AbstractHampir seluruh penelitian di bidang Teknik Elektro, khususnya di bidang Elektronika dan cabang-cabang ilmu arus lemah lainnya seperti Komputer, Kontrol, dan Telekomunikasi, harus melakukan pengukuran-pengukuran yang berhubungan dengan arus DC. Disamping mengukur tegangan dan arus DC, kadang kita juga perlu mengukur daya DC untuk mengetahui konsumsi daya dan daya yang disuplai oleh suatu rangkaian elektronik. Alat yang umum digunakan untuk mengukur konsumsi daya maupun daya yang disuplai adalah voltmeter, amperemeter, multimeter, dan wattmeter. Dari pengalaman pengukuran daya, jika kita tidak memiliki sebuah wattmeter untuk mengukur daya pada rangkaian, maka kita akan menggunakan alat ukur voltmeter dan amperemeter. Dengan membaca output yang diberikan oleh kedua alat ukur tersebut, kita kemudian dapat mengalikan nilai tegangan dan nilai arus sehingga mendapatkan nilai daya. Penelitian ini akan merancang sebuah wattmeter dc dengan menggunakan sebuah rangkaian pengali tegangan yang dapat menunjukkan hasil pengukuran dari daya dc. Metodologi penelitian yang digunakan terdiri dari beberapa prosedur, yaitu mempelajari konsep dasar dari komponen penguat operasional, melakukan analisis, kemudian merancang dan mensimulasi rangkaian dengan menggunakan software Electronics Workbench. Hasil penelitian menunjukkan bahwa secara logika dapat dirancang sebuah wattmeter dc untuk kepentingan penelitian maupun praktikum.
Kata Kunci—Wattmeter DC, Pengukuran Daya DC, Pengukuran DC, Rangkaian Pengali Tegangan, Rangkaian Listrik
I.PENDAHULUAN1
Peralatan wattmeter dc atau wattmeter arus searah adalah peralatan ukur yang cukup penting dalam pengukuran dan instrumentasi. Dengan adanya wattmeter, maka kita dapat mengukur daya yang diberikan atau daya yang diserap oleh suatu rangkaian elektronika maupun komponen-komponennya masing-masing.
Secara umum, biasanya kita melakukan pengukuran daya dengan menggunakan alat ukur voltmeter dan amperemeter, kemudian hasil pembacaan dikalikan untuk medapatkan hasil pengukuran daya.
Saat ini teknologi di bidang elektronika telah berkembang dengan pesat dan alat-alat ukur yang ada semakin modern dan mampu memenuhi kebutuhan dari para praktisi,
kalangan akademisi dan peneliti. Beberapa alat ukur wattmeter pun telah
diproduksi dengan ketelitian yang cukup tinggi, meski harganya sedikit di atas rata-rata. Memiliki wattmeter sebagai salah satu sarana penelitian dan praktikum di Bidang Teknik Elektro adalah suatu keharusan, namun dikarenakan peralatan wattmeter yang agak mahal harganya, jumlah yang dapat disediakan di laboratorium hanyalah terbatas. Karenanya tidak ada salahnya jika kita merancang alat ukur wattmeter dc yang dapat dibangun dari rangkaian pengali tengangan dan alat ukur voltmeter sehingga dapat mengoptimalkan pemakaian voltmeter, menunjang kegiatan penelitian/praktikum, dan menjadi solusi bagi ketersediaan sarana alat ukur di laboratorium.
Apakah memungkinkan jika dalam melakukan penelitian atau praktikum di laboratorium kita melakukan pengukuran daya dengan menggunakan voltmeter atau multimeter saja? Apakah kita dapat merancang sebuah wattmeter yang sederhana dengan sebuah rangkaian pengali tegangan? Masalah inilah yang akan coba diangkat dalam penelitian ini. A. Perumusan Masalah
Bagaimana merancang sebuah alat pengukur daya arus searah (Wattmeter DC) dengan menggunakan rangkaian pengali tegangan (Voltage Multiplier)?
B. Metodologi
Berdasarkan beberapa metodologi yang dipelajari, metodologi yang dirasakan tepat dan dipilih oleh penulis untuk digunakan dalam penelitian ini terdiri dari beberapa prosedur, yaitu mempelajari konsep dasar dari komponen penguat tegangan dan rangkaian pengali, melakukan analisis, kemudian merancang dan mensimulasi rangkaian dengan menggunakan software Electronics Workbench.
II.TINJAUAN PUSTAKA A. Daya Listrik
Daya listrik adalah suatu usaha untuk mengubah aliran listrik menjadi panas. Daya listrik dinyatakan dengan satuan Watt (W) dan notasinya dituliskan dengan huruf P. Adapun rumus daya listrik adalah:
P = V x I (1) Besar kecilnya daya listrik adalah sangat bergantung dari besarnya arus dan tegangan yang mengalir dalam rangkaian tersebut [2].
