Pengukuran Tegangan AC dan DC Via Arduino.docx

Laporan Praktikum Pengukuran Tegangan AC dan DC Via Arduino (Wattmeter) Ahmad Fauzi#1 , Ahmad Khafid S *2 , Prisma Megantoro #3 #Metrologi dan Instrumentasi, Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada, Jln. Sekip Unit 1 Catur Tunggal Yogyakarta 55281 INDONESIA 1

[email protected], 2 [email protected] ABSTRAK

Tegangan listrik adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik, dan dinyatakan dalam satuan volt. Besaran ini mengukur energi potensial dari sebuah medan listrik yang mengakibatkan adanya aliran listrik dalam sebuah konduktor listrik. Tergantung pada perbedaan potensial listriknya, suatu tegangan listrik dapat dikatakan sebagai ekstra rendah, rendah, tinggi atau ekstra tinggi. Secara definisi tegangan listrik menyebabkan obyek bermuatan listrik negatif tertarik dari tempat bertegangan rendah menuju tempat bertegangan lebih tinggi. Sehingga arah arus listrik konvensional di dalam suatu konduktor mengalir dari tegangan tinggi menuju tegangan rendah. Tegangan dibagi menjadi 2 yaitu tegangan AC dan tegangan DC. Tujuan dalam praktikum kali ini adalah mahasiswa dapat memahami tegangan AC dan tegangan DC dengan menggunakan mikrokontroler Arduino. Implementasi penggunaan mikrokontroler arduino uno ini dirancang untuk pembanding sistem pengukuran arus, tegangan, daya maupun energi listrik secara manual dan konvensional yang diwakili menggunakan clamp meter. Hasil dan kesimpulan dari praktikum ini adalah tegangan AC maupun DC dari listrik PLN (AC) atau sumber tegangan lain seperti aki dan baterai (DC) saat diukur mengalami fluktuasi karena tegangan sumber selalu mengalami perubahan kecil yang tidak teratur dan cepat sehingga menghasilkan data pengukuran besaran listrik yang tidak konsisten. Keywords— Rangkaian Pembagi Tegangan, Theorema Thevenin dan Rangkaian Penyearah dan Regulator.

A. Pendahuluan

B. Literature

Tegangan listrik atau yang lebih dikenal

sebagai

Besar arus listrik yang mengalir dalam

beda potensial

suatu rangkaian ditentukan oleh besar

perbedaan potensial

tegangan (sumber) dan tahanan pada

listrik antara dua titik dalam rangkaian

rangkaian tersebut. Menurut G. S. Ohm

listrik. Tegangan listrik merupakan ukuran

besar arus yang mengalir dalam suatu

beda

rangkaian

listrik adalah

potensial

yang

mampu

berbanding

lurus

dengan

membangkitkan medan listrik sehingga

tegangan dan berbanding terbalik dengan

menyebabkan timbulnya arus listrik dalam

tahanannya.

sebuak

listrik.

Tegangan AC dan DC Via Arduino

perbedaan

(Wattmeter) dapat dilakuakan dengan

potensialnya, tegangan listrik memiliki

berbagai macam cara dan metode. Salah

empat tingkatan:

satu

konduktor

Berdasarkan

ukuran

 Tegangan ekstra rendah (extra low Voltage)

Praktikum

contohnya

Pengukuran

adalah

pengukuran

tegangan listrik AC dan DC menggunakan mikrokontroler Arduino. Metode ini dapat

 Tegangan rendah (low Voltage)

mengatasi keterbatasan dalam pencatatan

 Tegangan tinggi (high Voltage)

tegangan listrik secara manual. Disisi lain,

 Tegangan ekstra tinggi (extra

pemanfaatannya saat ini semakin populer

high Voltage)

dengan lahirnya aplikasi-aplikasi otomatis.

