ENERGI, DAYA, BATERAI, DAN MANAJEMEN TERMAL PADA PERANGKAT TELEKOMUNIKASI DIGITAL

1. Pendahuluan

Bab Limabelas ini membahas sisi fisika yang sering tersembunyi di balik perangkat telekomunikasi digital: dari mana energi berasal, seberapa cepat energi dipakai, bagian mana yang menjadi kerja berguna, dan ke mana energi yang tidak menjadi keluaran berguna mengalir. Pada node IoT, sensor nirkabel, gateway, ONT, router, radio, dan perangkat edge, keberhasilan sistem tidak hanya ditentukan oleh bandwidth atau SNR. Perangkat juga harus memiliki sumber energi yang cukup, catu daya yang stabil saat arus puncak, efisiensi konversi yang baik, serta jalur pembuangan panas yang memadai.

Benang merah fisik bab ini adalah kekekalan energi. Energi kimia pada baterai diubah menjadi energi listrik; regulator mendistribusikannya ke sensor, MCU, dan radio; sebagian energi menghasilkan kerja yang berguna seperti pengukuran, pemrosesan, dan transmisi; sedangkan rugi-rugi akhirnya berubah terutama menjadi panas. Karena itu, daya, energi, baterai, duty cycle, efisiensi, dan temperatur harus dibaca sebagai satu rantai sebab-akibat, bukan sebagai topik yang terpisah. Rantai ini sangat berkaitan dengan Mikrokontroler dan IoT, Jaringan Sensor dan Ad Hoc Nirkabel, Elektronika Telekomunikasi, Sistem Komunikasi Radio, Sistem Komunikasi Seluler, serta Desain Proyek.

Gambar 15.1 Rantai fisika energi pada perangkat telekomunikasi: baterai, konversi daya, kerja berguna, rugi-rugi, dan pelepasan panas ke lingkungan.

2. Daya dan Energi

Daya dan energi harus dibedakan sejak awal. Daya menyatakan seberapa cepat energi dipindahkan atau digunakan pada suatu saat, sedangkan energi menyatakan jumlah total yang telah dipindahkan selama suatu interval waktu. Karena itu, dua perangkat dapat memiliki daya puncak yang sama tetapi menghabiskan energi berbeda jika lama aktifnya berbeda. Dalam sistem listrik, daya sesaat ditentukan oleh tegangan dan arus:

� = ��

Dengan � adalah daya dalam watt, � adalah tegangan, dan � adalah arus. Energi yang  digunakan selama waktu tertentu adalah:

� = ��

Hubungan E = Pt berlaku jika daya dapat dianggap konstan. Pada perangkat digital, daya berubah- ubah mengikuti mode sleep, sensing, processing, TX, dan RX. Secara fisik, energi adalah luas di bawah kurva daya terhadap waktu; untuk analisis diskrit, luas tersebut dapat diperkirakan dengan menjumlahkan energi setiap mode operasi

Gambar 15.2 Hubungan tegangan-arus, daya sesaat, profil daya terhadap waktu, dan energi total perangkat.

Dalam perangkat telekomunikasi, radio sering menjadi salah satu blok dengan daya sesaat terbesar, terutama saat transmit. Namun kontribusi energi tidak ditentukan oleh daya saja, melainkan oleh hasil kali daya dan durasi. Sensor, ADC, MCU, memori, regulator, dan radio semuanya menyumbang energi sesuai lama aktif masing-masing. Inilah alasan profil waktu jauh lebih bermakna daripada satu angka arus atau daya rata-rata saja.

3. Kapasitas Baterai: Ah dan Wh

Kapasitas baterai sering dinyatakan dalam ampere-hour (Ah atau mAh), tetapi Ah secara fisik adalah ukuran muatan yang dapat dipindahkan, bukan ukuran energi. Jika arus dianggap konstan, kapasitas muatan ideal memenuhi:

� = ��

Dengan � adalah kapasitas muatan, � adalah arus, dan � adalah waktu. Namun untuk membandingkan energi, satuan Wh lebih informatif:

