jurnal proteksi arus lebih dengan menggunakan sensor ACS706ELC

PROTEKSI ARUS LEBIH DENGAN MENGGUNAKAN SENSOR ACS 706ELC

oleh

Desi Jayantri

(5101331001)

Program Studi Pendidikan Teknik Elektro, Fakultas Teknik

Universitas Negeri Medan

E-mail: djayantri05@gmail.com

ABSTRAK

Perkembangan teknologi dan sistem elektronik dewasa ini berkembang telah sangat pesat. Tidak terlepas dari hal tersebut, penggunaan alat-alat listrik meningkat seiring dengan kebutuhan pemakai untuk membantu aktifitas kerja. Oleh sebab itu, dibutuhkan suatu alat yang dapat memproteksi peralatan-peralatan elektronik dari bahaya kebakaran akibat dari pemakaian energi listrik berlebihan yang mengakibatkan hubung singkat sehingga dapat terjadi kebakaran.

Sensor arus ACS706ELC-20 membaca arus listrik yang mengalirinya dan menghasilkan tegangan dari 2,5VDC-4,2VDC. Dengan tegangan referensi yang dihasilkan oleh ACS706ELC-20, maka dapat dijadikan kendali pembatas arus. Alat ini bekerja berdasarkan kenaikan arus listrik yang melewati sensor ACS706ELC-20 akibat dari penggunaan alat-alat listrik. Dengan memasang driver berupa triac BTA41 maka beban yang terpasang dapat dikendalikan.

            Alat ini mampu untuk membatasi pemakaian arus listrik yang terpakai. Dalam alat ini terdapat sensor ACS706ELC-20 yang berfungsi untuk membaca arus yang terpakai, seven segment untuk menampilkan nilai arus yang terpakai, dan triac BTA41 untuk driver beban.

Kata Kunci : Arus listrik, Kendali Otomatis, dan Beban

BAB I PENDAHULUAN

Energi listrik merupakan sumber energi yang sangat dibutuhkan dalam kehidupan masyarakat modern seperti sekarang. Untuk memenuhi kebutuhan listrik masyarakat, industri dan instansi yang semakin meningkat, pemerintah telah membangun dan mengembangkan pembangkit-pembangkit listrik dengan berbagai jenis tenaga penggerak, mulai dari tenaga air, tenaga uap, bahkan sudah dikembangkan pembangkit listrik dengan tenaga nuklir. Dengan semakin banyaknya peralatan elektronik dirumah, pengguna kebanyakan terlena dengan beban yang berlebihan. Sedangkan saat ini untuk mengukur arus yang mengalir pada jala-jala listrik menggunakan clam meter baik itu instrumen analog maupun digital dan untuk memproteksi beban lebih masih banyak menggunakan MCB. Dengan menggunakan alat tersebut untuk mengukur arus sangat tidak praktis karena mengingat ukuran dari trafo clam yang besar dan sangat mencolok dilihat dan sistem kerja proteksi MCB menggunakan magnetik sangat tidak efektif karena saat proteksi terjadi sering terjadinya percikan bunga api.

Agar lebih praktis dapat dibuat alat untuk mengukur arus dan memproteksi beban berlebih dengan teknologi semikonduktor. Pengukuran arus ini menggunakan sensor arus ACS706ELC-20A yang dapat dialiri oleh arus sebesar 20 Ampere dan ICL 7107 IC yang dirancang untuk sistem instrumentasi.

Peralatan ini diharapkan lebih efisien, sehingga tidak perlu harus menggunakan teknologi trafo arus untuk mengukur arus yang mengalir dan MCB sebagai proteksi beban berlebih. Penelitian ini mengaplikasikan suatu komponen elektronika ke dalam suatu sistem perangkat elektronika yang nantinya diharapkan perangkat elektronika ini mempunyai fungsi sebagai penunjang dan memberikan manfaat dalam kehidupan manusia.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Perkembangan teknologi yang pesat memacu banyak penelitian yang berkaitan dijadikan objek penelitian sebelumnya. Berikut uraian singkat penelitian sebelumnya yang berkaitan dengan masalah yang akan dibahas.

