Pengukuran Arus dan Tegangan pada Sistem Penganalisis Komponen Frekuensi Harmonisa Arus Beban Peralatan Listrik

(1)

Pengukuran Arus dan Tegangan pada Sistem

Penganalisis Komponen Frekuensi Harmonisa

Arus Beban Peralatan Listrik

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada

Program Studi Teknik Elektro

disusun oleh:

Frederik Erik NIM : 045114071

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2009

(2)

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the SARJANA TEKNIK Degree

in Electrical Engineering

by: Frederik Erik

Student Number : 045114071

ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2009

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTTO

”

Segala perkara dapat

ku

tan ggun g di dalam

Dia

yan g m em beri kekuatan kepada

ku

”

(Filipi 4:13)

Kupersembahkan karya tulisku ini kepada:

Tuhan Yesus Kristus, atas kasih karunianya.

Bapak

Ignatius Lias.B

dan Ibunda

Norbetha

S.pd

serta adikku Nikolas Beatus,

Jelita Katrin

terima kasih untuk doa dan pengorbanan kalian,

aku mencintai kalian seumur hidupku.

Seseorang yang jauh disana (

we’.Be2R

) trim’s

semangatnya.

Dango kamuda diri’ (

dKd

)...kuliah nang banar

boh cu’...!

(8)

harmonisa yang menyebabkan banyak implikasi pada jala-jala listrik Untuk memperoleh bentuk gelombang arus beban peralatan listrik, sistem menggunakan sensor arus berupa resistor yang akan diambil besaran tegangan pada saat resistor dialiri arus listrik, sedangkan sensor tegangan menggunakan resistor sebagai pembagi tegangan dan dilakukan penguatan tegangan. Sinyal tegangan keluaran penguat dari sensor arus dan tegangan

.Tegangan masukan AC dari keluaran rangkaian sensor arus dan tegangan terlebih dahulu melewati rangkaian penguat inverting yang dapat diatur penguatannya dengan relay sebagai pemilihan saklar agar sesuai dengan jangkauan ADC dan penguat operasional. Keluaran dari penguat inverting akan melewati penyearah presisi sehingga keluaran dari penyearah presisi selalu mempunyai nilai positif. Keluaran penyearah presisi diumpankan menuju ADC yang digunakan agar nilai tegangan masukan ADC bisa diproses oleh mikrokontroler karena sebelumnya merupakan sinyal analog yang perlu diubah terlebih dahulu menjadi sinyal digital.

Dari pengujian dan analisis, Alat dapat mengukur nilai Vrms dengan baik pada jangkauan 195~240 Vrms karena tingkat kesalahan kurang dari 2%. Sensor arus dapat berkerja dengan baik pada saat skala pemilihan gain yang besar (5 Ampere), sedangkan skala kecil (0,5A dan 0,05 A) akan terjadi tegangan offset. Tegangan Offset tidak berpengaruh di pengukuran besar tapi pengukuran yang kecil saja. Untuk pengukuran arus terbaik, disarankan agar alat ini digunakan pada jangkauan masukan maksimal 5Vp (peak arus).

Kata kunci:. Harmonisa, ADC, gain, listrik non linear.

(9)

ABSTRACT

The use of non linear load in electric equipment causing the current wave was not in the same form with the voltage wave. The current’s wave form that was not sinusoidal generations the components of harmonic.That cause multiplications in electric power line. In order to produc the current’s electricity wave form, the system used resistor as the current censor, where the voltage will be produced when the resistor receives electric current.

AC voltage input, which was the output of current and voltage censors, firstly passed the inverting amplifier circuit where the gain could be regulated with relay as the switch witch is optional in order to be conformed with the ADC range and operation. The output from the inverting amplifier will pass through the precision rectifier, so that the output from the precision rectifier will always have positive values. The precision rectifier output was put toward ADC, which was used to allow the ADC input voltage so that it is able to be processed by microcontroller since it was the analog signal that firstly needed to be inverted into digital signal.

From the observation and anallysis, the device was abel to measure the Vrms at the voltage range of 195 - 240 Vrms since the error level is below 2 percent. Current censor was capable to work well when the gain optional scale was substantial (5Ampere), while in the small scale (0,5 Ampere and 0,05 Ampere) the offset voltage will be produced. This offset voltage has no impact on substantial measurement, but only on the small one. In order to get the best current measurement, it was recommended to use this device in maximum range input 5 Vp (peak current).

Keywords: Harmonic, ADC, gain, non linear load.

(10)

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas

berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya tulis berjudul

Pengukuran Arus dan Tegangan pada Sistem Penganalisis Komponen Frekuensi

Harmonisa Arus Beban Peralatan Listrik.

Karya tulis ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma.

Penulisan skripsi ini didasarkan pada hasil-hasil yang penulis dapatkan selama

tahap perancangan, pembuatan dan pengujian alat.

Penulisan skripsi ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk itu,

penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Kedua orang tua penulis yang telah memberikan semangat dan doa yang tak

pernah putus sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Bapak Martanto, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing I karya tulis yang telah

meluangkan waktu, tenaga, dan pikirannya untuk membimbing penulis.

3. Bapak A. Bayu Primawan, S.T., M.Eng., selaku dosen pembimbing II karya

tulis yang telah meluangkan waktu, tenaga, dan pikirannya untuk

membimbing penulis.

4. Ibu Bernadeta Wuri Harini S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

5. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T, M.T Selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

(11)

6. Rekan-rekan seperjuangan yang telah membantu penulis dalam pengerjaan

karya tulis ini: Guntur TE’03 , Uci TE’03, Zainal TE’04.

7. Segenap dosen dan laboran Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma.

8. Segenap karyawan sekretariat Fakultas Teknik.

9. Teman-teman mahasiswa jurusan Teknik Elektro dan semua pihak yang tidak

dapat disebutkan satu persatu atas setiap bantuannya.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kelemahan dan kekurangan dari

penulisan karya tulis ini. Oleh karena itu segala kritik dan saran yang bersifat

membangun sangat penulis harapkan.

Akhir kata, semoga skripsi ini berguna bagi semua pihak dan dapat

menjadi bahan kajian lebih lanjut.

Yogyakarta, 24 Januari 2009

Penulis

(12)

HALAMAN JUDUL DALAM BAHASA INGGRIS

... ii

HALAMAN PENGESAHAN OLEH PEMBIMBING

... iii

HALAMAN PENGESAHAN OLEH PENGUJI

... iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

... v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

... vi

PERSEMBAHAN DAN MOTTO

... vii

INTISARI

... viii

ABSTRACT

... ix

KATA PENGANTAR

... x

DAFTAR ISI

... xii

DAFTAR GAMBAR

... xv

DAFTAR TABEL

... xvii

DAFTAR LAMPIRAN

... xix

BAB I. PENDAHULUAN

... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan ... 3

1.3 Manfaat ... 3

1.4 Batasan Masalah ... 4

1.5 Metodologi Penelitian ... 4

1.6 Sistematika Penulisan ... 5

BAB II. DASAR TEORI

... 6

2.1 Pengukuran ... 6

2.1.1 Pengukuran Tegangan dan Pengukuran Arus ... 7

(13)

2.2 Nilai rms (root-mean square) ... 9

2.3 Penguat Operasional (Op-Amp) ... 12

2.3.1 Penguat Operasional sebagai penguat inverting... 12

2.3.2 Penguat Operasional sebagai Penyearah Gelombang Penuh ... 13

2.3.3 Penguat Operasional sebagai Penyangga Tegangan ... 15

2.4 Relay ... 15

2.5 Transistor sebagai Saklar ... 16

2.6 Dioda Memancarkan Cahaya (Light Emitting Diode) ... 19

2.7 Phototransistor ... 20

2.8 Pembagi Tegangan……….. 21

2.9 Pengubah Analog ke Digital………... 22

BAB III. PERANCANGAN RANGKAIAN

... 26

3.1 Diagram Blok ... 26

3.2 Perancangan Perangkat keras... 27

3.2.1 Rangkaian Sensor Arus ... 27

3.2.2 Rangkaian Sensor Tegangan ... 29

3.2.3 Rangkaian Penguat inverting dengan Gain = 1 ... 30

3.2.4 Rangkaian Penguat inverting dengan Relay sebagai Saklar………... 31

3.2.5 Otocopler………. 34

3.2.6 Transustor sebagai Pengaktif Relay……… 36

3.2.7 Rangkaian Penyangga………. 37

3.2.8 Rangkaian Penyearah Presisi……….. 38

3.2.9 Hubungan Sinyal Terkondisi dengan ADC0804……… 39

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

... 41

4.1 Sensor Tegangan ... 42

4.1.1 Rangkaian Penguat inverting dengan Gain = 1 ... 44

4.1.2 Rangkaian Penyearah Presisi ... 45

4.1.3 Hubungan Sinyal Terkondisi dengan ADC0804... 46

(14)