Rumus untuk mencari tegangan adalah :

Mikrokontroler

V=I.R

digunakan untuk memonitor penggunaan

dimana V = tegangan; R = hambatan; dan I

energi

=arus.

terintegrasi dengan sistem informasi untuk Tegangan listrik memiliki satuan

listrik

Arduino

Uno

dapat

secara realtime yang

memudahkan pihak penyedia energi listrik

Volt. Simbol untuk tegangan listrik adalah

dan

V.

pemakaian arus tegangan maupun daya

namun

dalam

referensi-referensi

pelanggan

dalam

akademis lebih sering digunakan simbol E

sehingga

untuk menyebutkan tegangan listrik. Hal

penggunaan energi listrik.

ini dilakukan agar tidak tertukar dengan simbol satuan tegangan (Volt) yang juga disimbolkan dengan V.

dapat

memonitor

mengetahui

langsung

C. Dasar Teori

Rangkaian

pembagi

tegangan

biasanya digunakan untuk membuat suatu

Nampak bahwa tegangan masukan terbagi

tegangan referensi dari sumber tegangan

menjadi dua bagian ( o S v , v ), masing-

yang lebih besar, titik tegangan referensi

masing sebading dengan harga resistor

pada sensor, untuk memberikan bias pada

yang dikenai tegangan tersebut. Sehingga

rangkaian penguat atau untuk memberi

besarnya VO dapat dirumuskan sebagai

bias pada komponen aktif. Rangkaian

berikut.

pembagi tegangan pada dasarnya dapat dibuat dengan 2 buah resistor, contoh rangkaian dasar pembagi tegangan dengan output VO dari tegangan sumber VI menggunakan resistor pembagi tegangan

Rangkaian Pembagi Tegangan Terbebani

R1 dan R2 seperti pada gambar berikut.

Gambar. Rangkaian Pembagi Tegangan Terbebani

Gambar Gambar. Rangkaian Dasar Pembagi

rangkaian

pembagi

tegangan diatas memperlihatkan suatu pembagi tegangan dengan beban terpasang

Tegangan

pada terminal keluarannya, mengambil Dari rangkaian pembagi tegangan diatas dapat dirumuskan tegangan output VO. Arus (I) mengalir pada R1 dan R2 sehingga nilai tegangan sumber VI adalah penjumlahan VS dan VO sehingga dapat dirumuskan

sebagai

berikut.

arus io dan penurunan tegangan sebesar vo. Kita akan mencoba menemukan hubungan antara io dan vo . Jika arus yang mengalir melalui R1 sebesar i seperti ditunjukkan dalam gambar, maka arus

yang mengalir lewat R2 adalah sebesar i– io.

Dengan

rangkaian

yang

disederhanakan seperti diatas, maka dapat dengan

mudah

ditentukan

tengangan

output vo. Dengan beban adala RL maka besarnya tegangan output vo adalah. Dimana Vo/c adalah besarnya tegangan vo tanpa adanya beban, yaitu saat io=0, dan harga

ini

disebut

sebagai

tegangan

keluaran saat rangkaian terbuka (opencircuit

output

voltage)

sebesar.

Rangkaian

pembagi

tegangan

(voltage divider) merupakan dasar untuk memahami rangkaian DC atau rangkaian elektronika

yang

lebih

komplek.

dengan Theorema thevenin adalah salah satu teori elektronika yang mempelajari RP disebut sebagai “resistansi sumber”, dimana harganya sama dengan resistansi R1 dan R2 yang dihubungkan secara paralel. Harga vo/c atau RP tergantung pada sifat dari beban, sehingga efek vo akibat besarnya beban dapat dengan mudah dihitung dengan menggunakan penyederhanaan rangkaian seperti terlihat pada

gambar

berikut.

tentang nilai tegangan pada rangkaian listrik yang terbebani. Kembali pada pembahasan terbebani,

pembagi hasil

penyederhanaan

yang

tegangan diperoleh

rangkaian

yang dari

merupakan

salah satu kasus dari teorema Thevenin. Secara singkat teorema Thevenin dapat dikatakan sebagai berikut. “Jika suatu kumpulan rangkaian sumber tegangan dan resistor dihubungkan dengan dua terminal keluaran, maka rangkaian tersebut dapat digantikan dengan sebuah rangkaian seri dari sebuah sumber tegangan rangkaian terbuka v0/c dan sebuah resistor RP“ Gambar rangkaian dibawah menunjukkan suatu

