Upload
others
View
15
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ANALISIS TRANSDUSER ARUS DENGAN MENGGUNAKAN BERBAGAI
MACAM RESISTANSI DAN UKURAN TOROIDA
Hans Wibowo Putra
Iwa Garniwa
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
UI Depok, 16424
E-mail: [email protected]
Abstrak
Pengukuran arus dapat diartikan sebagai kegiatan mengukur arus yang mengalir melalui sebuah
rangkaian tertutup. Hal ini dapat dilakukan dengan berbagai metode, sebagai contoh dengan
menggunakan ampere-meter, trafo arus (trafo penurun tegangan), meter jepit. Metode yang
paling umum diketahui adalah dengan menggunakan ampere-meter, dikarenakan oleh faktor
teknik dan ekonomi. Namun, ada sebuah fenomena alam yang disebut Efek Hall yang dapat
membawa pembaruan dalam mengukur arus. Efek Hall adalah perbedaan tegangan diantara
konduktor elektrik, hasil dari perubahan arus listrik di konduktor dan medan magnet yang tegak
lurus dengan arus. Kelebihan menggunakan metode ini dalam mengukur arus ialah tahan
terhadap debu, kotoran, lumpur, dan air. Karakteristik ini yang membuat alat Efek Hall lebih
baik dalam penginderaan optic dan elektromekanik. Efek ini diaplikasikan di dalam alat yang
disebut transduser arus. Proyek ini bertujuan untuk melakukan eksperimen menggunakan
transduser arus dan toroidal. Toroida dibuat dan diuji untuk memperagakan dan mensimulasikan
keadaan di dalam transduser arus dengan menggunakan berbagai macam resistansi dan ukuran
toroid, sehingga hasil dari kedua buah alat dapat dibandingkan. Hasil yang diinginkan dari
proyek ini adalah pengertian mengenai cara kerja transduser arus dan toroidal termasuk efek
memagnetisasi dan demagnetisasi, termasuk membandingkan hasil dari toroida dengan
transduser arus. Software skema dan software untuk merancang PCB juga digunakan sebagai
bagian dari proyek, bersamaan dengan eksperimen dan simulasi.
Kata kumci: Current Measurement; Hall Effect; Toroidals
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
Abstract
Current measurement is defined as measure current that flows through a closed circuit. This
measurement can be done in many ways, such as using an ammeter, current transformer (step
down transformer), clamp meter, etc. The most commonly known techniques of measuring
current are using an ammeter, because of technical and economic reasons. However, there is a
natural phenomenon called Hall Effect that can lead a new way of measuring current. The Hall
Effect is the production of a voltage difference across an electrical conductor, transverse to an
electric current in the conductor and a magnetic field perpendicular to the current. The
advantage of using this method to measure a current is immune to dust, dirt, mud, and water.
These characteristics make Hall Effect devices better for optical and electromechanical sensing.
This effect is applied in a device called current transducer. This project is aimed to conduct
experiments using the current transducer and toroidals. The toroidals were used to replicate and
simulate the inside of the current transducer in various resistance and diameter of toroid
condition, so the results from both devices can be compared. The expected outcomes of this
project are the understanding of the operation of current transducer and toroidals including the
magnetized and demagnetized effect. Schematics software and PCB design software are
performed as part of this project, along with experiments, calculation, and simulations.
Keywords: Current Measurement; Hall Effect; Toroidals
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
3
Universitas Indonesia
1. Latar Belakang
Sekarang ini, peralatan elektrik memegang peran penting dalam kehidupan dunia
modern. Hampir di setiap aspek hidup manusia memerlukan listrik. Dikarenakan
banyaknya kebutuhan akan listrik, pemahaman mengenai listrik diperlukan.
Dalam kehidupan sehari-hari, hal-hal yang paling umum berkaitan dengan listrik
adalah tegangan, arus, dan daya. Banyak karakteristik dari komponen-konponen
listrik ditentukan dari ketiga aspek tersebut. Salah satu aspek yang berkaitan
dengan skripsi ini ialah arus, dimana kedua factor lainnya tidak akan dibahas lebih
lanjut.
Cara yang paling umum untuk mengukur arus didalam sebuah rangkaian tertutup
ialah dengan menggunakan ampere-meter. Terkadang, ampere-meter digabung
dengan voltmeter menjadi multimeter. Ampere-meter mengukur arus yang
mengalir didalam rangkaian dengan cara tertentu. Menurut Hukum Arus
Kirchhoff, arus yang masuk selalu sama dengan arus yang keluar. Hal ini berarti
dalam mengukur arus, ampere-meter harus diletakkan dengan posisi seri. Amper-
meter biasa sudah cukup dapat diandalkan untuk mengukur dalam rangkaian-
rangkaian listrik yang umum.