4.3 Rangkaian Penguat Inverting dan Relay sebagai Saklar... 52

4.4 Rangkaian Penyearah Presisi... 55

4.4.1 Rangkaian Penyearah Presisi dengan Skala 5 Ampere... 56

4.4.2 Rangkaian Penyearah Presisi dengan Skala 0,5 Ampere... 57

4.4.3 Rangkaian Penyearah Presisi dengan Skala 0,05 Ampere... 58

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

... 60

5.1 Kesimpulan ... 60

5.2 Saran... 61

DAFTAR PUSTAKA ... 62

LAMPIRAN

(15)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2-1. Penempatan Voltmeter pada pengukuran ... 9

Gambar 2-2. Penempatan Ampermeter pada pengukuran ... 9

Gambar 2-3. Gelombang sinusoidal penuh ... 10

Gambar 2-4. Pulsa sinusoidal ... 11

Gambar 2-5. Pulsa kotak ... 11

Gambar 2-6. Gelombang segitiga ... 12

Gambar 2-7. Rangkaian penguat operasional sebagai penguat inverting .... 13

Gambar 2-8. Penyearah presisi gelombang penuh ... 14

Gambar 2-9. Penguat operasional sebagai penyangga tegangan... 15

Gambar 2-10. Relay ... 16

Gambar 2-11. Rangkaian saklar transistor ... 16

Gambar 2-12. Karakteristik keluaran transistor ... 17

Gambar 2-13. Transistor sebagai saklar tertutup ... 18

Gambar 2-14. Transistor sebagai saklar terbuka ... 18

Gambar 2-15. Rangkaian LED ... 19

Gambar 2-16. Rangkaian phototransistor ... 20

Gambar 2-17. Pembagi tegangan ... 21

Gambar 2-18. Diagram blok pengubah analog ke digital ... 22

Gambar 2-19. Pin ADC0804 ... 25

Gambar 3-1. Diagram blok rancangan secara keseluruhan ... 26

Gambar 3-2. Rangkaian sensor Tegangan (a) rangkaian sensor Arus (b)... 30

Gambar 3-3. Rangkaian penguat inverting dengan gain = 1 ... 31

(16)

Gambar 3-6. Transistor sebagai pengaktif relay ... 37

Gambar 3-7. Rangkaian penyangga ... 37

Gambar 3-8. Rangkaian penyearah presisi ... 39

Gambar 3-9. Hubungan sinyal terkondisi dengan ADC0804 ... 40

Gambar 4-1. Gelombang keluaran sensor tegangan ... 44

Gambar 4-2. Keluaran penyearah presisi ... 45

Gambar 4-3. Input ADC0804 (multimeter) dan keluaran ADC0804 (LED) 47 Gambar 4-4. Kotak merah sbagai rangkaian uji beban peralatan listrik ... 48

Gambar 4-5. (a) keluaran sensor arus (b) keluaran sensor tegangan dengan gain 1 kali skala 5 Ampere ... 49

Gambar 4-6. (a) keluaran sensor arus (b) keluaran sensor tegangan dengan gain 10 kali skala 0,5 Ampere ... 50

Gambar 4-7. (a) keluaran sensor arus (b) keluaran sensor tegangan dengan gain 100 kali skala 0,05 Ampere ... 51

Gambar 4-8. Bentuk gelombang penyearah presisi (Vp) pada skala 5 Ampere ... 56

Gambar 4-9. Error pada skala 0,5A (Vp) setelah output dari rangkaian penyearah presisi melewati 5,00Vp ... 57

Gambar 4-10. Offset Gain pada skala 0,5A (Vp) ... 57

Gambar 4-11 Offset Gain pada skala 0,05mA (Vp). ... 59

(17)

DAFTAR TABEL

Tabel 4-1. Data pengamatan input output sensor tegangan dan

kesalahan pengukuran tegangan (Vrms) ... 53

Tabel 4-2. Data pengamatan input output rangkaian penguat inverting

dengan gain = 1 ... 55

Tabel 4-3. Data pengamatan input output rangkaian penyearah presisi ... 57

Tabel 4-4. Data pengamatan sensor Arus untuk skala 5 Ampere dengan

pemilih skala I untuk 1 kali ... 49-50

Tabel 4-5. Data pengamatan sensor Arus untuk skala 0,5 Ampere

dengan pemilih skala II untuk 10 kali ... 50-51

Tabel 4-6. Data pengamatan sensor Arus untuk skala 0,05 Ampere

dengan pemilih skala III untuk 100 kali ... 52

Tabel 4-7. Data pengamatan input output Rangkaian Penguat Inverting

dan relay sebagai saklar untuk pemilih gain 1 kali ... 53

Tabel 4-10. Data pengamatan pada input output Rangkaian penyearah

presis skala 5 Ampere ... 56-57

Tabel 4-11. Data pengamatan pada input output Rangkaian penyearah

presisi skala 0,5 Ampere ... 58

(18)

(19)

DAFTAR LAMPIRAN

Datasheet ADC0804 ... L01

Datasheet 4N35 ... L02

Datasheet Relay 5 volt ... L03

Datasheet LF 356 ... L04

Datasheet LM 741

(20)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Masalah

Seiring dengan perubahan kehidupan masyarakat yang semakin beragam,

rasanya tidak mudah untuk terlepas dari perkembangan teknologi yang semakin

pesat pula. Kemajuan dalam bidang elektronika membawa perkembangan dalam

hal peralatan listrik dan peralatan elektronika. Peralatan listrik baik dalam dunia

industri maupun peralatan rumah tangga yang mengarah pada aplikasi elektronika.

dewasa ini telah banyak kemudahan yang telah disumbangkan oleh dunia

teknologi bagi kehidupan manusia, namun semua itu tidaklah menutup

kemungkinan bagi dunia teknologi untuk terus berkembang dan menciptakan

berbagai temuan baru yang bisa menunjang kelancaran kehidupan manusia.

Penggunaan beban peralatan listrik yang non linier, mengakibatkan

bentuk gelombang arus tidak sama dengan bentuk gelombang tegangan pada

komponen elektronika daya peralatan listrik. Bentuk gelombang yang tidak sinus

akan menimbulkan adanya komponen harmonisa selain frekuensi fundamental.

Komponen arus dapat menimbulkan banyak implikasi pada jala-jala daya listrik.

Hal ini menyebabkan timbulnya rugi-rugi daya listrik, selain itu dapat

menginteferensi saluran komunikasi.

Dalam menganalisis komponen frekuensi harmonisa arus beban peralatan

listrik diperlukan peralatan yang mampu merekam bentuk gelombang yang

diperoleh dari sumber agar sesuai dengan kenyataan yang nantinya bentuk

(21)

2

gelombang dapat terlihat pada unit penampil. Untuk memperoleh bentuk

gelombang arus beban peralatan listrik, sistem menggunakan sensor arus berupa

resistor yang akan diambil besaran tegangan pada saat resistor dialiri arus listrik,

sedangkan sensor tegangan menggunakan resistor sebagai pembagi tegangan dan

dilakukan penguatan tegangan. Sinyal tegangan keluaran penguat dari sensor arus

dan tegangan selanjutnya diolah oleh mikrokontroler II setelah sebelumnya

melalui ADC untuk diketahui nilai Irms dan Vrms sehingga dapat dihitung nilai

Prms. Sinyal tegangan keluaran penguat dari sensor arus kemudian dimasukkan

ke dalam BPF terkendali digital. BPF ditala pada frekuensi tertentu (fundamental

atau harmonisanya), yang dikendalikan oleh mikrokontroler. Tegangan keluaran

filter dimasukkan ke dalam rangkaian yang dapat mengambil nilai puncak

gelombang, yang kemudian dihubungkan ke pengubah tegangan analog menjadi

data digital. Data digital kemudian direkam oleh mikrokontroler I sesuai dengan

komponen frekuensi harmonisa orde tertentu sesuai penalaan BPF. Setiap kali

mengubah frekuensi pusat dari BPF, dilakukan pengukuran terhadap amplitudo

gelombang. Hasil pembacaan amplitudo komponen harmonisa ini dapat langsung

dikirimkan ke PC. Kemudian data diproses lebih untuk menggambarkan grafik

hubungan antara amplitudo arus beban komponen harmonisa sebagai fungsi orde

frekuensi harmonisa listrik jala-jala. Sarana bantu pemrograman menggunakan

Visual Basic.

Pada penelitian yang akan digunakan sensor arus dan tegangan yang

nantinya dapat mengetahui bentuk gelombang tegangan sama dengan bentuk

(22)

yang akan memudahkan pemprosesan sinyal untuk level tegangan dan sebelum

dilewatkan pada bagian mikrokontroler sebagai pengontrol pada system

penganalisis komponen frekuensi harmonisa yang keluaranya berupa nilai rms

terlebih dahulu haruslah dilewatkan pada sebuah pengubah sinyal analog menjadi

data digital yang dikenal dengan nama (ADC).

