Peracangan Alat Pencatatan Pemakaian Listrik Digital

PERANCANGAN ALAT
PENCATATAN PEMAKAIAN LISTRIK DIGITAL

HUDARSONO

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007

ABSTRAK

HUDARSONO (G74103001). Perancangan Alat Pencatatan Pemakaian Listrik Digital. Dibimbing
oleh MAHFUDDIN ZUHRI dan AHMAD AMINUDIN.
Penelitian ini dilakukan untuk merancang sebuah alat pencatatan pemakaian listrik
(meteran listrik) digital untuk penggunaan skala kecil (rumah tangga) dengan akurasi yang
diperoleh dari hasil pengujian adalah 98%. Meteran listrik ini juga memiliki kemampuan untuk
berkomunikasi dalam jaringan karena meteran listrik memiliki fitur device addressing yang
memungkinkan pembedaan antara meteran listrik yang satu dengan yang lainya. Selain itu,
meteran listrik juga dapat berkomunikasi dengan PC (Personal Computer) melalui komunikasi
serial dengan interface RS232 melalui aplikasi software yang telah dibuat dalam penelitian ini.

Variabel listrik yang dapat dibaca oleh meteran listrik ini adalah akumulasi pemakaian energy,
tegangan RMS, arus RMS, daya aktif, daya reaktif, daya total, faktor daya, dan frekuensi.
Kata kunci: meteran listrik, device addressing, pemakaian energi, Personal Computer

PERANCANGAN ALAT
PENCATATAN PEMAKAIAN LISTRIK DIGITAL

HUDARSONO

Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Fisika

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Palembang pada tanggal 24 Agustus
1985 dari pasangan Bapak Husani dan Ibu Helenawati. Penulis
merupakan putra kedua dari empat bersaudara. Sejak lahir hingga
menyelesaikan pendidikan menegah atas, penulis tinggal di kota
Lubuklinggau, Sumatera Selatan. Setelah lulus dari SLTA
Xaverius Lubuklinggau, penulis melanjutkan studi di Departemen
Fisika, Fakultas MIPA, Institut Pertanian Bogor. Selama mahasiswa, penulis juga
aktif dalam mengikuti Program Kreativitas Mahasiswa yang diselenggarakan oleh
DIKTI. Selain bidang Fisika, bidang IT (Information Technology) juga sangat
diminati oleh penulis sehingga penulis juga mengikuti training CCNA (Cisco
Certified Networking Associate) dan juga sebagai asisten dalam training tersebut.
Penulis juga telah menulis sebuah buku dalam bidang IT yang sedang dalam
proses penerbitan.

Judul
Nama
NRP

: Peracangan Alat Pencatatan Pemakaian Listrik Digital

: Hudarsono
: G74103001

Menyetujui :

Mahfuddin Zuhri, M.Si
Pembimbing I

Ahmad Aminudin, M.Si
Pembimbing II

Mengetahui,
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor

Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.S.
NIP. 131 473 999

Tanggal Lulus :

PRAKATA

Penelitian yang telah diselesaikan ini bertemakan perancangan pencatatan pemakaian
listrik digital. Skripsi ini dibuat dalam rangka untuk memperoleh gelar sarjana dari Departemen
Fisika IPB Bogor. Skripsi ini telah memuat hal – hal utama dan penting dalam penelitian ini, dan
diharapkan karya ini akan berguna untuk perkembangan penelitian selanjutnya.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah ikut berkontribusi
sehingga skripsi dapat selesaikan dalam rangka memperoleh gelar sarjana. Ucapan terima kasih
juga penulis haturkan kepada dosen pembimbing yaitu Mahfuddin Zuhri M.Si dan Ahmad
Aminuddin M.Si yang telah membimbing selama proses penelitian ini. Dan juga kepada pihak
PLN (Pak Ilham dan Pak Boyke) yang telah mendukung penelitian ini, penulis ucapkan terima
kasih. Terima kasih juga kepada dosen-dosen lain yang telah memberi masukan dalam penelitian
ini, terutama kepada Ardian Arif M.Si dan Irmansyah M.Si selaku dosen penguji. Kepada temanteman bagian instrumentasi yang telah banyak membantu yaitu Rizal dan Subhi, penulis juga
ucapkan terima kasih.
Akhir kata, semoga hasil penelitian ini dapat digunakan dengan baik ataupun
dikembangkan untuk penelitian selanjutnya.

