BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN EORI Pada bab ini akan dibahas engenai teori teori yang endasari perancangan dan perealisasian alat ukur daya listrik dan faktor daya..1. Alternating Current (AC) Alternating Current (AC) adalah tegangan atau arus yang engalai perubahan polaritas atau arah terhadap waktu dan engalai perulangan secara periodik []. Secara uu bentuk gelobang dari Alternating Current (AC) dapat digabarkan dengan gelobang sinusoida. Gabar.1. Bentuk sinyal Alternating Current (AC). Dari sebuah bentuk gelobang AC, didapat tiga buah nilai acuan yang enentukan besarnya tegangan atau arus, yaitu nilai puncak (peak), nilai rata-rata (average), dan nilai efektif (rs). 1. Nilai puncak (peak) Nilai puncak (peak) adalah nilai aksiu yang bisa didapatkan dari gelobang AC. 6

2 Gabar.. Nilai puncak gelobang.. Nilai rata-rata (average) Nilai rata-rata (averege) sebuah fungsi periodik adalah integral fungsi waktu terhadap keseluruhan periode dibagi dengan selang waktu periodenya [3]. Untuk enghitung nilai rata-rata suatu fungsi periodik bisa digunakan ruusan uu berikut Yav 1 y() t dt (.1) 0 diana, Yav y(t) = nilai rata-rata (averege) = fungsi gelobang periodik = periode (s) 3. Nilai efektif (rs) Nilai efektif (rs) adalah suatu nilai yang digunakan untuk enunjukkan besar tegangan atau arus AC yang setara dengan besar tegangan atau arus DC enghasilkan kalor ketika elalui penghantar dala rentang waktu yang saa []. Nilai efektif dapat dihitung dengan ruusan uu berikut 1 Yrs y () t dt 0 (.) 7

3 diana, Yrs = nilai efektif (rs) y(t) = fungsi gelobang periodik = periode (s).1.1. Beban Pada Gelobang AC Dala dunia elektronika terdapat tiga buah jenis sifat beban, yaitu resistif, induktif, dan kapasitif. Setiap jenis beban eiliki karakteristik yang berbedabeda ketika terpengaruh oleh gelobang AC. Pengaruh gelobang AC dapat dijelaskan sebagai berikut Beban Resistif Beban resistif adalah beban yang terdiri dari koponen tahanan oh (resistance) saja, seperti eleen peanas (heating eleent) dan lapu pijar [4]. Pengaruh gelobang AC terhadap koponen tahanan oh adalah engakibatkan tegangan dan arus eiliki sudut fase yang saa. i I sint I I 0 V RI sint V RI 0 R R (.3) Gabar.3. Pengaruh gelobang AC terhadap habatan oh. 8

4 Beban Induktif Beban induktif adalah beban yang terdiri dari kuparan kawat yang dililitkan pada sebuah inti, seperti coil, transforator, dan solenoid [4]. Jika dikenai gelobang AC, beban yang eiliki sifat induktif akan engalai pergeseran sudut fase (phase shift). Biasanya koponen AC yang engalai pergeseran adalah arusnya. Pada beban induktif arus AC akan lagging atau tertinggal terhadap tegangan AC. i I sint I I 0 V LI cost LI sin( t 90 ) LI 90 L arus lagging (.4) Gabar.4. Pengaruh gelobang AC terhadap beban induktif Beban Kapasitif Beban Kapasitif adalah beban yang eiliki keapuan kapasitansi atau keapuan untuk enyipan energi yang berasal dari pengisian elektrik (electric discharge) pada suatu sirkuit atau rangkaian. Saa halnya dengan beban induktif, beban kapasitif juga akan engalai pergeseran sudut fase (phase shift) jika terhubung dengan gelobang AC. Hanya saja jika pada beban induktif arus lagging atau tertinggal dibandingkan dengan tegangan, aka pada beban kapasitif arus bersifat leading atau endahului dibandingkan dengan tegangan. 9

