Clamp-Meter Pengukur Arus AC Berbasis Mikrokontroller
Tanu Dwitama, Daniel Sutopo P.
Politeknik Batam
Parkway Street, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia E-mail: tanudwitama@yahoo.co.id , daniel@polibatam.ac.id
Abstrak Clamp-meter Pengukur Arus AC Berbasis  Mikrokontroller  merupakan  suatu  alat yang  berfungsi  untuk  mengukur  arus  yang mengalir pada suatu kabel tanpa memutus kabel tersebut.  Clamp-meter  Pengukur  Arus  AC Berbasis  Mikrokontroller  ini  menggunakan sebuah  hall  effect  sensor    yang  berfungsi mendeteksi  medan  magnet  pada  kabel  berarus. Medan  magnet  ini  akan  diubah  menjadi tegangan oleh sensor tersebut. Besaran tegangan  ini  akan  dikuatkan  oleh  sebuah penguat sinyal atau op-amp. Tegangan keluaran dari  op-amp  yang  berupa  tegangan  bolak-balik akan disearahkan oleh dioda bridge dan menjadi tegangan  searah.  Tegangan  searah  ini  akan dibaca  oleh  mikrokontroller  sebagai  pengolah data.  Hasil  dari  perhitungan data  tersebut  akan ditampilkan di LCD.
Kata kunci : clamp-meter, hall effect sensor, op- amp, mikrokontroller .

## 1 Pendahuluan
Di dalam dunia elektronika dan industri, pengukuran  arus  biasanya  dilakukan  dengan menghubungkan  amperemeter  secara  seri.  Ini tidak  efektif,  karena  selain  harus  memutus kabel,  kemungkinan  kabel  yang  diputus  akan mengganggu jaringan listrik ke sistem kelistrikan  lain,  sehingga  mengganggu  sistem yang lainnya.
Clamp-meter Pengukur Arus AC Berbasis  Mikrokontroler  merupakan  alat  yang berfungsi  mengukur  arus  tanpa  harus  memutus kabel.  Alat  ini  akan  mempermudah  pengguna dalam  mendapatkan  nilai  arus  yang  mengalir tanpa  mengganggu  sistem  kelistrikan  lainnya. Clamp-meter  Pengukur  Arus  AC  Berbasis Mikrokontroler  ini  juga  dapat  dihubungkan  ke osiloskop untuk dapat  menampilkan bentuk arus yang mengalir pada suatu kabel.
Rangkaian  Clamp-meter  Pengukur  Arus AC  Berbasis  Mikrokontroler  ini  menggunakan hall effect sensor UGN3503 sebagai masukannya untuk  mendeteksi    medan  magnet  yang dihasilkan  oleh  kabel  berarus.  Perubahan tegangan  yang  keluar  dari  sensor  sesuai  dengan frekuensi dari arus yang diukur. Untuk mengolah sinyal dari sensor, penulis menggunakan OpAmp OP77. Output dari OpAmp akan langsung dapat dibaca  oleh  osiloskop  (untuk  mendapatkan  nilai arus pada osiloskop, perlu dilakukan perhitungan). Berikut blok diagram secara umum tentang cara kerja alat ini :
HALL EFFECT SENSOR OPAMP
OSCILLOSCOPE MIKRO KONTROLER LCD DISPLAY
Gambar 1 : Blok diagram input – output

