LAPORAN PENELITIAN INTERNAL
ALAT DETEKSI KEHILANGAN SATU FASA PADA SISTEM TIGA FASA
PENELITI : IR. BADARUDDIN, MT
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MERCU BUANA JULI 2012 0
HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN HASIL PENELITIAN INTERNAL
1. Judul Penelitian 2. Bidang Ilmu Penelitian 3. Ketua Peneliti a. Nama Lengkap b. Jenis Kelamin c. NIP d. JabatanFungsional e. Pangkat/Golongan f. Jabatan Struktural g. Fakultas h. Program Studi i. Alamat Kantor/tlp j. Telepon/faks/E-mail k. Alamat rumah/tlp/Email l. Telepon/faks/E-mail 4. Jumlah Anggota Peneliti 5. Lokasi Penelitian 6. Waktu Penelitian 7. Dana diusulkan
: ALAT DETEKSI KEHILANGAN SATU FASA PADA SISTEM TIGA FASA : Teknik Elektro : : : : : : : : : : : : : : : :
Badaruddin Ir, MT Laki - Laki 19464-0123 Lektor IVA Kepala Laboratorium Teknik Elektro Teknik Teknik Elektro Jl Raya Meruya Selatan, Kembangan Jakarta Barat 11650 021 5861779/021 5861906 Taman Cimanggu, Jl Begonia I Blok Q4 No.6 Bogor/02518342428/
[email protected] 0251 8342428/
[email protected] 1 orang Laboratorium Teknik Elektro UMB (5) Lima Bulan Rp. 3.509.000 (Tiga Juta Lima Ratus Sembilan Ribu Rupiah)
1
LEMBAR PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa penelitian ini di laksanakan dengan benar, merupakan penelitian yang saya lakukan sendiri. Jika ada hasil atau sesuatu hal yang sama dengan orang lain, dinyatakan dalam sumber pustaka pada bagian akhir dari laporan ini.
Jakarta , 2 Juli 2012
Ketua Peneliti Badaruddin, Ir MT
2
DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................................ LEMBAR PERNYATAAN ............................................................................................... DAFTAR ISI....................................................................................................................... ABSTRAK .......................................................................................................................... BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................... 1.1 Latar Belakang ................................................................................................... 1.2 Perumusan Masalah ........................................................................................... 1.3 Tujuan Penelitian ............................................................................................... 1.4 Pembatasan Masalah .......................................................................................... BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................................... 2.1 Sistem Satu Fasa ................................................................................................ 2.2 Sistem Tiga Fasa ............................................................................................... 2.3 Prinsip Kerja Catu Daya Linier.......................................................................... 2.4 Penyearah ........................................................................................................... 2.5Voltage Regulator ............................................................................................... 2.6 Integrated Circuit ............................................................................................... 2.6.1 IC 40106................................................................................................. 2.6.2 IC NE 555 .............................................................................................. 2.6.3 IC 4066................................................................................................... BAB III METODE PENELITIAN ................................................................................... 3.1 Blok Diagram Sistem ......................................................................................... 3.2 Deskripsi Rangkaian .......................................................................................... BAB IV PROSES PERANCANGAN SISTEM KONTROL MOTOR LISTRIK DENGAN SAKLAR CAHAYA ....................................................................... 4.1 Perancangan Alat ............................................................................................. 4.1.1 Perancangan Rangkaian Regulator ........................................................ 4.1.2 Perancangan Rangkaian Inverter ........................................................... 4.1.3 Perancangan Rangkaian Clock Generator ............................................. 4.1.4 Perancangan Rangkaian Saklar Digital .................................................. 4.2 Pengujian Alat .................................................................................................. 4.3 Daftar Komponen............................................................................................. 4.4 Analisa Hasil Pengujian Alat ........................................................................... BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................. 5.1 Kesimpulan ........................................................................................................ 5.2 Saran .................................................................................................................. DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................................
1 2 3 4 5 5 5 5 6 7 7 9 10 10 13 17 17 19 20 22 22 23 24 24 24 25 26 27 28 29 30 32 32 32 33
3
ABSTRAK
Kemajuan dalam bidang teknologi ketenaga listrikan berkembang dengan pesat, salah satu kemajuan tersebut misalnya dalam bidang kontrol dan otomatisasi sistem kelistrikan hampir disegala bidang. Didalam semua jenis sistem kelistrikan selalu timbul masalah atau gangguan yang tidak dapat dihindari. Secara umum, masalah yang sering timbul adalah gangguan beban lebih, hubungan singkat, dan tegangan lebih, baik pada sistem kelistrikan satu fasa maupun tiga fasa. Berdasarkan realita tersebut, maka dalam Penelitian ini penulis mencoba merancang dan merealisasikan suatu alat pengamanan yang bekerja untuk memproteksi alat atau peralatan bila terjadinya gangguan hilangnya salah satu fasa pada sistem tiga fasa dengan judul “Alat Deteksi Kehilangan Satu Fasa Pada Sistem Tiga Fasa”. Ternyata alat deteksi kehilangan satu fasa pada sistem tiga fasa ini setelah diuji dan dicoba, mampu untuk mengatasi gangguan hilangnya salah satu fasa R, S, dan T pada sistem tiga fasa dari sumber. Mempelajari gangguan – gangguan pada sistem tiga fasa dan cara – cara untuk mengatasinya dapat memberikan gambaran untuk membuat atau mengembangkan alat – alat pengaman lainnya. Kata kunci : sistem satu fasa, sistem tiga fasa