Gambar. Penyederhanaan Rangkaian

jaringan

rangkaian

yang

akan

dihubungkan dengan sebuah beban RL. Kombinasi seri v0/c dan RP pada gambar

d

dibawah

merupakan

ekivalen/setara

rangkaian

mudah adalah dengan menghitung harga

Thevenin.

RP (harga resistansi yang dilihat dari kedua ujung terminal keluaran). Dalam hal ini RP dihitung dengan melihat seolaholah

tidak

ada

Penyearah

sumber

adalah

tegangan.

rangkaian

elektronika yang berfungsi menyearahkan gelombang arus listrik. Arus listrik yang semula berupa arus bolak-balik (AC) jika dilewatkan rangkaian Penyearah akan berubah Gambar. Rangkaian Terbentuknya

menjadi

arus

searah

(DC).

Jenis-jenis penyearah :

Rangkaian Setara Thevenin a. Penyearah Setengah Gelombang Ada beberapa kondisi ekstrem dari rangkaian pada gambar rangkaian setara

Merupakan rangkaian penyearah yang dibangun menggunakan satu dioda saja.

thevenin diatas, seperti misalnya saat RL = ∞ dan RL = 0. Harga RL = ∞ berada pada kondisi rangkaian terbuka, seolaholah RL dilepas dari terminal keluaran, dengan

demikian

diperoleh

tegangan

rangkaian terbuka sebesar v0/c (lihat gambar b diatas). Saat RL = 0 (gambar c diatas) berarti rangkaian berada pada kondisi hubung singkat (kedua ujung terminal terhubung langsung) dengan arus hubung

singkat

Is/c

sebesar

: Gambar.Penyearah setengah gelombang

Pada beberapa rangkaian, perhitungan

Prinsip kerja dari rangkaian penyearah

v0/c ataupun Is/c kemungkinan sangat sulit

setengah gelombang ini adalah pada saat

untuk dilakukan. Langkah yang paling

setengah gelombang pertama (puncak)

melewati dioda yang bernilai positif menyebabkan

dioda

dalam

keadaan

‘forward bias’ sehingga arus dari setengah gelombang pertama ini bisa melewati dioda. Pada setengah gelombang kedua (lembah)

yang

menyebabkan

bernilai

negatif

dalam

keadaan

dioda

‘reverse bias’ sehingga arus dan setengah gelombang kedua yang bernilai negatif ini tidak bisa melewati dioda. Keadaan ini terus

berlanjut

dan

berulang.

Gambar. Penyearah gelombang penuh

Rangkaian

penyearah

setengah

gelombang ini memiliki kelemahan pada kualitas arus DC yang dihasilkan. Arus DC rata-rata yang dihasilkan dari rangkaian ini hanya 0,318 dari arus maksimum-nya, jika dituliskan dalam persamaan matematika adalah IAV

sebagai =

0,318

berikut; •

IMAX

Oleh sebab itu rangkaian penyearah setengah digunakan

gelombang

lebih

sering

sebagai

rangkaian

yang

berfungsi untuk menurunkan daya pada suatu rangkaian elektronika sederhana dan digunakan juga sebagai demodulator pada radio penerima AM. b. Penyearah gelombang penuh

Cara

kerja

rangkaian

penyearah

gelombang penuh dengan 2 dioda ini dapat bekerja

karena

menggunakan

transformator dengan CT. Transformator dengan CT seperti pada gambar diatas dapat memberikan output tegangan AC pada kedua terminal output sekunder terhadap

terminal

CT

dengan

level

tegangan yang berbeda fasa 180°. Pada saat terminal output transformator pada D1 memberikan sinyal puncak positif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak negatif, pada kondisi ini D1 pada posisi forward dan D2 pada posisi reverse. Sehingga sisi puncak positif dilewatkan melalui D1. Kemnudian pada saat terminal output transformator pada D1

Merupakan rangkaian penyearah yang dibangun menggunakan dua diode.

memberikan sinyal puncak negatif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak positif, pada kondisi ini D1 posisi reverse dan D2 pada posisi forward.