Automatic Circuit Breaker. Kelebihan dari alat ini adalah mampu memproteksi beban berlebih dengan menggunakan rangkaian elektronika terprogram, namun demikian masih mendapatkan kekurangan, yaitu masih menggunakan trafo arus sebagai sensor arus. Dimana trafo arus ini memiliki bentuk fisik yang besar dan memakan tempat yang luas. Pada trafo memiliki kelemahan yaitu temperatur yang selalu berubah cepat seiring dengan kenaikan arus yang melewatinya. (Efraim Victor Bles, 2007).

Sebuah kendali integral dapat digunakan untuk mendeteksi suatu arus yang melewati pada penghantar. Dalam aksi Kendali Integral, output dari kontroler ini selalu berubah selama terjadi penyimpangan dan kecepatan perubahan output tersebut sebanding dengan penyimpangan. Konstantanya dinyatakan dengan Kendali Integral, Kendali Integral ini mempunyai sensitivitas yang tinggi, yaitu dengan cara mereduksi error yang dihasilkan dari sinyal feedback. Kontrol integral memiliki karakteristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran kontroller sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal kesalahan. (Rusli, 2008).

Dalam penelitian ini memiliki beberapa kelebihan dari pada sistem pengaman konvensional misalnya Mini Circuit Braker (MCB) karena dapat menampilkan daya yang sedang terpasang dan sangat cepat dalam melakukan tindakan proteksi rangkaian terhadap gangguan arus beban lebih.

2.1. Sensor Arus ACS706ELC-20

Sensor arus dari keluarga ACS706 adalah solusi untuk pembacaan arus didalam dunia industri, otomotif, komersil dan sistem-sistem komunikasi. Sensor ini biasanya digunakan untuk mengontrol motor, deteksi beban listrik, switched-mode power supplies dan proteksi beban berlebih. Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena didalamnya terdapat rangkaian low-offset linear Hall dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga. cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang di tangkap oleh integrated Hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional. Ketelitian dalam pembacaan sensor dioptimalkan dengan cara pemasangan komponen yang ada didalamnya antara penghantar yang menghasilkan medan magnet dengan hall transducer secara berdekatan. Persisnya, tegangan proporsional yang rendah akan menstabilkan Bi CMOS Hall IC yang didalamnya yang telah dibuat untuk ketelitian yang tinggi oleh pabrik.

Dimana titik tengah output sensor sebesar (>VCC/2) saat peningkatan arus pada penghantar arus yang digunakan untuk pendeteksian. Hambatan dalam penghantar sensor sebesar 1,5mΩ dengan daya yang rendah. Ketebalan penghantar arus didalam sensor sebesar 3x kondisi overcurrent. Sensor ini telah dikalibrasi oleh pabrik. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 1 berikut.

 

Gambar 1. Blok diagram sensor arus ACS706ELC-20

2.2.  3½ Digit, LED Display, A/D onverters (ICL 7107)

ICL7107 memiliki performa yang tinggi, dengan power yang rendah, 3½ digit A/D converters. Termasuk seven segment decoders, display drivers, suatu referensi, dan suatu clock. ICL7107 akan secara langsung mengendalikan seven segment. ICL7107 adalah suatu kombinasi dari ketelitian yang tinggi, dengan kemampuan yang beragam, dan harga yang ekonomis. Juga memiliki keistimewaan autozero-nya bisa kurang dari 10μV, zero drift-nya dari kurang dari 1μV/^OC, input bias current-nya sebesar 10pA ( Max), dan rollover kesalahan kurang dari satu count. Masukan diferenttial dan referensinya bermanfaat untuk semua sistem, tetapi memberikan perancang alat suatu keuntungan yang luar biasa ketika mengukur load cells, mengukur tegangan dan jembatan transducers jenis lainnya:

1. Power Supply

- ICL7107, V+ ke Ground: 6 V

- ICL7107, V- ke Ground: -9V

2. Input tegangan analog ( Input yang lain ) ( catatan 1): V+ ke V

3. Referensi input tegangan ( Input yang lain): V+ ke V

4. CLOCK Input

- ICL7107: GND untuk V+

5. Batas Temperatur: 0^OC - 70^OC

6. Daya Tahan Thermal (Khusus, catatan 2 ): ^θJA (^OC/W)

- Jenis PDIP: 50

7. Temperatur Junction (maksimal): 150^OC

8. Batas temperatur Storage (maksimal) : -65^OC – 150^OC

9. Temperatur Lead maksimal (Soldering 10s): 300^oC

Gambar 2. Konfigurasi ICL 7107

ICL 7107 merupakan sebuah chip yang bisa berfungsi sekaligus sebagai A/D Converter dan dekoder seven segment sekaligus dengan pin keluarannya yang masing-masing dilengkapi dengan clock dan pengaturan referensi didalamnya.