1.2

Tujuan penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Merancang alat ukur berupa sensor arus dan tegangan untuk mengetahui

gelombang dari besaran arus dan tegangan.

2. Merancang dan membuat pengkondisi sinyal yang berfungsi untuk memproses

level tegangan.

3. Menerapkan pengubah tegangan analog menjadi digital (ADC) untuk

mengambil gelombang arus dan tegangan beban.

1.3

Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang akan dicapai dari penelitian ini adalah:

1. Dapat menghasilkan sebuah alat yang dapat mengubah besaran arus menjadi

besaran tegangan, yang akan dianalisis komponen harmonisanya.

2. Mempermudah pengukuran nilai sebuah rms dan komponen harmonisa arus

dan tegangan peralatan listrik.

3. Menambah literature tentang aplikasi mikrokontroler, yaitu alat ukur nilai rms

(23)

4

penyedia tegangan DC yang mempresentasikan nilai dari rms pengukuran arus

dan tegangan.

1.4

Batasan Masalah

Pada perancangan perangkat terdapat batasan-batasan sebagai berikut :

1. Terdapat tiga skala untuk pengukuran arus maksimum yaitu 5 Ampere; 0,5

Ampere; 0,05 Ampere.

2. Sensor arus yang digunakan adalah resistor yang akan diambil besaran

tegangan pada saat resistor dialiri arus listrik.

3. Sensor tegangan yang digunakan adalah resistor sebagai pembagi tegangan.

4. Mendeteksi tegangan pada nilai 220 v dengan toleransi ±20 v.

5. Perancangan pengkondisi sinyal untuk pemprosesan nilai tegangan dan arus

dari ADC yang digunakan.

1.5

Metodologi penelitian

Adapun metodologi yang dilakukan oleh penulis dalam penelitian ini

antara lain :

1. Mengumpulkan literatur dan bahan-bahan dari studi kepustakaan.

2. Menyusun literatur, bahan dan referensi yang ada.

3. Perancangan, pembuatan dan pengujian alat, baik perangkat lunak maupun

keras.

(24)

1.6

Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan terdiri dari beberapa bab, yaitu:

BAB 1. Berisi latar belakang penelitian, tujuan dan manfaat penelitian,

batasan masalah, metodologi penelitian, dan sistematika

penulisan.

BAB II. Berisi dasar teori meliputi sensor arus dan tegangan yang

digunakan adalah resistor yang akan diambil besaran tegangan

saat resistor dialiri arus listrik, nilai rms (root-mean-square),

penguat operasional sebagai pengkondisi sinyal, pengubahan

analog menjadi digital (ADC),

BAB III. Berisi perancangan perangkat keras dan perancangan

perangkat lunak.

BAB IV. Berisi data pengamatan dan pembahasan.

(25)

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Pengukuran

Secara definitif, pengukuran adalah upaya untuk mendapatkan besaran

kuantitatif yang merupakan hasil perbandingan antara suatu yang ingin diketahui

terhadap standarnya.dalam suatu pengukuran diperlukan instrument sebagai suatu

cara fisis untuk menentukan suatu besaran (kuantitas) atau variabel. Dengan

demikian, sebuah instrument dapat didefinisikan sebagai sebuah alat yang

digunakan untuk menentukan nilai dari suatu kuantitas atau variabel sehingga

instrument dapat pula disebut alat ukur.

Dalam pengukuran digunakan istilah-istilah yang menentukan

Karakteristik suatu alat ukur :[1]

• Presisi (ketelitian)

Adalah suatu ukuran kemampuan untuk mendapatkan hasil pengukuran yang

serupa.

• Akurasi (ketepatan)

Merupakan sifat kedekatan pembacaan alat ukur dengan nilai sebenarnya dari

variabel yang diukur.

• Sensitivitas (kepekaan)

Merupakan perubahan terkecil dari masukan yang mempengaruhi keluaran.

(26)

• Resolusi (kemampuan pembacaan skala)

Resolusi diartikan sebagai satuan terkecil dari keluaran.

• Repeability (kemampuan mengulangi)

Adalah sebagai ukuran deviasi dari hasil uji nilai rata-rata.

• Threshold

Adalah nilai minimum perubahan masukan yang tidak dapat diamati atau

dideteksi,bila masukanya berangsur-angsur bertambah dari nol.

• Linearitas

Merupakan kemampuan untuk menghasilkan ukuran alat ukur yang

menghasilkan keluaran yang linier.[1]

2.1.1 Pengukuran Tegangan Dan Pengukuran Arus

Suatu cara yang populer untuk pengukuran tahanan adalah menggunakan

metoda voltmeter ampermeter. Jika tegangan V antara ujung-ujung tahanan dan

arus I melalui tahanan tersebut diukur, tahanan Rx yang tidak diketahui dapat

ditentukan berdasarkan hukum ohm:[2]

I

V

R

_x

=

_(2-1)

(27)

8

R

V

I

=

(2-3)

Persamaan (2-1) berarti bahwa tahanan ampermeter adalah nol dan

tahanan voltmeter tak terhingga.

Dalam gambar 2-1 arus sebenarnya (true current) yang disalurkan ke

beban diukur oleh ampermeter, tetapi voltmeter lebih tepat mengukur tegangan

sumber dari pada tegangan beban nyata. Untuk mendapatkan tegangan yang

sebenanya pada beban, penurunan tegangan di dalam ampermeter harus

dikurangkan dari penunjukan voltmeter. Voltmeter dihubungkan langsung

diantara ujung-ujung tahanan seperti dalam gambar 2-2, sehingga voltmeter

mengukur tegangan beban yang sebenarnya. Tetapi ampermeter menghasilkan

kesalahan (error) sebesar arus yang melalui voltmeter. Dalam pengukuran pada

gambar 2-1 dan gambar 2-2 pengukuran Rx kesalahan akan selalu terjadi. Cara

yang betul untuk menghubungkan voltmeter bergantung pada nilai Rx berserta

tahanan voltmeter dan ampermeter, umumnya tahanan ampermeter adalah rendah

(28)

Gambar 2-1.Penempatan voltmeter pada pengukuran.

Gambar 2-2.Penempatan Ampermeter pada pengukuran.

2.2

Nilai Rms (

root-mean-square

)

Nilai rms digunakan untuk menentukan keakuratan penghantaran suatu

alat dan tingkat tegangan suatu alat. Gelombang tegangan yang berupa sinusoidal

yang sederhana atau berbentuk empat persegi panjang yang sederhana sering

menjadi masalah dalam menentukan nilai rms. Nilai rms suatu gelombang dapat

dihitung berdasarkan rumus berikut:[3]

∫

=

T

rms

I

dt

T

I

0 2

.

1

(29)

10

Dengan T adalah perioda waktu. Secara umum, nilai rms merupakan akar dari

kuadrat rata-rata suatu gelombang. Apabila gelombang menjadi rusak sampai

pada harmonisanya, nilai rms dapat dihitung secara individual. Nilai rms dari

gelombang nyata hasil dari aproksimasi yang memuaskan dengan

mengkombinasikan nilai rms dari setiap harmonisanya. Nilai rms suatu

gelombang dapat dihitung berdasarkan rumus berikut:[3]

2 ) ( 2

) 2 ( 2 ) 1 ( 2

... _rms _n

rms rms

dc

rms I I I I

I = + + + + (2-5)

Dengan: Idc adalah tegangan komponen DC, Irms dan Irms adalah nilai rms

dari frekuensi fundamental dan komponen harmonik ke-n, secara individu.

) 1

( (n)

Berikut ini adalah nilai rms yang berbeda dari bermacam-macam bentuk

gelombang:[3]

• Gelombang sinusoidal penuh

Gambar 2-3. Gelombang sinusoidal penuh.

Nilai rms dari gelombang sinusoidal penuh adalah:

2

p rms

I

(30)

• Pulsa sinusoidal

Gambar 2-4. Pulsa sinusoidal.

Nilai rms dari pulsa sinusoidal adalah:

T T I Irms p

2

0

= (2-7)

• Pulsa kotak

Gambar 2-5. Pulsa kotak.

Nilai rms dari pulsa kotak adalah:

T T I Irms p

0

= (2-8)

(31)

12

• Gelombang segitiga

Gambar 2-6. Gelombang segitiga.

Nilai rms dari gelombang segitiga adalah:

T T I I_rms _p

3

2 0

= (2-9)

Nilai puncak (peak) atau nilai maksimum merupakan nilai puncak

gelombang, baik pada bagian positif ataupun negatif. Nilai ini ditunjukkan oleh Ip

pada persamaan 2-5, 2-6, 2-7 dan 2-8.

2.3

Penguat Operasional (op_Amp)

2.3.1

Penguat Operasional sebagai Penguat

Inverting

Rangkaian penguat operasional sebagai penguat inverting terdiri atas

sebuah penguat operasional dan dua buah resistor. Rangkaian ini menggunakan

feedback supaya penguatan dari penguat operasional lebih kecil dibandingkan

dengan penguatan large signal voltage gain sebesar 200.000 untuk ic LM741,

seperti yang tertera pada datasheet. Rangkaian penguat operasional sebagai

(32)

Rf

1k

Vo

+

-Vi

Ri

Gambar 2-7.Rangkaian penguat operasional sebagai penguat inverting.