ABSTRAC
Advances in technology employment growing rapidly listrikan, one such example of progress in the field of automation control and electrical systems nearly all fields. In all types of electrical system problems or disturbances always arise that can not be avoided. In general, a problem that often arises is impaired overload, short circuit and overvoltage, both on the electrical system single phase and three phase. Based on this reality, then in this paper the author tries to design and realize a security tool that works to protect the appliance or equipment if interference with the loss of one phase in a three-phase system with the title "The Lost Tool Detection System Three Phase In Phase". Apparently losing a phase detection device in this three-phase system after tried and tested, is able to overcome the loss of one phase R, S, and T on the three-phase system from the source. Study the disorder - a disorder in the three-phase system and how - how to overcome them can give an idea to create or develop tools - other safety devices. Key words: system of a single phase, three-phase system
4
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Alat deteksi kehilangan salah satu fasa pada sistem tiga fasa merupakan suatu alat pengamanan yang bekerja untuk memproteksi alat atau peralatan bila terjadinya gangguan. Hilangnya salah satu fasa akan menimbulkan tegangan yang tidak simetris, yang dapat merusak alat atau peralatan yang memakai sistem tiga fasa. Sehingga bilamana terjadi gangguan ini terhadap sistem, maka harus dapat segera diputuskan. Pemasangan peralatan listrik pada instalasi listrik tiga fasa sering terjadi kesalahan, terutama bila peralatan – peralatan tersebut menggunakan tegangan kerja 220 VAC dan 380 VAC. Dengan hanya mempelajari teori tentang hubungan antara jala – jala R, S, atau T yang menghasilkan tegangan 380 VAC dan hubungan fasa dengan netral dan ground / pentanahan yang menghasilkan tegangan 220 VAC, belumlah cukup untuk melindungi peralatan – peralatan tersebut dari kerusakan akibat hilangnya satu fasa R atau S atau T pada instalasi peralatan sistem tiga fasa, terutama dalam instalasi motor – motor listrik tiga fasa. Hilangnya salah satu fasa R, S, atau T akan dapat merusak motor listrik tersebut. Karena hal – hal tersebut diatas, saya ingin mencoba untuk membuat sebuah alat yang dapat mengamankan motor listrik tersebut, bilamana terjadi hilangnya salah satu fasa R, S, atau T. 1.2 Perumusan Masalah
Masalah yang sering timbul pada sistem tiga fasa adalah kehilangan satu fasa dari sumber.
Alat Proteksi Circuit Breaker seperti MCB hanya bekerja bila ada gangguan beban lebih atau ada hubungan pendek arus listrik, tetapi MCB tidak bekerja bila terjadi kehilangan salah satu fasa R, S, atau T dari sumber. Berdasarkan pada uraian tersebut diatas, maka penulis mencoba untuk membahas dan
membuat sebuah simulasi tentang Alat Deteksi Kehilangan Satu Fasa Pada Sistem Tiga Fasa untuk mengatasi masalah tersebut. 1.3 Tujuan Penulisan Tujuan penulisan Penelitian ini adalah : Membuat alat deteksi kehilangan satu fasa pada sistem tiga fasa. Memberikan gambaran tentang alat deteksi kehilangan satu fasa pada sistem tiga fasa.
5
1.4 Pembatasan Masalah Mengingat luasnya masalah dan keterbatasan serta kekurangan – kekurangan pada diri penulis, terutama dalam bidang perencanaan, rancangan dan desain alat atau peralatan listrik dibidang kontrol ini. Maka pembahasan Penelitian ini dibatasi agar permasalahan tidak terlampau meluas sehingga dapat mengaburkan pembahasan. Untuk itu pembatasan masalah pada penulisan Penelitian ini dapat dinyatakan sebagai berikut : Membuat alat deteksi kehilangan satu fasa pada sistem tiga fasa pada tegangan kerja 220 / 380 Volt Memakai alat atau peralatan yang secara umum diperjual belikan dan mudah didapat. Membuat alat dengan menganalisa sistem yang telah ada dan kalau mungkin memperbaikinya. .
6
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
Di dalam jaringan listrik ada 2 sistem jaringan, yaitu jaringan 1 fasa dan jaringan 3 fasa. Jaringan 1 fasa atau disebut juga JTR (Jaringan Tegangan Rendah), jaringan ini hanya melayani rumah–rumah saja dan tegangan yang melalui ini hanya 220 Volt. Jaringan 3 fasa atau sebut saja JTM (Jaringan Tegangan Menengah), jaringan ini menampung beban tinggi dan untuk pengaliran tegangan saja. Setiap sistem jaringan, baik jaringan 1 fasa ataupun 3 fasa mempunyai kekurangan dan kelebihan masing – masing.
Kekurangan dan kelebihan jaringan 1 fasa: 1. Kekurangan sistem 1 fasa:
Hanya terdiri dari 2 penghanatar saja yaitu Fasa R dan Netral
Beban yang besar di tampung oleh 1 penghantar saja
Pada generator 1 fasa, generator menjadi lebih besar.
2. Kelebihan sistem 1 fasa:
Lebih simpel karena terdiri hanya 2 Penghantar saja dalam jaringan
Ekonomis
Kekurangan dan kelebihan sistem 3 fasa 1. Kekurangan sistem 3 fasa
Mahal
Waktu yang di perlukan lebih lama
1. Kelebihan sistem 3 fasa:
2.1
tegangan yang besar mampu di bagi menjadi 3 Penghantar yaitu R,S,T dan N
Genertaror yang menggunakan sistem ini ukuranya lebih kecil
Simple
dalam sistem 3 fasa beda setiap fasanya 1200
Sistem Satu Fasa Sistem kelistrikan satu fasa dihasilkan oleh generator satu fasa, yang akan
menimbulkan gaya gerak listrik (GGL) satu fasa juga. GGL ini dihasilkan dari kumparan yang berputar dengan kecepatan konstan didalam sebuah medan magnet, dimana poros putaran tegak lurus dengan garis–garis medan magnet (Magnetic Lines/Flux). Kemudian dari hasil penelitian GGL tersebut membentuk gelombang sinusoida seperti gambar dibawah ini:
7
Gambar 2.1 Gelombang Sinusoida
Dari gambar diatas, dapat ditulis persamaan untuk tegangan ( V ) : V = v0 Sin 2π f.t ………………………………..
(1)
Dimana: f = 50 Hz, untuk di Indonesia Frekuensi ( f ) adalah jumlah putaran per detik Perioda ( T ) adalah waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu putaran f.T = 1 ………………………………………. f=1/T
(2)
atau T = 1 / f
2 π.f = w radian / detik …………………………..