            ICL 7107 dipasang sebagai pengubah A/D sekaligus sebagai driver penampil. Tegangan analog diubah menjadi digital, driver penampil (pendekode) terdapat didalam ICL 7107 bertugas untuk mengatur sevent segment atau penampil yang berupa bilangan desimal. Alat ini terdiri dari beberapa rangkaian yaitu rangkaian catu daya 3½ Digit, Sensor, DAC R-2R dengan A/D Converter ICL 7017, OP-AMP, Sirine, Display dan hasil keluaranny ditampilkan secara digital dengan menggunakan seven segment.

2.3.  Identifikasi Kebutuhan Sistem

Berdasarkan identifikasi kebutuhan yang ada, maka diperoleh beberapa analisis kebutuhan terhadap alat yang akan dibuat dengan spesifikasi sebagai berikut :

1. Perlunya suatu komponen pengindra arus listrik pada jala-jala.

2. Perlunya suatu komponen penampil arus listrik pada jala-jala.

3. Perlunya suatu komponen yang befungsi untuk mengubah tegangan analog menjadi digital dan ditampilkan dalam satuan desimal.

4. Perlunya suatu saklar AC untuk mengaktifkan dan menonaktifkan beban listrik.

2.4.  Analisis Kebutuhan Sistem

Berdasarkan identifikasi kebutuhan yang ada, maka diperoleh beberapa analisis kebutuhan terhadap alat yang akan dibuat dengan spesifikasi sebagai berikut :

1. ACS706ELC-20 sebagai komponen pengindra arus listrik jala-jala yang terbuat dari bahan semikonduktor.

2. Seven segmen sebagai komponen penampil dalam satuan Ampere.

3. ICL7107 sebagai komponen pengubah tegangan analog menjadi digital dengan driver penampil desimal didalamnya.

4. Triak sebagai komponen penyaklar beban AC untuk mengaktifkan dan menonaktifkan beban listrik.

2.5 Perancangan Perangkat Keras

Rangkaian Konversi

            Rangkaian konversi pada sistem ini menggunakan komponen utama ICL7107. ICL 7107 merupakan salah satu contoh komponen yang berwujud IC. Dengan hanya menggunakan satu komponen ini didalamnya terdapat A/D converters, seven segment decoders, display drivers, suatu referensi, dan suatu clock.

Gambar 3 Rangkaian 3½ Digit, LED Display, A/D Converters ICL 7107

Rangkaian Sensor berfungsi sebagai pengindra arus yang mengalir pada jala-jala yang memanfaatkan medan magnet yang yang besarnya tergantung pada besarnya arus yang mengalir. Keluaran sensor arus berupa tegangan analog dengan gelombang sinus, saat arus yang terbaca 0 ampere (tidak ada beban) tegangan keluaran sensor arus sebesar 2,5 Volt (VCC/2).

            Rangkaian sinyal kondisi pada system berfungsi untuk mengkondisikan agar tegangan yang dikeluarkan sensor arus dapat dibaca oleh rangkaian konversi. Rangkaian sinyal kondisi ini ada dua blok rangkaian, yaitu rangkaian detektor puncak dan rangkaian penguat non-inverting. Fungsi dari resistor R19 dan R20 adalah sebagai pembanding tegangan keluaran agar membentuk tegangan yang diinginkan. Variabel resistor R18 berfungsi sebagai pengubah tegangan referensi agar didapat tegangan yang terkecil sebesar 0 Volt. Variabel resistor R21 berfungsi sebagai pengatur tegangan picu transistor Q3.

Gambar 4. Rangkaian Sensor dan Sinyal Kondisi

Rangkaian Pengunci

            Rangkaian pengunci berfungsi sebagai pengunci agar didapat pengendalian pada saat beban berlebihan. Rangkaian ini terbuat dari gerbang NAND yang dirangkai menjadi rangkaian flip-flop SR.