Besarnya penguatan dapat dihitung dengan:

Ri Rf =

Penguatan (2-10)

Rinv = Avinv. Rfinv (2-11)

Besarnya gain dapat dihitung dengan:

Avinv = Vi Vo

(2-12)

2.3.2

Penguat Operasional sebagai Penyearah Presisi Gelombang

penuh

Rangkaian penguat operasional sebagai penyearah presisi gelombang

penuh terdiri atas dua buah penguat operasional, penguat operasional yang

pertama berfungsi sebagai penyearah presisi setengah gelombang dan penguat

operasional yang kedua berfungsi sebagai penjumlah pembalik. Keuntungan

menggunakan penyearah presisi gelombang penuh adalah tegangan keluaran yang

(33)

14

dioda, sehingga tegangan dibawah tegangan bias maju dioda juga dapat

disearahkan. Untuk mengatur besarnya penguatan, dapat diatur berdasarkan rumus

berikut :

R Rf =

Penguatan (2-13)

Rfpp = Avpp . Rpp (2-14)

Besarnya gain dapat dihitung dengan:

Avpp = Vi Vo

(2-15)

Rangkaian penguat operasional sebagai penyearah presisi gelombang

penuh ditunjukkan pada gambar 2-8.

D2

R

+

-D1

R

Rf R/2

R

+

-Vo Vi

(34)

2.3.3

Penguat Operasional Sebagai Penyangga Tegangan

Penguatan tegangan yang dihasilkan rangkaian penguat operasional

sebagai penyangga tegangan adalah sama dengan satu, sehingga tegangan

keluaran “mengikuti” tegangan masukan. Secara ideal, impedansi inputnya tak

terhingga dan impedansi outputnya sama dengan nol. Dengan demikian,

rangkaian penguat operasional sebagai penyangga tegangan dapat berfungsi

sebagai isolasi antara sumber dan beban sehingga level tegangan sumber dapat

terjaga. Penguat operasional sebagai penyangga mempunyai konfigurasi seperti

ditunjukkan gambar 2-9.

Vo

+

-Vi

Gambar 2-9. Penguat operasional sebagai penyangga tegangan.

2.4

Relay

Relay adalah suatu komponen elektronika yang akan bekerja bila ada arus

yang melalui kumparannya. Sebuah relay terdiri dari kumparan yang dililitkan

pada inti besi dan kontak-kontak penghubung. Apabila kumparan yang melilit inti

besi dilalui arus listrik maka akan menimbulkan induksi medan magnet, dan

induksi ini akan menarik kontak-kontak penghubung relay. Diagram relay

(35)

16

Common

Kumparan

3 5

4 1

2

NC

NO

Gambar 2.10 Relay

Kontak penghubung relay terdiri dari dua bagian, yaitu :

1. Kontak NC (Normally Closed)

Kontak penghubung dalam kondisi menutup atau terhubung bila relay tidak

mendapat masukan tegangan pada kumparannya. Tetapi bila diberi tegangan

yang mencukupi pada kumparannya maka kontak penghubung menjadi

terbuka.

2. Kontak NO (Normally Open)

Kontak penghubung dalam kondisi terbuka bila relay tidak mendapat

tegangan pada kumparannya. Tetapi bila diberi tegangan yang mencukupi

pada kumparannya maka kontak penghubung menjadi tertutup.

2.5 Transistor Sebagai Saklar

Rangkaian saklar transistor ditunjukkan oleh gambar 2-11.

Rc

Vcc

Q VBB

IB Ic

Rb

(36)

Sedangkan karakteristik keluaran transistor ditunjukkan oleh gambar 2-12

Gambar 2-12 Karakteristik keluaran transistor.

Tansistor berada dalam keadaan saturasi/jenuh saat IB = IB0. Pada keadaan

ini, beda potensial antara kolektor dan emitter (Vce) adalah sangat kecil, yaitu

sama dengan Vce(sat), sedangkan arus kolektor IC yang mengalir hampir sama

dengan Vcc/Rc. Jika arus basis diperbesar menjadi IB1 atau IB2 atau lebih besar lagi,

nilai Vce dan IC tidak mengalami perubahan. Nilai Vce = Vce(sat) dan nilai IC =

Vcc/Rc. Hal inilah yang disebut dengan keadaan saturasi sebab nilai IC dan Vce

tidak berubah walaupun arus basis bertambah besar.

Nilai arus basis tergantung dari tegangan VBB yang digunakan untuk

meng-on-kan /mengaktifkan transistor dan juga pada hambatan Rb yang

dihubungkan seri dengan basis. Arus basis IB diperoleh berdasarkan persamaan :

b be BB B

R V V

I = − (2-16)

Arus colector Ic diperoleh berdasarkan persamaan :

= c

I

c cc

R V

(37)

18

Jika arus basis lebih dari 0 atau semakin besar maka transistor menjadi on

sehingga dapat berfungsi sebagai saklar tertutup. Transistor sebagai saklar tertutup

ditunjukkan oleh gambar 2-13.

Rc

Vcc

Q VBB

Vcc

IB > 0 Ic

Rc

Rb

Gambar 2-13 Transistor sebagai saklar tertutup

Sedangkan jika arus basis sama dengan 0, maka dapat dikatakan transistor

bekerja di daerah cut-off sehingga transistor menjadi off dan berfungsi sebagai

saklar terbuka. Transistor sebagai saklar tebuka ditunjukkan oleh gambar 2-14.

Vcc

Rb

Rc

Q VBB

Ib = 0

Ic Rc

Vcc

Gambar 2-14 Transistor sebagai saklar terbuka

2.6 Dioda Memancarkan Cahaya (

Light Emitting Diode

)

Pada dioda yang diberi prategangan maju, elektron bebas melintasi

persambungan dan jatuh ke dalam lubang (hole). Pada saat elektron ini jatuh dari

(38)

memancarkan energi. Pada dioda-dioda biasa, energi ini keluar dalam bentuk

panas. Tetapi pada Light Emitting Diode (LED), energi memancar sebagai cahaya.

LED telah menggantikan lampu-lampu pijar dalam beberapa pemakaian karena

tegangannya yang rendah, umurnya yang panjang, dan switch mati-hidupnya yang

cepat.

Gambar 2-15 memperlihatkan lambang skematis untuk LED. Resistor

LED dapat dihitung sebagai berikut :

led led

I

V

Vcc

Rx

=

−

_(2-18)

Dengan ILED adalah arus yang melalui LED, Vcc adalah tegangan catu daya, VLED

adalah tegangan pada LED, dan Rx adalah resistansi yang diseri dengan LED

(39)

20

2.7 Phototransistor

Phototransistor adalah sebuah transistor yang titik kerjanya dipengaruhi

oleh cahaya tertentu, cahaya yang memancar ke transistor tersebut akan

menyebabkan timbulnya arus basis (Ib), sehingga transistor tersebut on. Dalam

phototransistor untai basisnya dibiarkan terbuka sehingga bila tidak ada cahaya,

transistor ini akan off.

Rangkaian phototransistor sebagai sensor cahaya ditunjukkan pada

Gambar 2-16 sebagai berikut.

Vo

Ic

Ie Rc

QSD123

1

2

0 VCC 5V

Gambar 2-16 Rangkaian Phototransistor

Arus kolektor yang tepat menimbulkan saturasi adalah:

IC(sat) =

C CC

R V

(2-19)

Ic Vcc

Rc= (2-20)

Sedangkan,

(40)

Dan,

IC = βIB (2-22)

2.8 Pembagi Tegangan

Rangkaian pembagi tegangan dapat dilihat pada gambar 2-17 berikut ini

Gambar 2-17 Pembagi tegangan

Dari gambar 2-17 diatas, nilai V0 bisa dihitung sebagai berikut:

xVL R R

R Vo

2 1

2

+

= (2-23)

Sedangkan nilai VL sendiri adalah sebagai berikut:

(41)

22

2.9

Pengubahan Analog ke Digital

Pengubahan sinyal analog ke system digital disebut pengkode atau encoder.

Gambar 2-18 memperlihatikan diagram blok pengubah analog ke digital yang

dapat memberikan gambaran kepada kita mengenai pengubahan sinyal analog ke

digital.

MSB LSB

Pengubah analog ke digital

D C B A

Masukkan analog

Gambar 2-18. Diagram blok pengubah analog ke digital.

Dari diagram blok gambar 2-18,memperlihatkan masukkan berupa sinyal

listrik analog yang harus diubah menjadi keluaran biner dari bit paling rendah

(LSB) sampai bit yang paling tinggi (MSB).

