Laporan Praktikum Pengukuran Tegangan AC dan
DC Via Arduino (Wattmeter)
Ahmad Fauzi#1 , Ahmad Khafid S *2 , Prisma Megantoro #3
#Metrologi dan Instrumentasi, Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada, Jln. Sekip Unit 1 Catur Tunggal Yogyakarta 55281 INDONESIA
1 [email protected], 2 [email protected]
ABSTRAK
Tegangan listrik adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik, dan dinyatakan dalam satuan volt. Besaran ini mengukur energi potensial dari sebuah medan listrik yang mengakibatkan adanya aliran listrik dalam sebuah konduktor listrik. Tergantung pada perbedaan potensial listriknya, suatu tegangan listrik dapat dikatakan sebagai ekstra rendah, rendah, tinggi atau ekstra tinggi. Secara definisi tegangan listrik menyebabkan obyek bermuatan listrik negatif tertarik dari tempat bertegangan rendah menuju tempat bertegangan lebih tinggi. Sehingga arah arus listrik konvensional di dalam suatu konduktor mengalir dari tegangan tinggi menuju tegangan rendah. Tegangan dibagi menjadi 2 yaitu tegangan AC dan tegangan DC. Tujuan dalam praktikum kali ini adalah mahasiswa dapat memahami tegangan AC dan tegangan DC dengan menggunakan mikrokontroler Arduino. Implementasi penggunaan mikrokontroler arduino uno ini dirancang untuk pembanding sistem pengukuran arus, tegangan, daya maupun energi listrik secara manual dan konvensional yang diwakili menggunakan clamp meter. Hasil dan kesimpulan dari praktikum ini adalah tegangan AC maupun DC dari listrik PLN (AC) atau sumber tegangan lain seperti aki dan baterai (DC) saat diukur mengalami fluktuasi karena tegangan sumber selalu mengalami perubahan kecil yang tidak teratur dan cepat sehingga menghasilkan data pengukuran besaran listrik yang tidak konsisten.
Keywords— Rangkaian Pembagi Tegangan, Theorema Thevenin dan Rangkaian Penyearah dan Regulator.
A. Pendahuluan
Tegangan listrik atau yang lebih dikenal sebagai beda potensial listrik adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik. Tegangan listrik merupakan ukuran beda potensial yang mampu membangkitkan medan listrik sehingga menyebabkan timbulnya arus listrik dalam sebuak konduktor listrik. Berdasarkan ukuran perbedaan potensialnya, tegangan listrik memiliki empat tingkatan:
Tegangan ekstra rendah (extra low Voltage)
Tegangan rendah (low Voltage) Tegangan tinggi (high Voltage) Tegangan ekstra tinggi (extra
high Voltage)
Rumus untuk mencari tegangan adalah :
V = I . R
dimana V = tegangan; R = hambatan; dan I =arus.
Tegangan listrik memiliki satuan Volt. Simbol untuk tegangan listrik adalah V. namun dalam referensi-referensi akademis lebih sering digunakan simbol E untuk menyebutkan tegangan listrik. Hal ini dilakukan agar tidak tertukar dengan simbol satuan tegangan (Volt) yang juga disimbolkan dengan V.
B. Literature
Besar arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian ditentukan oleh besar tegangan (sumber) dan tahanan pada rangkaian tersebut. Menurut G. S. Ohm besar arus yang mengalir dalam suatu rangkaian berbanding lurus dengan tegangan dan berbanding terbalik dengan tahanannya. Praktikum Pengukuran Tegangan AC dan DC Via Arduino (Wattmeter) dapat dilakuakan dengan berbagai macam cara dan metode. Salah satu contohnya adalah pengukuran tegangan listrik AC dan DC menggunakan mikrokontroler Arduino. Metode ini dapat mengatasi keterbatasan dalam pencatatan tegangan listrik secara manual. Disisi lain, pemanfaatannya saat ini semakin populer dengan lahirnya aplikasi-aplikasi otomatis. Mikrokontroler Arduino Uno dapat digunakan untuk memonitor penggunaan energi listrik secara realtime yang terintegrasi dengan sistem informasi untuk memudahkan pihak penyedia energi listrik dan pelanggan dalam mengetahui pemakaian arus tegangan maupun daya sehingga dapat memonitor langsung penggunaan energi listrik.
C. Dasar Teori
Rangkaian pembagi tegangan biasanya digunakan untuk membuat suatu tegangan referensi dari sumber tegangan yang lebih besar, titik tegangan referensi pada sensor, untuk memberikan bias pada rangkaian penguat atau untuk memberi bias pada komponen aktif. Rangkaian pembagi tegangan pada dasarnya dapat dibuat dengan 2 buah resistor, contoh rangkaian dasar pembagi tegangan dengan output VO dari tegangan sumber VI menggunakan resistor pembagi tegangan R1 dan R2 seperti pada gambar berikut.