Namun, terkadang ampere-meter yang biasa tidak dapat digunakan dalam kondisi
khusu, seperti dalam lingkungan yang banyak debu, lumpur, kotoran, dan air.
Ada solusi untuk hal ini yang disebut dengan Efek Hall. Efek Hall adalah adanya
beda tegangan yang muncul diantara konduktor listrik sebagai hasil dari arus
listrik yang mengalir di konduktor dan medan magnet yang tegak lurus dengan
arus. Fenomena alam ini dapat digunakan untuk mengukur arus dengan lebih
dapat diandalkan dan teliti[1].
Di dalam percobaan ini, Efek Hall ampere-meter akan dipelajari, dipraktekkan,
dan disimulasikan. Transduser arus produk dari LEM (LTS 15-NP) akan
digunakan sebagai komponen utama dalam alat ini. Komponen ini menggunakan
prinsip Efek Hall, kemudian menghasilkan tegangan sebagai hasilnya. Cara kerja
komponen ini adalah ketika arus mengalir yang mengalir melewati komponen ini
membesar, maka tegangan yang berada di keluarannya akan membesar juga, dan
begitu juga jika arus mengecil. Untuk mendukung percobaan ini, software Eagle
CAD digunakan untuk membuat rangkaian dan PCB.
Sebuah benda yang mengambil arus sebagai masukkannya dan memberikan
keluaran dalam bentuk tegangan adalah hasil yang diinginkan dalam
percobaan ini. Lebih lanjutnya, diharapkan pula agar alat ini dapat
mengukur lebih teliti dibandingkan ampere-meter biasa.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk merancang alat yang dapat mengukur arus
dengan menggunakan transduser arus dan toroid, lalu membandingkan keluaran
dari kedua alat untuk menganalisis hasilnya. Pengujian toroida ditindaklanjuti
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
4
Universitas Indonesia
dengan penambahan berbagai macam nilai hambatan, untuk mendapatkan hasil
seperti yang didapat dari transduser arus.
2. Tinjauan Teoritis
2.1. Ampere-meter
Metode ini adalah cara yang paling umum dan menggunakan teknik yang paling
sederhana untuk mengukur arus. Pada umunya terdapat dua tipe, ampere-meter
analog dan digital. Di dalam rangkaian, ampere-meter diletakkan seri untuk dapat
membaca hasil dari perangkat yang ingin diukur. Ada beberapa jenis ampere-
meter, moving coil ampere-meter, moving iron, electrodynamic, hot wire ampere-
meter, dan ampere-meter digital.
Gambar dibawah ini menunjukkan symbol dari ampere-meter dalam rangkaian
sirkuit. Simbol ini merepresentasikan semua jenis ampere-meter baik analog
maupun digital.
Gambar 2.1. Simbol Ampere-meter dalam sirkuit
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
5
Universitas Indonesia
Gambar 2.2. Ampere-meter Digital
Ammeter digital menggunakan sebuah analog untuk merubah ke digital (ADC
atau A/D atau A ke D) yang merubah sinyal analog dengan jangka waktu yang
terus menerus untuk merepresentasikan waktu yang berlainan. Jenis ampere-
meter ini dipercaya dapat mencapai keakuratan tertinggi dalam membaca arus.
Manfaat yang dapat diraih dalam menggunakan alat ini adalah kecepatan dan
presisi. Ampere-meter digital sekarang dapat mencapai 300Mhz untuk clock rate.
Kepresisian ditunjukkan dari tampilan 7 segmen yang langsung menunjukkan
angka dibandingkan dengan menggunakan jarum pada ampere-meter analog.
Pada ampere-meter analog, kesalahan manusia dapat terjadi pada pembacaan
skala terutama dalam angka yang kecil. Namun, alat tersebut tetap masih
memiliki beberapa kekurangan yang membuatnya tidak sempurna. Hal tersebut
adalah kesalahan pada kuantisasi dan ketidaklinearan pada konversi analog ke
digital dan kesalahan aperture.
2.2. Sensor Arus Hall Efek
Hall Efek adalah hasil dari perbedaan tegangan antara dua konduktor listrik, yang
dikarenakan oleh adanya arus listrik pada konduktor dan medan magnet yang
tegak lurus dengan arus. Transduser arus Hall Efek mempunyai banyak
kelebihan, tiga diantaranya paling utama. Hal itu adalah : [18]
Benda ini dapat diisolasi dengan baik dari system elektrikal tegangan tinggi
lainnya yang berarti dapat mengurangi masalah keamanan. Dengan kata lain
ketika kabel yang membawa arus melewati lingkaran Hall efek, kabel ini tidak
menempel sama sekali dengan apapun pada sensor. Sensor ini hanya
mengukur berdasarkan medan magnet dari kabel. Keuntungan ini lebih baik
jika dibandingkan dengan menggunakan resistor parallel untuk memonitor arus
yang lebih tidak aman karena resisitor ini membutuhkan pengamanan tertentu
untuk melindungi system pengambilan data.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
6
Universitas Indonesia
Transduser arus ini dapat dililitkan tak terbatas untuk mendapatkan besaran
yang diinginkan. Sebagai contoh, sinyal arus hanya 0.1 Ampere, maka jika
dililitkan 10 kali lipat, hasilnya akan 1 Ampere.