5 i I sint I I 0 I I I VC ( cos t) sin( t 90 ) 90 C C C arus leading (.5) Gabar.5. Pengaruh gelobang AC terhadap beban kapasitif..1.. Daya Pada Rangkaian RLC Daya adalah hasil perkalian antara tegangan yang diberikan dengan hasil arus yang engalir. Daya dikatakan positif, ketika arus yang engalir bernilai positif artinya arus engalir dari suber tegangan enuju rangkaian. Sedangkan daya dikatakan negatif ketika arus yang engalir bernilai negatif artinya arus engalir dari rangkaian enuju suber tegangan [3]. Dala rangkaian RLC, terdapat beberapa jenis daya, yaitu daya sesaat, daya rata-rata, dan daya kopleks Daya Sesaat Daya sesaat adalah daya yang terjadi pada saat tertentu ketika sebuah koponen epunyai nilai tegangan dan arus yang engalir hanya saat waktu tersebut. Daya sesaat dapat diruuskan sebagai berikut P( t) v( t). i( t) (.6) 10

6 diana, P(t) = daya sesaat (watt) v(t) i(t) = tegangan pada saat t (volt) = arus pada saat t (apere).1... Daya Rata-Rata Daya rata-rata adalah daya yang dihasilkan sebagai integral dari fungsi periodik waktu terhadap keseluruhan range waktu tertentu dibagi periodenya sendiri [3]. Dengan enggunakan persaaan (.1) sebagai acuan, dapat diketahui daya rata-rata pada setiap koponen pasif. Daya rata-rata pada koponen induktor (L) dengan V ( t) V sint, aka akan didapatkan arus yang engalir pada koponen induktor adalah 1 1 i( t) V ( t) dt V sin tdt L L V V i( t) cost sin( t ) L L (.7) diana, V I aka didapatkan nilai dari i(t)adalah L i( t) I sin( t ) (.8) sehingga dengan persaaan (.6) didapatkan daya sesaat pada koponen L P( t) V ( t). i( t) Vsin t. Isin( t ) 1 P( t) V I sint cost VI sin t (.9) 11

7 Gabar.6. Hubungan daya sesaat, tegangan, dan arus pada koponen induktor (L). Ketika tegangan dan arus positif aka dayanya positif dapat diartikan energi engalir dari suber ke induktor, deikian juga ketika tegangan dan arus negatif. Akan tetapi ketika tegangan dan arus berlawanan tanda aka dayanya negatif artinya energi engalir dari induktor ke suber tegangan, sehingga dapat dicari daya rata-rata pada koponen induktor adalah P P( t) dt V I sin tdt V I sin tdt P V I sin tdt V I sin tdt cos P VI t (.10) Daya rata-rata yang diperoleh secara ateatis pada koponen induktor aka eiliki nilai saa dengan nol. Deikian juga daya rata-rata yang diperoleh untuk perhitungan ateatis pada beban kapasitor, nilai yang didapatkan akan saa dengan nol. Sedangkan daya rata-rata pada koponen resistor dengan pendekatan persaaan yang saa akan diperoleh 1

8 1 1 1 P P( t) dt VI (1 cos t) dt P VI (1 cos t) dt P VI ( t sin t) P VI. VI 4 0 (.11) Dari persaaan (.11) daya rata-rata pada koponen resistor dapat dituliskan dala persaaan berikut 1 V I P VI Veff. Ieff (.1) Untuk enghindarkan daya rata-rata pada koponen induktor dan kapasitor saa dengan nol, dapat diabil ruus uu, diana V ( t) V sint i( t) I sin( t ) (.13) dengan nilai tergantung dari koponen induktor atau kapasitor yang terpasang. Jika induktor bertanda + dan kapasitor akan eiliki tanda -, sehingga P( t) V ( t). i( t) V sin t. I sin( t ) 1 P( t) VI [cos cos( t )] (.14) Daya sesaat P(t) keudian diasukkan pada persaaan (.1), aka didapatkan persaaan daya rata-rata uu untuk beban induktor dan kapasitor P P( t) dt VI [cos cos( t )] dt P VI cos Veff. Ieff cos (.15) 13