Gambar. Rangkaian Dasar Pembagi Tegangan
Dari rangkaian pembagi tegangan diatas dapat dirumuskan tegangan output VO. Arus (I) mengalir pada R1 dan R2 sehingga nilai tegangan sumber VI adalah penjumlahan VS dan VO sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut.
Nampak bahwa tegangan masukan terbagi menjadi dua bagian ( o S v , v ), masing-masing sebading dengan harga resistor yang dikenai tegangan tersebut. Sehingga besarnya VO dapat dirumuskan sebagai berikut.
Rangkaian Pembagi Tegangan Terbebani
Gambar. Rangkaian Pembagi Tegangan Terbebani
Gambar rangkaian pembagi tegangan diatas memperlihatkan suatu pembagi tegangan dengan beban terpasang pada terminal keluarannya, mengambil arus io dan penurunan tegangan sebesar vo. Kita akan mencoba menemukan hubungan antara io dan vo . Jika arus yang mengalir melalui R1 sebesar i seperti ditunjukkan dalam gambar, maka arus
yang mengalir lewat R2 adalah sebesar i– io.
Dimana Vo/c adalah besarnya tegangan vo tanpa adanya beban, yaitu saat io=0, dan harga ini disebut sebagai tegangan keluaran saat rangkaian terbuka (open-circuit output voltage) sebesar.
dengan
RP disebut sebagai “resistansi sumber”, dimana harganya sama dengan resistansi R1 dan R2 yang dihubungkan secara paralel. Harga vo/c atau RP tergantung pada sifat dari beban, sehingga efek vo akibat besarnya beban dapat dengan mudah dihitung dengan menggunakan penyederhanaan rangkaian seperti terlihat
pada gambar berikut.
Gambar. Penyederhanaan Rangkaian
Dengan rangkaian yang disederhanakan seperti diatas, maka dapat dengan mudah ditentukan tengangan output vo. Dengan beban adala RL maka besarnya tegangan output vo adalah.
Rangkaian pembagi tegangan (voltage divider) merupakan dasar untuk memahami rangkaian DC atau rangkaian elektronika yang lebih komplek.
Theorema thevenin adalah salah satu teori elektronika yang mempelajari tentang nilai tegangan pada rangkaian listrik yang terbebani. Kembali pada pembahasan pembagi tegangan yang terbebani, hasil yang diperoleh dari penyederhanaan rangkaian merupakan salah satu kasus dari teorema Thevenin. Secara singkat teorema Thevenin dapat dikatakan sebagai berikut. “Jika suatu kumpulan rangkaian sumber tegangan dan resistor dihubungkan dengan dua terminal keluaran, maka rangkaian tersebut dapat digantikan dengan sebuah rangkaian seri dari sebuah sumber tegangan rangkaian terbuka v0/c dan sebuah resistor RP“ Gambar rangkaian dibawah menunjukkan suatu jaringan rangkaian yang akan dihubungkan dengan sebuah beban RL. Kombinasi seri v0/c dan RP pada gambar
d dibawah merupakan rangkaian ekivalen/setara Thevenin.
Gambar. Rangkaian Terbentuknya Rangkaian Setara Thevenin
Ada beberapa kondisi ekstrem dari rangkaian pada gambar rangkaian setara thevenin diatas, seperti misalnya saat RL = ∞ dan RL = 0. Harga RL = ∞ berada pada kondisi rangkaian terbuka, seolah-olah RL dilepas dari terminal keluaran, dengan demikian diperoleh tegangan rangkaian terbuka sebesar v0/c (lihat gambar b diatas). Saat RL = 0 (gambar c diatas) berarti rangkaian berada pada kondisi hubung singkat (kedua ujung terminal terhubung langsung) dengan arus hubung singkat Is/c sebesar :
Pada beberapa rangkaian, perhitungan v0/c ataupun Is/c kemungkinan sangat sulit untuk dilakukan. Langkah yang paling
mudah adalah dengan menghitung harga RP (harga resistansi yang dilihat dari kedua ujung terminal keluaran). Dalam hal ini RP dihitung dengan melihat seolah-olah tidak ada sumber tegangan.
Penyearah adalah rangkaian elektronika yang berfungsi menyearahkan gelombang arus listrik. Arus listrik yang semula berupa arus bolak-balik (AC) jika dilewatkan rangkaian Penyearah akan berubah menjadi arus searah (DC). Jenis-jenis penyearah :
a. Penyearah Setengah Gelombang
Merupakan rangkaian penyearah yang dibangun menggunakan satu dioda saja.
