34 BAB III SISTEM PENGUKURAN ARUS & TEGANGAN AC PADA WATTMETER DIGITAL Pada bab ini akan dijelaskan mengenai rancangan desain dan cara-cara kerja dari perangkat keras atau dalam hal ini adalah wattmeter digital. Wattmeter digital ini akan mengukur arus dan tegangan bolak balik yang terukur dari suatu beban atau tahanan listrik secara analog yang kemudian akan diubah ke dalam bilangan digital dengan menggunakan ADC atau Analog to Digital Converter. 3.1 Pengukuran Arus dan Tegangan AC dengan mikrokontroler Cara-cara pengukuran arus dan tegangan bolak balik dapat dilihat pada blok diagram berikut 3.1.1 Blok diagram pengukuran Arus dan Tegangan AC dengan mikrokontroler Diagram blok rangkaian dari awal atau input pengukuran data sampai blok ADC pada mikrokontroller adalah sebagai berkut Gambar 3.1 Diagram Blok Input dan Blok ADC
35 Pada diagram blok tersebut terbagi dua entitas yaitu sebagai input dan sebagai pengubah analog ke digital. Pada blok input terdapat beban atau elemen tahanan yang terhubungkan dengan sumber tegangan bolak balik atau generator yang kemudian dari elemen tersebut bisa diukur besar arus dan tegangan analognya dengan menggunakan trafo tegangan (untuk mengukur tegangan) dan trafo arus / toroida (untuk mengukur arus). Trafo arus dipasang secara seri terhadap elemen tahanan dan trafo tegangan dipasang secara parallel terhadap elemen tahanan, hal ini sesuai dengan kaidah cara pengukuran arus dan tegangan listrik. Setelah itu trafo tegangan dan trafo arus masuk ke dalam pengkondisian isyarat dan kemudian terhubungkan dengan ADC atau pengubah analog ke digital yang terdapat di dalam mikrokontroller. Setelah bilangan analog sudah diubah menjadi digital, nilai tegangan dan arus yang terukur tersebut bisa ditampilkan melalui display LCD atau bisa juga ditampilkan di computer dengan menggunakan tambahan blok serial. 3.1.2 Pembaca Tegangan dan Arus AC Untuk membaca tegangan dan arus bolak balik digunakan trafo tegangan dan trafo arus, karena pada dasarnya tegangan rumah tangga berada pada kisaran 220 volt, sehingga supaya dapat terukur, tegangan tersebut harus diturunkan dengan menggunakan trafo tegangan begitu juga dengan arus. Rangkaian trafo tegangan dan trafo arus dapat dilihat sebagai berikut hot KABEL PLN neutral Current Trafo/ Toroid Ke beban 4 x 1N60 + - Trafo tegangan 1uF Output POT 10k Ground Gambar 3.2 rangkaian trafo tegangan dan trafo arus 1uF Ground POT 10k
36 RANGKAIAN TRAFO TEGANGAN Trafo tegangan adalah bagian yang fungsinya mengubah tegangan AC mains 220 V menjadi level tegangan yang lebih rendah agar mudah diukur. Dalam trafo tegangan terjadi proses penurunan tegangan, penyearahan dan penapisan Dalam rangkaian WattMeter digital, besarnya tegangan yang dihasilkan merupakan tegangan yang diturunkan secara proporsional dari tegangan jala-jala listrik. Tegangan pertama kali diturunkan dengan menggunakan transformator menjadi 1 volt yang kemudian disearahkan dengan menggunakan dioda penyearah menjadi tegangan searah. Tegangan keluaran ini ditapis dengan menggunakan kapasitor electrolytic ukuran kecil untuk menghilangkan pengaruh frekuensi yang terjadi akibat proses penyearahan sebelumnya. Selanjutnya tegangan keluaran trafo ini diberikan kepada potensiometer untuk melakukan fine-tuning agar proporsionalitas tegangan keluaran yang dihasilkan bisa sesuai dengan yang dibutuhkan rangkaian ADC. Oleh ADC besaran tegangan ini dikonversi menjadi sebuah bilangan 8 bit, sehingga untuk tegangan input maksimum 1 volt akan dibagi menjadi : 1/256 = 0,0039 kali level maksimumnya. ADC disini bukan dalam pengertian ADC diskrit, tetapi merupakan ADC yang terintegrasi ke dalam mikrokontroler Atmega8535. Dalam mikrokontroler Atmega8535, terdapat ADC dengan resolusi 10 bit, namun dapat juga dioperasikan dalam modus 8 bit. Gambar skematik Rangkaian Sensor Tegangan dapat dilihat sebagai berikut
37 Gambar 3.3 Rangkaian Trafo tegangan Transformer Arus AC Untuk membaca arus bolak balik pada wattmeter digital ini menggunakan Toroid, yang merupakan bagian dari inductor berbentuk cincin. Prinsip kerja Toroid ini menggunakan prinsip induksi elektromagnetik yaitu lilitan kawat sejumlah N dialiri arus listrik untuk menimbulkan beda potensial sehingga timbul medan magnet (B). Medan magnet ini yang kemudian digunakan untuk mengukur arus sehingga tegangan (besar ggl induksi) dapat terukur seperti pada rangkaian trafo arus pada gambar berikut. hot KABEL PLN neutral Current Trafo Ke beban + - 1uF POT 10k Ground Gambar 3.4 rangkaian trafo arus Arus yang berubah-ubah (yang terhubungkan oleh sumber tegangan dari kabel PLN) akan mempengaruhi besar fluks dan timbul induksi diri pada current trafo dan current