Tidak adanya panas yang hilang pada Hall Efek transduser arus. Tidak
seperti resistor parallel pengukur arus yang sangat memperhatikan hilangnya
energy menjadi panas.
Gambar 2.3 menunjukkan contoh dari transduser arus Hall Efek. Ini hanyalah
salah satu tipe yang berada di pasaran. Kenyataannya, ada banyak tipe transduser
arus di pasaran.
Gambar 2.4. Hall Efek
Seperti yang dijelaskan diatas, diagram bagaimana Hall Efek dapat bekerja
ditunjukkan pada Gambar 2.4. Gambar yang ditunjukkan diatas merupakan
penjelasan tersimpel untuk transduser arus, yang pada kenyataannya lebih
kompleks. Ada dua jenis sensor transduser arus Hall Efek, yaitu tipe rangkaian
tertutup dan rangkaian terbuka. Respon frekuensi yang baik dan kemampuan
untuk mengukur arus yang sangat besar merupakan poin utama dari alat ini.
Gambar 2.3. Contoh Transduser Hall Efek
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
7
Universitas Indonesia
2.3. Resistor Paralel Arus
Metode ini mengikuti Hukum Ohm, tegangan sama dengan arus dikali dengan
hambatan seperti yang ditunjukkan pada Figure 5. Alasan dibalik pemilihan tipe
alat ukur ini adalah dapat mengukur arus yang sangat besar yang terkadang
ampere-meter tidak mampu. Tegangan jatuh pada titik paralel sebanding dengan
arus yang mengalir melaluinya. Sebelumnya, nilai hambatan yang sudah
diketahui sejak awal, memudahkan untuk perhitungan nilai arus dengan
menghitung nilai tegangan dan hambatan yang ada.
V = I x R (2.1)
Dimana V = Tegangan (Volt)
I = Arus (Ampere)
R = Hambatan (Ohm)
Sebagai contoh, hambatan yang mempunyai 0.0001 ohm, dimasukkan kedalam
rangkaian. Tegangan pada voltmeter menunjukkan bahwa tegangan diantara
resistor adalah 0.5 volt. Dengan menggunakan rumus Ohm, hasil perhitungan
adalah 5000 Ampere. Detil perhitungan dapat dilihat dibawah ini:
Resisitor shunt yang ideal sangat presisi yang artinya dapat menunjukkan nilai
hambatan yang sebenarnya. Hambatan tersebut tidak berubah dengan adanya
perubahan temperature, umur, atau arus. Sebagai resistor, resistor shunt
mengeluarkan panas dari arus yang mengalir melaluinya. Resistor ini perlu untuk
dinilai untuk factor keamanan kedepannya. Karena, apabila alat ini diberi kondisi
diluar limitnya, maka resistor akan menjadi panas dan terbakar. Untuk
menghitung rating power resistor, rumus dibawah ini digunakan:
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
8
Universitas Indonesia
W = I2 x R (2.2)
Dimana, W = Daya (Watt)
I = Arus (Ampere)
R = Hambatan (Ohm)
Formula diatas mengindikasikan bahwa panas yang dihasilkan dalam kuadrat
dengan arusnya. Perubahan pada arus sebesar dua kali lipat dapat membuat
pembuangan panas meningkat hingga empat kali lipat. Untuk mencegah resistor
dari panas yang berlebih, maka biasanya resistor hanya dipakai sebanyak 66%
dari kemampuan maksimalnya. [16]
Gambar 2.5. Contoh 100 Amp Resistor Shunt
Deteksi arus resistif sangat popular dan berguna dalam banyak kesempatan.
Namun, tetap ada kekurangannya, yang paling signifikan adalah :
Tegangan jatuh dan energy loss
Besarnya panas yang hilang
Mode tegangan yang umum
Kurangnya isolasi listrik
Tegangan jatuh dan energy loss dapat dilihat dari Hukum Ohm, apabila hambatan
meningkat maka tegangan jatuh akan meningkat pula. Tegangan jatuh tersebut
bukanlah sebuah keuntungan bagi rangkaian keseluruhan. Energi yang hilang
karena hambatan dapat pula membawa pengaruh buruk untuk sistem. Lebih
lanjutnya, energy yang hilang menjadi panas dapat menurunkan efisiensi dari
rangkaian listrik.