Pengubah analog ke digital yang digunakan oleh penulis adalah ADC0804

yang dibuat untuk dapat langsung berhubungan dengan mikroprosesor baik Zilog

80, 8080, atau mikroprosesor 8 bit lainnya. IC ini merupakan CMOS 8 bit yang

mendekati pengubah analog ke digital. Sinyal masukkan maupun sinyal keluaran

dari IC ini, sesuai untuk MOS dan TTL. IC ADC0804 mempunyai waktu

pengubahan 100µS terhadap pengubahan masukkan dan mengeluarkan dalam

(42)

analog berkisar 0volt sampai 5 volt. Macam-macam pin (kaki) yang dimiliki oleh

IC ADC 0804.

a. CS

Berfungsi sebagai masukkan. Pin ini sebagai chip select dari kontrol

mikroprosesor.

b. RD

Berfungsi sebagai masukkan. Pin ini sebagai kontrol untuk membaca data dari

mikroprosesor.

c. WR

Berfungsi sebagai masukkan. Pin ini sebagai kontrol untuk menulis data ke

mikroprosesor.

d. CLK IN

Berfungsi sebagai masukkan. Pin ini sebagai pengatur detak.

e. INTR

Berfungsi sebagai keluaran. Pin ini sebagai sarana untuk memberikan

interupsi pada masukkan interupsi mikroprosesor.

f. V_IN (+)

Berfungsi sebagai masukkan. Pin ini merupakan jalan masuk bagi sinyal

analog masukkan positif.

g. V_IN (-)

Berfungsi sebagai masukkan. Pin ini merupakan jalan masuk bagi sinyal

(43)

24

h. A GND

Berfungsi sebagai masukkan daya. Pin ini sebagai pembulatan analog.

i. VREF/2

Berfungsi sebagai masukkan. Pin ini merupakan jalan masuk bagi tegangan

acuan yang lain (±).

j. D GND

Berfungsi sebagai keluaran. Pin ini sebagai pembulatan digital.

k. DB7-DB0

Berfungsi sebagai keluaran. Pin ini merupakan jalan keluaran bagi data

keluaran bit7 sampai bit0.

l. CLKR

Berfungsi sebagai masukkan. Pin ini sebagai pengatur detak dengan

menghubungkannya ke resistor eksternal.

m. VCC(Or ref)

Berfungsi sebagai masukkan daya. Pin ini sebagai jalan masuk untuk catu

daya +5 volt dan tegangan acuan primer.

Resolusi ADC dengan jumlah bit (n), dapat dihitung dengan rumus berikut:

1 2 −

= V_nmak

(44)

ADC0804 6

7

9

11 12 13 14 15 16 17 18 19

4 5 1 2 3

10 8

20

+IN -IN

VREF/2

DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CLKR

CLKIN INTR CS RD WR

D GND A GND

VCC

(45)

BAB III

RANCANGAN PENELITIAN

3.1 Diagram

Blok

Gambar 3-1 menunjukkan diagram blok perancangan alat pengukuran arus

dan tegangan pada sistem penganalisis komponen frekuensi harmonisa arus beban

peralatan listrik.

Gambar 3-1. Diagram blok rancangan secara keseluruhan.

(46)

Tegangan masukan AC dari keluaran rangkaian sensor arus dan tegangan

terlebih dahulu melewati rangkaian penguat inverting yang dapat diatur

penguatannya dengan relay sebagai pemilihan saklar agar sesuai dengan

jangkauan ADC dan penguat operasional. Keluaran dari penguat inverting akan

melewati penyearah presisi sehingga keluaran dari penyearah presisi selalu

mempunyai nilai positif. Keluaran penyearah presisi diumpankan menuju ADC

yang digunakan agar nilai tegangan masukan ADC bisa diproses oleh

mikrokontroler karena sebelumnya merupakan sinyal analog yang perlu diubah

terlebih dahulu menjadi sinyal digital.

Mikrokontroler mengambil data keluaran dari ADC sebanyak 8 bit dengan

256 kali pencuplikan dengan kecepatan pengambilan data yang konstan. Nilai

tegangan rms hasil pencuplikan akan diperoses dalam mikrokontroler. Nilai rms

sebanyak 8 bit akan diteruskan mikrokontroler menuju LCD sebagai penampil

setelah disesuaikan dengan pemilihan jangkauan level tegangan pada relay

sebagai saklar. Proses penampillan nilai rms ke LCD membutuhkan 10 bit data

dan 3 bit data dibutuhkan untuk pemilihan jangkauan level tegangan pada relay

sebagai saklar .

3.2

Perancangan Perangkat Keras

3.2.1 Rangkaian Sensor Arus

Rangkaian sensor arus diambil dari 10 buah resistor 10 /5w yang

dipasang secara paralel sehingga didapatkan resistor yang nilai resistansinya 1

Ω

Ω/

5w dimana pemilihan resistansi didasari atas pemilihan skala arus pada alat yang

(47)

28

Pemilihan skala tersebut haruslah sesuai dengan besarnya tegangan arus yang

dibutuhkan untuk penguatan pada rangkaian penguat inverting dan relay sebagai

saklar untuk pemilihan gain.

Nilai skala pemilihan arus untuk masukan penguat inverting dan relay

sebagai saklar untuk pemilihan gain, ditentukan sebagai berikut.

Nilai skala pada saat I = 5A diperlukan tegangan Ac sebesar 5 v dengan

Rx=1Ω berdasarkan persamaan 2-2, sehingga didapatkan :

Vx = 5A x 1Ω

= 5 volt

Tegangan pada masukan beban listrik akan terbebani sebesar 5v (peak) dari

tegangan masukan jala-jala 220 2 (peak), sehingga penurunan tegangan pada

beban dihitung sebagai berikut:

Vx : 2

5v : 2 = 3,53v

Didapatkan penurunan tegangan 100 220

53 , 3

x v v

=1,59% terhadap tegangan jala-jala

listrik 220 v 2 , penurunan tegangan sebesar 1,59% dianggap kecil.

Nilai skala pada saat I = 0,5A diperlukan tegangan Ac sebesar 0,5v dengan

Rx=1Ω berdasarkan persamaan 2-2, sehingga didapatkan :

Vx = 0,5A x 1Ω

(48)

Tegangan pada masukan beban listrik akan terbebani sebesar 0,5v (peak) dari

tegangan masukan jala-jala 220 2 (peak),penurunan tegangan pada beban

dihitung sebagai berikut:

Vx : 2

0,5v : 2 = 0,35v

35 , 0

x v

v

=0,15% terhadap tegangan jala-jala

listrik 220 v 2 , penurunan tegangan sebesar 0,15% dianggap kecil.

Nilai skala pada saat I = 0,05A diperlukan tegangan Ac sebesar 0,05v

dengan Rx=1Ω berdasarkan persamaan 2-2, sehingga didapatkan :

Vx = 0,05A x 1Ω

= 0.0 5 volt

Tegangan pada masukan beban listrik akan terbebani sebesar 0,05v (peak) dari

tegangan masukan jala-jala 220 2 (peak), penurunan tegangan pada beban

dihitung sebagai berikut:

Vx : 2

0,05v : 2 = 0,035v

035 , 0

x v

v

= 0,015% terhadap tegangan

(49)

30

3.2.2 Rangkaian Sensor Tegangan

Rangkaian sensor tegangan terdiri dari dua buah resistor yaitu R1 dan R2

sebagai pembagi tegangan. Tegangan maksimum dari beban adalah sebesar

2

240x (peak) dan keluaran sensor yang dinginkan adalah sebesar 5v(peak).

Dengan menentukan R2=10k maka nilai R1 berdasarkan persamaan (2-22)

ditentukan sebagai berikut :

2 1

2

R R

R Vi

Vo

+ =

k R

k

10 1

10

2 240

5

+ =

R1 + 10k = 678,82k

R1 =668,82k

(a) (b)

(50)

3.2.3 Rangkaian Penguat

inverting

dengan Gain = 1

Rangkaian penguat inverting digunakan untuk membatasi nilai tegangan.

Masukan maksimum dari ADC yang digunakan yaitu 5 Vp. Keluaran dari

rangkaian pembagi tegangan sebagai sensor tegangan 5 v nantinya akan dikuatkan

dengan rangkaian penguat inverting.

Nilai gain untuk amplitudo masukan tegangan AC maksimum 5 volt

berdasarkan persamaan (2-11) ditentukan sebagai berikut:

Avinv =

5 5

Avinv = 1

Dengan pemilihan Rfinv sebesar 100 kΩ maka nilai Rinv berdasarkan persamaan

(2-10) dapat dihitung

Rinv = 1 . 105

Rinv = 100 kΩ

(51)

32

3.2.4

Rangkaian Penguat

Inverting

dan Relay sebagai Saklar

untuk Pemilih Gain.