(3)
Selanjutnya, dapat dilihat bahwa nilai tegangan positif dan nilai tegangan negatif adalah sama besarnya sehingga nilai rata – rata tegangan untuk satu putaran adalah sama dengan nol. Keadaan ini berlaku untuk tegangan dan arus ( i ). Untuk menghitung arus atau tegangan bolak balik (AC) adalah dengan cara mengkwadratkan arus dan tegangan, karena i 2 dan v2 tidak sama dengan nol dan hasilnya selalu positif. Setelah melalui proses perhitungan, di dapatkan hasil dari rata – rata tegangan v2 adalah ( v2 ) = 1/2 vo2 ...…………………………..
(4)
Hasil perhitungan ini disebut dengan nilai efektif atau rms (root mean square) √ v2 ≡ V ≡ v rms =
…………………
(5)
Nilai – nilai ini yang ditunjukan oleh Ampermeter dan Voltmeter AC. Dengan menggunakan nilai rms dari tegangan dan arus, rumus – rumus dari arus searah (DC) dapat digunakan. Sebagai contoh, nilai daya melalui sebuah tahanan (R) adalah : P = ( I2 R) = ( I2 ) R ≡ I2 rms R ≡ I2 R Watt ……….......
(6)
8
Jadi, rumus P = I2 R pada arus searah (DC) dapat dipergunakan juga untuk arus bolak – balik, bilamana rumus rms yang dipergunakan.
2.2
Sistem tiga fasa Pembangkitan dan transmisi tenaga listrik akan lebih efisien bila menggunakan sistem
fasa jamak (polyphase) yang menggunakan dua, tiga atau lebih tegangan sinusoida. Hampir semua tanaga listrik yang dibangkitkan di dunia ini merupakan fasa jamak dengan frekuensi 50 atau 60 Hertz. Frekuensi baku yang dipakai di Indonesia adalah 50 Hertz. Pada umumnya sistem fasa jamak tersebut menggunakan tiga tegangan setimbang yang sama besarnya dan berbeda fasa antara tegangan yang satu dengan yang lain sebesar 1200. Sumber – sumber tegangan fasa tunggal yang telah dibahas merupakan bagian dari suatu sistem fasa tiga setimbang itu. Tiga tegangan fasa tunggal itu nampak terhubung dalam bentuk Y ; dimungkinkan juga untuk menyusun ketiga tegangan fasa tunggal itu dalam bentuk Δ. Ketiga tegangan fasa tunggal itu dibangkitkan oleh sebuah medan fluks berputar yang dimiliki bersama dalam tiga kumparan identik yang terpisah 120 0 antara yang satu dengan yang lain dalam suatu generator listrik tiga fasa. Untuk lebih jelas dapat dibuat diagram fasor system tegangan tiga fasa seperti terlihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.2 Diagram fasor Biasanya dalam sistem tiga fasa untuk membedakan fasa – fasanya menggunakan huruf – huruf sebagai berikut : R,S,T atau U,V,W. kemudian dapat pula digambar gelombang sinusoidanya yang berbeda fasa sebesar 1200 seperti gambar di bawah ini :
9
Gambar 2.3 Gelombang sinusoida fasa R, S, dan T
2.3
PRINSIP KERJA CATU DAYA LINEAR Perangkat elektronika mestinya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current) yang
stabil agar dapat bekerja dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber catu daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. Pada tulisan kali ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power supply) linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling sederhana sampai pada catu daya yang ter-regulasi.
2.4
PENYEARAH (RECTIFIER) Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 3.4
berikut ini. Transformator (T1) diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala listrik pada kumparan primernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya.
Gambar 2.4 Rangkaian penyearah sederhana Pada rangkaian ini, dioda (D1) berperan hanya untuk merubah dari arus AC menjadi DC dan meneruskan tegangan positif ke beban R1. Ini yang disebut dengan penyearah setengah 10
gelombang (half wave). Untuk mendapatkan penyearah gelombang penuh (full wave) diperlukan transformator dengan center tap (CT) seperti pada gambar 2.5 :
Gambar 2.5 Rangkaian penyearah gelombang penuh Tegangan positif phasa yang pertama diteruskan oleh D1 sedangkan phasa yang berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT transformator sebagai common ground. Dengan demikian beban R1 mendapat suplai tegangan gelombang penuh seperti gambar di atas. Untuk beberapa aplikasi seperti misalnya untuk mencatu motor dc yang kecil atau lampu pijar dc, bentuk tegangan seperti ini sudah cukup memadai. Walaupun terlihat di sini tegangan ripple dari kedua rangkaian di atas masih sangat besar.
Gambar 2.6 Rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter C Gambar 2.6 adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor C yang paralel terhadap beban R. Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa menjadi rata. Gambar 2.7 menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Garis b-c kira-kira adalah garis lurus dengan kemiringan tertentu, dimana pada keadaan ini arus untuk beban R1 dicatu oleh tegangan kapasitor. Sebenarnya garis b-c bukanlah garis lurus tetapi eksponensial sesuai dengan sifat pengosongan kapasitor.
11
Gambar 2.7 Bentuk gelombang dengan filter kapasitor Kemiringan kurva b-c tergantung dari besar arus (I) yang mengalir ke beban R. Jika arus I = 0 (tidak ada beban) maka kurva b-c akan membentuk garis horizontal. Namun jika beban arus semakin besar, kemiringan kurva b-c akan semakin tajam. Tegangan yang keluar akan berbentuk gigi gergaji dengan tegangan ripple yang besarnya adalah : Vr = VM -VL ..................................................
(7)
dan tegangan dc ke beban adalah Vdc = VM + Vr/2 ...............................
(8)
Rangkaian discharge penyearah yang baik adalah rangkaian yang memiliki tegangan ripple (Vr) paling kecil. VL adalah tegangan atau pengosongan kapasitor C, sehingga dapat ditulis : VL = VM e -T/RC .............................................