9 Daya Kopleks Daya rata-rata sebenarnya adalah daya yang dipakai oleh koponen pasif resistor yang erupakan daya yang terpakai atau terserap [3]. Jika dala penerapan nyata, daya rata-rata inilah yang akan ditagihkan kepada pelanggan dari PLN. Daya rata-rata eiliki sibol P dan eiliki satuan watt. Secara ateatis, daya rata-rata atau daya aktif adalah hasil perkalian antara tegangan efektif, arus efektif, dan koefisien faktor dayanya. P V I cos (.16) eff eff Daya reaktif adalah daya yang uncul karena adanya koponen pasif selain resistor yang terpasang, bisa kapasitor aupun induktor []. Daya ini seinial ungkin dihindari atau setidaknya diperkecil karena daya reaktif erupakan daya rugi-rugi. Daya reaktif disibolkan Q dan eiliki satuan volt.apere.reaktif (VAR). Secara ateatis, daya reaktif adalah hasil perkalian antara tegangan efektif, arus efektif dan nilai sin θ. Q V I sin (.17) eff eff Daya tapak atau nyata erupakan daya yang sebenarnya disupply oleh PLN kepada pelanggan. Daya ini erupakan resultan daya antara daya rata-rata dan daya reaktif [3]. sibol dari daya tapak adlah S dan eiliki satuan volt.apere (VA). Secara ateatis, daya tapak atau nyata adalah hasil perkalian antara tegangan efektif dan arus efetifnya. S V I (.18) eff eff Daya tapak atau daya nyata biasa juga disebut dengan daya kopleks, yaitu gabungan antara daya rata-rata dan daya reaktif. Daya kopleks eiliki dua buah bagian, yaitu bagian nyata dan nilai iajinernya seperti berikut S P jq V I cos jv I sin V I (.19) eff eff eff eff eff eff 14

10 .1.3. Faktor Daya Faktor daya atau power factor (pf) adalah perbandingan antara daya ratarata atau daya aktif terhadap daya tapak. Secara ateatis, faktor daya dapat ditulis dala persaaan berikut pf pf P Veff Ieff cos S V I cos eff eff (.0) Dengan enggunakan segitiga daya, aka dapat dilihat hubungan antara faktor daya dengan daya pada rangkaian RLC. Untuk beban yang besifat induktif, faktor daya akan bernilai positif karena arus yang engalir engalai pergeseran fase (phase shift) dan tertinggal atau lagging terhadap tegangannya. S Q θ P Gabar.7. Segitiga daya pada beban induktif. Sedangkan pada beban yang bersifat kapasitif, faktor daya akan bernilai negatif karena arus yang engalir engalai pergeseran fase (phase shift) dan endahului atau leading terhadap tegangannya. P θ S Q Gabar.8. Segitiga daya pada beban kapasitif. 15

11 .. Sensor Arus ACS71 Pengukuran Arus ebutuhkan sebuah resistor shunt yaitu resistor yang dihubungkan secara seri dengan beban dan akan enghasilkan tegangan. egangan tersebut biasanya diupankan ke current transforator terlebih dahulu sebelu asuk ke rangkaian pengkondisi sinyal. Dengan teknologi hall effect yang diterapkan oleh Allegro MicroSyste, Inc, fungsi dari resistor shut dan current transforator dapat digantikan dengan oleh sebuah sensor yang eiliki ukuran relatif lebih kecil. ACS71 adalah suatu sensor arus yang enerapkan teknologi hall effect untuk endeteksi perubahan arus yang engalir dan engubahnya dala bentuk tegangan yang proporsional terhadap perubahan arus. AC71 dapat digunakan untuk pegukuran arus bolak-balik (AC) aupun arus searah (DC). Sensor ini biasa diterapkan oleh industri, otootif, koersil, dan siste kounikasi. Pada uunya aplikasi dari sensor ini digunakan untuk engontrol otor deteksi beban listrik, switched-ode power supply, dan proteksi beban berlebih [4]. Gabar.3. Sensor arus ACS71. Sensor ini enggunakan satu jalur elektrik yang terbuat dari tebaga diana jalur tersebut terintegrasi dengan rangkaian low-offset hall linear yang eungkinkan pebacaan yang akurat [5]. Cara kerja dari sensor ACS71 adalah arus yang engalir pada kabel tebaga akan enghasilkan edan agnet yang akan enginduksi rangkaian hall yang terintegrasi di dalanya dan diubah 16