## 2 Perancangan Sistem

## Perancangan Hardware
Rangkaian yang penulis buat ini  terdiri dari  beberapa rangkaian  elektronika  yang  dibuat perblok  dan  berdasarkan  fungsi  masing-masing. Rangkaian tersebut terdiri dari  rangkaian sensor dan Op-Amp, dan rangkaian mikrokontroler dan LCD.
Rangkaian sensor dan Op-Amp merupakan  suatu  rangkaian  elektronika  yang berfungsi  mendeteksi  magnet  yang  ada  pada kabel  berarus,  mengubahnya  menjadi  tegangan, kemudian memperkuat tegangan tersebut sehingga  dapat  terbaca  di  ADC.  Catu  daya  dari rangkaian  ini diambil  dari  dua  buah  battery  9
Vdc  yang  dipasang  secara  seri,  kemudian distabilkan  oleh  IC  regulator.  IC  regulator  yang dipakai  pada  rangkaian  adalah  IC  7805  untuk mendapatkan  output  tegangan  sebesar  5Vdc. Tegangan  output  dari  IC  7805  digunakan  untuk mensupply sensor UGN 3503 dan potensiometer Adapun  karakteristik  dari hall  effect sensor ini  adalah  sebagai  berikut:  (a)Tiap kenaikan  1  Gauss  akan  menghasilkan  kenaikan tegangan  output  sebesar  1,3  mV.  (b)  Beroperasi pada  tegangan  hingga  ±22  V.  (c)  Rentang magnet  yang  dideteksi  0  s/d  900  Gauss.  (d) Frekuensi sampai dengan 20 KHz.
Adapun  prinsip  kerja  dari hall  effect  sensor adalah : (a) Magnet yang berada pada kabel yang berarus di deteksi  menggunakan bagian IC  yang peka  terhadap  magnet.(b)  Magnet  ini  diubah menjadi tegangan listrik oleh rangkaian di dalam IC,  dimana  perubahan  magnet  berbanding  lurus dengan perubahan tegangan output. Output dari hall  effect  sensor ini  langsung dihubungkan  dengan  Op-Amp,  penguatan  yang digunakan  adalah inverting dengan  jenis  IC OP77.  Penguatannya  sebesar  100  kali.  Maka dapat  dihitung  nilai  tahanan  untuk  penguatan inverting sebagai berikut : AV = Vo / Vi                                      (1) Vo / Vi    = - ( Rf / Ri )
100 = - ( Rf / Ri ) ) 100 = - Rf / Ri
Jika Ri = 1 K, maka Rf = 100 K
Berikut  ini  merupakan  skematik  rangkaian sensor dan Op-Amp yang Penulis buat:
Gambar 2 : Rangkaian Sensor dan Op-Amp
Pada clamp-meter AC berbasis mikrokontroler  ini  menggunakan  IC  Atmega 8535  karena  banyaknya  kemudahan  fasilitas yang diberikan sebagaimana sudah penulis bahas
pada  bab  sebelumnya.  IC  Atmega  8535  pada rangkaian  ini  adalah  sebagai  pengolah/pemroses data yang diterima dari sensor untuk ditampilkan ke LCD.
Penulis  menggunakan  sebuah  Atmega 8535  pada  rangkaian  ini.  Pada  IC  tersebut penulis  hanya  menggunakan  2  Port  saja  yaitu Port  A  dan  Port  C.  Port  A  sebagai  input  data yang  dikirimkan  oleh  sensor  suhu  yang  berupa sinyal  analog  dan  diolah  IC  Atmega8535 menjadi sinyal digital. Port C digunakan sebagai output untuk menampilkan data ke LCD.
Berikut
adalah rangkaian mikrokontroler yang Penulis gunakan :

## Gambar 3 : Rangkaian Mikrokontroler Atmega8535
ATmega8535 menyediakan ADC
dengan resolusi  8 dan 10 bit.  Adapun cara kerja ADC pada Atmega8535  ini adalah:
ADC  mengkonversi  tegangan  input analog menjadi data digital 8 bit atau 10 bit. Data digital  tersebut  akan  disimpan  didalam  ADC Data  Register  yaitu  ADCH  dan  ADCL.  Sekali ADCL dibaca, maka akses ke data register tidak bisa dilakukan. Dan  ketika  ADCH dibaca,  maka akses  ke  data  register  kembali enable .  Pada Mode  Single  Conversion,  proses  konversi  dapat dimulai  dengan  memberikan  logika  1  pada  bit ADC Start Conversion, ADSC. Bit ini akan tetap high  selama  proses  konversi  dan  akan  clear ketika  proses  konversi  selesai.  Pada  mode  auto trigger,  proses  konversi  dapat  dimulai  dengan beberapa  sumber  trigger.  Ini  dilakukan  dengan mensetting  ADC  Auto  Trigger  Enable  bit, ADATE  pada  ADCSRA.  Sumber  trigger  dipilih dengan  melakukan  setting  pada  ADC  Trigger Select bits, ADTS pada SFIOR.
Pada clamp-meter AC berbasis mikrokontroler  ini  juga  menggunakan  LCD sebagai  penampil  nilainya.  Jenis    LCD  yang penulis  gunakan  pada  alat  ini  berukuran  2  x  16, artinya  tipe  LCD  ini  memiliki  2  baris  dimana masing–masing  baris  memuat  16  karakter. Fungsi  LCD  ini  untuk  menampilkan  data  yang telah diolah oleh mikrokontroler.
Berikut  merupakan  gambar  rangkaian dari LCD 2 x 16 :
Gambar 4 : Rangkaian Skematik LCD
Pemasangan  LCD  ini  dikoneksikan pada port C pada mikrokontroler.