Gambar.Penyearah setengah gelombang
Prinsip kerja dari rangkaian penyearah setengah gelombang ini adalah pada saat setengah gelombang pertama (puncak)
melewati dioda yang bernilai positif menyebabkan dioda dalam keadaan ‘forward bias’ sehingga arus dari setengah gelombang pertama ini bisa melewati dioda. Pada setengah gelombang kedua (lembah) yang bernilai negatif menyebabkan dioda dalam keadaan ‘reverse bias’ sehingga arus dan setengah gelombang kedua yang bernilai negatif ini tidak bisa melewati dioda. Keadaan ini terus berlanjut dan berulang.
Rangkaian penyearah setengah gelombang ini memiliki kelemahan pada kualitas arus DC yang dihasilkan. Arus DC rata-rata yang dihasilkan dari rangkaian ini hanya 0,318 dari arus maksimum-nya, jika dituliskan dalam persamaan matematika adalah sebagai berikut;
IAV = 0,318 • IMAX
Oleh sebab itu rangkaian penyearah setengah gelombang lebih sering digunakan sebagai rangkaian yang berfungsi untuk menurunkan daya pada suatu rangkaian elektronika sederhana dan digunakan juga sebagai demodulator pada radio penerima AM.
b. Penyearah gelombang penuh
Merupakan rangkaian penyearah yang dibangun menggunakan dua diode.
Gambar. Penyearah gelombang penuh
Cara kerja rangkaian penyearah gelombang penuh dengan 2 dioda ini dapat bekerja karena menggunakan transformator dengan CT. Transformator dengan CT seperti pada gambar diatas dapat memberikan output tegangan AC pada kedua terminal output sekunder terhadap terminal CT dengan level tegangan yang berbeda fasa 180°. Pada saat terminal output transformator pada D1 memberikan sinyal puncak positif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak negatif, pada kondisi ini D1 pada posisi forward dan D2 pada posisi reverse. Sehingga sisi puncak positif dilewatkan melalui D1. Kemnudian pada saat terminal output transformator pada D1 memberikan sinyal puncak negatif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak positif, pada kondisi ini D1 posisi reverse dan D2 pada posisi forward.
Sehingga sinyal puncak positif dilewatkan melalui D2.
c. Penyearah gelombang penuh dengan 4 dioda (jembatan)
Merupakan rangkaian penyearah yang dibangun menggunakan 4 dioda menggunakan transformator non-CT.
Gambar. Penyearah gelombang penuh dengan 4 dioda (jembatan)
Prinsip kerja saat output transformator memberikan level tegangan sisi positif, maka D1, D4 pada posisi forward bias dan D2, D3 pada posisi reverse bias sehingga level tegangan sisi puncak positif tersebut akan di leawatkan melalui D1 ke D4. Kemudian pada saat output transformator memberikan level tegangan sisi puncak negatif maka D2, D4 pada posisi forward bias dan D1, D2 pada posisi reverse bias sehingan level tegangan sisi negatif tersebut dialirkan melalui D2, D4.
Regulator tegangan adalah bagian power supply yang berfungsi untuk memberikan stabilitas output pada suatu power supply. Output tegangan DC dari penyearah tanpa regulator mempunyai kecenderungan berubah harganya saat dioperasikan. Adanya perubahan pada masukan AC dan variasi beban merupakan penyebab utama terjadinya ketidakstabilan pada power supply. Pada sebagian peralatan elektronika, terjadinya perubahan catu daya akan berakibat cukup serius. Untuk mendapatkan pencatu daya yang stabil diperlukan regulator tegangan. Regulator tegangan untuk suatu power supply paling sederhana adalah menggunakan dioda zener. Rangkaian dasar penggunaan dioda zener sebagai regulator tegangan dapat dilihat pada gambar rangkaian dibawah.
Gambar. Regulator Tegangan Pada Power Supply
Rangkaian pencatu daya (power supply) dengan regulator diode zener pada gambar rangkaian diatas, merupakan contoh sederhana cara pemasangan regulator tegangan dengan dioda zener.
Diode zener dipasang paralel atau shunt dengan L dan R . Regulator ini hanya memerlukan sebuah diode zener terhubung seri dengan resistor RS . Perhatikan bahwa diode zener dipasang dalam posisi reverse bias. Dengan cara pemasangan ini, diode zener hanya akan berkonduksi saat tegangan reverse bias mencapai tegangan breakdown dioda zener. Penyearah berupa rangkaian diode tipe jembatan (bridge) dengan proses penyaringan atau filter berupa filter-RC. Resistor seri pada rangkaian ini berfungsi ganda. Pertama, resistor ini menghubungkan C1 dan C2 sebagai rangkaian filter. Kedua, resistor ini berfungsi sebagai resistor seri untuk regulator tegangan (dioda zener). Diode zener yang dipasang dapat dengan sembarang dioda zener dengan tegangan breakdown misal dioda zener 9 volt. Tegangan output transformer harus lebih tinggi dari tegangan breakdown dioda zener, misalnya untuk penggunaan dioda zener 9 volt maka gunakan output transformer 12 volt. Tegangan breakdown dioda zener biasanya tertulis pada body
dari dioda tersebut.
