analisis transduser arus dengan menggunakan …

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


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


4


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


5


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.


6


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


7


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:


8


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.


9


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.


10


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.


11


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


12


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.


13


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


14


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


15


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.


16


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.


17


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


18


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,


19


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:


20


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:


21


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.


22


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.


23


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.


24


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


http://www.johnloomis.org/ece303L/lab5/integrator2_sm.gif

25


[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


http://www.scienceshareware.com/how-to-measure-DC-current.htm

http://www.scienceshareware.com/how-to-measure-DC-current.htm

26



analisis transduser arus dengan menggunakan …

Documents