DIGITAL CLAMP AMPERE METER Hany Ferdinando Handry Khoswanto Rudyanto Sarmiento Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra Surabaya, email: {hanyf,handry}@petra.ac.id Abstract: Pengukuran besarnya arus yang melewati sebuah kabel merupakan salah satu cara orang melakukan perawatan berkala. Tetapi pengukuran arus secara konvensional mengharuskan seseorang memotong kabel yang akan diukur arusnya, sedangkan hal ini tidak dapat dilakukan pada semua sistem. Salah satu metode yang dapat dilakukan adalah menggunakan clamp meter. Caranya adalah memasukkan kabel yang akan diukur arusnya ke dalam sebuah kumparan. Hasil akhir yang diharapkan adalah besarnya arus yang melewati kabel itu. Pengukuran dengan metode ini menggunakan prinsip hukum Faraday tentang perubahan fluks magnetik pada kumparan dan tegangan induksi yang ditimbulkan, oleh karena itu dicoba untuk membuat sendiri ampere meter tipe ini. Sistem dibuat dengan menggunakan clamp bekas dan dirancang untuk mudah dibawa. Nilai arus ditampilkan ke 7-segment 3½ digit yang merupakan keluaran dari ICL7107. Arus yang diukur dibatasi untuk AC saja, dengan range 1mA 1,999A. Hasil pengujian menunjukkan bahwa alat yang dibuat termasuk dalam kelas 1,5 dengan error 2,22% Keywords: Ampere meter, clamp, Faraday Law, ICL7107 Pengukuran arus merupakan salah satu prosedur yang dilakukan pada perawatan berkala suatu alat. Pengukuran secara konvensional mengharuskan seseorang memotong kabel yang akan diukur arusnya. Tetapi hal ini tidak dapat dilakukan pada semua sistem, misalnya pada sebuah sistem yang harus berjalan 24 jam sehari, 7 hari seminggu. Pemotongan kabel harus dilakukan pada saat sistem dimatikan. Sekarang pengukuran dengan metode lama itu sudah mulai digantikan dengan sistem clamp. Sistem clamp menggunakan prinsip hukum Faraday yang mengatakan bahwa perubahan fluks magnet dalam sebuah kumparan akan menimbulkan arus yang akan mengalir pada kumparan itu. Pada tahap awal dipergunakan kumparan yang dibuat sendiri, tetapi karena hasilnya kurang memuaskan, dipergunakan kumparan dari clamp bekas. Sistem dibatasi untuk mengukur arus AC dengan range 1mA sampai dengan 1,999A. Ampere meter ini harus mudah dibawa (portable), sehingga sumber tegangannya dari batery. Hasil pengukuran ditampilkan ke 3½ 7-segment yang merupakan keluaran dari ICL7107 (Internsil, 2005). METODE Secara umum, Faraday mengatakan bahwa perubahan fluks magnet dalam sebuah kumparan akan menimbulkan arus yang mengalir pada kumparan (Cutnell, 2001). Apabila jumlah lilitan semakin besar, maka semakin besar pula tegangan yang dapat diukur di kedua ujung kumparan itu. Tegangan yang terukur di kumparan itu biasanya dalam orde mili volt. Arus AC yang mengalir pada sebuah kabel akan memberikan perubahan fluks, sehingga besarnya arus tersebut dapat diukur dengan menggunakan sistem clamp. ICL 7107 adalah sebuah ADC yang keluarannya dapat langsung ditampilkan ke 3½ 7- segment. IC ini menerima input tegangan maksimal 2V. Penggunaan komponen yang minimal membuat pengguna dapat secara langsung merangkainya dengan mudah. Gambar 1 menunjukkan blok diagram dari sistem yang dibuat. Induktor merupakan clamp yang menerima input berdasarkan hukum Faraday. Tegangan yang diukur perlu dimasukkan ke dalam sebuah rangkain buffer karena masalah impedansi yang tepat. Hal ini bertujuan untuk menghindari drop tegangan pada sistem. Karena tegangan yang dihasilkan kecil, maka perlu dikuatkan oleh sebuah amplifier. Tegangan yang dihasilkan sampai tahap ini masih berupa AC, padahal ICL 7107 hanya menerima sinyal DC. Dengan adanya kondisi ini, diperlukan sebuah penyearah. Penyearah yang dipakai harus menggunakan precision rectifier karena apabila menggunakan diode saja akan terdapat tegangan yang hilang. Selain itu sinyal yang terukur juga termasuk kecil. Gambar 1. Blok diagram sistem Sebagai tahap awal, dibuatlah kumparan yang akan difungsikan sebagai clamp. Kawat tembaga yang dipergunakan berdiameter 0,2mm dengan jumlah lilitan yang bervariasi. Diameter kawat ini dipilih sesuai dengan diameter kawat yang dipakai dalam clamp bekas.