12 enjadi tegangan yang proporsional terhadap arusnya. egangan keluaran yang dihasilkan oleh sensor selalu bernilai positif karena dipengaruhi oleh rangkaian low-offset yang terdapat didalanya. Perubahan besar tegangan keluaran sensor ACS71 linear terhadap arus yang engalir. Gabar.4. Perbandingan tegangan keluaran dengan arus input [5]. Sensor arus ACS71 eiliki beberapa fasilitas dan keunggulan dibandingkan dengan sensor arus jenis lainnya, diantaranya sebagai berikut: Sinyal pengganggu (noise) pada rangkaian rendah. Bandwidth dapat diatur dengan enggunakan pin FILER. Waktu tanggapan keluaran cepat terhadap input, 5 us. Bandwidth yang tersedia cukup lebar, 80 khz. Habatan dala 1, Ω. Operasi catu daya tunggal sebesar 5 VDC. Sensitivitas keluaran dari 66 V 185 V tiap apere. Dapat digunakan untuk pengukuran arus AC aupun DC. Meiliki offset tegangan yang stabil. ingkat keakurasian sudah terkalibrasi dari pabrikan pebuat. 17

13 Gabar.5. Konfigurasi pin sensor arus ACS71 [5] abel.1. abel deskripsi asing-asing pin sensor arus ACS71 [5]. Noor pin Naa pin Keterangan 1 dan IP+ erinal untuk arus yang diukur 3 dan 4 IP- erinal untuk arus yang diukur 5 GND erinal ground 6 FILER erinal untuk kapasitor eksternal sebagai pengatur bandwidth 7 VIOU Analog output 8 VCC Supply tegangan.3. Mikrokontroler AVR Berdasarkan arsitekturnya, AVR (AdvanceVersatile Risc) erupakan ikrokontroler buatan Atel yang enggunakan teknologi RISC (Reduce Instruction Set Coputing) yang dikebangkan setelah ikrokontroler keluarga MCS-51 [6]. Mikrokontroler keluarga AVR eiliki lebar data bus 8 bit. Jika ikrokontroler MCS-51 eerlukan seperduabelas kali frekuensi osilator untuk sekali eksekusi instruksi progra, aka ikrokontroler keluarga AVR engeksekusi instruksi progra hanya dala sekali clock frekuensi osilator atau dengan kata lain eiliki frekuensi kerja yang saa dengan frekuensi osilatornya. Sebagai perbandingan, jika digunakan frekuensi yang saa untuk kedua jenis ikrokontroler ini, dapat dikatakan ikrokontroler keluarga AVR 18