Sehingga sinyal puncak positif dilewatkan melalui D2.

power

c. Penyearah

gelombang

penuh

dengan 4 dioda (jembatan)

menggunakan

supply

yang

berfungsi

untuk

memberikan stabilitas output pada suatu power supply. Output tegangan DC dari penyearah tanpa regulator mempunyai

Merupakan rangkaian penyearah yang dibangun

Regulator tegangan adalah bagian

4

dioda

menggunakan transformator non-CT.

kecenderungan berubah harganya saat dioperasikan. Adanya perubahan pada masukan AC dan variasi beban merupakan penyebab utama terjadinya ketidakstabilan pada

power

peralatan

supply.

Pada

elektronika,

sebagian terjadinya

perubahan catu daya akan berakibat cukup serius. Untuk mendapatkan pencatu daya yang stabil diperlukan regulator tegangan. Regulator tegangan untuk suatu power supply

paling

sederhana

adalah

menggunakan dioda zener. Rangkaian dasar penggunaan dioda zener sebagai regulator tegangan dapat dilihat pada Gambar. Penyearah gelombang

gambar

rangkaian

dibawah.

penuh dengan 4 dioda (jembatan) Prinsip kerja saat output transformator memberikan level tegangan sisi positif, maka D1, D4 pada posisi forward bias dan D2, D3 pada posisi reverse bias sehingga

Gambar. Regulator Tegangan Pada Power

level tegangan sisi puncak positif tersebut

Supply

akan di leawatkan melalui D1 ke D4. Kemudian pada saat output transformator memberikan level tegangan sisi puncak negatif maka D2, D4 pada posisi forward bias dan D1, D2 pada posisi reverse bias sehingan

level

tegangan

sisi

tersebut dialirkan melalui D2, D4.

negatif

Rangkaian pencatu daya (power supply) dengan regulator diode zener pada gambar

rangkaian

diatas,

merupakan

contoh

sederhana

cara

pemasangan

regulator tegangan dengan dioda zener.

Diode zener dipasang paralel atau shunt dengan L dan R . Regulator ini hanya memerlukan sebuah diode zener terhubung seri dengan resistor RS . Perhatikan bahwa diode zener dipasang dalam posisi reverse bias. Dengan cara pemasangan ini, diode zener

hanya

akan

berkonduksi

saat

tegangan reverse bias mencapai tegangan breakdown dioda zener. Penyearah berupa rangkaian diode tipe jembatan (bridge) dengan proses penyaringan atau filter berupa

filter-RC.

Resistor

seri

pada

rangkaian ini berfungsi ganda. Pertama, resistor ini menghubungkan C1 dan C2 sebagai rangkaian filter. Kedua, resistor ini berfungsi sebagai resistor seri untuk

Alat dan bahan : 1. Clampmeter 2. Resistor, Kapasitor, Dioda 3. DC Power Supply 4. Arduino Training Kit 5. Kabel-kabel jumper dan konektor 6. Komputer Setelah alat dan bahan siap kemudian melakukan langkah kerja sebagai berikut : a. Membuat firmware menggunakan IDE Arduino pada computer : 

yang

dipasang

dapat



breakdown misal dioda zener 9 volt.

zener, misalnya untuk penggunaan dioda

dioda zener biasanya tertulis pada body dari

dioda

tombol

“VERIFY”

software

IDE,

selesai 

Colokkan kabel data untuk mengkoneksikan

Arduino

dan computer 

Melihat “device manager”, memastikan Arduino telah

zener 9 volt maka gunakan output transformer 12 volt. Tegangan breakdown

yang

menunggu sampai proses

Tegangan output transformer harus lebih tinggi dari tegangan breakdown dioda

Klik pada

dengan

sembarang dioda zener dengan tegangan

firmware

disajikan pada lampiran

regulator tegangan (dioda zener). Diode zener

Menulis

terbaca USB computer 

Pada IDE, melihat pada menu

tersebut.