��ℎ  = �������� ��ℎ

Untuk membandingkan kemampuan melakukan kerja, energi dalam Wh lebih informatif karena melibatkan tegangan. Pendekatan E_Wh = V_nominal Q_Ah menggunakan tegangan nominal sebagai penyederhanaan terhadap tegangan baterai yang sebenarnya berubah selama proses discharge. Contoh, baterai 3,7 V 2000 mAh memiliki energi nominal:

��ℎ  = 3.7 × 2 = 7.4 Wh 

Dalam joule:

��  = ��ℎ  × 3600

��  = 7.4 × 3600 = 26640 J 

Gambar 15.3 Makna Ah dan Wh serta kurva discharge baterai yang menunjukkan bahwa tegangan tidak konstan sepanjang pemakaian.

Energi yang benar-benar dapat dipakai lebih kecil daripada nilai nominal jika tegangan turun hingga batas cutoff, arus beban tinggi menimbulkan drop internal, regulator kehilangan sebagian daya, atau baterai menua. Suhu dan karakteristik kimia juga memengaruhi kapasitas efektif. Karena itu, Ah memberi informasi tentang muatan, Wh memberi informasi energi nominal, sedangkan lifetime nyata tetap harus dihitung dari profil beban dan kondisi baterai.

4. Duty Cycle dan Arus Rata-rata

Node IoT jarang bekerja pada satu kondisi tetap. Dalam satu siklus, perangkat dapat sleep, bangun, membaca sensor, memproses data, transmit, receive, lalu kembali sleep. Setiap mode memiliki arus dan durasi berbeda.  Arus rata-rata merupakan cara ringkas untuk merangkum total muatan yang digunakan  per  siklus,  tetapi  secara  fisik  besaran  yang  paling  fundamental  tetap  energi  yang dikonsumsi oleh seluruh mode. 

����  =

 

 ∑�  ��   ��  

� 

Dengan � adalah periode satu siklus operasi. Lifetime ideal baterai dapat diperkirakan:

�       =  �� � �  

����          

Gambar 15.4 Profil mode operasi dan hubungan duty cycle dengan arus rata-rata serta energi per siklus node IoT. 

Persamaan arus rata-rata pada bagian ini mengasumsikan tegangan catu relatif tetap. Jika tegangan baterai atau efisiensi regulator berubah signifikan antar-mode, perhitungan yang lebih tepat adalah menjumlahkan energi V_i I_i t_i pada setiap mode. Sebagai contoh sederhana, jika node aktif selama 2 detik dengan arus 80 mA lalu sleep selama 58 detik dengan arus 0,1 mA, maka:

(80)(2) + (0.1)(58) 

���� =

���� =

Jika baterai 2000 mAh, lifetime ideal:

 

60

160 + 5.8

60        = 2.76 mA 

����� =

 

2000

2.76  ≈ 724 jam ≈ 30 hari 

Tanpa sleep mode, jika arus terus-menerus 80 mA:

2000 

����� =

 

80   = 25 jam 

Perbandingan tersebut menunjukkan prinsip utamanya: lifetime meningkat bukan karena sleep mode menciptakan  energi  baru,  melainkan  karena  perangkat  mengurangi  waktu  berada  pada  keadaan berdaya tinggi. Semakin kecil fraksi waktu aktif, semakin kecil energi rata-rata per satuan waktu, selama biaya bangun, sinkronisasi, retransmisi, dan aktivitas lain tidak menjadi dominan.

5. Profil Arus Radio

Radio merupakan contoh penting perbedaan antara daya rata-rata dan kebutuhan daya sesaat. Arus saat TX atau RX dapat melonjak jauh di atas arus sleep. Puncak ini hanya berlangsung singkat, tetapi dapat menimbulkan drop tegangan jika baterai, regulator, kabel, atau jalur PCB memiliki resistansi dan impedansi yang tidak cukup kecil.

Gambar 15.5 Profil arus node IoT dan hubungan puncak TX/RX dengan kestabilan tegangan catu. Secara  fisik,  tegangan  pada  beban  dapat  turun  ketika  arus  puncak  mengalir  melalui  resistansi

ekuivalen sumber dan jalur. Karena itu, sebuah multimeter yang hanya menunjukkan arus rata-rata dapat gagal memperlihatkan penyebab reset radio. Pengukuran profil arus terhadap waktu, impedansi supply, dan tegangan pada pin catu lebih tepat untuk mendiagnosis masalah power integrity. Dokumentasi Espressif juga menekankan perbedaan konsumsi pada mode aktif, mode hemat daya, dan deep sleep [2]. 