Kurangnya isolasi pada rangkaian listrik tidaklah terlalu menjadi masalah pada
system tegangan kecil, tetapi bisa sangat penting pada tegangan tinggi.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
9
Universitas Indonesia
2.4. Transformer Arus
Transformer arus adalah salah satu metode paling umum yang digunakan pada
pengukuran tegangan tinggi. Alat normal tidak mampu untuk menentukan arus
karena diluar jangkauan mereka. Transformer arus akan menghasilkan arus yang
telah dikurangi tetapi tetap proporsional pada rangkaian, yang kemudian sesuai
pada jangkauan kemampuan alat perekam dan pengukur arus. Konstruksi
transformer arus terdiri dari lilitan primer, inti magnet, dan lilitan sekunder.
Seperti pada teori elektromagnetik, lilitan primer yang merupakan tempat dimana
arus mengalir secara bolak-balik, akan memagnetisasi inti. Sebagai hasilnya,
lilitan sekunder akan berusaha untuk medemagnetisasi inti sehingga menghasilkan
arus yang proporsional tetapi berbeda arah. Sebagai tambahan, inti magnetic
akan mengalami saturasi pada arus besar, ketika inti telah termagnetisasi, inti akan
memproduksi hysteresis dan akurasinya akan berkurang terkecuali apabila inti
didemagnetisasi kembali. Fenomena ini biasa terjadi ketika arus sudah
melampaui batas kemampuan transformer. Untuk mengatasi masalah ini,
dianjurkan untuk menggunakan bahan yang memiliki permeabilitas tinggi sebagai
inti. Sebagai transformer, formula umumnya adalah sebagai berikut:
n1/n2 = i1/i2 (2.3)
Dimana, n1 = jumlah lilitan primer
n2 = jumlah lilitan sekunder
i1 = arus primer
i2 = arus sekunder
Terdapat beberapa jenis transformer arus:
Bushing type, Window or Donut
Wound Type
Bar Type
Jenis yang paling umum adalah wound type transformer. Jenis ini mempunyai
hasil kinerja yang baik dengan jangkauan kondisi kerja yang luas.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
10
Universitas Indonesia
Gambar 2.6. Transformer Arus Tipe Wound
Tipe bushing diproduksi dengan tujuan lain. Tipe ini digunakan pada circuit
breaker dan transformer. Jenis ini tidak memiliki pelindung keras eksternal untuk
melindunginya.
Gambar 2.7. Transformer Arus Tipe Donut
Transformer arus tipe bar diproduksi untuk lebih stabil dibandingkan tipe lainnya.
Alat ini dikencangkan pada kabel yang akan diukur arusnya. Hal ini
menghasilkan insulasi yang lebih baik untuk mencegah kebocoran.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
11
Universitas Indonesia
Gambar 2.8. Transformer Arus Tipe Bar
Untuk memproduksi transformer yang ideal tidaklah mungkin. Berdasarkan teori,
transformer arus akan menurunkan arus ke level tertentu yang dapat diukur,
kemudian lilitan sekunder tersebut harus dapat menunjukkan nilai yang
proporsional terhadap lilitan primer. Kedua fungsi tersebut adalah fungsi utama
dari alat ini. Pada kenyataannya, kondisi ideal sangatlah sulit untuk dicapai. [9]
2.5. Sensor Arus Koil Rogowski
Sebuah inductor yang mempunyai induktansi mutualisme dengan konduktor yang
membawa arus utama disebut dengan koil Rogowski. Koil Rogowski mempunyai
inti udara sehingga secar teori tidak aka nada hysteresis, saturasi, atau
ketidaklinearan. Pada koordinat silindrikal, arus yang melewati kabel pada z axis
akan memenuhi persamaan dibawah ini:
Gambar 2.9. Sensor Arus koil Rogowski
Koil Rogowski bekerja pada tegangan AC, yang berarti tegangan output nya akan
bergantung pada di/dt perubahan arus pada arus primer. Hal ini berarti metode ini
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
12
Universitas Indonesia
tidak bisa digunakan pada komponen DC. Kelebihan dari metode ini adalah
kemampuannya yang dapat mengukur hingga ribuan ampere. Sebagai tambahan,
tidak adanya inti besi, sehingga hysteresis, saturasi dan ketidaklinearan tidak perlu
dipertimbangkan kembali. Kekurangan dari alat ini adalah pengaruh medan
magnet dari luar. Sedikit saja interferensi medan magnet dari luar dapat
mempengaruhi reabilitas dan kepresisian. Masalah utama yang biasanya muncul
adalah ketika mengukur tegangan kecil pada koil Rogowski, tegangan yang
diinduksikan pada koil sangatlah kecil. Untuk mengatasi masalah tersebut, ada
beberapa langkah yang diambil:
Meningkatkan Induksi Mutualisme pada Koil Rogowski
Menaikkan Tinggi, Ketebalan, atau Jumlah Lilitan pada Koil Rogowski
Membuat Koil Rogowski dengan Multilayer Struktur
Membuat beberapa koil yang mempunyai ukuran yang sama untuk
diserikan
Memasang Loop Kepala Amplifier
Untuk menaikkan induktansi mutual koil, inti besi dapat digunakan, tetapi langkah
ini dapat menghasilkan masalah saturasi, hysteresis, dan ketidaklinearan. Dengan
menggunakan inti yang memiliki permeabilitas tinggi, masalah ini dapat diatasi.