Bogor, Agustus 2007

Penulis

DAFTAR ISI

Halaman
DAFTAR ISI …………………………………………………………………………….. vii
DAFTAR GAMBAR …………………………………………………………………….. viii
DAFTAR TABEL ………………………………………………………………………..
ix
PENDAHULUAN ………………………………………………………………………..
Latar Belakang ……………………………………………………………………….
Tujuan Penelitian …………………………………………………………………….

1
1
1

TINJAUAN PUSTAKA …………………………………………………………………..
Meteran Listrik Digital ……………………………………………………………….
Perhitungan Daya Listrik ……………………………………………………………..
Daya Aktif dan Daya Reaktif …………………………………………………………

Daya Aktif …………………………………………………………………………….
Daya Reaktif ………………………………………………………………………….
Faktor Daya ……………………………………………………………………………
Pengukur Tegangan dan Pengukur Arus ……………………………………………...
Pengukur Arus …………………………………………………………………………
Pengukur Tegangan ……………………………………………………………………
Standardisasi Meteran Listrik …………………………………………………………
Mixed-Signal Microcontroller MAXQ3120 …………………………………………..

1
1
2
2
2
3
3
4
4
5
5

5

BAHAN DAN METODE ………………………………………………………………….
Tempat dan Waktu Penelitian …………………………………………………………
Alat dan Bahan ………………………………………………………………………..

6
6
6

HASIL DAN PEMBAHASAN …………………………………………………………….

9

SIMPULAN DAN SARAN ………………………………………………………………... 13
Simpulan ………………………………………………………………………………. 13
Saran …………………………………………………………………………………… 13
DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………………………… 13
LAMPIRAN ……………………………………………………………………………….. 14

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Meteran Listrik Digital ……………………………………………………….
2
Gambar 2. Kurva Hubugan Tegangan, Arus, dan Daya ………………………………….
2
Gambar 3. Kurva Hubugan antar Daya, Arus, dan Tegangan ……………………………
3
Gambar 4. Rangkaian Pengukur Arus ……………………………………………………
4
Gambar 5. Rangkaian Pengukur Tegangan ………………………………………………
5
Gambar 6. Mikrokontroler MAXQ3120 …………………………………………………. 5
Gambar 7. Diagram Blok Front-End MAXQ3120 ……………………………………….
6
Gambar 8. Desain Meteran Listrik Digital ……………………………………………….. 7
Gambar 9. Format Paket Daya ……………………………………………………………. 7
Gambar 10. Desain Sensor Tegangan ……………………………………………………… 7

Gambar 11. Desain Sensor Arus …………………………………………………………… 7
Gambar 12. Rangkaian Pengujian Sensor Tegangan ……………………………………… 8
Gambar 13. Rangkaian Pengujian Sensor Arus …………………………………………… 8
Gambar 14. Diagram Alir Penelitian ………………………………………………………. 8
Gambar 15. Hasil Pengujian Sensor Arus …………………………………………………. 9
Gambar 16. Hasil Pengujian Sensor Tegangan ……………………………………………. 9
Gambar 17. Diagram Alir Kerja DSP ……………………………………………………… 12
Gambar 18. Struktur Program Meteran Listrik …………………………………………….. 13

DAFTAR TABEL

Halaman
Tabel 1.
Tabel 2.
Tabel 3.
Tabel 4.
Tabel 5.
Tabel 6.
Tabel 7.
Tabel 8.

Tabel 9.

Data Pengukuran Nilai Offset ADC ………………………………………………. 9
Data Pengukuran Nilai Gain Sensor Tegangan …………………………………… 10
Data Pengukuran Nilai Gain Sensor Arus ………………………………………… 10
Hasil Pengukuran Nilai Offset Sensor …………………………………………….. 11
Hasil Pengukuran Nilai Offset Daya ………………………………………………. 11
Hasil Pengukuran berbagai Beban dengan Power Logic PM800 …………………..11
Hasil Pengukuran berbagai Beban dengan Meteran Listrik Rancangan…………… 11
Hasil Pengukuran Akumulai Pemakaian Energi berbagai Beban selama 15 menit .. 12
Hasil Perhitungan Persentase Perbedaan Hasil Pengukuran terhadap PM800 ……..12