Gambar 5. Rangkaian Pengunci

Rangkaian Penyaklar Beban AC Rangkaian driver beban disusun menggunakan MOC3021 yang berfungsi sebagai kendali saluran gate triac. Penggunaan Opto MOC3021 jenis ini ditentukan berdasar kelebihan struktur internal pembentuk saluran kontrol yang memisahkan antara tegangan AC pada beban dengan tegangan DC pada rangkaian kendali. Agar lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 6..

                         Triac yang digunakan adalah BTA41 yang mempunyai arus maksimal sebesar 40A dan tegangan maksimal 600V. Triac ini berfungsi sebagai saklar tegangan AC.

Gambar 6. Rangkaian Penyaklar Beban AC

a. Cara Kerja Alat

            Cara kerja alat ini bermula dari pembacaan arus yang mengalir pada jala-jala listrik ke sensor arus ACS706ELC-20 melalui pin 1 dan pin 2 ke pin 3 dan pin 4. Keluaran sensor arus ini berupa tegangan analog yang naik dan turun secara linier. Semakin besar arus yang mengalir ke sensor arus maka semakin besar juga tegangan yang dihasilkan oleh sensor, tegangan awal sensor dihidupkan sebesar 2,5 Volt pada saat pembacaan 0 Ampere. Hasil keluaran sensor tersebut di filter dengan menggunakan rangkaian tevenin sebagai hambatan induktansi agar didapat tegangan yang sesuai karena tegangan keluaran sensor masih berupa gelombang sinus. Keluaran rangkaian tevenin tersebut kemudian di searahkan menggunakan rangkaian pendeteksi puncak. Hasil penyearahan tegangan keluaran sensor selanjutnya dikuatkan menggunakan Op-Amp non inverting. Op-Amp non inverting ini selain sebagai penguat juga berfungsi sebagai pembentuk tegangan referensi agar didapat tegangan 0 Volt saat arus yang terbaca sama dengan 0 ampere. Keluaran Op-Amp dihubungkan secara langsung ke rangkaian penampil ICL7107 dan ditampilkan berupa fluktuatif arus. Untuk sistem proteksi beban memanfaatkan fluktuatif tegangan yang hasilkan oleh Op-Amp. Dimana keluaran Op-Amp dihubungkan dengan menggunakan variable resistor untuk mendapatkan tegangan yang sesuai dalam sistem proteksi. Keluaran variable resistor tersebut dihubungkan dengan transistor sebagai saklar yang akan memicu flip-flop yang dirangkai dengan menggunakan gerbang NAND, dimana fungsi dari rangkaian flip-flop ini adalah sebagai pengunci dari sistem proteksi. Keluaran rangkaian flip-flop ini akan memicu driver beban AC untuk selanjutnya menonaktifkan beban AC.

Gambar 7. Blok Diagram Sistem

b.   Percobaan Alat

Setelah alat ini dirancang, yang terdiri atas beberapa blok rangkaian dan blok program seperti yang telah ditunjukkan pada gambar blok diagram sebelumnya, maka penulis melakukan percobaan alat ini secara langsung untuk melihat apakah alat ini dapat berfungsi sebagaimana yang diinginkan. Adapun percobaan yang dicoba pada bab ini, adalah:

1. Hasil validasi sensor system dan validasi terhadap fungsi bagian-bagian sistem.

2. Hasil perbandingan pengukuran arus pada alat yang dibuat dengan alat ukur clamp meter.

3. Pengamatan hasil pengukuran tegangan keluaran sensor terhadap perubahan arus yang terbaca.

4. Pengamatan hasil pengukuran arus terhadap beban yang berbeda.

BAB III PEMBAHASAN

Pada validasi sistem dilakukan pengecekan operasional kerja alat secara keseluruhan. Validasi ini dilakukan untuk membuktikan bahwa semua komponen dan rangkaian telah sesuai dengan yang diharapkan. Validasi sistem ini diawali dengan pengukuran tegangan catu daya, dimana tegangan yang dihasilkan oleh catu daya sangat mempengaruhi dari keseluruhan kerja sistem. Tabel 1, tegangan catu daya.

Tabel 1. Hasil pengukuran tegangan catu daya

            Hasil perbandingan pengukuran arus pada alat yang dibuat dengan alat ukur clamp meter berfungsi untuk mengetahui seberapa tepatnya alat dalam pendeteksian arus yang mengalir pada jala-jala listrik terhadap beban. Saat pengujian beban tidak menggunakan saklar semikonduktor, agar sistem tidak terprotek saat beban diatas 4 A. Hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 2 sebagai berikut.