(9)
Jika persamaan (9) disubsitusi ke rumus (7), maka diperole Vr = VM (1 - e -T/RC ) ...................................... (10) Jika T << RC, dapat ditulis : e -T/RC 1 - T/RC ……………………….. (11) Sehingga jika ini disubsitusi ke rumus (10) dapat diperoleh persamaan yang lebih sederhana : Vr = VM(T/RC) ……………………………. (12) VM/R tidak lain adalah beban I, sehingga dengan ini terlihat hubungan antara beban arus I dan nilai kapasitor C terhadap tegangan ripple Vr. Perhitungan ini efektif untuk mendapatkan nilai tegangan ripple yang diinginkan. Vr = I T/C ......................................................... (13) Rumus ini mengatakan, jika arus beban I semakin besar, maka tegangan ripple akan semakin besar. Sebaliknya jika kapasitansi C semakin besar, tegangan ripple akan semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya dianggap T=Tp, yaitu periode satu gelombang sinus dari jala-jala listrik yang frekuensinya 50Hz atau 60Hz. Jika frekuensi jala-jala listrik 50Hz, maka T = Tp = 1/f = 1/50 = 0.02 det. Ini berlaku untuk penyearah setengah gelombang.
12
Untuk penyearah gelombang penuh, tentu saja frekuensi gelombangnya dua kali lipat, sehingga T = 1/2 Tp = 0.01 det. Penyearah gelombang penuh dengan filter C dapat dibuat dengan menambahkan kapasitor pada rangkaian gambar 2.5. Bisa juga dengan menggunakan transformator yang tanpa CT, tetapi dengan merangkai 4 dioda seperti pada gambar 2.8 berikut ini.
Gambar 2.8 Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter C
Sebagai contoh, anda mendisain rangkaian penyearah gelombang penuh dari catu jalajala listrik 220V/50Hz untuk mensuplai beban sebesar 0.5 A. Berapa nilai kapasitor yang diperlukan sehingga rangkaian ini memiliki tegangan ripple yang tidak lebih dari 0.75 Vpp. Jika rumus (13) dibolak-balik maka diperoleh. C = I.T/Vr = (0.5) (0.01)/0.75 = 6600 uF ........................ (14) Untuk kapasitor yang sebesar ini banyak tersedia tipe elco yang memiliki polaritas dan tegangan kerja maksimum tertentu. Tegangan kerja kapasitor yang digunakan harus lebih besar dari tegangan keluaran catu daya. Anda barangkali sekarang paham mengapa rangkaian audio yang anda buat mendengung, coba periksa kembali rangkaian penyearah catu daya yang anda buat, apakah tegangan ripple ini cukup mengganggu. Jika dipasaran tidak tersedia kapasitor yang demikian besar, tentu bisa dengan memparalel dua atau tiga buah kapasitor.
2.5
VOLTAGE REGULATOR Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple-nya kecil, namun ada
masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus semakin besar ternyata tegangan dc keluarnya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.
13
Regulator Voltage berfungsi sebagai filter tegangan agar sesuai dengan keinginan. Oleh karena itu biasanya dalam rangkaian power supply, IC Regulator tegangan ini selalu dipakai untuk stabilnya outputan tegangan. Berikut susunan kaki IC regulator tersebut :
Gambar 2.9 Susunan kaki IC regulator Misalnya 7805 adalah regulator untuk mendapat tegangan +5 volt, 7812 regulator tegangan +12 volt dan seterusnya. Sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912 yang berturut-turut adalah regulator tegangan -5 dan -12 volt. Selain dari regulator tegangan tetap ada juga IC regulator yang tegangannya dapat diatur. Prinsipnya sama dengan regulator OP-amp yang dikemas dalam satu IC misalnya LM317 untuk regulator variable positif dan LM337 untuk regulator variable negatif. Bedanya resistor R1 dan R2 ada di luar IC, sehingga tegangan keluaran dapat diatur melalui resistor eksternal tersebut. Rangkaian regulator yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 2.10. Pada rangkaian ini, zener bekerja pada daerah breakdown, sehingga menghasilkan tegangan output yang sama dengan tegangan zener atau Vout = Vz. Namun rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebih dari 50mA.
Gambar 2.10 Regolator zener 14
Prinsip rangkaian catu daya yang seperti ini disebut shunt regulator, salah satu ciri khasnya adalah komponen regulator yang paralel dengan beban. Ciri lain dari shunt regulator adalah rentan terhadap short-circuit. Perhatikan jika Vout terhubung singkat (short-circuit) maka arusnya tetap I = Vin/R1. Disamping regulator shunt, ada juga yang disebut dengan regulator seri. Prinsip utama regulator seri seperti rangkaian pada gambar 3.11 berikut ini. Pada rangkaian ini tegangan keluarannya adalah: Vout = VZ + VBE ...........................................
(15)
VBE adalah tegangan base-emitor dari transistor Q1 yang besarnya antara 0.2 - 0.7 volt tergantung dari jenis transistor yang digunakan. Dengan mengabaikan arus IB yang mengalir pada base transistor, dapat dihitung besar tahanan R2 yang diperlukan adalah : R2 = (Vin - Vz)/Iz .........................................
(16)
Gambar 2.11 Regulator zener follower
Jika diperlukan catu arus yang lebih besar, tentu perhitungan arus base IB pada rangkaian di atas tidak bisa diabaikan lagi. Dimana seperti yang diketahui, besar arus IC akan berbanding lurus terhadap arus IB atau dirumuskan dengan IC
B.