1

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Saat ini, dengan tingkat pertumbuhan
penduduk yang tinggi setiap tahunnya, maka
kebutuhan akan energi listrik juga semakin
meningkat. Kita tahu bahwa energi listrik

merupakan salah satu energi yang memegang
peranan vital dalam berbagai aspek kehidupan,
baik rumah tangga maupun industri. Di
Indonesia terdapat sebuah perusahaan negara
yang berperan untuk memenuhi kebutuhan
semua penduduk akan energi listrik, yaitu
dengan cara menyalurkan energi listrik ke
pelanggan dengan menggunakan sarana
transmisi berupa kabel listrik. Walaupun
pembangkit listrik telah mengalami proses
swastanisasi, proses distribusi dan layanannya
masih dipercayakan pada PLN ( Perusahaan
Listrik Negara).
Dengan
semakin
banyaknya
pelanggan PLN, maka jaringan distribusi listrik
pun akan semakin besar. Semakin besarnya
jaringan listrik PLN, maka akan dibutuhkan
usaha yang semakin besar untuk pengawasan
dan kontrol. Apalagi saat ini proses
pengontrolan dan pengawasan masih dilakukan
secara manual dengan menggunakan tenaga
manusia, sehingga biaya dan waktu yang
dibutuhkan akan semakin besar. Semakin
maraknya pencurian listrik yang dilakukan baik
oleh industri maupun rumah tangga juga perlu
menjadi perhatian khusus untuk menghindari
kerugian. Walaupun untuk tingkat industri
telah diatasi dengan cara menggunakan AMR
(Automated Meter Reading) sehingga tingkat
pencurian dapat diminimalisir, tapi untuk
tingkat rumah tangga masih belum teratasi
dengan baik. Mengingat tingginya biaya untuk
instalasi AMR ini, maka pemasangan AMR di
rumah tangga dirasa kurang efektif.
Selain pencurian listrik, kasus human
error juga sering menjadi keluhan para
pelanggan
yaitu
kesalahan
pencatatan
pemakaian listrik oleh pekerja PLN apalagi
untuk daerah-daerah yang sulit dijangkau oleh
sarana transportasi. Selain itu biasanya keluhan
juga timbul akibat waktu pencatatan yang tidak
benar-benar tepat waktu oleh pekerja PLN.
Kapabilitas PLN untuk menanggapi keluhankeluhan ini juga belum memadai. Hal ini dapat
dipahami mengingat sarana dan prasarana yang
dimiliki pihak PLN dalam distribusi listrik
yang belum benar-benar memadai, sehingga
pihak PLN mengalami kesulitan untuk
memberikan data-data pemakaian listrik oleh
pelanggan secara akurat dan konkret. Ini juga
disebabkan karena saat ini meteran listrik yang

digunakan oleh PLN masih berupa meteran
listrik analog sehingga belum memiliki
kemampuan untuk mengirimkan data secara
otomatis melalui jaringan.
Tujuan Penelitian
Secara umum penelitian ini bertujuan
untuk merancang sebuah meteran listrik digital
yang mampu membaca berbagai variabel
pemakaian energi listrik memungkinkan
pengembangan untuk komunikasi dalam
jaringan. Dengan adanya fasilitas ini
diharapkan dapat :
9 meminimalisir tingkat pencurian listrik dan
manipulasi meteran listrik milik PLN,
9 meminimalisir kemungkinan terjadinya
kesalahan pencatatan pemakaian listrik,
9 memberikan hasil pengukuran yang lebih
akurat,
9 memungkinkan
pelanggan mengetahui
berbagai informasi mengenai pemakaian
beban rumah tangga.
TINJAUAN PUSTAKA
Meteran Listrik Digital
Meteran listrik merupakan sebuat alat
yang dirancang agar dapat mengukur energi
listrik yang digunakan oleh pemakai listrik.
Pada umumnya, meteran listrik dipasang
diantara jaringan penyedia listrik dan pemakai,
sehingga arus listrik yang digunakan oleh
pemakai akan melewati meteran listrik terlebih
dahulu untuk diukur. Dengan demikian, semua
energi listrik yang dipakai oleh pemakai akan
diukur oleh meteran listrik. Biasanya meteran
listrik akan mengakumulasi energi total yang
digunakan oleh pemakai pada selang waktu
tertentu.
Pada umumnya meteran listrik terdiri
dari dua jenis yaitu meteran listrik analog dan
digital. Meteran listrik digital memiliki
beberapa kelebihan dibanding meteran analog
baik dalam hal akurasi, keamanan maupun
dalam hal komunikasi. Meteran listrik digital
biasanya menggunakan komponen-komponen
elektronik untuk mengukur penggunaan energi
listrik dan pengolahan data hasil pengukuran
juga dilakukan secara elektronik. Pada
umumnya meteran listrik digital menggunakan
LCD (Liquid Crsytal Display) sebagai
penampil data akumulasi pemakaian listrik dan
menggunakan memori elektronik untuk
mengakumulasi jumlah pemakaian energi
listrik.
Salah satu tipe meteran listrik yang
banyak dipakai sekarang ini biasanya disebut
sebagai KWH Meter (KiloWattHours Meter).

