam sebelum diukur; dan tegangan istirahat yang baik belum membuktikan aki mampu menstarter. Batas pengosongan yang lazim dipakai adalah 1,8 V per sel.

Aki yang terus diisi dengan tegangan terlalu tinggi menguraikan air elektrolit menjadi gas, dan hidrogen dapat terbentuk ketika baterai diisi berlebih. Pada VRLA, gas terbentuk lebih cepat dari kemampuan sel menggabungkannya kembali, tekanan dan suhu naik, elektrolit hilang lewat katup, dan kotak dapat menggembung. Aki yang kembung diperlakukan sebagai aki rusak: diganti, tidak ditusuk, dan tidak dibuka.

Motor starter dan relai

Motor starter sepeda motor adalah motor DC kecil, umumnya bermagnet permanen, yang arus asutnya besar karena GGL lawan belum terbentuk saat jangkar diam, seperti di Bab 45 · Kelistrikan & Kendali tentang motor DC. Relai starter (starter relay) adalah sakelar elektromagnetik yang menghubungkan aki ke motor starter melalui kontak berarus besar ketika kumparannya diberi arus kecil dari tombol starter. Rangkaian kumparannya sering melewati sakelar rem atau standar samping sebagai pengaman.

Kopling starter (starter clutch) adalah kopling satu arah yang meneruskan putaran motor starter ke poros engkol dan membebaskan diri ketika mesin berputar lebih cepat dari starter. Sebagian skuter memakai starter-generator terpadu, dan banyak motor kecil masih memiliki pedal starter kaki.

Gejala yang khas: bunyi klik tanpa putaran berarti arus tidak cukup karena aki lemah, terminal kendur, atau kontak relai aus; putaran lambat berarti aki lemah atau resistans tinggi di jalur arus besar; starter berputar tetapi mesin diam berarti kopling starter selip. Relai yang buruk dapat menyebabkan penyalaan berselang, seperti dicatat di Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik.

Lampu, sekring, dan beban tambahan

Lampu sepeda motor kini banyak memakai LED, sedangkan lampu pijar masih dipakai pada sebagian lampu rem dan sein. Daya lampu pijar naik kira-kira dengan kuadrat tegangan, sehingga filamennya cepat putus pada tegangan lebih; pengendali LED juga dapat rusak.

Sekring (fuse) adalah penghantar lebur yang sengaja dibuat menjadi titik terlemah rangkaian sehingga putus sebelum kabel dan komponen rusak oleh arus lebih. Dengan rangkaian bertegangan, ujung sisi beban dari sekring yang putus terbaca 0 V karena terputus dari sumber. Pemilihan nilai sekring terhadap kabel ada di Bab 23 · Kelistrikan & Kendali tentang proteksi arus lebih.

Sekring yang diganti dengan nilai lebih besar, atau dengan kawat, memindahkan titik putus ke kabel. Penghantar rangkaian kemudian dapat terbebani berlebih dan menimbulkan kemungkinan kebakaran. Sekring yang putus berulang adalah gejala, dan penyebabnya dicari lebih dulu.

Armada sering menambahkan pelacak GPS, alarm, lampu tambahan, dan pengisi USB, yang menjadi penyebab umum aki tekor dan sekring putus. Arus parasit (parasitic draw) adalah arus yang tetap diambil dari aki ketika kunci kontak mati; Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik menyebutnya arus siaga. Setiap aksesori disambung lewat sekringnya sendiri dari titik sambung yang ditentukan manual, dan arus parasitnya dicatat. Bila arus parasit pelacak menguras aki selama motor lama diparkir, pilihannya pelacak berarus parasit rendah, pengisi pemelihara, atau pemutus aki bila manual mengizinkan.

Neraca arus: beban, pengisian, dan putaran

Pengisian cukup bila, pada putaran kerja yang biasa, arus dari regulator melebihi arus beban sehingga sisanya mengisi aki:

$$I_\text{beban} = \frac{\sum P_i}{V}, \qquad I_\text{aki} = I_\text{reg} - I_\text{beban}$$

dengan $P_i$ daya tiap beban (W), $V$ tegangan sistem (V), $I_\text{reg}$ arus keluaran regulator-penyearah (A), dan $I_\text{aki}$ arus yang masuk ke aki (A); nilai negatif berarti aki ikut memasok beban.

Pada stasioner, keluaran spul kecil sehingga $I_\text{aki}$ dapat negatif. Motor pengantar di kawasan rumah sakit dan hotel sering berjalan pelan, menunggu dengan mesin hidup, dan distarter berkali-kali untuk jarak pendek, sehingga dapat terus kekurangan muatan walaupun pengisiannya normal.