Untuk keperluan itu,
transistor Q1 yang dipakai bisa diganti dengan transistor Darlington yang biasanya memiliki Dengan transistor Darlington, arus base yang kecil bisa menghasilkan arus IC yang lebih besar. Teknik regulasi yang lebih baik lagi adalah dengan menggunakan Op-Amp untuk mendrive transistor Q, seperti pada rangkaian gambar 2.12. Dioda zener disini tidak langsung memberi umpan ke transistor Q, melainkan sebagai tegangan referensi bagi Op-Amp IC1. Umpan balik pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan dari tegangan keluar regulator, yaitu : 15
Vin(-) = (R2/(R1+R2)) Vout ................................... (17) Jika tegangan keluar Vout menaik, maka tegangan Vin(-) juga akan menaik sampai tegangan ini sama dengan tegangan referensi Vz. Demikian sebaliknya jika tegangan keluar Vout menurun, misalnya karena suplai arus ke beban meningkat, Op-amp akan menjaga kestabilan di titik referensi Vz dengan memberi arus IB ke transistor Q1. Sehingga pada setiap saat Op-amp menjaga kestabilan : Vin(-) = Vz ……………………………
(18)
Gambar 2.12 Regulator dengan Op-amp Dengan mengabaikan tegangan VBE transistor Q1 dan mensubsitusi rumus (17) ke dalam rumus (16) maka diperoleh hubungan matematis : Vout = ( (R1+R2)/R2) Vz .....................................
(19)
Pada rangkaian ini tegangan output dapat diatur dengan mengatur besar R1 dan R2. Sekarang mestinya tidak perlu susah payah lagi mencari op-amp, transistor dan komponen lainnya untuk merealisasikan rangkaian regulator seperti di atas. Karena rangkaian semacam ini sudah dikemas menjadi satu IC regulator tegangan tetap. Saat ini sudah banyak dikenal komponen seri 78XX sebagai regulator tegangan tetap positif dan seri 79XX yang merupakan regulator untuk tegangan tetap negatif. Bahkan komponen ini biasanya sudah dilengkapi dengan pembatas arus (current limiter) dan juga pembatas suhu (thermal shutdown). Komponen ini hanya tiga pin dan dengan menambah beberapa komponen saja sudah dapat menjadi rangkaian catu daya yang teregulasi dengan baik
16
Gambar 2.13 Regulator dengan IC 78XX / 79XX
Hanya saja perlu diketahui supaya rangkaian regulator dengan IC tersebut bisa bekerja, tegangan input harus lebih besar dari tegangan output regulatornya. Biasanya perbedaan tegangan Vin terhadap Vout yang direkomendasikan ada di dalam datasheet komponen tersebut. Pemakaian heatshink (aluminium pendingin) dianjurkan jika komponen ini dipakai untuk men-catu arus yang besar. Di dalam datasheet, komponen seperti ini maksimum bisa dilewati arus mencapai 1A. 2.6
Integrated Circuit Sirkuit terintegrasi atau yang biasa juga disebut sebagai IC merupakan komponen
elektronika yang terbuat dari kumpulan puluhan, ratusan, hingga ribuan transistor, resistor, diode dan komponen elektronika lainnya. Kumpulan komponen-komponen tersebut dikemas dengan kompak sedemikian rupa hingga ukurannya tidak terlalu besar. IC dibuat untuk memiliki fungsi tertentu, misalnya seperti penguat audio (audio amplifier), regulator tegangan, penerima gelombang radio, dan lain sebagainya. Sirkuit terintegrasi pada umumnya memiliki jumlah kaki lebih dari tiga buah. Lalu bagaimana mengidentifikasi kaki pertama, kedua, ketiga, dan seterusnya pada sebuah sirkuit terintegrasi / IC. Caranya adalah dengan melihat tanda–tanda khusus yang diberikan pada sebuah IC, tanda khusus ini bisa berupa titik, logo perusahaan, lengkungan, dan lain sebagainya. 2.6.1 IC 40106 IC 40106 adalah CMOS schimit trigger gerbang NOT, IC 40106 mempunyai persamaan dengan 74C14, 40016, dan 74HC14. Komponen ini berisikan 6 CMOS schimit trigger yang masing – masing berdiri sendiri, yang kesemuanya adalah fungsi Boolean Y=Not (A). Schimit trigger berfungsi untuk membuat sinyal sinus atau sinyal tidak beraturan menjadi sinyal kotak. 17
Gambar 2.14 Sinyal Masukan dan Sinyal keluaran Schimitt Trigger 40106
Diasumsikan kondisi pertama input sinyal dimulai dari di bawah VL (2,2V), selama sinyal input belum mencapai VT (3.0V) input gerbang berlogika “0” dan output berlogika “1”. Bila kemudian sinyal mencapai VT (3.0V)input gerbang beralaih dari logika “0” menjadi logika “1” dan output secara cepat beralih dari logika “1” ke logika “0”. Pada saat ini perubahan sinyal input tidak akan mempengaruhi output bila sinyal input tidak turun sampai VL (2,2V). Bila sinyal input turun sampai VL (2,2V), input gerbang berubah menjadi logika “0” dan output secara cepat berubah dari “1” ke “0”. Perubahan sinyal input tidak akan mempengaruhi output bila sinyal input tidak mencapai VT (3.0V). Hal inilah yang membuat schimitt trigger dapat merubah sinyal tidak beraturan menjadi gelombang kotak yang beraturan sesuai dengan VT dan VL schimitt trigger tersebut. Tabel 2.1 Tabel kebenaran 40106
18
(a)
(b) Gambar 2.15 Diagram Block IC 40106
2.6.2 IC NE555 IC NE555 yang mempunyai 8 pin (kaki) ini merupakan salah satu komponen elektronika yang cukup terkenal, sederhana, serba guna dengan ukurannya yang kurang dari 1/2 cm3 dan harganya di pasaran sangat murah. Pada dasarnya aplikasi utama IC NE555 ini digunakan sebagai Timer (Pewaktu) dengan operasi rangkaian monostable dan Pulse Generator (Pembangkit Pulsa) dengan operasi rangkaian astable. Selain itu, dapat juga digunakan sebagai Time Delay Generator dan Sequential Timing.