Kekurangan dari meningkatkan diameter, ketebalan, dan jumlah lilitan pada koil
adalah kabel yang dililitkan akan tidak rapat dan akan sulit untuk menangkal
adanya pengaruh dari medan magnet luar, sehingga akan mempengaruhi
keakuratan pengukuran. Kabel yang digunakan sebaiknya tidak terlalu tipis,
karena akan mudah untuk putus , jadi ruang untuk jumlah lilitan terbatas pada
ruangan yang tersedia.
Koil Rogowski yang mempunyai multilayer meningkatkan jumlah lilitan pada
koil, dikarenakan apabila satu layer saja dapat membuat ratusan lilitan, maka layer
ganda akan melipatgandakan jumlah lilitan. Hal ini sangat efektif dalam
mengukur arus yang kecil. Pada sisi lain, alat ini memiliki performa yang lebih
rendah pada frekuensi tinggi dan jarak antar layer membuat timbulnya kapasitansi
yang membawa pengaruh buruk pada frekuensi koil dan phase respons.
Secara teori, tidak akan ada kapasitansi yang tersebar sehingga tidak akan
mempengaruhi respon frekuensi dari koil. Kenyataannya, timbul kapasitansi
diantara koil sehingga respon frekuensi karakteristik akan terpengaruh
Dapat digunakan juga loop head amplifier, yang diletakkan sebelum integrator
sehingga akan memperbesar sinyal tegangan yang diinduksikan. Keluaran yang
dihasilkan dari koil adalah dalam bentuk differential, sehingga perlu untuk
diintegrasikan. Rangkaian integrator simple terdiri dari resistor pasif dan
kapasitor akan sudah cukup. Belakangan ini, orang memakai integrator elektronik
seperti op-amp untuk melakukan hal tersebut. Hal ini akan memperbesar
tegangan keluaran yang kecil dari koil ke dalam jangkauan pengukuran.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
13
Universitas Indonesia
Terdapat dua model koil Rogowski, keras dan fleksibel. Kedua jenis ini memiliki
prinsip kerja yang sama, tetapi yang fleksibel mempunyai kelebihan untuk
mengelilingi kabel apapun dibandingkan yang keras, sedangkan versi yang keras
lebih akurat dan stabil dalam pengukuran. Kedua model ditunjukkan dibawah ini.
Gambar 2.10. Koil Rogowski Fleksibel
Gambar 2.11. Koil Rogowski Kaku
Karakteristik dari koil Rogowski bergantung pada pabrik. Setiap pabrikan
mempunyai tujuan dan target masing-masing. Dasarnya, karakteristik sensor arus
adalah sebagai berikut:
Linear current range
Current linearity
Temperature sensitivity
Response time
Bandwidth
Maximum voltage
Maximum current
Core saturation
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
14
Universitas Indonesia
Isolation
DC Offset
Slew rate
Common mode rejection
Accuracy
Noise immunity
Noise generation
External power requirement
Output type
Ruggedness
Circuit loading
Sensing circuit power loss
System cost
Zero crossover
Hysteresis
Di/dt
Size
Signal to Noise ratio
Calibration requirements
Aplikasi koil Rogowski hanya terbatas pada mengukur medan magnet dan arus.
Akhir-akhir ini, kemajuan elektronik power membuat penggunaan koil Rogowski
semakin luas. Dari penggunaan standard seperti mengukur arus hingga aplikasi
pada mikrokontroler. Area-area baru dimana koil Rogowski dapat digunakan:
Power and power quality monitoring
Rectifier monitoring
DC current
Wiring integrity
Fuse monitoring
Relay protection
Switchgear
Sudden short circuit testing
Monitoring arc furnaces
Lightning test facilty
Monitoring weld quality
Protection of slip ring induction motor
Electromagnetic launchers
On-line insulation discharge monitoring
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
15
Universitas Indonesia
Gambar 2.12. Integrator Sirkuit Sederhana
Figure diatas menunjukkan rangkaian sederhana dari system integrator. Integrator
merupakan komponen penting pada koil Rogowski, karena keluaran dari koil
mengikuti perubahan arus terhadap waktu. Besarnya perubahan arus terhadap
waktu tersebut dikonversikan menjadi linear oleh integrator. Contoh paling
sederhana adalah menggunakan op-amp seperti ditunjukkan diatas. Keluaran dari
integrator basic dapat ditentukan oleh persamaan:
(2.4)
Dimana, Vout = Tegangan Keluar
R = Hambatan
C = Kapasitansi
Vin = Tegangan Masuk
Namun, model ini mempunyai keridaksempurnaan seperti kesalahan offset, arus
bocor, kurang stabilnya op-amp dan pergeseran temperatur.