6. Efisiensi Konverter Daya

Perangkat digital sering membutuhkan beberapa level tegangan, sehingga energi dari baterai harus melewati regulator atau konverter. Konverter tidak dapat menghasilkan daya keluaran melebihi daya masuk tanpa sumber energi lain. Sesuai kekekalan energi, daya masuk terbagi menjadi daya yang sampai ke beban dan daya rugi. Efisiensi menyatakan fraksi daya masuk yang berhasil diteruskan sebagai keluaran berguna: 

Daya yang hilang menjadi panas:

Jika efisiensi diketahui:

Gambar 15.6 Aliran daya pada konverter: P_in terbagi menjadi P_out dan P_loss, dengan rugi-rugi berubah terutama menjadi panas.

Contoh, jika output regulator adalah 1 W dan efisiensi 80%, maka:

1

�����  = 1 (0.8 − 1) = 0.25 W

Daya 0,25 W tersebut tidak lenyap. Energi yang tidak sampai ke beban berubah terutama menjadi panas pada sakelar, elemen resistif,  induktor, dan PCB. Karena itu, efisiensi konverter sekaligus memengaruhi lifetime baterai dan beban termal perangkat.

7. Manajemen Termal

Manajemen termal adalah kelanjutan langsung dari pembahasan efisiensi. Daya rugi menghasilkan panas di dalam junction semikonduktor; panas kemudian mengalir melalui package, PCB, heatsink atau enclosure, lalu dilepas ke udara sekitar. Selama ada beda temperatur, energi termal mengalir dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin.

�� = ��������

Dengan ��� adalah thermal resistance dari junction ke ambient dalam ∘C/W. Jika �����  = 0.5 W dan

���  = 60 ∘C/W, maka:

�� = 0.5 × 60 = 30 ∘C 

Jika suhu lingkungan 35 °C, suhu junction pada pendekatan keadaan tunak dapat mendekati 65 °C. Persamaan resistansi termal ini adalah model steady-state: ia memperkirakan selisih suhu setelah sistem mendekati keseimbangan termal. Pada pemanasan singkat, kapasitas termal chip, package, dan PCB juga menentukan seberapa cepat temperatur berubah.

Gambar 15.7 Jalur aliran panas dari junction menuju ambient dan makna resistansi termal θ_JA pada keadaan tunak.

8. Energi per Bit

Pada  sistem  komunikasi,  konsumsi  energi  dapat  dinormalisasi  terhadap  jumlah  informasi  yang berhasil dikirim. Metrik sederhana ini menjawab pertanyaan: berapa joule energi listrik perangkat yang diperlukan untuk menghasilkan satu bit data pada laju tertentu? Hubungan sederhananya adalah:

Dengan � adalah daya rata-rata dan ��  adalah bitrate. Jika perangkat mengonsumsi 100 mW  saat mengirim data 10 kbps, maka: 

  

J/bit = 

Gambar 15.8 Energi konsumsi perangkat per bit sebagai penghubung antara daya listrik dan laju data berguna.

Energi per bit pada bagian ini adalah metrik konsumsi perangkat, sehingga perlu dibedakan dari Eb/N0 pada Bab XIII yang membandingkan energi sinyal per bit dengan densitas noise. Nilai konsumsi per bit juga sebaiknya dihitung terhadap bit berguna, karena preamble, acknowledgement, retransmisi, dan overhead protokol tetap menghabiskan energi. Bitrate yang lebih tinggi dapat memperpendek waktu aktif, tetapi belum tentu lebih hemat jika membutuhkan daya pancar, SNR, atau proses sinkronisasi yang lebih besar.

9. Energy Harvesting

Energy harvesting memanfaatkan energi yang sudah tersedia di lingkungan, misalnya cahaya, getaran, beda temperatur,  atau  gelombang  RF,  lalu  mengubahnya menjadi energi listrik. Harvester bukan sumber energi tanpa batas; daya yang tersedia biasanya kecil, berubah terhadap waktu, dan harus melewati konverter serta storage sebelum dipakai node.