Tabel 1. Hasil percobaaan awal clamp buatan sendiri dibandingkan dengan clamp bekas Gambar 2. Grafik dari tabel 1. Hasil pengujian awal tidak didapat hasil yang memuaskan. Tegangan yang terbaca kecil sekali atau tidak stabil. Tabel 1 menunjukkan hasil pengukuran dari clamp yang dibuat sendiri dibandingkan dengan clamp bekas. Gambar 2 menunjukkan perbandingan clamp buatan sendiri dengan bekas. Dari hasil percobaan awal yang tidak memuaskan ini, maka diputuskan untuk menggunakan clamp bekas. Dari gambar 2 telihat bahwa respon clamp buatan pabrik (bekas) lebih baik. Tegangan yang dihasilkan oleh clamp bekas lebih besar sehingga membuat pengolahan sinyal menjadi lebih mudah. Pada percobaan selanjutnya, penambahan jumlah lilitan kawat memang dapat memberikan hasil tegangan yang hampir sama, tetapi hal ini membuat clamp menjadi tidak efisien untuk dipergunakan. Tegangan dari clamp tidak dapat digunakan langsung karena akan terjadi drop tegangan. Oleh karena itu diperlukan sebuah rangkaian buffer. Buffer dibuat dari sebuah operational amplifier LM741 (National, 2005). Keluaran rangkaian buffer ini sama besarnya dengan keluaran dari clamp dan ini masih terlalu kecil untuk diolah lebih lanjut. Sebagai tahap berikutnya, sinyal ini dimasukkan ke dalam rangkaian amplifier untuk memperbesar level tegangan. Sinyal yang diterima ini masih berupa sinyal AC. Gambar 3 menunjukkan rangkaian amplifier yang dipergunakan (Coughlin, 1985). Amplifier ini menggunakan gain = 7. Hal ini akan dijelaskan kemudian. Gambar 3. Rangkaian inverting amplifier Sinyal AC tidak dapat dipergunakan langsung oleh ICL 7107, sehingga harus diubah dahulu menjadi sinyal DC. Untuk hal ini diperlukan rangkaian penyearah, tetapi penyearah biasa tidak bisa menyelesaikan masalah ini karena akan terjadi drop tegangan pada diode. Oleh karena itu dipergunakan rangkaian precision recitifier dengan menggunakan operational amplifier. Gambar 4 menunjukkan rangkaian precision rectifier yang dipergunakan. Sebagai bagian akhir dipergunakan ADC yang memiliki keluaran berupa 3½ 7-segment, yaitu ICL 7107. IC ini dapat menerima input maksimal 2V, oleh karena itu gain inverting amplifier diatur agar sesuai dengan kebutuhan ICL 7107.
Gambar 4. Precision rectifier Tabel 2. Hasil pengukuran di setiap titik Gambar 5. Cara pengujian sistem HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan dilakukan dengan menggunakan tegangan jala-jala yang diberi beban lampu yang bervariasi sehingga arus yang mengalir pada kabel juga bervariasi. Gambar 5 menunjukkan bagaimana pengukuran dilakukan. Sebagai referensi dipergunakan Fluke 73 karena memiliki tingkat kepresisian yang tinggi (5½ digit seven-segment).