## Perancangan  Mekanik
Pada  rancangan  sistem  yang  penulis buat  ini  tidak  begitu  banyak  mekanik  yang digunakan.  Adapun  mekanik  yang  penulis gunakan  hanya  kotak  komponen  dan  mekanik sensor  untuk  menjepit  kabel  berarus  yang  akan diukur.
Berikut  adalah  gambar  mekanik  yang penulis maksudkan :

## Gambar 5 : Rancangan Mekanik
Alat ini berukuran 18 cm x 11.5 cm x 6 cm, dengan dimensi clamp 2,5 cm  x 5 cm x 0,5 cm.
Pada  desain  mekanik  penjepit  kabel, terdapat  sebuah  sensor  UGN3503.  Bahan  dari penjepit  kabel  ini  terbuat  dari  inti  ferit  yang mempunyai  sifat  konduktor  dan  berfungsi  untuk mentransfer  magnet  yang  ditangkap,  kemudian magnet  langsung  akan  dideteksi  oleh  sensor UGN3503.
Berikut  merupakan  cara  peletakan sensor pada alat ini :
Gambar 6 : Peletakan Hall effect Sensor.

## Perancangan Program
Pada  perancangan  program,  penulis menggunakan  software  CodeVision  AVR  dalam menulis  program.  Program  yang  telah  ditulis  di dalam  CodeVision  AVR  kemudian  di  compile untuk mengecek error yang terjadi. Setelah tidak ada  error,  program  kemudian  di  download  ke dalam chip mikrokontroler.
Start Baca ADC pada PINA.7 Tegangan =  (4,91 * data_adc) / 256 Arus = (Tegangan – 1,572) /0,560 Tampilkan Arus ke LCD
Gambar 7 : FlowChart Program

## 3 Pengukuran dan Analisa Sistem
Tujuan dari pengukuran yang dilakukan adalah  untuk  mendapatkan  data  aktual  pada rangkaian dan komponen yang dipakai, kemudian  dibandingkan  dengan  spesifikasi  alat yang  ada  pada datasheet setiap  komponen,  ini dilakukan  untuk  mengetahui  keakuratan  alat yang penulis buat.
Tegangan  sumber  yang  diinginkan memiliki  satu  keluaran  tegangan  yaitu  5  VDc. Untuk  mengetahui  apakah  tegangan  keluaran sudah  sesuai  dengan  yang  diharapkan,  maka dilakukan  pengukuran  pada  tegangan  keluaran pada  IC  regulator  tersebut.  Terdapat  2  buah  IC regulator  pada  alat  ini,  IC  regulator  (1)  terdapat pada rangkaian mikrokontroler, dan IC Regulator (2) terdapat pada rangkaian sensor dan Op-Amp. Pada pengukuran
tersebut
penulis membandingkan  dua  hasil  ukur  yaitu  tegangan IC Regulator (1) dan Tegangan IC Regulator (2) dengan nilai tegangan teori.
Berdasarkan  pengukuran  yang  telah dilakukan,  maka  didapat  hasil  pengukuran seperti pada tabel berikut :

## Tabel 1 Hasil pengukuran IC regulator

## Hasil Pengukuran
Output IC Regulator (1) Output IC Regulator (2) 4.91 4.93

## Pengukuran Hall Effect Sensor dan Op-Amp
Hall  effect  sensor  UGN  3503  diuji bersamaan  dengan  Op-Amp  agar  terlihat perubahan tegangan yang signifikan. Pengukuran ini  dilakukan  dengan  memberikan  catu  daya  5V pada hall effect sensor dan memberkan catu daya ±  9  V  pada  Op-Amp.  Tegangan  keluaran  dari
Op-Amp langsung diamati dengan voltmeter .