Gambar 15.9 Rantai energy harvesting: sumber lingkungan, converter, penyimpanan energi, dan node IoT. 

Keseimbangan energi jangka panjang dapat ditulis:

𝐸ℎ𝑎𝑟𝑣𝑒𝑠𝑡𝑒𝑑 ≥ 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑒𝑑 

Persamaan keseimbangan energi harus dibaca dalam interval waktu yang cukup panjang. Sesaat, daya panen boleh lebih kecil daripada daya beban karena baterai atau supercapacitor menyediakan selisihnya. Namun untuk operasi berkelanjutan, energi yang dipanen ditambah energi awal harus sekurang-kurangnya menutupi konsumsi dan rugi-rugi. Jika tidak, storage tetap akan habis.

10. Studi Kasus: Estimasi Lifetime Node Sensor LoRa

Sebuah node sensor memiliki baterai 3,7 V 2000 mAh. Studi kasus ini menggunakan pendekatan arus rata-rata karena tegangan catu dianggap hampir konstan selama satu siklus. Tujuan utamanya adalah memperlihatkan bahwa energi total ditentukan oleh kombinasi arus dan lama setiap mode, bukan oleh arus TX saja. Dalam satu siklus 10 menit, node melakukan:

1.         sleep 590 detik pada 0,1 mA;

2.         membaca sensor 5 detik pada 20 mA;

3.         transmit LoRa 3 detik pada 120 mA;

4.         receive window 2 detik pada 40 mA. 

Arus rata-rata:

 (0.1)(590) + (20)(5) + (120)(3) + (40)(2)

600

59 + 100 + 360 + 80 

Lifetime ideal:

 

2000

 

600                  = 0.998 mA 

����� = 0.998 ≈ 2004 jam ≈ 83.5 hari

Jika efisiensi regulator dan degradasi baterai memberi faktor efektif 70%, maka lifetime realistis:

���������� = 0.7(83.5) ≈ 58.5 hari

Studi kasus ini memperlihatkan bahwa lifetime node tidak dapat diprediksi hanya dari angka kapasitas baterai.  Pola  operasi,  arus  TX/RX,  waktu  sleep,  interval  pengiriman,  efisiensi  regulator,  cutoff voltage, aging baterai, dan temperatur semuanya ikut menentukan energi yang benar-benar tersedia. Karena itu, hasil lifetime ideal adalah estimasi awal yang harus divalidasi dengan pengukuran profil arus dan tegangan pada perangkat nyata.

11. Materi Pengayaan

Materi berikut dapat menjadi bacaan mandiri:

1. battery management system;
2. charging Li-ion dan proteksi overcharge/overdischarge;
3. coulomb counting;
4. state of charge dan state of health;
5. regulator linear vs switching;
6. thermal design PCB;
7. power integrity;
8. energy harvesting WSN;
9. ultra-low-power firmware;
10. trade-off latency dan konsumsi energi.

12. Ringkasan

Bab XV menempatkan energi, daya, baterai, efisiensi, dan temperatur dalam satu rantai fisika. Energi kimia baterai dikonversi menjadi energi listrik; daya menyatakan laju alir energi pada setiap saat; duty cycle menentukan berapa  lama setiap  mode mengonsumsi daya; regulator  membagi daya  masuk menjadi  keluaran  berguna  dan  rugi-rugi;  rugi-rugi  berubah  terutama  menjadi  panas  yang  harus dialirkan ke lingkungan. Ah menyatakan kapasitas muatan, sedangkan Wh lebih tepat untuk menyatakan energi. Profil arus radio menunjukkan bahwa puncak singkat dapat mengganggu power integrity walaupun arus rata-rata kecil. Energi per bit menghubungkan konsumsi listrik dengan informasi yang dikirim, sedangkan energy harvesting menambah sumber energi tetapi tetap tunduk pada neraca energi. Dengan benang merah ini, Bab XV menjadi fondasi fisika untuk lifetime, keandalan, power  integrity, dan desain termal perangkat IoT, WSN, radio, gateway, serta sistem telekomunikasi praktis.