PERANCANGAN WATTMETER DC MENGGUNAKAN
RANGKAIAN PENGALI TEGANGAN
Lianly Rompis*, Idriono Tado
Program Studi Teknik Elektro; Fakultas Teknik
Universitas Katolik De La Salle Manado; Kombos – Kairagi I Manado
B. Pengali Tegangan
Pengali Tegangan atau pelipat tegangan dengan dioda berfungsi untuk mengalikan suatu tegangan input menjadi output DC yang lebih besar. Dengan menggunakan rangkaian pelipat tegangan (voltage multiplier) pada sekunder trafo yang relatif kecil dapat diperoleh tegangan searah keluaran sebesar dua, tiga, empat, atau beberapa kali lipat tegangan input. Rangkaian pelipat tegangan dapat dibuat dengan komponen dasar dioda dan kapasitor, dengan konfigurasi setengah gelombang dan gelombang penuh. Rangkaian ini banyak digunakan pada pembangkit tegangan tinggi namun dengan arus yang kecil seperti yang ditunjukkan oleh rangkaian pada gambar 1.
Gambar. 1 Rangkaian Pelipat Tegangan 2 kali Setengah Gelombang dengan Dioda (Elektronika Dasar, 2015) Pada saat tegangan sekunder trafo berpolaritas positif, maka dioda D1 menghantar dan dioda D2 tidak menghantar. Secara ideal, dioda yang menghantar dianggap hubung singkat. Oleh karena itu C1 diisi tegangan melalui D1 hingga mencapai Vm seperti polaritas yang ditunjukkan oleh rangkaian pada gambar 2.
Gambar. 2 Polaritas Menghantar dari Komponen Dioda (Elektronika Dasar, 2015)
Pada saat setengah siklus berikutnya yakni siklus negatif, maka dioda D1 tidak menghantar dan dioda D2 menghantar. Oleh karena itu kapasitor C2 diisi tegangan dari sekunder trafo sebesar Vm dan dari C1 sebesar Vm, sehingga total sebesar 2 Vm.
Apabila pada output diberi resistor beban (RL), maka tegangan pada ujung C2 turun selama siklus positif dan diisi kembali hingga 2 Vm selama siklus negatif. Bentuk gelombang output pada ujung C2 adalah seperti untuk output penyearah setengah gelombang dengan filter C. Tegangan puncak inverse (PIV) untuk setiap dioda adalah 2 Vm [5]. C. Operational Amplifier (OP-AMP)
Operational Amplifier atau lebih dikenal dengan Op-Amp adalah sebuah komponen aktif yang berfungsi sebagai penguat tegangan atau penguat arus. Komponen ini merupakan komponen elektronika analog yang dibuat dalam bentuk chip atau IC (Integrated Circuit). Simbol dan bentuk komponen op-amp adalah seperti pada gambar 3 dan gambar 4 berikut ini:
Gambar. 3 Simbol Komponen Op-Amp (Sumber: Webstudi, 2017)
Gambar. 4. Komponen Op-Amp dan Bagian-bagiannya (Sumber: Mainelektro, 2019)
Sebagai penguat operasional yang ideal, Op-Amp memiliki ka-rakteristik sebagai berikut [1],[3],[4]:
1. Impedansi Input (Zi) besar = ∞ 2. Impedansi Output (Z0) kecil= 0 3. Penguatan Tegangan (Av) tinggi = ∞ 4. Bandwidth respon frekuensi lebar = ∞
5.V0 = 0 apabila V1 = V2 dan tidak tergantung pada besarnya V1.
6. Karakteristik operasional amplifier (Op-Amp) tidak tergantung temperatur / suhu.
D. Sumber Arus Bebas dan Sumber Arus Tak Bebas
Sumber arus bebas adalah sumber arus dc yang nilai arusnya tidak bergantung atau tidak dipengaruhi oleh parameter tertentu., sedangkan sumber arus tak bebas adalah sumber arus dc yang nilai arusnya bergantung pada
parameter lain, yaitu tegangan, arus, atau resistansi. Simbol dari sumber-sumber arus ini dapat dilihat pada gambar 5 [6].
Gambar. 5 Sumber Arus Bebas dan Sumber Arus Tak Bebas
III.HASIL DAN PEMBAHASAN
Secara sederhana, komponen operational amplifier (op-amp) dapat digunakan dalam sebuah model rangkaian listrik seperti yang ditunjukkan oleh gambar 6 [2],[3],[4],[6].