Fluke 73 memiliki kemampuan pengukuran yang tinggi karena mampu melakukan pengukuran dengan 4-wire (untuk hambatan kecil) Tabel 2 menunjukkan hasil pengujian secara keseluruhan pada setiap output. Untuk mendapat gambaran yang lebih jelas terhadap pengujian ini, dilakukan uji regresi terhadap keluaran setiap titik terhadap masukan yang ada. Gambar 6 menunjukkan hasil regresi antara hasil pengukuran Fluke 73 dengan keluaran clamp. Telihat bahwa terdapat hubungan yang linier di antara keduanya. Koefisien linieritas yang didapat juga mendekati 1 (0.997) Gambar 8 menunjukkan hasil regresi linier antara pengukuran Fluke 73 dengan keluaran rectifier. Hal ini perlu dilakukan untuk melihat apakah sinyal DC keluaran rectifier masih berkorelasi dengan arus yang diukur. Gambar 8. Regresi linier antar pengukuran Fluke 73 dengan keluaran rectifier Gambar 6. Regresi linier antara pengukuran Fluke 73 dengan keluaran clamp Hasil regresi linier antara pengukuran Fluke 73 dengan keluaran inverting amplifier ditunjukkan pada gambar 7. Fungsi pendekatan yang dihasilkan juga memiliki error yang kecil, terlihat bahwa nilai r = 0.998. Nilai yang mendekati 1 ini menunjukkan bahwa error pendekatan fungsi terhadap titik yang sebenarnya kecil, berarti fungsi pendekatan itu dapat dipergunakan. Gambar 9 menunjukkan hsail regresi linier pengukuran Fluke 73 terhadap pembacaan 3½ 7- segment dari ICL 7107. Karena keluaran dari rectifier memberikan korelasi yang bagus, maka hal ini juga didapatkan untuk ICL 7107. Gambar 9. Regresi linier pengukuran Fluke 73 dan pembacaan display ICL 7107. Sebagai tahap akhir pengujian, diperlukan informasi kesalahan dari sistem yang dibuat. Tabel 3 menunjukkan hasil pengujian ini. Pengujian dilakukan seperti pada pengujian sebelumnya (lihat gambar 5). Gambar 7. Regresi linier antara pengukuran Fluke 73 dengan keluaran inverting amplifier
Tabel 3. Hasil pengukuran error sistem Dari tabel 3 dapat dilihat bahwa error ratarata sistem adalah 0,022615. Setiap jenis alat ukur memiliki class yang dapat dihitung berdasarkan (Tumbelaka, 1992), yaitu nilai erro rata-rata ini dibagi dengan full scale pengukuran alat ukur itu dan dikalikan 100. Dari hasil perhitungan didapatkan bahwa alat ukur yang dibuat ini memiliki class 1,5. Ini berarti alat ukur ini dapat dipergunakan di laboratorium untuk pengukuran yang tidak memerlukan ketelitian yang tinggi. Gambar 10. Foto alat ukur SIMPULAN Pembuatan clamp pada sistem ini harus memperhatikan jenis kawat yang dipergunakan Pengujian pada setiap titik menunjukkan bahwa ada hubungan yang linier antara arus yang diukur dengan keluarn pada setiap titik. Bahkan pada saat sinyal dimasukkan ke rectifier, hubungan ini masih linier. Penggunaan ADC dengan output 7-segment sangat mempermudah karena ini berarti tidak diperlukan sebuah microcontroller untuk membaca dan menampilkan outputnya Alat ukur ini memiliki class 1,5 yang artinya dapat dipergunakan di laboratorium untuk pengukuran yang tidak terlalu tinggi ketelitiannya Dalam pengukuran, harus diperhatikan posisi kabel yang harus berada di tengah-tengah clamp. Posisi kabel yang tidak berada di tengah clamp akan berakibat nilai yang terbaca akan berubahubah. Hal ini dikarenakan perubahan fluks yang masuk pada kumparan berubah-ubah. Fitur dari sistem yang telah dibuat: o Display 7-segment, tidak memerlukan backlite untuk aplikasi malam hari o Kelas alat ukur ini adalah 1,5 (dapat dipergunakan untuk keperluan sehari-hari o dan portable) Untuk mendapatkan range yang lebih besar, pengguna tinggal mengatur nilai tahanan Rf pada amplifier (lihat gambar 3). o Sistem diubat dengan menggunakan komponen yang mudah didapat di pasaran sehingga dapat dibuat dengan mudah
DAFTAR RUJUKAN Cutnell, J. D. dan Kenneth W Johnson. 2001. Physics 5 th ed. New York Coughlin, R. F. & Frederick F. Driscoll. 1985. Penguat Operasional Dan Rangkaian Terpadu Linier. (Herman Widodo Soemitro, Trans). Jakarta: Erlangga. Intersil. 1998 ICL7107 Datashee.. Diakses 10 Agustus 2005. http://www.datasheet4u.com/html/i/c/l/icl71 07_IntersilCorporation.pdf.html> National Semiconductor. 2005. LM741 Datasheet. Diakses 10 Agustus 2005. <http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/9027/nsc/lm741.html> Tumbelaka, H. H. 1992. Pengukuran Listrik. Diktat Kuliah. Universitas Kristen Petra, Surabaya