Pembacaan Tegangan AC menggunakan Arduino Dengan Metode Tegangan Maksimum

Sensor tegangan dapat digunakan untuk mengukur tegangan AC maupun DC, walau demikian algoritma pengukuran yang diterapkan tidaklah sama. Tegangan DC relatif bernilai konstan sehingga mudah untuk diukur, berbeda halnya dengan tegangan AC yang terus berubah sesuai bentuk gelombang sinus dan memiliki magnitude tegangan dalam wilayah positif dan negatif. Besaran tegangan efektif AC dapat diketahui apabila tegangan maksimum/puncak diketahui. Dengan menggunakan algoritma yang tepat dan persamaan matematis yang berkesesuaian, nilai maksimum dan nilai efektif tegangan AC dapat ditemukan. 

Permasalahan dan signifikansi
Sensor tegangan merupakan piranti yang umum digunakan pada perlatan elektronik. Secara sederhana sensor tegangan bisa didapatkan melalui perancangan rangkaian pembagi tegangan seperti terlihat pada gambar 1a, dan juga dapat didesain menggunakan transformator seperti terlihat pada gambar 1b. Sensor tegangan dengan menggunakan pembagi tegangan dapat digunakan pada tegangan AC maupun DC, sedangkan sensor yang menggunakan transformator hanya dapat digunakan untuk men-sensing tegangan AC.   

Gambar 1. Sensor tegangan a. menggunakan teknik pembagi tegangan 

b. menggunakan transformator

(source)

Terlepas dari jenis sensor tegangan yang digunakan, dalam aplikasi berbasis mikroprosesor teknik pembacaan tegangan AC dan DC sangatlah berbeda. Tegangan DC seperti terlihat pada gambar 2 memiliki sifat nilai yang relatif konstan, selain itu tegangan DC pada umumnya hanya berada pada satu kuadran (positif saja atau negatif saja). Dengan sifat/karakteristik tegangan seperti di atas pembacaan tegangan DC menjadi mudah untuk terapkan. Berbeda dengan tegangan AC, bentuk tegangannya tidak konstan melainkan mengikuti bentuk sinus. Selain itu tegangan AC berada pada dua kuadran, positif maupun negatif, sehingga tidak dapat langsung diberikan ke pin input mikroprosesor.

Gambar 2. Bentuk tegangan DC dan AC (Source)

Tutorial ini fokus membahas teknik pembacaan tegangan AC dengan menggunkanan perangkat keras sensor tegangan berbasis transformator seperti terlihat pada gambar 1b. 

Teknik dan algoritma
Dalam percobaan ini digunakan sensor tegangan analog seperti terlihat pada gambar 1b, sinyal yang dibangkitkan kemudian menjadi input analog (pin A0) dari mikroprosesor Atmega328p yang terintegrasi pada development board Arduino Uno. Untuk dapat membaca tegangan AC dapat digunakan program seperti berikut: 

double sensorValue=0;

double sensorValue1=0;

int crosscount=0;

int climbhill=0;

double VmaxD=0;

double VeffD;

double Veff;

void setup() {

Serial.begin(115200);

}

void loop() {

sensorValue1=sensorValue;

delay(100);

sensorValue = analogRead(A0);

if (sensorValue>sensorValue1 && sensorValue>511){

  climbhill=1;

  VmaxD=sensorValue;

  }

if (sensorValue<sensorValue1 && climbhill==1){

  climbhill=0;

  VmaxD=sensorValue1;

  VeffD=VmaxD/sqrt(2);

  Veff=(((VeffD-420.76)/-90.24)*-210.2)+210.2;

  Serial.println(Veff);

  VmaxD=0;

}

}

Prinsip dari program yang digunakan adalah menemukan tegangan maksimum Vm dari gelombang sinus yang diukur. Vm dapat ditemukan dengan cara mengobservasi tegangan sinus yang diukur secara terus menerus, apabil tegangan maksimum lebih kecil dari tegangan maksimum sebelumnya Vm-1, maka Vm-1 merupakan tegangan maksimum yang diharapkan. Dalam pemrograman Vm-1 adalah sensorValue1 dan Vm adalah SensorValue.

sensorValue1=sensorValue;

delay(100);

sensorValue = analogRead(A0);

 

Tegangan maksimum yang didapatkan kemudian diubah menjadi tegangan efektif menggunkanan persamaan (1)

Dalam script program dituliskan sebagai berikut  

VeffD=VmaxD/sqrt(2);

Dimana VeffD merupakan nilai efektif dalam nilai digital. Agar nilai tegangan efektif sebenarnya Veff bisa didapatkan maka diperlukan pengkalibrasian dengan cara membandingkan nilai digital terhadap nilai tegangan sebenarnya serta mengintegrasikannya kedalam persamaan garis lurus sebagai berikut:

Veff=(((VeffD-420.76)/-90.24)*-210.2)+210.2;

Jika sudah selesai, jangan lupa compile dan upload program ke board arduino, dan pasang kabel-kabel sensor tegangan sesuai aturan datasheet. Jika tidak ada error (seharusnya tidak ada) silahkan klik tombol serial monitor di pojok kanan atas dari IDE Arduino, dan nilai tegangan yang terbaca akan muncul. silahkan bandingkan dengan pembacaan multimeter.

Pengkalibrasian mungkin akan lebih baik dan akurat bila tidak menggunakan persamaan garis lurus melainkan menggunakan persamaan polinomial orde-n. Pada kesempatan lain akan saya bahas teknik penggunaan polinomial.

Potensi Aplikasi
Sensor tegangan dapat diaplikasikan pada berbagai instrumentasi seperti:

• Alat recorder (data logger) kualitas daya,
• Meteran listrik (KWh meter) digital, 
• Peralatan kontrol untuk proteksi jaringan listrik, dsb 

Kesimpulan dan saran
Tegangan AC memiliki pola sinusoidal yang nilainya terus berubah seusia fungsi waktu dan memiliki magnitud tegangan dalam wilayah positif dan negatif. Apabila tegangan maksimum dari sinyal AC diketahui maka tegangan efektif dapat diketahui. Tegangan maksimum diketahui dengan cara membandingkan nilai tegangan actual (Vm) terhadap nilai tegangan sebelumnya (Vm-1), apabila Vm-1 lebih besar dari Vm maka tegangan maksimum adalah setara Vm-1.

Tegangan AC juga dapat dicari dengan mengetahui luas bidang sinus yang diukur, lagi-lagi teknik pengukuran seperti ini akan saya bahas kemudian, sabar ya :D

Referensi
[1] http://images.tutorvista.com/content/electricity/ac-dc-voltage-time-graph.gif
[2] https://fisikakontekstual.wordpress.com/materi-arus-dan-tegangan-listrik-bolak-balik/