Mengukur sistem pengisian dengan aman

Regulator dianjurkan diperiksa dengan menaikkan putaran mesin dan menambah beban. Urutan untuk sepeda motor berikut memakai nilai pembanding dari manual pabrik:

1. Tegangan aki diam. Kunci kontak mati dan aki sudah istirahat; bacaan dibandingkan dengan tabel tegangan istirahat di Bab 10. Aki kosong diisi dulu, karena pengisian tidak dapat dinilai dengan aki kosong.
2. Tegangan saat mesin hidup pada beberapa putaran. Tegangan seharusnya naik lalu stabil. Kisaran yang dilaporkan sekitar 13,5 sampai 15 V di terminal aki, tetapi batas yang berlaku adalah batas manual. Tegangan yang terus naik bersama putaran menunjuk regulator yang tidak membatasi; tegangan yang tidak naik menunjuk spul, regulator, atau sambungan.
3. Dengan beban. Langkah 2 diulang dengan lampu utama dan beban lain menyala.
4. Jatuh tegangan sambungan. Saat mesin hidup, tegangan diukur antara keluaran regulator dan positif aki, lalu antara massa regulator dan negatif aki; bacaan lebih dari beberapa persepuluh volt menunjuk sambungan bertahanan tinggi.
5. Keluaran spul. Uji keluaran spul (stator output test) adalah pengukuran tegangan bolak-balik kumparan alternator tanpa beban pada putaran tertentu untuk memisahkan kerusakan kumparan dari kerusakan regulator. Konektor spul dilepas saat mesin mati, lalu tegangan AC antarkabel diukur pada putaran menurut manual: satu pasangan untuk satu fasa, tiga untuk tiga fasa. Bila keluaran spul sesuai manual tetapi pengisian salah, kerusakan ada di regulator-penyearah atau sambungannya.
6. Tahanan kumparan dan isolasi ke massa. Dengan mesin mati, tahanan antarkabel dan isolasi kabel spul ke massa diukur. Uji tahanan statis dapat meloloskan spul yang lemah, sehingga langkah 5 tetap diperlukan.

Aturan keselamatan:

1. Mesin dihidupkan di tempat berventilasi, motor stabil di standar tengah, tangan dan kabel ukur jauh dari rantai, roda, dan knalpot.
2. Aki tidak dilepas saat mesin hidup, karena lonjakan tegangan dapat merusak regulator dan modul pengendali.
3. Tegangan AC spul tanpa beban dapat jauh lebih tinggi dari tegangan aki pada putaran tinggi, sehingga probe dipegang pada bagian berisolasi dan konektor tidak dilepas saat mesin hidup.
4. Arus starter dan arus pengisian diukur dengan tang ampere DC efek Hall yang dinolkan dulu, seperti di Bab 16 · Kelistrikan & Kendali tentang tang ampere. Arus parasit diukur dengan multimeter seri di terminal negatif aki, kunci kontak mati, seperti di Bab 15 · Kelistrikan & Kendali tentang multimeter digital, dan tombol starter tidak ditekan selama alat terpasang.
5. Polaritas dicocokkan: generator dan baterai harus berpolaritas massa sama. Aki yang diisi menghasilkan gas mudah terbakar, seperti di Bab 7 tentang baterai traksi dan pengisian.

Konektor dan regulator yang panas dapat dibandingkan dengan kamera termal; Bab 21 · Fisika tentang radiasi termal dan termografi menjelaskan pengaruh emisivitas pada bacaan, terutama pada logam mengilap.

Gejala gangguan dan penyebabnya

Pada kasus pembuka, tegangan 15,8 V menunjuk regulator; lampu putus dan aki kembung adalah akibatnya. Gangguan yang muncul hanya saat jalan berguncang, hujan, atau setelah dicuci adalah gangguan berselang, seperti di Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang diagnosis gangguan berselang. Spul yang terbakar terlihat dari isolasi kumparan yang menghitam ketika tutup bak mesin dibuka bengkel.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: neraca arus pada satu putaran. Lampu utama 35 W ditambah pengendali mesin, pompa bensin, injektor, dan lampu kecil 60 W, jadi 95 W pada 14,0 V: $I_\text{beban} = 95/14{,}0 = 6{,}8$ A. Pada putaran jelajah spul memberi 120 W, yaitu $120/14{,}0 = 8{,}6$ A, sehingga sekitar 1,8 A mengisi aki. Pada stasioner spul hanya memberi 60 W atau 4,3 A, sehingga aki ikut memasok $6{,}8 - 4{,}3 = 2{,}5$ A. Motor yang lama menunggu di lobi dengan mesin hidup menguras akinya.

Contoh 2: lampu diganti LED pada regulator shunt. Lampu utama 35 W diganti LED 12 W, sehingga beban menjadi 72 W. Pada putaran jelajah dengan aki penuh, arus yang dihubungsingkatkan regulator naik dari $(120 - 95)/14{,}0 = 1{,}8$ A menjadi $(120 - 72)/14{,}0 = 3{,}4$ A, hampir dua kali lipat. Arus beban turun, tetapi regulator bekerja lebih keras; penggantian lampu juga mengikuti ketentuan pabrik dan peraturan lampu kendaraan.