Gambar. 6 Rangkaian Op-Amp dengan Sumber Tegangan 12V dan Arus 1A
Jika input inverting dan input non-inverting dari op-amp dihubungkan dengan tegangan dc 12 volt seperti pada gambar, dan ditambahkan sumber arus dc sebesar 1 ampere, maka tegangan keluaran (Vout) yang dihasilkan adalah sebesar 1 volt. Dengan tetap mempertahankan nilai tegangan 12 volt dan kemudian merubah sumber arusnya menjadi 5 ampere, maka tegangan keluaran akan berubah menjadi 5 volt, seperti yang ditunjukkan oleh gambar 7. Dari hasil pengamatan simulasi dimana nilai tegangan divariasikan, didapatkan kesimpulan bahwa nilai tegangan keluaran tidak akan berpengaruh dan hanya bergantung pada nilai dari arus dc yang diberikan dengan rumus sebagai berikut:
Vout = Isumber (2)
Gambar. 7 Rangkaian Op-Amp dengan Sumber Tegangan 12V dan Arus 5A
Melihat hubungan yang linear antara tegangan keluaran op-amp dan sumber arus dc, maka rangkaian op-amp di atas dapat diubah ke dalam bentuk rangkaian listrik yang memiliki hubungan secara seri dengan resistansi tertentu. Model dari rangkaian tersebut dapat dilihat pada gambar 8. Karena nilai dari tegangan keluaran bergantung pada nilai arus dc, dan memiliki konstanta pengali = 1, maka dapat digambarkan kembali dalam bentuk sumber tegangan dc yang seri dengan sumber arus dc, serta seri dengan resistansi sebesar 1 ohm.
Gambar. 8 Rangkaian Op-Amp yang digambarkan dalam bentuk Model Rangkaian Listrik yang Baku
Tegangan keluaran diperoleh melalui perkalian arus dan reistansi:
Vout = Isumber x R (3) Karena tegangan input tidak memberikan pengaruh terhadap nilai tegangan keluaran op-amp, maka tegangan sumber dapat ditiadakan sehingga menjadi seperti rangkaian pada gambar 9 berikut ini:
Gambar. 9 Rangkaian Op-Amp tanpa Sumber Tegangan pada Input Dengan bagian-bagian op-amp seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4, disertai karakteristik impedansi inputnya yang besar serta impedansi outputnya yang kecil, maka hubungan rangkaian op-amp pada gambar 9 dapat digambarkan kembali dalam bentuk rangkaian standar, yaitu sebuah arus dc yang diserikan dengan resistor yang memiliki nilai resistansi 1 ohm (impedansi output yang kecil).
Dari hasil simulasi yang ditunjukkan oleh gambar 10 terlihat bahwa hasilnya tetap sama seperti sebelumnya, dimana nilai tegangan keluaran sama dengan nilai arus.
Gambar. 10 Pemodelan Rangkaian Op-Amp dalam bentuk Arus dan Resistansi
Sekarang bagaimana bila tegangan dc tersebut mewakili tegangan terukur dari suatu rangkaian, dan kemudian arus dc mewakili arus yang terukur dari suatu rangkaian? Karena nikai tegangan keluaran op-amp sama dengan nilai arus dc, maka nilai arus yang terbaca dalam bentuk tegangan dapat dikalikan untuk memperoleh nilai daya. Apakah mungkin? Berdasarkan hasil analisis yang dilakukan di atas, maka pengamatan lanjutan pun dilakukan untuk membuktikan kemungkinan tersebut. Untuk dapat mengalikan tegangan dc dan arus dc, rangkaian op-amp akan membutuhkan sumber arus tak bebas dan rangkaian pengali tegangan. Diagram blok dari rangkaian ditampilkan pada gambar 11.
Rangkaian pengali tegangan memiliki 2 (dua) input dan sebuah output. Input yang pertama akan terhubung secara paralel ke tegangan dc dari komponen/rangkaian yang akan diukur, sedangkan input yang kedua akan terhubung secara paralel ke keluaran op-amp yang merupakan tegangan keluaran dc yang mewakili nilai arus dc dari komponen/rangkaian yang akan diukur. Keluaran dari rangkaian pengali tegangan dapat dihubungkan ke sebuah voltmeter atau multimeter, atau ke sebuah tampilan LCD untuk tegangan dc.
Gambar. 11 Diagram Blok Rangkaian Wattmeter DC Sebuah sumber arus tak bebas perlu digunakan pada rangkaian wattmeter dc ini untuk menjadikan input ke komponen op-amp. Bentuk rangkaiannya seperti pada gambar 12.
Gambar. 12 Rangkaian Simulasi untuk Pengukuran Daya Selanjutnya gambar 13 menampilkan hasil simulasi rangkaian, dimana kita akan mengukur daya dari tegangan dc 12 volt yang diserikan dengan resistor 1 ohm. Secara perhitungan, diperoleh daya 144 watt karena arus rangkaian adalah 12 ampere. Hal ini terlihat pada gambar.