D. Langkah Kerja
Untuk melakukan pengukuran tegangan AC dan DC Via Arduino (Wattmeter) adalah yang pertama dengan menyiapkan alat dan bahan.
Alat dan bahan :
1. Clampmeter
2. Resistor, Kapasitor, Dioda 3. DC Power Supply
4. Arduino Training Kit
5. Kabel-kabel jumper dan konektor 6. Komputer
Setelah alat dan bahan siap kemudian melakukan langkah kerja sebagai berikut :
a. Membuat firmware menggunakan IDE Arduino pada computer :
Menulis firmware yang disajikan pada lampiran
Klik tombol “VERIFY” pada software IDE, menunggu sampai proses selesai
Colokkan kabel data untuk mengkoneksikan Arduino dan computer
Melihat “device manager”, memastikan Arduino telah terbaca USB computer
Pada IDE, melihat pada menu “TOOL”>”SERIAL POR” memastikan bahwa COM Arduino yang diaksud sudah tercennntang
(Melakukan poin b) Klik tombol “UPLOAD” pada software IDE, menunggu sampai proses selesai
Memastikan firmware sudah sukses ter-upload ke chip Arduino
b. Merangkai alat dan bahan seperti gambar berikut :
Gambar. Skema Pengukuran Tegangan AC dan DC Via Arduino
(Wattmeter)
c. Melihat data yang telah diunggah ke computer via komunikasi serial, dengan klik menu
“TOOL”>>”SERIAL MONITOR” d. Mengamati setiap datanya,
mengukur rangkaian skematik dengan menggunakan clampmeter.
E. Hasil No Pengukuran ke Teg Serial (V) Teg Clamp (V) 1 1 220 219 2 2 219 220 3 3 218 217 4 4 217 219
Tabel. Data yang diperoleh dari pengukuran
Perbandingan nilai yang didapatkan oleh praktikan pada tegangan serial dan tegangan yang diukur menggunakan clampmeter semua data selisihnya tidak banyak dan semua data mengalami fluktuasi dari pengukuran pertama sampai pengukuran keempat. Kedua metode ini seharusnya mendapatkan nilai yang sama saat pengukuran/waktu yang sama, hal ini tidak bisa diperoleh disebakan oleh faktor-faktor diantaranya:
Faktor alat
Pembacaan pada display clammeter untuk menentukan nilai arus dan tegangan, nilainya mengalami naik turun sehingga menyebabkan sulitnya untuk penentuan nilai yang sebenarnya.
Faktor manusia/pengamat
Pada pembacaan pada clamp meter praktikan tidak bisa sepenuhnya tepat pada waktu yang ditentukan, bisa saja lebih atau kurang dari beberapa detik dari waktu yang ditentukan, hal ini dikarenakan praktikan yang mengukur dan mencatat juga berdeda-beda.
E. Kesimpulan dan Saran
1. Nilai yang didapatkan dari pengukuran pertama sampai keempat untuk
pengukuran tegangan yang diamati melalui tegangan serial adalah 220V, 219 V, 218V, 217V. Untuk pengukuran tegangan yang diamati melalui clampmeter dari pengukuran pertama sampai keempat didapatkan nilai tegangan 219V, 220V, 217V dan 219V.
2. Tegangan AC maupun DC dari listrik PLN (AC) atau sumber tegangan lain seperti aki dan baterai (DC) saat diukur mengalami fluktuasi karena tegangan sumber selalu mengalami perubahan kecil yang tidak teratur dan cepat sehingga menghasilkan data pengukuran besaran listrik yang tidak konsisten.
Saran untuk praktikum yang lain adalah alat dan bahan diperbanyak agar praktikan tidak saling menunggu untuk praktikum.
F. Referensi
1] Penyearah, http://kreativitas-elektronika.blogspot.co.id/2013/07/penyea rah.html
Diakses pada 7 Desember 2015
[2] Theorema Thevenin, http://elektronika-dasar.web.id/teorema-thevenin/
Diakses pada 15 Desember 2015
[3] Perbedaan listrik AC dan DC, http://budisma.net/2015/03/perbedaan-tegangan-ac-dan-dc.html