Penguat inverting ini digunakan untuk membatasi nilai tegangan

masukkan maksimal agar sesuai dengan masukkan ADC 0804 yaitu 5 Vp, saat

tegangan masukkan melebihi tegangan masukkan ADC. Sesuai dengan batasan

masalah maka digunakan 3 gain yaitu dengan tegangan masukkan maksimum 5

Ampere, 0,5 Ampere dan 0,05Ampere. Pemilihan Riinv dan Rfinv, didasarkan pada

kebutuhan gain dengan perhitungan sebagai berikut:

Nilai gain untuk amplitudo masukan tegangan AC maksimum 5 volt

berdasarkan persamaan (2-11 ) ditentukan sebagai berikut :

Avinv1 =

5 5

Avinv1 = 1

Dengan pemilihan Rfinv sebesar 100 kΩ maka nilai Riinv 1 berdasarkan persamaan

(2-10) dapat dihitung:

Riinv1= 1 . 105

Riinv1= 100 kΩ

Nilai gain untuk amplitudo masukan tegangan AC maksimum 0,5 volt

Avinv2 =

5 , 0

5

(52)

Dengan pemilihan Rfinv sebesar 100 kΩ maka nilai Riinv2 berdasarkan persamaan

Riinv2 =

10 105

Riinv2 = 10KΩ

Nilai gain untuk amplitudo masukan tegangan AC maksimum 0,05 volt

Avinv3 =

05 , 0

5

Avinv3 = 100

Dengan pemilihan Rfinv sebesar 100 kΩ maka nilai Riinv3 berdasarkan persamaan

Riinv3 =

100 105

Riinv3 = 1KΩ

Rangkaian penguat inverting dan relay sebagai saklar untuk pemilihan gain

(53)

34

Gambar 3-4. Rangkaian penguat inverting dan relay sebagai saklar untuk

pemilihan gain.

Dari gambar 3-4, jika penguatan adalah sebesar 1x pada Vo sebagai

rangkaian penguat inverting maka relay1 pada posisi NC, relay1 aktif karena

mendapat masukan pada IN_1 yang berasal dari keluaran mikrokontroler.

Demikian juga untuk relay2 dan relay3 dengan besar penguatan yang berbeda

yaitu 10x dan 100x maka relay2 dan relay3 akan pada posisi NC jika pada IN_2

dan IN_3 mendapat masukan dari mikrokontroler. besarnya penguatan terjadi

karena perbandingan Vo dan Vi, serta besarnya R_inv dan Rf_inv ditentukan

dalam perhitungan.

3.2.5 Optocouplers

Rangkaian optocouplers digunakan sebagai isolator pengaman pada

keluaran ADC dan masukan mikrokontroler. Pada datasheet optocouplers 4N35M

diketahui besarnya Iled 10mA dan Vled 1,1volt sehingga dapat menghitung R. Nilai

(54)

= − =390Ω 10

1 , 1 5

mA V V

Sesuai datasheet diketahui Ic 0,5mA sehingga Rc dapat dihitung

berdasarkan persamaan (2-19) sebagai berikut:

mA V

5 , 0

5

=

=10kΩ

Gambar rangkaian optocouplers sebagai isolator dapat dilihat pada gambar 3-5

Gambar 3-5 Rangkaian optocouplers.

Dari gambar 3-5 jika keluaran pada ADC adalah aktif rendah,

mengakibatkan led aktif, hal ini menyebabkan transistor aktif dan IN

mikrokontroler akan bernilai aktif rendah. Jika nilai ADC aktif tinggi,

mengakibatkan led tidak aktif, sehingga transistor tidak aktif dan nilai IN

mikrokontroler akan bernilai aktif tinggi, sehingga data keluaran dari ADC dapat

(55)

36

3.2.6 Transistor Sebagai Pengaktif

Relay

Rangkaian Transistor digunakan sebagai pengaktif relay, pada datasheet

diketahui β transistor Fc9012 = 160, dan Rd coil = 125Ω, maka akan didapat nilai

RB melalui perhitungan berdasarkan persamaan (2-16) sebagai berikut :

Ic = Ω

125 5V

Ic = 40 mA

mA I mA I I I I I B B C B C B 25 . 0 160 40 = = = = β β

Berdasarkan persamaan (2-15)maka didapat RB:

RB = B BE cc I V V −

RB =

mA v v 25 . 0 7 . 0 5 −

RB = 17200Ω

= 17.2kΩ

Maka dipilih nilai = 15k agar benar-benar saturasi, gambar rangkaian dari

transistor sebagai pengaktif relay dapat dilihat pada gambar 3-6.

B

(56)

Gambar 3-6 transistor sebagai pengaktif relay

3.2.7 Rangkaian Penyangga

Dengan menggunakan rangkaian penyangga, maka tegangan keluaran dari

rangkaian penyangga adalah sama dengan tegangan masukkan dari rangkaian

penyangga baik dalam hal magnitudo maupun polaritasnya.

Rangkaian penyangga juga mempunyai hambatan masukkan yang tinggi sehingga

arus dari tegangan masukkan rangkaian penyangga dapat diabaikan. Rangkaian

penyangga ditunjukkan pada gambar 3-7.

tegangan keluaran pembalik

+

-U2 LF356

3 2

6

tegangan keluaran buf f er

(57)

38

3.2.8 Rangkaian Penyearah Presisi

Rangkaian penyearah presisi digunakan sebagai penyearah tegangan

keluaran buffer sehingga didapatkan harga mutlak dari tegangan keluaran

rangkaian penguat inverting dengan gain dan relay sebagai saklar. Tegangan

keluaran maksimum dari rangkaian penguat inverting dengan gain dan relay

sebagai saklar telah sesuai dengan tegangan masukan ADC0804 yaitu 5 Volt,

maka penguatan untuk rangkaian penyearah presisi berdasarkan persamaan (2-14)

ditentukan sebagai berikut :

Avpp =

5 5

Avpp = 1

Dengan mengacu pada gambar 2-8, maka dua buah resistor yang

dibutuhkan adalah sebesar R dan R 2. Resistor yang terdapat dipasaran untuk

memenuhi kedua nilai resistor tersebut tanpa menghubungkan resistor secara seri

maupun paralel, adalah pasangan resistor R sebesar 20 KΩ dan resistor R 2

sebesar 10 KΩ. Dengan pemilihan Rpp sebesar 20 KΩ maka nilai Rfpp berdasarkan

persamaan (2-13) dapat dihitung sebagai berikut:

Rfpp = Avpp . Rpp

Rfpp = 1 . 2.105

(58)

Dioda yang digunakan adalah 1N4148 karena gelombang keluarannya bisa

tetap stabil dengan frekuensi tinggi dan mempunyai kecepatan respon yang tinggi.

Rangkaian penyerah presisi ditunjukkan gambar 3-8.

R2 pp

20K

Rf pp

20K

+

-U3 LF356

3 2

6 tegangan keluaran pembalik

D2 pp

1N4148 R1 pp

20K

R pp/2

10K D1 pp

1N4148

+

-U2 LF356

3 2

6

R3 pp

20K

tegangan keluaran peny earah presisi

Gambar 3-8. Rangkaian penyearah presisi

3.2.9 Hubungan Sinyal Terkondisi dengan ADC0804

Pin start conversion ADC (CS ) dihubungkan ke ground agar ADC0804

selalu melakukan konversi data. Pin RD pada ADC 0804 juga dihubungkan ke

ground sehingga ADC selalu membaca data dari mikrokontroler. Pin WR

dihubungkan dengan P0.0 pada Mikrokontroler AT89s51 yang bertujuan agar

penulisan data dari ADC0804 menuju mikrokontroler dapat dikendalikan oleh

mikrokontroler.

Tegangan masukan ADC0804 adalah tegangan keluaran penyearah presisi

yang dihubungkan pada pin +IN. Berdasarkan datasheet, untuk mencapai waktu

konversi ADC0804 sebesar 100 µs, dibutuhkan resistor 10 KΩ dan kapasitor 150

(59)

40

tegangan agar saat tegangan masukan ADC0804 bernilai sama dengan tegangan

saturasi penguat operasional, tegangan tersebut tidak merusak IC ADC0804.

CAP ADC 150pf D5 5,1V R ADC 10k 5 Volt

tegangan keluaran peny earah presisi

U4 ADC0804 6 7 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 4 5 1 2 3 10 8 20 +IN -IN VREF/2 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CLKR CLKIN INTR CS RD WR D GND A GND VCC

Gambar 3-9. Hubungan sinyal terkondisi dengan ADC0804.

Tegangan masukan positif dibatasi sebesar 5,1 Volt sesuai dengan nilai

dioda zener, sedangkan tegangan masukan negatif dibatasi sekitar 0,7 Volt, sesuai

dengan tegangan maju dioda silikon. Hubungan sinyal terkondisi dengan ADC

(60)

Pada bab ini akan ditampilkan data hasil pengukuran tegangan dan arus

dengan skala yang berbeda-beda. Pengukuran yang dilakukan bertujuan untuk

mengetahui kemampuan, ketelitian dan hasil realisasi rancangan alat. Proses

pengukuran sendiri dilakukan dengan membandingkan nilai rms tegangan dan

arus pada LCD dengan alat ukur referensi, yaitu multimeter digital dengan merek

SANWA CD 800a dan sebuah tang Ampere digital dengan merek CONSTANT

AC600 Terdapat tiga skala untuk pengukuran arus maksimum yaitu 5 Ampere,

0,5 Ampere, 0,05 Ampere, pengukuran tegangan rms juga dilakukan dengan

mendeteksi tegangan pada nilai 220 volt dengan toleransi ±20 volt.