Gambar 2.16 Konfigurasi Pin IC NE555
Fungsi masing-masing pin IC 555 : Pin 1(Ground). Pin input dari sumber tegangan DC paling negative. Pin ini merupakan titik referensi untuk seluruh sinyal dan tegangan pada rangkaian 555, baik rangkaian intenal maupun rangkaian eksternalnya. Pin 2(Trigger). Input negative dari lower komparator (komparator B) yang menjaga osilasi tegangan terendah kapasitor pada 1/3 Vcc dan mengatur RS flip-flop Pin 3(Output). Pin keluaran dari IC 555. Output mempunyai 2 keadaan, yaitu High dan Low
19
Pin 4(Reset). Pin yang berfungsi untuk me reset latch didalam IC yang akan berpengaruh untuk me-reset kerja IC. Pin ini tersambung ke suatu gate (gerbang) transistor bertipe PNP, jadi transistor akan aktif jika diberi logika low. Biasanya pin ini langsung dihubungkan ke Vcc agar tidak terjadi reset Pin 5(Voltage Control). Pin ini berfungsi untuk mengatur kestabilan tegangan referensi input negative (komparator A). pin ini bisa dibiarkan tergantung (diabaikan), tetapi untuk menjamin kestabilan referensi komparator A, biasanya dihubungkan dengan kapasitor berorde sekitar 10 nF ke pin ground Pin 6(Threshold). Pin ini terhubung ke input positif (komparator A) yang akan me-reset RS flip-flop ketika tegangan pada pin ini mulai melebihi 2/3 Vcc Pin 7(Discharge). Pin ini terhubung ke open collector transistor internal (Tr) yang emitternya terhubung ke ground. Switching transistor ini berfungsi untuk meng-clamp node yang sesuai ke ground pada timing tertentu Pin 8 (Vcc). Pin ini untuk menerima supply DC voltage. Biasanya akan bekerja optimal jika diberi 5V s/d 15V. Supply arusnya dapat dilihat di datasheet, yaitu sekitar 10mA s/d 15mA. Vcc
R1
8
4
7
R3
3
R2
555 2 6
C1
1
5
Gambar 2.17 Rangkaian IC NE555
2.6.3 IC 4066 Pengunaan IC ini digunakan sebagai fungsi switch, dan IC ini merupakan IC yang berfungsi untuk switch transmisi atau multiplexing sinyal Analog mupun sinyal Digital. IC ini mempunyai kemampuan switch antara crosstalk sebesar 50dB dan frekunsi nya 0.9 Mhz. Resitansi dari IC ini memiliki keadan tetap pada saat signal-input range nya dalam keadan penuh.
20
Gambar 2.18 Rangkaian IC 4066
IC 4066 ini memiliki 4 switch elektronik didalamnya, dan switch didalamnya memiliki fungsi yang sama, untuk tiap switch memiliki pin control yang berbeda, untuk melewatkan sinyal pada switch A terdapat pada pin 13, switch B terdapat pada pin 5, switch C terdapat pada pin 6 dan switch D terdapat pada pin 12. Konfigurasi pin lebih jelasnya terdapat pada gambar 2.19. Pin-pin kontrol yang dijelaskan diatas merupakan pin-pin yang akan mengaktifkan switch yang mana akan digunakan untuk memutus dan menyambungkan jalur. Cara melakukan switch adalah apabila pin kontrol diberi masukan low maka jalur in dan out tidak tersambung dan sebaliknya apabila diberi high maka jalur in dan out tersambung.
(b)
Gambar 2.19 (a) Block Diagram IC 4066
21
BAB III METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang digunakan penulis dalam melakukan penelitian ini adalah sebagai berikut : Pertama – tama mencari informasi tentang topik yang akan dibahas, kemudian mencari buku referensi yang berhubungan dengan tofik yamg akan dibahas. Selanjutnya membuat rancangan alat yang akan dibuat lalu menentukan nilai komponen yang akan dipakai dalam rancangan tersebut. Langkah berikutnya merancang alat kemudian melakukan pengujian. Yang terakhir menganalis hasil rancangan dan membuat laporan Adapun alasan pemilihan topik penelitian ini karena sangat membantu dalam proses pengontrolan motor listrik. 3.1 Blok Diagram Sistem Sebelum suatu alat dirancang dan direalisasikan, maka terlebih dahulu di buat blok diagram sistem yang memberikan gambaran tentang perihal alat yang ingin dibuat. Lebih jelasnya diperlihatkan pada gambar 3.1 berikut ini :
Regulator
Inverter
Clock Generator
Saklar Digital
Buzzer
Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem
Dari blok diagram diatas dapat dijelaskan bahwa penurunan tegangan terdiri dari sebuah transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan sesuai dengan yang dibutuhkan. Penyearah berfungsi untuk mengubah tegangan AC menjadi DC. Sistem penyearah dapat berupa penyearah gelombang penuh CT, penyearah jembatan atau penyearah setengah gelombang. Filter berfungsi untuk menghilangkan ripple. Sedangkan regulator dan penguat berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang konstan dengan arus yang memadai. Setelah regulator kemudian diteruskan ke IC 40106, dimana IC tersebut berfungsi sebagai NOT GATE dimana bila inputan kondisi 1, maka keluaran akan bernilai 0 begitupun sebaliknya. Output keluaran dari IC ini akan menjadi control (pengendali) untuk IC 4066 (saklar digital). Rangkaian clok generator menggunakan komponen utama IC 555 yang berfungsi sebagai pembangkit pulsa (“1” dan “0”) yang akan menjadi inputan bagi IC 4066. 22
IC 4066 akan bekerja jika mendapat inputan “1” pada pin kontrolnya. Maka pin input dan output pada IC tersebut akan terhubung yang akan memberikan inputan pada basis transistor dan menggerakan alarm (buzzer) sehingga buzzer akan berbunyi. 3.2
Deskripsi Rangkaian Secara umum alat ini dikenal sebagai “Phase Failure Relay” disingkat PFR atau biasa
disebut juga Phase Failure Protector. Kegunaan alat ini adalah untuk mengamankan instalasi akibat kehilangan salah satu fasa pada sistem tiga fasa. Bagian terpenting didalam konstruksi alat ini yaitu ada tiga bagian antara lain :
Main Circuit Breaker (MCB)
Regulator
Rangkaian Pengendali, terdiri dari Rangkaian inverter, rangkaian Clok Generator, dan rangkaian Saklar Digital
23
BAB IV PERANCANGAN DAN PENGUJIAN ALAT
4.1 Perancangan Alat Setiap bagian rangkaian dirancang sedemikian rupa sehingga menghasilkan alat yang mudah dan praktis. Untuk mewujudkan hal ini perlu dilakukan beberapa survei apakah semua komponen dan peralatan yang dibutuhkan tersedia dipasaran atau untuk lebih jelasnya bisa dilihat beberapa tahap perancangan rangkaian sebagai berikut: a. Tahap perancangan rangkaian Tahap perancangan rangkaian ini dibutuhkan terlebih dahulu gambar dari rangkaian yang akan dibuat. Rangkaian-rangkaian tersebut perlu dirancang agar diketahui komponenkomponen dan peralatan yang dibutuhkan. b. Tahap pencarian komponen Tahap pencarian komponen harus mempunyai spesifikasi yang sesuai dengan perancangan yang diinginkan. c. Tahap perakitan Semua komponen dirakit diatas PCB kemudian di solder. Pemasangan dan penyolderan komponen dimulai dari komponen yang tidak terlalu sensitif dengan panas seperti resistor, kapasitor, dan dioda dilanjutkan dengan pemasangan dan penyolderan komponen-komponen yang sensitif dengan panas seperti IC dan transistor. Khusus untuk IC pemasangannya biasanya menggunakan sochet. d. Tahap pengetesan Setelah semua komponen dirakit diatas PCB maka dilakukan pengetesan untuk mengetahui apakah rangkaian tersebut berfungsi dengan baik.