Gambar. 13 Hasil Simulasi Pengukuran Daya (1)
Gambar 14 menampilkan hasil simulasi rangkaian, dimana kita mengukur daya dari tegangan dc 12 volt yang diserikan dengan resistor 10 ohm. Secara perhitungan, diperoleh daya 14,4 watt karena arus rangkaian adalah 1,2 ampere.
Gambar. 14 Hasil Simulasi Pengukuran Daya (2) OP-AMP Rangkaian yang akan diukur Dayanya Sumber Arus Tak Bebas Rangkaian Pengali Tegangan arus tegangan Tampilan tegangan
Gambar. 15 Hasil Simulasi Pengukuran Daya (3)
Gambar 15 menampilkan hasil simulasi rangkaian yang lebih kompleks, dimana terdapat sebuah rangkaian dengan tegangan dc 12 volt yang diserikan dengan dua buah resistor 1 ohm yang diparalelkan. Yang akan diukur adalah arus pada salah satu cabang resistor 1 ohm. Berdasarkan perhitungan matematis, arus pada cabang tersebut adalah sebesar 12 ampere karena arus total adalah 24 ampere yang diperoleh melalui pembagian tegangan 12 volt dengan resistansi total 0,5 ohm. Sehingga daya rangkaian yang terukur adalah 144 watt.
Dengan tetap mempertahankan rangkaian dan arus pengukuran yang sama, kedua nilai resistor diubah menjadi 4 ohm. Berdasarkan perhitungan matematis, arus pada cabang tersebut adalah sebesar 3 ampere karena arus total adalah 6 ampere yang diperoleh melalui pembagian tegangan 12 volt dengan resistansi total 2 ohm. Sehingga daya rangkaian yang terukur adalah 36 watt seperti yang ditunjukkan oleh gambar 16.
Kemudian kedua nilai resistor diubah kembali menjadi 6 ohm. Berdasarkan perhitungan matematis, arus pada cabang tersebut adalah sebesar 2 ampere karena arus total adalah 4 ampere yang diperoleh melalui pembagian tegangan 12 volt dengan resistansi total 3 ohm. Sehingga daya rangkaian yang terukur adalah 24 watt seperti yang ditunjukkan oleh gambar 17.
Gambar. 16 Hasil Simulasi Pengukuran Daya (4)
Gambar. 17 Hasil Simulasi Pengukuran Daya (5) Hasil perancangan dan simulasi ini memberikan kemungkinan dan harapan yang besar bahwa alat ukur wattmeter dc dapat dibangun dari rangkaian pengali tegangan, komponen op-amp dan voltmeter. Penelitian dasar ini dapat dikembangkan untuk menghasilkan suatu produk akhir dalam bentuk alat ukur.
IV. KESIMPULAN
Dengan menggunakan sebuah komponen penguat operasional, sumber arus tak bebas dan rangkaian pengali tegangan, maka sebuah wattmeter dapat dirancang dan dihasilkan untuk mengukur daya pada rangkaian dc. Alat ukur wattmeter dc ini memiliki keunikan dan keunggulan dimana dapat menampilkan hasil output pengukuran daya rangkaian melalui tampilan alat ukur voltmeter. Kegiatan praktikum menjadi lebih mudah dilakukan dan pemanfaatan alat ukur voltmeter dapat dioptimalkan.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih atas dukungan finansial dari Unika De La Salle Manado, dan juga bantuan dari mahasiswa saya, Idriono Tado, sehingga penelitian ini dapat terselesaikan demgan baik dan tujuan penelitian dapat dicapai.
DAFTAR PUSTAKA
[1] P.M. Chirlian, Analysis and Design of Integrated Electronic Circuits, Second Edition, Phillipines: National Book Store, 1987.
[2] D. Rusmadi, Mengenal Teknik Elektronika. Bandung: Pionir Jaya, 2007.
[3] D.E. Scott, An Introduction to Circuit Analysis. USA: Mc Graw Hill, 1987.
[4] W.H. Hayt, Jr. and J. Kemmerly, Engineering Circuit Analysis, USA: Mc. Graw Hill, 2006.
[5] Elektronika Dasar, Teori Dasar Elektronika: Pelipat Tegangan (Voltage Multiplier Setengah Gelombang), 2015. [Online]. Tersedia: http://elektronika-dasar.web.id/ teori-elektronika/pelipat-tegangan-voltage-multiplier. [Diakses: 10 Maret 2015].
[6] Electronics Workbench version 5.12., Licensed to BlastSoft. Interactive Image Technologies Ltd, 1996.