13. Soal Latihan

1. Baterai 3,7 V 3000 mAh. Hitung energi nominal dalam Wh dan J.
2. Node aktif 1 s pada 100 mA dan sleep 99 s pada 0,05 mA. Hitung arus rata-rata.
3. Dengan baterai ideal 2000 mAh dan Iavg soal sebelumnya, estimasikan lifetime.
4. Regulator menghasilkan 0,66 W dengan efisiensi 85%. Hitung Pin dan Ploss.
5. Perangkat membuang 0,5 W dengan θJA=40 °C/W. Estimasikan kenaikan suhu junction.
6. Radio mengonsumsi daya 50 mW saat mengirim 5 kbps. Hitung energi per bit.
7. Konverter menerima 1,5 W dan memberikan 1,2 W. Hitung efisiensi.
8. Node 3,3 V aktif 80 mA selama 2 s dan sleep 0,1 mA selama 58 s. Hitung energi satu siklus 60 s.
9. Mengapa pengukuran arus rata-rata dengan multimeter dapat melewatkan masalah supply pada radio?
10. Bedakan kapasitas baterai Ah dan energi Wh.
11. Mengapa sleep mode sangat efektif memperpanjang lifetime node IoT?
12. Sebutkan dua dampak temperatur tinggi terhadap perangkat telekomunikasi.
13. Mengapa voltage drop pada jalur supply penting saat TX?
14. Jelaskan fungsi energy harvesting pada node IoT.
15. Jelaskan trade-off energi dan latency pada duty-cycled network.

14. Pembahasan Soal

1. Pembahasan Soal 1

Diketahui:

Ditanya: E. 

Rumus/Ketentuan:

Jawab: Hasil akhir:

Energi nominal sekitar 11,1 Wh atau 39,96 kJ.

2. Pembahasan Soal 2

Diketahui: 

Ditanya: Iavg.

 

�1  = 100mA, �1  = 1�; �2  = 0,05mA, �2  = 99�; � = 100� 

Rumus/Ketentuan:

Jawab:

 Hasil akhir:

(100 × 1 + 0,05 × 99)

100                   = 1,0495mA 

Arus rata-rata sekitar 1,05 mA.

3. Pembahasan Soal 3

Diketahui:

Ditanya: t. 

Rumus/Ketentuan:

Jawab:

Hasil akhir:

Lifetime ideal sekitar 79 hari.

4. Pembahasan Soal 4

Diketahui:

 

� ≈ 2000

1,0495

 

= 1905,7ℎ ≈ 79,4ℎ��� 

Ditanya:

Pin dan Ploss. Rumus/Ketentuan:

Jawab:

Hasil akhir:

 

0,66

��� = 0,85 ≈ 0,776 �; ����� ≈ 0,116� 

Input sekitar 0,776 W dan loss sekitar 0,116 W.

5. Pembahasan Soal 5

Diketahui: 

Ditanya:

ΔT.

 

� = 0,5�; ���  = 40∘�/� 

Rumus/Ketentuan: Jawab:

Hasil akhir:

 20∘� 

Kenaikan suhu pendekatan sekitar 20 °C.

6. Pembahasan Soal 6

Diketahui: 

Ditanya: Eb. 

Rumus/Ketentuan:

Jawab:

Hasil akhir:

Energi per bit adalah 10 μJ/bit.

7. Pembahasan Soal 7

Diketahui:

 

 0 , 0 50                   −5

��  = 5000 = 1 × 10

 

�/��� 

Ditanya: η. Rumus/Ketentuan:

Jawab:

1,2

� =                         = 80% 

Hasil akhir:

Efisiensi konverter adalah 80%.

8. Pembahasan Soal 8

Diketahui:

 

1,5 × 100% 

Ditanya: Ecycle.

 

� = 3,3�; ������ = 0,08�, ������ = 2�; ������ = 0,0001�, ������ = 58� 

Rumus/Ketentuan:

 

� = ���(����) 

Jawab:

Hasil akhir:

� = 3,3[(0,08 × 2) + (0,0001 × 58)] ≈ 0,547� 

Energi per siklus sekitar 0,547 J.