4.1.1 Perancangan Rangkaian Regulator Komponen elektronika yang digunakan untuk membuat rangakaian regulator adalah sebagai berikut :
Trafo CT
IC 7812
Kapasitor elco 470 μF / 25 V dan 10 μF / 25 V
Dioda IN4002
24
1 2 3
IC 7812
Diode 1N4002
470 µF / 25 V
Trafo CT
10 µF / 25V
Diode 1N4002
Gambar 4.1 Skema Rangkaian Regulator
Rangkaian regulator mendapatkan sumber tegangan sebesar 220 V AC. Regulator ini menggunakan penyearah setengah gelombang dengan trafo CT. Trafo CT yang digunakan ini mempunyai tegangan keluaran 12 VAC , kemudian dirubah menjadi tegangan DC dengan menggunakan 2 dioda IN4002. Keluaran dari penyearah dioda ini belum stabil maka ditambahkan dengan kapasitor sebagai filter dan IC regulator 7812 yang mempunyai keluaran stabil dan mempunyai arus maksimal sebesar 1 A. 4.1.2 Perancangan Rangkaian Inverter Komponen elektronika yang digunakan untuk membuat rangakaian inverter adalah sebagai berikut :
IC 40106
Resistor 10kΩ
Dioda IN4002
Gambar 4.2 Skema Rangkaiam Inverter
25
IC inverter 40106 pada rangkaian ini digunakan untuk mendeteksi kehilangan arus pada listrik tiga fasa, yang sudah diregulasikan oleh dioda penyearah dan kapasitor pada travo CT. Resistor 10k pada keluaran dioda penyearah tersebut digunakan untuk memberi sinyal masukan pada kaki IC 40106. Jiaka bernilai High ( ≥ ½ Vcc) maka output pada IC ini menjadi Low ( ≤ ½ Vcc) begitupun sebaliknya. Jadi jika terjadi kehilangan arus salah satu fasa pada listrik tiga fasa, maka keluaran dari resistor itu menjadi Low ( 0 ) dan keluaran pada IC 40106 menjadi High ( 1 ) yang selanjutnya keluaran itu akan menjadi inputan pada IC saklar 4066. 4.1.3 Perancangan Rangkaian Clock Generator Komponen elektronika yang digunakan untuk membuat rangakaian clock generator adalah sebagai berikut :
IC NE 555
Resistor 10kΩ dan 300kΩ
Kapasitor elco 2.2 μF / 25 V
Kapasitor 10 nF / 25 V
Gambar 4.3 Skema Rangkaian Clock Generator
Apabila supply diberikan, Vcc=0 Volt. Kaki 2 memberi trigger dari tegangan yang tinggi (Vcc) menuju 1/3 Vcc(<1/3 Vcc), kaki 3(output) akan high dan pada saat tersebut kaki 7 mempunyai nilai hambatan yang besar terhadap Ground atau kaki 7 akan High Impedance. C1 diisi melalui Vcc R1 R2 C1, Setelah 0,7 (R1+R2) C1 detik, maka tegangan C1=2/3 Vcc. Sehingga kaki 3(ouput) akan Low, pada saat tersebut, kaki 7 akan mempunyai nilai hambatan yang rendah sekali terhadap Ground atau pin 7 akan Low Impedance. C1
26
membuang muatan, setelah 0,7(R2) C1 detik, maka Teg C1=1/3 Vcc. Trigger terjadi lagi sehingga output akan High. Pin 7 akan high Impedance dan C1 diisi kembali. Pada rangkaian ini menggunakan R1 = 300kΩ, R2 = 100kΩ dan C1 = 2.2 μF. Sehingga pembentukan pulsa “0” pada output didapat dari : T0 = 0.7 (R1+R2) C1 = 0.7 (300.103 + 100.103) 2,2.10-6 = 0,7 (400.103) 2,2.10-6 = 0,616 detik Sedangkan pembentukan pulsa “1” pada output didapat dari : T1 = 0,7 (R2) C1 = 0,7 (100.103) 2,2.10-6 = 0,7 x 0,22 = 0,154 detik
0,7 (R1+R2) C1 0,7 (R2) C1
Gambar 4.4 Gambar Pulsa Output
4.1.4 Perancangan Rangkaian Saklar Digital Komponen elektronika yang digunakan untuk membuat rangakaian saklar digital adalah sebagai berikut :
IC 4066
Resistor 1 kΩ
Transistor C1815
Buzzer
27
Gambar 4.5 Skema Rangakain Saklar Digital IC 4066 akan bekerja jika mendapat inputan “1” pada pin kontrolnya. Maka pin input dan output pada IC tersebut akan terhubung yang akan memberikan inputan pada basis transistor dan menggerakan alarm (buzzer) sehingga buzzer akan berbunyi.