38 trafo ini kemudian menurunkan lagi tegangan dengan potentiometer sebelum akhirnya masuk ke dalam ADC pada mikrokontroller. Contoh gambar toroid adalah sebagai berikut Gambar 3.5 Toroid 3.2 Skematik Rangkaian Wattmeter Digital Skematik rangkaian wattmeter digital penelitian kali ini menggunakan tambahan blok serial seperti yang dapat dilihat sebagai berikut Gambar 3.6 Skematik Rangkaian
39 Pada skematik rangkaian wattmeter digital di atas terbagai dua blok, yaitu blok ADC pada mikrokontroler dan blok serial. Blok serial ini berfungsi untuk menghubungkan wattmeter digital dengan komputer dengan tujuan data arus, tegangan, dan daya yang terukur dapat ditampilkan ke komputer. Blok mikrokontroler menggunakan ATMega 8535 dan blok serial menggunakan RS232 dengan Sembilan channel atau biasa disebut dengan DB 9. 3.2.1 Blok Mikrokontroler Rangkaian mikrokontroler merupakan bagian yang menjadi pusat kendali dari keseluruhan peralatan yang ada, mulai dari membaca sensor tegangan, sensor arus hingga pengiriman data ke PC. Mikrokontroler berfungsi untuk menerima data secara serial dari komputer dan kemudian menerjemahkan kode-kodenya ke bentuk keluaran 8 saluran yang dihubungkan dengan LED. Mikrokontroler bekerja berdasarkan data dan program yang telah diisikan ke dalam flash memory yang ada didalamnya. Program tersebut ditulis dalam bahasa assembly yang kemudian dengan bantuan perangkat lunak downloader yang juga menggunakan CodeVisionAVR, untuk diisikan kedalam chip IC ATMEGA8535. Diagram Alir Mikrokontroler Fungsi program pada mikrokontroler adalah sebagai berikut : - Menerima kiriman data serial dari PC dengan format : 9600 byte perdetik, 8 bit data tanpa paritas dengan 1 bit stop (setting port COM-1 = 9600,8,n,1). - Menafsirkan Data yang dikirim menjadi aktifitas pengiriman data ke PC dengan format yang sama, tergantung pada perintah yang diberikan melalui kode perintah masukan.
40 Untuk menjalankan 2 fungsi utama tadi, maka mikrokontroler ini diprogram dengan menggunakan bahasa C untuk AVR Microcontroler (karena ATMEGA8535 adalah mikrokontroler keluarga AVR). Program yang dipergunakan adalah CodeVisionAVR. Adapun flow chart program mikrokontroler adalah sebagai berikut : Gambar 3.7 Diagram alir program Keterangan Flow Chart adalah sebagai berikut
41 1. Ketika komputer dihidupkan, mikrokontroler melakukan setting port komunikasi serial USART dengan parameter 9600 byte perdetik, 8 bit data tanpa paritas dan 1 bit stop. 2. Selanjutnya Mikrokontroler menunggu datangnya paket kiriman data dari port serial komputer menuju ke mikrokontroler 3. Jika ada data yang diterima oleh buffer input mikrokontroler (yaitu register SBUF), maka mikrokontroler melanjutkan proses dengan menerjemahkan kode tersebut sesuai dengan data yang diterimanya dalam bentuk nyala LED (dengan memberikan logika LOW jika port bersangkutan hendak digunakan menyalakan LED dan memberikan logika HIGH untuk mematikannya). 3.2.2 RS 232 (Blok Serial) Fungsi rangkaian RS 232 adalah menyamakan level tegangan TTL pada saluran Rx dan Tx pada mikrokontroler dengan saluran data standar RS232 dari komputer. gunanya adalah untuk menjembatani komunikasi data serial antara mikrokontroler yang menggunakan standar tegangan level TTL dengan komputer yang memiliki standar tegangan komunikasi data RS232. Perangkat keras pada komunikasi serial port dibagi menjadi dua kelompok, yaitu Data Communication Equipment (DCE) dan Data Terminal Equipment (DTE). Contoh dari DCE adalah scanner, modem, dan lain - lain, sedangkan contoh dari DTE adalah terminal pada komputer. Spesifikasi elektris serial port merujuk pada EIA adalah sebagai berikut Space (logika 0) tegangan antara +3 volt hingga +25 volt. Mark (logika 1) tegangan antara -3 volt hingga -25 volt.
42 Daerah antara -3 volt sampai dengan 3 volt tidak digunakan. Arus hubungan singkat tidak boleh melebihi 500 mv. Gambar 3.8 Port DB 9 UART 0 dan UART 1 Jika peralatan yang digunakan menggunakan logika TTL,maka sinyal serial port harus dikonversikan terlebih dahulu ke dalam pulsa TTL sebelum digunakan. Sebaliknya, sinyal dari peralatan harus dikonversikan terlebih dahulu ke logika RS- 232 sebelum dimasukan ke serial port. Konverter yang digunakan pada Wattmeter AC satu phasa ini salah satunya adalah MAX-232. Gambar 3.9 IC MAX 232