## Tabel 2 Hasil pengukuran Hall Effect Sensor dan
Op-Amp
Pada  pengukuran  ini,  arus  diukur dengan  amperemeter  digital,  tegangan output (AC)  diukur  dengan  menggunakan  osiloskop digital, dan tegangan output (DC) diukur dengan menggunakan voltmeter digital.
Berikut  merupakan  grafik  Tegangan Output terhadap Arus :
Grafik Tegangan Output (DC) terhadap Arus
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Arus te ga ng a n ou tpu t (D C ) Series1

## Gambar 8 : Grafik Tegangan Output (DC) terhadap Arus
Pada grafik diketahui bahwa nilai arus 0 A,  0.1  A,  dan  0.2  A  tidak  linier,  sehingga  tidak diikutkan dalam pemrosesan data selanjutnya.
Hasil  pengukuran  tegangan  (DC)  yang dilakukan  pada hall  effect  sensor dan  Op-Amp kemudian  penulis  proses  menjadi  sebuah persamaan linier. y =1.572 + 0.560 x (2)
Dimana y merepresentasikan  tegangan keluaran  (DC)  dan x merepresentasikan  arus yang  diukur.  Persamaan  linier  ini  kemudian dijadikan  acuan  dalam  membuat  program  di dalam mikrokontroler.

## 4 Analisa
Dari  data  pengukuran  rangkaian  sensor dan Op-Amp  didapat bahwa pada arus dibawah 0,3  A  mempunyai  grafik  yang  tidak  linier. Namun pada hasil perbandingan antara pengukuran  dan  perhitungan  didapat  arus  diatas 0,5  A  mempunyai  error  yang  kecil.  Sehingga rangkaian  ini  hanya  akan  mempunyai output yang akurat jika arus yang dideteksi diatas 0,5 A.

## 5 Kesimpulan dan Saran
Dari  hasil  riset  perancangan,  pembuatan  dan pengujian  Clamp-meter  Arus  AC  Berbasis Mikrokontroller  ini,  ada  tiga  perancangan (Mekanik,  Elektronik  dan  Program)  yang  dibuat menjadi  satu  kesatuan.  Dari  ketiga  Perancangan tersebut  dapat  diambil  kesimpulan  sebagai berikut:
Dari  hasil  pengujian  dan  analisa  didapat kesimpulan bahwa pembacaan alat  ini pada arus dibawah  0,5  A  tidak  akurat  disebabkan  oleh pembacaan  hall  effect  sensor  yang  tidak  linier. Pada  pengambilan  data,  alat  ini  hanya  dites hingga  pada  nilai  arus  sebesar  2,8  A,  sehingga nilai  arus  ini  dijadikan  nilai  arus  terbesar  yang penulis buat di dalam laporan Tugas Akhir ini Untuk  mempermudah  proses  perancangan  dan analisa  troubleshooting  Clamp-meter  Arus  AC Berbasis  Mikrokontroller  ini,  maka  perlu  untuk mengerti  dan  memahami  secara  jelas  mengenai sistem  kerja  dari  setiap  alat,  komponen  atau perangkat  elektronik  serta    pemrograman  yang digunakan pada sistem ini. Pemahaman spesifikasi  setiap  komponen  penting  bisa diperoleh  dari  datasheetnya.  Maka  setiap komponen  yang  utama  dan  riskan  perlu  ada datasheetnya.
Sebagai  saran  untuk  pengembangan  alat  ini selanjutnya  dapat  dikembangkan  sehingga  tidak hanya  dapat  menampilkan  bentuk  sinyal  dan mengukur arus, melainkan juga dapat menampilkan  bentuk  sinyal  sesuai  dengan  nilai arus, dapat mengukur arus AC maupun DC, juga dapat mengukur tegangan dan tahanan.

## 6    Daftar Pustaka
[1] Tanu  Dwitama,  Clamp-meter  Pengukur
Arus  AC  Berbasis  Mikrokontroller, Batam, 2010. [2] Joko Santoso, Prinsip Prinsip Elektronika, Salemba Teknika, Jakarta , Indonesia, 2003.
[3] Herman  Widodo  Soemitro, Penguat Operasional  dan  Rangkaian  Terpadu Linear  Edisi  Kedua, Erlangga,  Jakarta, Indonesia, 1983.
[4] David  Halliday  and  Robert  Resnick, Fisika, Erlangga,  Jakarta,  Indonesia, 1990.
[5] Datasheet  OP77  [online]  Tersedia: http://www.alldatasheet.com/datasheet- pdf/pdf/49061/AD/OP77.html.  [02-03- 2010 23.15]
[6] Datasheet UGN3503. [online] Tersedia: http://www.alldatasheet.com/datasheet- pdf/pdf/55100/ALLEGRO/UGN3503.ht ml. [02-03-2010 23.40]
[7] Detektor  medan  magnet  dengan  hall effect sensor. [online] Tersedia: http://www.flobamor.com/forum/inovas i-teknologi/5118-detektor-medan-magn et-dengan-hall-effect-sensor.html.  [02- 03-2010 22.50]