4.2
Pengujian Alat Pada tahap ini dilakukan dengan cara memeriksa rangkaian. Pertama-tama pengujian rangkaian dimulai dengan memeriksa rangkaian regulator, rangkaian inverter, rangkaian clock generator dan rangkaian saklar elektronik serta memeriksa apakah port-port pada PCB sudah terpasang sesuai pada gambar rangkaiannya.
28
Gambar 4.6 Skema Rangkaian Alat Deteksi Kehilangan Satu Fasa Pada Sistem Tiga Fasa 4.3
Daftar Komponen
a. Transformator
T1, T2, T3 : Trafo CT 12 V
b. Resistor
R1, R2, R3, dan R10 : 1 kΩ / 5 V
R4, R5, R6 : 10 kΩ / 5 V
R7 : 300 kΩ / 5V
R8 : 100 kΩ / 5V
R9 : 10 kΩ / 5 V
c. Dioda
D1 : LED Hijau
D2 : LED Kuning
D3 : LED Merah
D4 s/d D12 : Dioda IN4002
d.
Capasitor
C1 : 470 μF / 25 V
C2 : 10 μF / 25 V
C3 : 2.2 μF / 25 V 29
C4 : 10 nF / 25 V
C5 s/d C7 : Elco 10 μF / 25 V
e.
IC
U1 : IC 40106
U2 : IC 555
U3 : IC 4066
U4 : IC 7812
f.
Transistor
Q1 : C1815
g.
Buzzer
4.4
Analisa Hasil Pengujian Alat
Gambar 4.7 Hasil Rangkaian Alat Deteksi Kehilangan Satu Fasa Pada Sistem Tiga Fasa Pada saat kondisi MCB R, S dan T “ON” maka Indikator LED R (merah), S (Kuning), dan T (Hijau) akan menyala dan akan memberikan sinyal inputan yang bernilai “1” pada IC 40106 kemudian berubah menjadi “0” sesuai dengan fungsi dari IC tersebut, yang kemudian sinyal tersebut masuk ke pin control IC 4066. Pin input pada IC 4066 mendapat masukan dari output IC 555. Dikarenakan pin control IC 4066 bernilai “0” maka IC tersebut tidak bekerja (input dan output tidak terhubung) dan menyebabkan transistor tidak mendapatkan bias basis, sehingga alarm (buzzer) tidak bekerja.
30
Pada saat Kondisi MCB R “OFF”, MCB S dan T “ON” maka indicator LED R (merah) mati, sedangkan indicator LED kuning dan hijau tetap menyala. Keadaan ini menyebabakan pin pertama pada IC 40106 mendapat sinyal masukan “0”, sedangkan pin ketiga dan kelima mendapat sinyal masukan “1”. Sinyal masukan “0” pada kaki pertama IC tersebut berubah menjadi “1” pada pin kaki kedua IC tersebut yang akan menjadi sinyal inputan untuk control pada IC 4066 (pin 13). Untuk pin control lainnya (pin5 dan 6) akan mendapat sinyal masukan “0” dikarenakan fungsi dari IC 40106 adalah pembalik (NOT GATE). Sinyal output dari IC 555 akan diteruskan ke kaki pin satu dari IC 4066, dikarenakan sinyal inputan pada pin 13 IC 4066 mempunyai nilai logic “1” maka sinyal dari pin kaki pertama IC 4066 akan terhubung dengan pin kaki kedua IC tersebut. Hal ini menyebabkan terjadinya bias pada basis transistor, sehingga alaram (buzzer) bekerja. Bunyi yang dihasilkan buzzer tidak kontinyu tetapi putus-putus hal ini dipengaruhi oleh IC 555 yang menghasilkan sinyal berbentuk pulsa (“1” dan “0”) sehingga basis pada transistor juga tidak terus menerus mendapat bias.
31
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan Setelah melakukan perancangan, merealisasikan dan mengadakan percobaan dan pengujian dalam beberapa tahapan, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Catu daya linier atau konvensional mempunyai kekurangan dalam banyak hal seperti efisiensi daya yang rendah, ketidak stabilan output, range input yang sempit ( 190 -240 VAC ), dan desain tempat atau box yang relative besar karena adanya penggunaan transformator konvensional. 2. Sensor yang digunakan adalah LED (Light Emitting Diode) yang terbuat dari bahan Silicon dan Germanium. 3. Rangkaian pengendali dari alat deteksi kehilangan satu fasa pada sistem tiga fasa ini terdiri dari rangkaian Inverter yang menggunakan IC 40106, rangkaian Clock Generator yang menggunakan IC NE555, dan rangkaian Saklar Digital yang menggunakan IC 4066.
5.2
Saran Ada beberapa hal yang perlu dilakukan untuk mengembangkan lebih lanjut dalam penyempurnaan alat ini, diantaranya : 1. Untuk tiap – tiap fasa dapat diberikan Buzzer masing – masing dengan selang waktu bunyi yang bervariasi 2. Dalam aplikasi lain dapat digunakan juga dengan menggunakan sms gateway sebagai pemberitahuan kehilangan salah satu fasa pada sistem tiga fasa.
32
DAFTAR PUSTAKA
1. P. Van. Harten, Ir. E. Setiawan, 1985 cetakan kedua. Instalasi Listrik Arus Kuat, jilid 1 dan 2, Bina Cita Bandung. 2. Darto, 2009. Analisis Switching Mode Power Suplay, Akademi Teknik Telekomunikasi Sandhy Putra Jakarta. 3. Ahmad Fali Oklilas, Bahan Ajar Elektronika Dasar, http://www.ilkom.unsri.ac.id, 2007.
33