Dalam teknologi yang sudah maju, integrator digital ditemukan dengan fase dan
besaran yang mendekati ideal, yang sulit dicapai dengan analog integrator.
Keuntungan lainnya jika menggunakan digital integrator adalah:
Performa yang stabil Kemampuan bertahan memegang kunci dalam
memonitor energi. Dalam lingkungan yang bertemperatur tinggi, analog
integrator akan mudah panas dan akan error dalam pengukuran.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
16
Universitas Indonesia
Karakteristik Fase yang baik Digital Integrator mempunyai respon
fase yang konsisten dan akurat.
Mengurangi cost Op-amp tidak diperlukan didalam digital
integrator.
2.6. Sensor Arus Toroidal
Cara lainnya untuk mengukur arus adalah menggunakan toroidal, walaupun
banyak bentuk dan struktur yang dapat digunakan, fluks pemusat toroidal yang
paling umum digunakan. Ketika kabel yang dialiri arus diletakkan pada tengah
toroid, kepadatan fluks akan meningkat . Medan pada toroid dapat dihitung
dengan:
(2.5)
Dimana, µr = permeabilitas dari toroid
r = radius of the toroid
µo = permeabilitas udara
Material toroid adalah aspek yang perlu diperhatikan dalam mendesain sensor
arus toroidal. Sebagian besar aplikasi sensor arus ini akan memilih material
yangn nilai saturasinya lebih tinggi daripada kepadatan fluks. Hal ini terjadi
saturasi terjadi secara perlahan pada sebagian material, dengan permeabilitas
mulai menurun saat fluks melewati level tertentu. Permeabilitas material
kebanyakan ditentukan oleh temperatur.
Dalam meningkatkan kemapuan sensor arus toroid, terdapat tiga cara untuk
mencapainya:
Meningkatkan sensitivitas dari transduser arus dengan menggunakan
material tertentu.
Menurunkan gap udara.
Meningkatkan jumlah lilitan yang melalui toroid.
3. Metode Penelitian
Sistematika dari pengujian ini bersifat praktek dan trial and error. Contoh-contoh
objek yang akan diuji, diambil secara acak atas petunjuk pembimbing, kemudian
diuji langsung di laboratorium. Hasil-hasil yang telah didapat kemudian diacukan
kedalam teori dasar yang ada apakah sesuai dengan yang diharapkan atau tidak.
Dari banyaknya pengujian yang telah dilakukan, hanya sebagian saja yang
dimasukkan kedalam skripsi, dikarenakan faktor ketidaksempurnaan dan
kesalahan lainnya. Semua hasil yang memenuhi syarat tersebut akan dianalisa,
yang pada akhirnya akan menjadi suatu kesimpulan.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
17
Universitas Indonesia
4. Hasil Penelitian dan Pembahasan
4.1. Perbandingan transduser arus dan toroid yang telah dibuat
Dengan adanya pengujian ini, mahasiswa dapat menyimpulkan bahwa ketika
resistansi di lilitan sekunder berkurang, tegangan toroid akan mengecil impulsnya
dan terjadi kondisi sebaliknya. Bentuk lekukan gelombang tegangan pada toroid
juga mengecil jika nilai resistansinya dikurangi, dikarenakan arus sekunder yang
mengalir menjadi lebih besar, sehingga tegangan sekunder menjadi cepat
berkurang.
Persamaannya adalah:
(4.1)
Dimana :
Φ = fluks pada inti
Vs = tegangan sekunder
Untuk arus pada lilitan sekunder, dipengaruhi oleh besarnya resitansi, yang
hubungannya seperti pada rumus dibawah ini :
(4.2)
Dimana:
Is = arus sekunder
Rs = hambatan sekunder
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
18
Universitas Indonesia
Untuk menghitung arus rata-rata sekunder, maka dapat melalui rumus dibawah
ini:
(4.3)
Dimana:
ΔIp = perubahan pada arus primer
Ns = jumlah lilitan sekunder
Np = jumlah lilitan primer
Pada pengujian transdsuser arus didapatkan hasil tegangan keluar sebesar 110 mV
untuk arus primer sebesar 1 A. Nilai ini yang akan dijadikan acuan untuk
pengujian dengan menggunakan toroid hasil buatan mahasiswa. Hasil dari
beberapa pengujian yang didapat :
TABEL PERBANDINGAN HASIL PENGUJIAN
JENIS TOROID BESAR
HAMBATAN
HASIL Vout KETERANGAN
Toroid Abu-Abu 100 ohm 120 mV Kedua Terbaik
Toroid Abu-Abu 82 ohm 101 mV Terbaik
Toroid Hitam 10 ohm 25 mV
Toroid Hitam 2 ohm 5 mV
Toroid Abu-Abu Tanpa Resistor 5 mV
Toroid Hitam Tanpa Resistor 6 mV
Berdasarkan tabel diatas, apabila ingin membuat toroid dengan hasil keluaran
sama dengan hasil keluaran dengan transduser arus, maka sebaiknya
menggunakan hambatan antara 82-100 ohm. Sehingga diharapkan dapat
menghasilkan tegangan keluar 110 mV untuk arus primer sebesar 1 A. Apabila
melakukan pengukuran tanpa resistor, maka perlu menambah lilitan sekunder.