Tahap pengujian meliputi pengukuran tegangan saja, pengukuran arus saja,

pengukuran tegangan dan arus.

Hasil suatu pengamatan sudah tentu memiliki nilai yang menyimpang dari

nilai yang ditinjukkan oleh alat pembanding. Pada sub bab ini, nilai galat untuk

menunjukkan penyimpangan atau kesalahan pada sistem dihitung untuk tampilan

data tegangan rms (Vrms), arus rms (Irms), dan Penyimpangan yang terjadi antara

nilai hasil pengamatan dengan nilai yang ditunjukkan oleh alat pembanding saat

input digital tertentu dapat dihitung dengan menggunakan % galat, yaitu

menggunakan persamaan :

Galat = 100

teori nilai

pengamatan nilai

teori

nilai _×

% (4-1)

(61)

42

Jika hasil pengamatan dan nilai yang ditunjukkan oleh alat pembanding

dari data tegangan rms (Vrms), arus rms (Irms), yang terdapat pada tabel 4-1

dimasukkan ke persamaan di atas, maka akan diketahui besarnya tingkat

kesalahan yang dihasilkan oleh alat.

4.1 Sensor Tegangan

Data hasil pengukuran tegangan rms untuk percobaan rangkaian diperoleh

dengan memberikan masukan tegangan AC didapatkan dari keluaran trafo yang

divariabel keluarannya agar mendapatkan nilai masukan yang diinginkan.

Secara umum pengukuran tegangan dilakukan dengan cara seperti ditunjukkan

gambar 3-2 (a)

Dari gambar 3-2 (a), pengukuran dilakukan dengan memberi masukan

tertentu, R1 dan R2 sebagai pembagi tegangan. Kemudian pada V (keluaran

sensor tegangan) akan didapatkan nilai keluaran pembagi tegangan yang sesuai

dengan masukan yang diberikan dan diukur menggunakan alat ukur referensi

(multimeter) untuk kemudian dicari selisihnya.

Analisa data tegangan menggunakan data pada tabel 4-1, dapat terlihat

bahwa alat sudah mampu mengukur tegangan dengan jangkauan 195~240 Vrms

dengan tingkat kesalahan rerata kurang dari 2%.

Dari percobaan yang dilakukan diperoleh data pada sensor tegangan

(62)

Tabel 4-1

Data pengamatan input output sensor tegangan dan kesalahan pengukuran

tegangan (Vrms)

Sensor Tegangan

Teoritis Terukur

No

VIn sensor

(Rms) (Rms) Vin Vout (Vp) (Rms) vin Vout (Vp)

LCD

(Vrms) (Vrms) Galat

persen Galat

(%)

1 195 2,58 3,66 2,59 2,60 193 2 1,026 2 201 2,66 3,77 2,67 3,80 201 0 0,000 3 205 2,99 4,24 3,00 3,70 206 1 0,488 4 210 3,08 4,36 3,09 3,80 210 0 0,000 5 217 3,17 4,49 3,18 3,90 220 3 1,382 6 220 3,22 4,56 3,23 3,97 224 4 1,818 7 235 3,44 4,87 3,45 4,20 235 0 0,000 8 237 3,45 4,89 3,46 4,28 239 2 0,844 9 240 3,50 4,96 3,51 4,35 241 1 0,417 mean 217,77 3,12 4,42 3,13 3,84 218,77 1,4444 0,664

Dari table 4-1 Perhitungan teoritis berdasarkan persamaan 2-5, sehingga

didapatkan data pada perbandingan antara teoritis dengan data terukur untuk

sensor tegangan yang hampir mendekati nilai perancangan. Diketahui kesalahan

rata-rata galat sebsar 1,4444 Vrms dan persentase kesalahan rerata galat sebesar

(0,664%) dengan persentase kesalahan maksimum 4 Vrms (1.818%). Sedangkan

gambar bentuk glombang dari keluaran sensor tegangan dapat dilihat pada gambar

(63)

44

Gambar 4-1 gelombang keluaran sensor tegangan

4.1.1 Rangkaian Penguat Inverting dengan Gain = 1

Pada sub bab ini dilakukan pengukuran tegangan input output pada

rangkaian penguat inverting dan pada pengamatan data didapatkan antara

masukan yang diberikan pada rangkaian adalah sama dengan data yang dihasilkan

pada keluaran, hal ini dikarenakan oleh sifat rangkaian yaitu tegangan masukan

mengikuti tegangan keluaran. Data pengamatan input output rangkaian penguat

inverting dengan Gain = 1 dapat dilihat pada tabel 4-2 dibawah ini.

Tabel 4-2

Data pengamatan input output rangkaian penguat inverting dengan Gain = 1

Vin Vout No

(Vrms) (Vp-p) (Vrms) (Vp-p) A

1 2,59 5,2 2,59 5,2 1

2 2,67 7,6 2,67 7,6 1

3 2,74 7,4 2,74 7,4 1

4 2,81 7,6 2,81 7,6 1

5 2,9 7,8 2,9 7,8 1

6 2,95 7,94 2,95 7,94 1

7 3,12 8,4 3,12 8,4 1

8 3,17 8,56 3,17 8,56 1

(64)

Dari tabel 4-2 dapat dilihat bahwa besarnya penguatan yang terjadi adalah = 1,

sehingga sudah sesuai dengan perancangan dan seterusnya sinyal yang dihasilkan

akan diberikan pada penyearah presisi untuk diproses lebih lanjut.

4.1.2 Rangkaian Penyearah Presisi

Pada sub bab ini dilakukan pengamatan untuk keluaran penyearah presisi,

masukan dari penyearah presisi didapatkan dari keluaran sensor tegangan,

sehingga didapatkan bentuk setengah gelombang (Vpeak) dari masukan yang

diberikan dan akan dibaca bentuk gelombang secara keseluruhan, bukan peaknya

saja untuk mendapatkan data pengamatan. Gelombang yang dihasilkan oleh

rangkaian penyearah presisi antara ujung puncaknya tidak sama hal ini disebabkan

oleh sinyal masukan yang tidak murni yang dihasilkan oleh keluaran sensor

tegangan sehingga pada keluaran penyearah presisi nampak pada ujungnya seperti

terpotong atau cacat. Bentuk gambar gelombang dari keluaran penyearah presisi

dapat dilihat pada gambar 4-2.

(a) (b)

Gambar 4-2 (a) gambar Masukan dan (b) gambar keluaran penyearah presisi

Dari beberapa pengujian didapatkan data seperti data tabel 4-3, dimana keluaran

(65)

46

Tabel 4-3 Data pengamatan input output rangkaian penyearah presisi

No _(Vp-p)Vin Vout _(Vp)

1 5,20 2,60 2 7,60 3,80 3 7,40 3,60 4 7,60 3,80 5 7,80 3,90 6 7,94 4,00 7 8,40 4,20 8 8,56 4,30 9 8,70 4,40

Dari tabel 4-3, data yang diambil untuk setengah gelombang (Vpeak) adalah pada

saat puncak gelombang tertinggi, terlihat pada gambar 4-2, yang seterusnya akan

dilanjutkan ke ADC untuk diproses dengan mikrokontroler.

4.1.3 Hubungan Sinyal Terkondisi dengan ADC0804

ADC (Analog to Digital Converter) dalam penelitian ini adalah mengubah

keluaran dari penyearah presisi berupa sinyal analog menjadi bit-bit digital.

Berdasarkan datasheet, ketelitian ADC0804 dibatasi 1 LSB, sehingga kekurang

ketelitian ADC0804 dapat menyebabkan kesalahan sebesar 19,53 mV. Kesalahan

juga didapat dari proses pembulatan yang terjadi karena pemrosesan data secara

digital sehingga didapat resolusi sebesar 20mV. Sebagai pengujian ADC0804,

diperoleh dari masukan catu daya sebesar 1,017v (berdasarkan multimeter merek

SANWA CD800a) dimasukan ke input ADC. Sebagai pengujian keluaran ADC,

menggunakan LED setiap keluaran dianggap sebagai bit-bit keluaran ADC0804.

(66)

ADC dikalikan dengan kesalahan pengukuran maksimum (51 x 20mV = 1,02V)

dan didapatkan pengujian sudah sesuai dengan perancangan.

Gambar 4-3 input ADC0804 (multimeter) dan keluaran ADC0804 (LED)

Dari data keluaran ADC0804 selanjutnya akan dikirim ke mikrokontroler

untuk diolah dan diteruskan ke penampil LCD.