Tabel 2. Hasil pengukuran arus pada alat yang dibuat dengan alat ukur clamp meter

Perbandingan pengukuran dapat ditunjukkan dengan jelas error yang dihasilkan pada Gambar 8 berikut :

Gambar 8. Grafik Perbandingan Pengukuran Arus Pada Alat Dengan Arus Pada Alat UkurPengukuran Dengan Clamp Meter.

Tabel 3. Hasil pengukuran lengkap

Gambar 9. Grafik Perbandingan Antara Daya Yang Terukur Dengan Daya Yang Dihitung

Pengamatan hasil pengukuran tegangan keluaran sensor terhadap perubahan arus yang terbaca berfungsi untuk membuktikan bahwa tegangan keluaran sensor akan berubah dan mengikuti arus yang terbaca, semakin besar arus yang dibaca maka semakin besar pula tegangan yang dihasilkan. Tabel 4, menunjukkan hasil pengukuran tegangan keluaran sensor yang dilakukan di pengukuran tegangan pada keluaran Op-Amp.

Tabel 4. Hasil pengukuran tegangan keluaran sensor terhadap perubahan arus yang terbaca

Dari hasil pengukuran tegangan pada Tabel 4.4 membuktikan bahwa tegangan keluaran sensor arus linier mengikuti perubahan arus yang terbaca, bahwa semakin besar arus yang dibaca maka semakin besar tegangan yang dihasilkan oleh sensor arus.

c.   Pengamatan hasil pengukuran tegangan driver beban AC

Rangkaian driver beban AC menggunakan IC MOC3021 sebagai saklar cahaya penggerak triac dan pemisah tegangan AC dan DC, dan saklar semikonduktor menggunakan triac BTA41 yang berfungsi sebagai saklar tegangan AC berdaya besar. Tabel 4.5 menjelaskan tegangan kerja pada rangkaian driver beban AC.

Tabel 4.5 Tegangan kerja rangkaian driver beban AC

Dari hasil pengukuran tegangan membuktikan bahwa saat output transistor sinyal kondisi mengalami tersaturasi maka menghasilkan logika 0 yang akan mengaktifkan beban.

BAB V KESIMPULAN

Dari hasil perancangan dan pengujian alat dapat diambil kesimpulan bahwa alat dapat bekerja dengan baik. Hasil implementasi menunjukkan hal-hal sebagai berikut :

1. Tingkat akurasi alat sangat tergantung beberapa hal seperti penguatan Op-Amp dan sinyal kondisi yang dibuat.

2. Kalibrasi menggunakan clamp meter digital sangat efektif karena nilai yang dihasilkan sudah berupa nilai desimal.

3. Sistem memiliki kemampuan sesuai spesifikasi, antara lain sebagai berikut.

a. Dapat menampilkan arus satu digit dibelakang koma.

b. Memiliki kehandalan sistem proteksi arus yang dapat diatur dengan cara memutar variabel resistor pada keluaran Op-Amp.

c. Arus yang dapat dibaca maksimal 20 ampere menurut data sheet.

DAFTAR PUSTAKA

·         Allegro. 2006. “CS706ELC-20A, Bidirectional 1.5 mΩ Hall Effect Based Linear Current Sensor with Voltage Isolation and 20 A Dynamic Range”. Allegro MicroSystems Inc. Amerika Serikat.

·         Bles, Efraim Victor. 2007. “Automatic Circuit Breaker”.

·         Ibrahim,K.F. 2007. “Teknik Digital Elektronika”. Andi. Yogyakarta

·         Intersil. 2007. “3½ Digit, LCD/LED Display, A/D Converters”. Intersil Americas Inc, America.

·         Rusli. 2008. “Kendali Integral dan Feedback”. Gramedia. Jakarta.

·         STMicroelectronics. 2008. ”BTA40 and BTA/BTB41 Series”. Australia - Brazil - China - Finland - France - Germany - Hong Kong - India - Italy - Japan – Malaysia-Malta - Morocco - Singapore - Spain - Sweden - Switzerland - United Kingdom - U.S.A, www.DatasheetCatalog.com, http://www.st.com