Sebagai contoh, jika ingin mengukur dengan Toroid Abu-Abu tanpa resistor,
maka sebaiknya lilitan digandakan sebanyak 22 kali. Pada pengujian diatas,
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
19
Universitas Indonesia
Toroid Abu-Abu mempunyai lilitan sekunder sebanyak 20 lilitan dan
menghasilkan tegangan sekunder 5mV. Untuk mencapai 110 mV, maka,
110 mV / 5 mV = 22.
Dimana, 20 lilitan x 22 = 440 lilitan
Jadi untuk mendapatkan 110 mV, Toroid Abu-Abu harus dililit sebanyak 440
lilitan.
Namun, dalam hasil-hasil diatas banyak terjadi gangguan ripple dalam tegangan
keluar. Hal ini disebabkan oleh ketidaksempurnaan dalam melilit dan masalah
teknis, seperti interferensi dari medan magnet lainnya. Ditengah-tengah setiap
gambar hasil adalah hasil keluaran dari rangkaian integrator. Dalam proyek ini,
integrator yang digunakan telah menjadi satu didalam osiloskop. Jikalau tidak,
maka mahasiswa perlu membuat rangkaian integrator untuk mengintegrasikan
keluaran dari toroid.
Dalam kondisi yang ideal, sinyal yang dihasilkan dari integrator adalah
gelombang kotak sempurna, tetapi seperti yang dapat dilihat dari hasilnya, sinyal
yang dihasilkan masih memiliki arah menurun atau menaik. Hal ini disebabkan
oleh ketidaksempurnaan koneksi, interferensi dari medan magnet luar, dan limit
dari komponen. Pada kenyataannya, sulit untuk mendapatkan hasil yang seperti
seperti yang kita harapkan .
4.2. Pengujian transduser arus
Transduser arus menunjukkan respon yang baik dalam memproduksi tegangan
keluaran. Benda ini bekerja sesuai dengan kondisi ideal. Namun, masih ada
sedikit ripple pada tegangan outputnya. Hal ini disebabkan oleh kurang baiknya
koneksi pada PCB dan papan percobaan. Respon yang baik dapat disimpulkan
berdasarkan figure dibawah ini:
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
20
Universitas Indonesia
Gambar 4.1. Tegangan Keluar Transduser Arus
Gambar diatas mempunyai frekuensi dan skala yang sama pada osilskop. Baris
pertama pada gambar adalah penghasil sinyal, baris kedua adalah tegangan pada
resistor 10 ohm, dan baris terakhir adalah keluaran dari transduser arus.
Transduser arus sendiri memiliki waktu tenggang untuk bereaksi terhadap
perubahan pada arus yang mengalir. Seperti dapat dilihat dibawah ini:
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
21
Universitas Indonesia
Gambar 4.2. Waktu Tenggang Tegangan Keluar
Didalam transduser arus, terdapat rangkaian elektronik termasuk rangkaian
integrator. Rangkaian elektronik ini diaktifkan oleh tegangan 5 (lima) volt dari
luar. Tanpa adanya tegangan lima volt tersebut, rangkaian ini tidak akan aktif,
sebagai hasilnya tegangan keluarannya akan sejenis dengan keluaran dari toroidal
sebelum diintegrasikan didalam osiloskop. Figur dibawah ini akan menunjukkan
lebih jelasnya.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
22
Universitas Indonesia
Gambar 4.3. Tegangan Keluar Transduser Arus Tanpa Power Supply
Tampak tanpa adanya power supply, maka rangkaian integrator didalam
transduser arus tidak aktif, sehingga gelombang yang dihasilkan bentuknya masih
berupa impuls saja.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
23
Universitas Indonesia
Gambar 4.4. Tegangan Keluar Transduser Arus Dengan Power Supply
Dengan aktifnya rangkaian integrator pada transduser arus, maka tegangan yang
dihasilkan lebih berbentuk gelombang kotak. Hal ini dapat dilihat pada gambar
diatas.