“TOOL”>”SERIAL

POR” memastikan bahwa COM

D. Langkah Kerja

Arduino

yang

diaksud sudah tercennntang Untuk

melakukan

pengukuran



(Melakukan poin b) Klik

tegangan AC dan DC Via Arduino

tombol “UPLOAD” pada

(Wattmeter) adalah yang pertama dengan

software IDE, menunggu

menyiapkan alat dan bahan.

sampai proses selesai



Memastikan

firmware

Tabel. Data yang diperoleh dari pengukuran

sudah sukses ter-upload ke chip Arduino

Perbandingan nilai yang didapatkan

b. Merangkai alat dan bahan seperti gambar berikut :

oleh praktikan pada tegangan serial dan tegangan

yang

diukur

menggunakan

clampmeter semua data selisihnya tidak banyak

dan

semua

data

mengalami

fluktuasi dari pengukuran pertama sampai pengukuran keempat. Kedua metode ini seharusnya mendapatkan nilai yang sama saat pengukuran/waktu yang sama, hal ini tidak bisa diperoleh disebakan oleh faktorGambar. Skema Pengukuran Tegangan AC dan DC Via Arduino

faktor diantaranya: Faktor alat

(Wattmeter) Pembacaan pada display clammeter c. Melihat data yang telah diunggah ke computer via komunikasi serial,

untuk menentukan nilai arus dan tegangan, nilainya mengalami naik turun sehingga menyebabkan sulitnya untuk penentuan

dengan klik menu “TOOL”>>”SERIAL MONITOR” d. Mengamati setiap datanya,

nilai yang sebenarnya. Faktor manusia/pengamat

mengukur rangkaian skematik dengan menggunakan clampmeter.

Pada pembacaan pada clamp meter praktikan tidak bisa sepenuhnya tepat pada waktu yang ditentukan, bisa saja lebih atau

E. Hasil

kurang dari beberapa detik dari waktu No

Pengukuran

Teg

Teg

yang ditentukan, hal ini dikarenakan

ke

Serial

Clamp

praktikan yang mengukur dan mencatat

(V)

(V)

juga berdeda-beda.

1

1

220

219

2

2

219

220

3

3

218

217

1. Nilai yang didapatkan dari pengukuran

4

4

217

219

pertama

E. Kesimpulan dan Saran

sampai

keempat

untuk

pengukuran tegangan yang diamati melalui tegangan serial adalah 220V, 219 V, 218V, 217V. Untuk pengukuran tegangan yang diamati

melalui

pengukuran

pertama

clampmeter sampai

dari

keempat

didapatkan nilai tegangan 219V, 220V, 217V dan 219V.

F. Referensi 1]

Penyearah,

http://kreativitas-

elektronika.blogspot.co.id/2013/07/penyea rah.html Diakses pada 7 Desember 2015 [2]

Theorema

Thevenin,

2. Tegangan AC maupun DC dari listrik

http://elektronika-dasar.web.id/teorema-

PLN (AC) atau sumber tegangan lain

thevenin/

seperti aki dan baterai (DC) saat diukur mengalami

fluktuasi

karena

Diakses pada 15 Desember 2015

tegangan

sumber selalu mengalami perubahan kecil

[3]

yang tidak teratur dan cepat sehingga

http://budisma.net/2015/03/perbedaan-

menghasilkan data pengukuran besaran

tegangan-ac-dan-dc.html

listrik yang tidak konsisten. Saran untuk praktikum yang lain adalah alat dan bahan diperbanyak agar praktikan tidak saling menunggu untuk praktikum.

Perbedaan

listrik

AC

Diakses pada 15 Desember 2015

dan

DC,

Lampiran