4.2 Sensor Arus

Tahap pengukuran arus dilakukan dengan gambar 3-2 (b) mengukur arus

yang melewati beban peralatan listrik seperti ditunjukkan gambar 3-2 (b). Pada

tahap ini juga akan diukur nilai tegangan (Vx) pada keluaran sensor arus Rx 1Ω.

Dari gambar 3-2 (b), pengukuran dilakukan dengan mengubah nilai hambatan dari

rangkaian uji beban peralatan listrik dengan kenaikan tertentu sehingga nilai arus I

yang melewati beban Rx juga akan berubah-ubah. Selanjutnya nilai arus pada Rx

akan diambil nilai teganganya, dan akan dimasukan pada pengkondisi sinyal. Alat

ukur referensi akan mengukur nilai arus, kemudian hasilnya akan dibandingkan

dengan keluaran alat pada tampilan LCD.

Pada sub bab ini akan dibahas tentang analisis pengamatan data yang

(67)

48

pengamatan data yang dihasilkan pada masing-masing skala yang digunakan.

Gambar 4-4 adalah rangkaian uji untuk sensor arus dimana yang di dalam kotak

merah adalah rangkaian uji peralatan listrik yang bersumber dari sebuah trafo 5

Ampere tegangan 50 volt AC dengan jumlah hambatan (R) yang Variabel

dipasang secara paralel dengan jumlah R dan besarnya hambatan disesuaikan

dengan skala pengukuran arus, dan kotak biru sendiri adalah rangkaian sensor

arusnya.

Gambar 4-4 kotak merah sebagai rangkaian uji beban peralatan listrik

Pada pengamatan ini akan dilihat bentuk gelombang keluaran sensor arus

dari masing-masing skala sehingga didapatkan bentuk gambar gelombang dari

masing-masing keluaran sensor arus dan keluaran sensor arus dengan gain dan

skala yang berbeda. Terlihat pada gambar 4-5, 4-6, 4-7 bahwa jika semakin kecil

skala yang digunakan maka semakin sinus bentuk gelombang yang dihasilkan hal

ini dipengaruhi oleh besarnya nilai kapasitor yang dipasang pada rangkaian dan

besarnya gain pada pemilih skala yang digunakan. Gambar yang ambil adalah

pada saat bentuk gelombang mencapai 5Vpp atau 2,5Vp dan 2 volt/div dari

pemilih skala yang berbeda.

(68)

(a) (b)

Gambar 4-5 (a) keluaran sensor arus, (b) keluaran sensor arus dengan gain 1 kali,

skala 5 Amperepe.

Pengamatan gambar bentuk glombang untuk tiap skala menggunakan

mode masukan Dc coupling.Untuk mengetahui berapa besarnya nilai arus yang

dihasilkan oleh sensor arus skala 5 Ampere, 0,5 Ampere, 0,05 Ampere, dilakukan

Perhitungan nilai arus (Iout) berdasarkan persamaan (2-3) dengan terlebih dahulu

mengetahui nilai hambatan (R=1Ω/5w), sehingga diketahui besarnya nilai Iout

yang dapat dilihat pada tabel 4-4, 4-5, 4-6 untuk masing-masing skala

pengukuran.

Tabel 4-4

Data pengamatan sensor Arus untuk skala 5 Ampere dengan pemilih skala I untuk gain 1 kali.

(69)

50

13 9,6 9,6 9,6 14 9,8 9,8 9,8 15 10,0 10,0 10,0 16 10,2 10,2 10,2 17 10,0 10,0 10,0 18 10,0 10,0 10,0 19 10,2 10,2 10,2 20 10,4 10,4 10,4 21 10,6 10,6 10,6 22 10,8 10,8 10,8

Dari tabel 4-4, terlihat bahwa rangkaian keluaran dari sensor arus skala 5 Ampere

sudah mampu bekerja dengan baik sesuai dengan perancangan dengan penguatan

= 1 kali, maka didapatkan Vout adalah sama dengan Vin.

4.2.2 Sensor Arus Pada Skala 0,5 Ampere

(a) (b)

Gambar 4-6 (a) keluaran sensor arus, (b) keluaran sensor arus dengan gain 10

kali, skala 0,5 Ampere.

Tabel 4-5

Data pengamatan sensor Arus untuk skala 0,5 Ampere dengan pemilih

skala II untuk gain 10 kali.

No (Vp-p) Vin (Vp-p) Vout (Ip-p) Iout

1 0,14 1,5 1,5

2 0,24 2,2 2,2

3 0,30 2,8 2,8

4 0,38 3,6 3,6

5 0,44 4,2 2,0

6 0,48 4,6 4,6

7 0,52 5,0 5,0

(70)

9 0,64 6,0 6,0 10 0,68 6.6 6.6 11 0,72 7,0 7,0 12 0,76 7,4 7,4 13 0,80 8,0 8,0 14 0,84 8,2 8,2 15 0,88 8,4 8,4 16 0,92 8,8 8,8 17 0,96 9,2 9,2 18 0,98 9,6 9,6

19 1,00 10,0 10,0

20 1,04 10,2 10,2

21 1,06 10,4 10,4

Dari tabel 4-5, terlihat bahwa keluaran yang dihasilkan oleh Vout adalah harus

sama dengan 10 kali Vin, dikarnakan penguatan yang digunakan adalah pemilih

skala II untuk gain 10 kali, dan pada tabel 4-5 data yang di dapatkan sudah

mendekati hasil dari perancangan karna selisih yang dihasilkan antara Vout

dengan Vin tidak terlampau jauh.

4.2.3 Sensor Arus Pada Skala 0,05 Ampere

(a) (b)

Gambar 4-7 (a) keluaran sensor arus, (b) keluaran sensor arus dengan gain 100

kali, skala 0,05 Ampere.

Tabel 4-6

Data pengamatan sensor Arus untuk skala 0,05 Ampere dengan pemilih skala III untuk gain 100 kali.

(71)

52

(Vp-p) (Vp-p) (Ip-p)

1 0,004 0,4 0,4

2 0,038 4,0 4,0

3 0,066 6,8 6,8

4 0,089 8,8 8,8

5 0,094 10,0 10,0

6 0,110 12,0 12,0

Dari tabel 4-6, terlihat bahwa keluaran yang dihasilkan oleh Vout adalah harus

sama dengan 100 kali Vin, dikarnakan penguatan yang digunakan adalah pemilih

skala III untuk gain 100 kali, dan pada tabel 4-6 data yang di dapatkan sudah

mendekati hasil dari perancangan karna selisih yang dihasilkan antara Vout

dengan Vin tidak terlampau jauh.

4.3 Rangkaian Penguat Inverting dan Relay sebagai Saklar untuk Pemilih Gain.

Pada sub bab ini akan membahas pemilih gain dan skala dimana transistor

sebagai pengaktif relay pemilih skala untuk menentukan besarnya gain yang

digunakan. Pemilih skala berfungsi untuk pemilihan gain, dalam hal ini adalah

skala 5 Ampere, 0,5 Ampere, 0,05 Ampere yang dipilih oleh mikrokontroler.

Rangkaian ini berupa relay, dalam pengujiannya untuk mengaktifkan pemilih

skala diberi masukan 0 volt atau logika rendah, dan bila diberi masukan 5 volt

atau logika tinggi maka relay tidak aktif. Sebagai contoh, bila menginginkan

keluaran skala 5 Ampere pada pemilih skala1 diberi masukan 0 volt atau logika

rendah maka relay1 untuk pemilih gain sebesar 1 kali akan aktif. Untuk pemilih

skala lainya, digunakan dengan cara yang sama.

(72)

Data pengamatan input output Rangkaian Penguat Inverting dan relay

sebagai saklar untuk pemilih gain 1 kali.

No _(Vp-p)Vin _(Vp-p)Vout A

1 1,9 1,9 1 2 3,1 3,1 1 3 4,2 4,2 1 4 5,2 5,2 1 5 6,0 6,0 1 6 6,8 6,8 1 7 7,4 7,4 1 8 8,0 8,0 1 9 8,2 8,2 1 10 8,4 8,4 1 11 9,2 9,2 1 12 9,3 9,3 1 13 9,6 9,6 1 14 9,8 9,8 1 15 10,0 10,0 1 16 10,2 10,2 1 17 10,0 10,0 1 18 10,0 10,0 1 19 10,2 10,2 1 20 10,4 10,4 1 21 10,6 10,6 1 22 10,8 10,8 1

Pada tabel 4-7 didapatkan bahwa keluaran sensor arus sama dengan keluaran

Rangkaian Penguat Inverting dan relay sebagai saklar untuk pemilih gain 1 kali,

dengan besarnya gain adalah 1 kali yang sesuai dengan skala pemilihan gain.

(73)

54

No (Vp-p) Vin (Vp-p) A Vout

1 0,14 1,5 10,714

2 0,24 2,2 9,166

3 0,30 2,8 9,333

4 0,38 3,6 9,473

5 0,44 4,2 9,545

6 0,48 4,6 9,583