9. Pembahasan Soal 9

Diketahui:

Radio memiliki pulse current tinggi saat TX/RX. Ditanya:

Keterbatasan pengukuran rata-rata. Rumus/Ketentuan:

������� ����� ���������ℎ� ���� ������ ��� ��������� ������.

Jawab:

Multimeter  dapat  menampilkan  rata-rata  rendah  sementara  puncak  sesaat  menyebabkan  drop tegangan/reset.

Hasil akhir:

Profil arus waktu dan impedansi supply perlu diukur, bukan rata-rata saja.

10. Pembahasan Soal 10

Diketahui:

Ah adalah muatan; Wh memasukkan tegangan. Ditanya:

Perbedaan.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

 

�ℎ ≈ ���� × �ℎ. 

Dua baterai dengan Ah sama tetapi tegangan berbeda memiliki energi berbeda. Hasil akhir:

Wh lebih tepat untuk membandingkan energi antar-baterai dengan tegangan berbeda.

11. Pembahasan Soal 11

Diketahui:

Node lebih lama berada pada arus rendah daripada mode aktif. Ditanya:

Dampak duty cycle.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

 

����  =

 

𝛴����

� 

Mengurangi fraksi waktu pada arus besar menurunkan Iavg secara drastis. Hasil akhir: 

Sleep mode menurunkan arus rata-rata dan memperpanjang lifetime.

12. Pembahasan Soal 12

Diketahui:

Temperatur memengaruhi semikonduktor dan baterai. Ditanya:

Dua dampak.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

 

����������� ��� ��������� ������� ���������� �. 

Temperatur tinggi dapat mempercepat aging, mengubah sensor/oscillator, menurunkan performa baterai, atau memicu thermal shutdown.

Hasil akhir:

Manajemen termal menjaga performa dan reliability.

13. Pembahasan Soal 13

Diketahui:

Arus TX dapat meningkat tajam dan jalur memiliki resistansi/impedansi. Ditanya:

Dampak supply.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

 

�� ≈ � · � ����� �������� ��������. 

Puncak arus menghasilkan drop lebih besar sehingga tegangan IC dapat turun di bawah batas operasi.

Hasil akhir:

Power integrity harus memperhitungkan puncak arus dan impedansi jalur.

14. Pembahasan Soal 14

Diketahui:

Sumber lingkungan seperti solar/vibrasi tersedia tetapi tidak konstan. Ditanya:

Peran harvester. Rumus/Ketentuan:

������ �������  →  ������������  →  ��������  →  ��������� ����.

Jawab:

Harvester memperpanjang lifetime atau memungkinkan operasi otonom jika budget energi rata-rata seimbang.

Hasil akhir:

Energy harvesting melengkapi baterai tetapi tetap memerlukan manajemen energi.

15. Pembahasan Soal 15

Diketahui: 

Sleep panjang menghemat energi tetapi node tidak selalu siap merespons. Ditanya:

Trade-off. Rumus/Ketentuan:

���� ����� �����ℎ  →  ���� �����ℎ, ������ ����� ������ ����� ���������.

Jawab:

Jadwal  wake-up  yang  jarang  mengurangi  konsumsi  namun  dapat  menambah  latency  dan menurunkan responsivitas.

Hasil akhir:

Desain duty cycle harus menyeimbangkan lifetime dan kebutuhan latency.

15. Daftar Referensi

[1]   Bureau  International  des  Poids  et  Mesures  (BIPM),  The  International  System  of  Units  (SI Brochure), 9th ed. https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure

[2]   Espressif    Systems,    “Current    Consumption    Measurement    of    Modules    -    ESP32.” https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/stable/esp32/api-guides/current-consumption- measurement-modules.html

[3]   Espressif                      Systems,                      ESP32                      Series                      Datasheet. https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_datasheet_en.pdf

[4]   Texas  Instruments,  “Battery  Management  ICs.”  https://www.ti.com/product-category/battery- management-ics/overview.html

[5]   Texas Instruments, “Charging considerations for small battery applications in wearable and IoT.” https://www.ti.com/video/5616213627001

[6]   A. S. Sedra and K. C. Smith, Microelectronic Circuits, 7th ed. Oxford University Press, 2015.