14 akan eiliki kecepatan eksekusi progra dua belas kali lebih cepat dibandingkan eksekusi progra ikrokontroler keluarga MCS-51 Seua jenis AVR telah dilengkapi dengan eori flash sebagai eori progra. Kapasitas eori flash yang diiliki bervariasi dari 1KB sapai 18KB. Secara teknis eori jenis ini dapat diprogra elalui saluran antaruka yang dikenal dengan naa Serial Peripheral Interface (SPI). Dari segi fitur dan fasilitas yang ditawarkan, ikrokontroler keluarga AVR eiliki fitur yang elipah. Fitur tersebut diantaranya adalah ikrokontroler keluarga AVR sudah dilengkapi dengan ADC internal, eori progra dan eori data relative lebih besar, rangkaian koparator internal, PWM internal, bahkan ikrokontroler AVR sangat kopatibel dengan perograan bahasa C. Mikrokontroler keluarga AVR terbagi dala 4 sub bagian, yaitu Atiny, Aega, A90Sxx, dan AVR fungsi khusus. Pebagian ini ditujukan agar peakaian ikrokontroler labih aksial. Misal, penggunaan ikrokontroler Atiny untuk aplikasi sederhana dan relatif lebih kecil, sedangkan Aega digunakan untuk aplikasi yang lebih ruit dan relatif enggunakan alokasi eori yang lebih besar Mikrokontroler AMega3 Mikrokontroler AMega3 adalah sebuah chip ikrokontroler keluarga AVR. Mikrokontroler jenis ini eiliki frekuensi kerja yang saa dengan frekuensi osilatornya dan cukup tinggi, yaitu aksial 16MHz. Ukuran flash eori cukup besar, kapasitas SRAM sebesar KB, dan 3 buah port input/output yang sangat eadai untuk berinteraksi dengan perangkat lainnya. Berikut adalah fasilitas dari ikrokontroler AMega3[7]. Saluran I/O sebanyak 3 buah yang terbagi dala 4 port yaitu port A, port B, port C, dan port D. ADC 10 bit sebanyak 8 saluran. iga buah tier/counter dengan keapuan pebanding. 19

15 CPU yang terdiri dari 3 register. Watchdog tier dengan osilator internal. SRA sebesar KB. Meori flash sebesar 3 KB dengan keapuan read while write. Unit interupsi internal dan external. Port antaruka SPI. EEPROM sebesar 1KB yang dapat diprogra saat operasi. Port USAR untuk kounikasi serial Berikut adalah konfigurasi pin AMega3. Gabar.6. Pinout AMega3 [7]. 0

16 abel.. abel deskripsi asing-asing pin AMega3 [7]. Naa pin VCC GND Port A(PA7 PA0) Port B(PB7 PB0) Port C(PC7 PC0) Keterangan Supply tegangan digital Ground Melayani ADC, selain itu juga bisa digunakan sebagai port I/O 8 bit dua arah dengan internal pull-up Port ini digunakan sebagai port I/O 8 bit du arah dengan internal pull-up. Port B juga bisa difungsikan secara individu sebagai: PB7 : SCK (SPI Bus Serial Clock) PB6 : MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output) PB5 : MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Inout) PB4 : /SS (SPI Slave Select Input) PB3 : AIN1 (Analog Coparator Negative Input) OC0 (Output Copare ier/counter 0) PB : AIN0 (Analog Coparator Positive Input) IN (External Interrupt Input) PB1 : 1 (ier/counter 1 External Counter Input) PB0 : 0 (ier/counter 0 External Counter Input) XCK (USAR External Clock Input, Output) Port ini digunakan sebagai port I/O 8 bit du arah dengan internal pull-up. Port B juga bisa difungsikan secara individu sebagai: PC7 : OSC (ier Oscilator ) PC6 : OSC1 (ier Oscilator 1) PC1 : SDA (Serial Data Input/Output,IC) PC0 : SCL (Serial Data Clock) 1

17 Lanjutan abel. Naa pin Port D(PD7 PD0) /RESE XAL1 XAL AVCC AREF Keterangan Port ini digunakan sebagai port I/O 8 bit du arah dengan internal pull-up. Port B juga bisa difungsikan secara individu sebagai: PD7 : OC (Output Copare ier/counter ) PD6 : ICP1 (ier Counter Input Capture) PD5 : OC1A (Output Copare A ier/counter 1) PD4 : OC1B (Output Copare B ier/counter 1) PD3 : IN1 (External Interrupt 1 Input) PD : IN (External Interrupt Input) PD1 : XD (USAR ransit) PD0 : RXD (USAR Receive) Bekerja bila endapatkan input pulsa low (active low) selaa inial 1,5 us. Input untuk penguat osilator ebalik Output dari penguat osilator ebalik Catu daya bagi internal ADC pada port A Catu daya referensi ADC