5. Kesimpulan
Proyek ini mempunyai beberapa hasil yang dapat disimpulkan bahwa transduser
arus dipengaruhi oleh banyaknya lilitan, tegangan, dan arus yang mau diukur.
Komponen ini tampak dapat bekerja secara ideal dalam kondisi tertentu. Namun,
waktu delay tetap harus diperhitungkan. Tegangan keluar pada transduser arus
akan meningkat secara proporsional dengan banyaknya lilitan dan arus yang mau
diukur. Namun, sebagai acuan, transduser akan menggunakan 1 lilitan dan arus
primer 1 Ampere yang akan diuji. Hasil tegangan keluar dari transduser arus
adalah 110 mV untuk arus yang diukur sebesar 1 A.Terdapat 2 ukuran toroid dan
4 nilai hambatan yang diuji dalam pengujian ini, yaitu Toroid Abu-Abu dan
Toroid Hitam, juga resistor sebesar 100 ohm, 82 ohm, 10 ohm, dan 2 ohm.
Berdasarkan tabel pada bagian analisa, resistor 82 ohm dan Toroid Abu-Abu
menunjukkan hasil yang paling mendekati dengan transduser arus, yaitu sebesar
101 mV. Tabel tersebut juga memperlihatkan adanya pengaruh hambatan
terhadap teganga sekunder, dimana semakin besar hambatan maka akan semakin
besar pula tegangan sekunder.
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
24
Universitas Indonesia
6. Kepustakaan
[1] Hall Effect 2010, Wikipedia, viewed 10 November 2010, < http://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect >
[2] Current Transformer Explained 2010, The Electricity Forum, viewed 10 November 2010, < http://www.electricityforum.com/products/current-transformer.htm>
[3] How do Rogowski Coils Work ? 2010, Rocoil, viewed 10 November 2010, < http://homepage.ntlworld.com/rocoil/principle.htm>
[4] Current Transducer 2010, Current Transducer, viewed 10 November 2010, < http://currenttransducer.org/>
[5] Meeker, D 2006, FEMM 4.2 Magnetostatic Tutorial, viewed 10 October 2010, <http://www.femm.info/Archives/doc/tutorial-magnetic.pdf>.
[6] “Measure AC and DC Current Amps Using a Hall Effect Current Sensor Clamp”. Accessed June 29,2011. http://www.scienceshareware.com/how-to-measure-AC-DC-current-with-a-hall-effect-clamp-.htm
[7] Arevausitr. “Current Transformer”. Accessed June 30, 2011. http://www.arevausitr.com/images/pic_currenttransformersGIF.gif
[8] DST Solar. “Hall Effect”. Accessed June 31, 2011. http://www.dst-solar.com/images/dc_img_2.jpg
[9] General Electric. “Selecting Current Transformer Part 1”. Accessed June 30, 2011. http://www.geindustrial.com/Newsletter/current_transformer_paper.pdf
[10] Honeywell. “Hall Effect Sensor”. Accessed June 30, 2011. http://rocky.digikey.com/weblib/Honeywell%20Sensing%20&%20Control/Web%20Photos/CSLA2CD.jpg
[11] John Loomis. “Simple Integrator”. Accessed June 31, 2011. http://www.johnloomis.org/ece303L/lab5/integrator2_sm.gif
[12]McGraw-Hill Science & Technology Encyclopedia. “Current Measurement”.
Accessed June 28, 2011. http://www.answer.com/topic/current-measurement
[13]Pemuk. “Flexible Rogowski Coil”. Accessed June 31, 2011. http://www.pemuk.com/pageimages/coil.jpg
[14]Pemuk. “Rigid Rogowski Coil”. Accessed June 31, 2011. http://www.highcurrenttech.com/g-seri2.gif
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
25
Universitas Indonesia
[15]Pemuk. “Rogowski Coil”. Accessed June 31, 2011. http://www.pemuk.com/pageimages/basic.jpg
[16]RC Electronics. “Current Shunt Resistors”. Accessed June 29, 2011. http://www.rc-electronics-usa.com/current-shunt.html
[17]Reuk. “100 Amp Current Shunt Resistor”. Accessed June 30, 2011. http://www.reuk.co.uk/OtherImages/100amp-current-shunt-resistor.jpg
[18] Science Hareware. n.d. “How to measure DC / AC current”. Accessed June 28, 2011. http://www.scienceshareware.com/how-to-measure-DC-current.htm.
[19]Wikimedia. “Ammeter”. Accessed June 30, 2011. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/da/Ammeter.png
[20]Wikipedia. “Current Transformer”. Last modified May 24, 2011. http://en.wikipedia.org/wiki/Current_transformer
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.
26
Universitas Indonesia
Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.