Contoh 3: regulator rusak di kasus pembuka. Tegangan 15,8 V dibagi enam sel memberi $15{,}8/6 = 2{,}63$ V per sel, di atas tahap gas sekitar 2,5 sampai 2,6 V per sel di Bab 7 tentang baterai traksi dan pengisian, sehingga aki terus menghasilkan gas dan kotak VRLA menggembung. Daya lampu pijar naik kira-kira $(15{,}8/14{,}0)^2 = 1{,}27$ kali, sekitar 27 persen di atas daya pada tegangan normal (tahanan filamen dianggap tetap), sehingga filamen cepat putus. Urutan perbaikan: massa dan konektor regulator diperiksa, regulator diganti menurut manual, tegangan diukur ulang pada beberapa putaran, baru aki dan lampu diganti.

Contoh 4: tegangan saat menstarter. Starter menarik 50 A dari aki yang beristirahat pada 12,7 V. Dengan resistans dalam 0,02 ohm, tegangan saat menstarter $12{,}7 - 50 \times 0{,}02 = 11{,}7$ V. Aki tua dengan resistans dalam 0,08 ohm bertegangan istirahat sama, tetapi turun ke $12{,}7 - 50 \times 0{,}08 = 8{,}7$ V, sehingga starter lambat. Muatan 3 detik menstarter hanya $50 \times 3/3.600 = 0{,}042$ Ah, kurang dari 1 persen aki 5 Ah; aki gagal karena resistans dalamnya, bukan karena kapasitasnya habis. Resistans dalam ada di Bab 7, dan uji beban di Bab 19.

Contoh 5: membaca hasil ukur sistem pengisian. Motor pengantar kedua sering tekor. Setelah aki diisi penuh, dengan lampu utama menyala, tegangan di aki 12,9 V saat stasioner, 13,0 V pada putaran sedang, dan 13,1 V pada putaran tinggi, di bawah rentang manual. Pada putaran uji, tegangan AC spul tiga fasa adalah 52 V untuk kabel 1 dan 2, 38 V untuk kabel 2 dan 3, dan 39 V untuk kabel 1 dan 3. Pada sambungan bintang yang sehat, 52 V antarkawat berarti tegangan fasa sekitar $52/\sqrt{3} = 30$ V. Dua pasangan yang melibatkan kabel 3 hanya sekitar tiga perempat pasangan yang sehat, sehingga kumparan fasa ketiga, misalnya dengan lilitan terhubung singkat, dicurigai; kabel putus memberi bacaan mendekati nol pada dua pasangan. Keputusan mengganti spul diambil bengkel berdasarkan nilai manual.

Contoh 6: mengisi ulang dengan pengisi luar. Aki 5 Ah tinggal sekitar setengah. Muatan 2,5 Ah dikali faktor pengisian 1,1 sampai 1,2 dari Bab 7 menjadi 2,75 sampai 3,0 Ah. Dengan arus sekitar sepersepuluh kapasitas, yaitu 0,5 A (arus dan jenis pengisi mengikuti pabrik aki), waktunya $2{,}75/0{,}5 = 5{,}5$ sampai $3{,}0/0{,}5 = 6{,}0$ jam. Pengisi otomatis bertahap yang sesuai jenis aki lebih aman daripada pengisi arus tetap yang dibiarkan semalaman.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada bengkel resmi, teknisi berwenang, atau pabrik bila:

1. Aki menggembung, retak, bocor, sangat panas, atau berbau asam kuat. Motor tidak dipakai, aki dilepas setelah dingin dengan sarung tangan dan pelindung mata, lalu diserahkan ke pengumpul limbah aki berizin karena mengandung timbal dan asam.
2. Tegangan di aki terus naik bersama putaran melewati batas manual; motor tidak dipakai sampai regulator diperiksa.
3. Ada bau kabel terbakar, asap, konektor meleleh, atau sekring yang langsung putus lagi setelah diganti.
4. Pekerjaan memerlukan pembukaan tutup bak mesin untuk spul, pembongkaran starter atau kopling starter, atau perubahan rangkaian pabrik.
5. Aksesori akan disambung langsung ke kabel pabrik tanpa sekring, tanpa petunjuk pemasang, atau tanpa izin pemilik armada.
6. Kendaraan ternyata sepeda motor listrik atau berbaterai litium; batas kerjanya mengikuti Bab 17 tentang baterai sepeda motor listrik dan manual pabrik.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 7 memberi kimia dan resistans dalam asam timbal, Bab 10 tegangan istirahat dan arus siaga, Bab 84 · Kelistrikan & Kendali jembatan penyearah, Bab 15 · Kelistrikan & Kendali dan Bab 16 · Kelistrikan & Kendali multimeter dan tang ampere, Bab 45 · Kelistrikan & Kendali arus asut motor DC, Bab 23 · Kelistrikan & Kendali sekring dan kabel, Bab 21 · Fisika termografi, dan Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis gangguan berselang. Di rak ini, pengapian ada di Bab 12, kelistrikan 12 V mobil di Bab 19, baterai sepeda motor listrik di Bab 17, dan pemeriksaan harian lampu dan klakson armada di Bab 15.

Latihan dan pembahasan

Referensi