2

KWH Meter mengukur jumlah energi yang
dipakai
oleh
beban
dalam
satuan
KiloWattHour, dimana satu KWH berarti
jumlah energi yang setara dengan pemakaian
daya satu KiloWatt selama satu jam atau setara
dengan 1000 watt x 1 jam x 3600 detik/jam
yaitu 3.600.000 joule. Satuan energi yang
digunakan
dalam
pengukuran
jumlah
pemakaian energi listrik adalah KiloWattHours
dimana KiloWatt sendiri adalah satuan daya
pemakaian. Jadi energi dapat diperoleh dengan
persamaan (1).
W = ∫ pdt

tidak akan menghasilkan penggunaan daya
yang sesungguhnya dalam watt. Karena
pada umumnya, terdapat beban yang
bersifat kapasitif atau induktif yang
membuat tegangan dan arus tidak sefasa.

(1)

Dalam persamaan (1), W adalah energi,
p adalah daya sesaat, dan t adalah selang
waktu pemakaian. Jadi Meteran Listrik bekerja
dengan cara mengukur daya pemakaian listrik
tiap satuan waktu lalu mengintegralkannya
selama
selang waktu
tertentu untuk
memperoleh akumulasi pemakaian listrik.

Gambar 1 Meteran Listrik Digital

Perhitungan Daya Listrik
Pada awalnya, perhitungan daya ini
terlihat sangat sederhana, yaitu bila tegangan
dan arus bersifat sinusoidal, maka nilai RMS
(RootMeanSquare) nya hanya 1/ 2 kali nilai
puncak tegangan dan arus. Dengan mengalikan
nilai RMS tegangan dan arus maka akan
diperoleh daya dalam watt.
Tapi pada kenyataannya, cara seperti
ini tidak dapat digunakan dalam perhitungan
daya yang digunakan di rumah tangga. Ada dua
alasan yang utama yaitu:
9 Tegangan yang ditransimisikan dari
perusahaan listrik memang hampir
sinusoidal, tapi arusnya belum tentu
sinusoidal terutama bila terdapat beban
non linear seperti lampu fluororencent,
switching power supply membuat arus
yang digunakan tidak sinusoidal. Maka
mencari nilai RMS arus dengan
mengalikan 1/ 2 tidak lagi memenuhi.
9 Walaupun bila ternyata arus bersifat
sinusoidal, kecuali tegangan dan arus tepat
satu fasa, maka cara sederhana dengan
mengalikan nilai RMS tegangan dan arus

Gambar 2 Kurva Hubungan Tegangan, Arus, dan Daya

Daya Aktif dan Daya Reaktif
Daya pemakaian listrik sendiri terdiri
dari dua bagian yaitu daya aktif (active/real
power) dan daya reaktif (reactive power).
Secara sederhana, dapat dibayangkan bahwa
daya aktif merupakan daya yang dipakai oleh
beban sedangkan daya reaktif merupakan daya
yang diserap tapi tidak digunakan untuk
melakukan kerja karena beban tidak dapat
menggunakan semua daya yang disediakan
oleh penyedia listrik. Seperti pernyataan dalam
sebuah makalah,
“Dalam hal daya reaktif, jumlah
energi yang mengalir menuju satu arah sama
besar dengan jumlah energi yang mengalir
dalam arah yang berlawanan. Hal itu berarti
bahwa energi tersebut tidak ditransmisikan
dan tidak juga diserap”.[13]
Daya aktif ini merupakan daya yang
digunakan oleh beban resitif murni sedangkan
daya reaktif disebabkan oleh adanya beban
induktif atau kapasitif (beban reaktif). Beban
induktif memiliki daya reaktif yang positif
sedangkan beban kapasitif akan memiliki daya
reaktif yang negatif. Jadi daya yang digunakan
oleh beban untuk melakukan kerja merupakan
daya aktif. Dalam perhitungan daya pemakaian
oleh pihak penyedia listrik, yang dikenakan
biaya hanya daya aktifnya saja.
Daya Aktif
Pada arus AC (Alternating Current),
tegangan bersifat sinusoidal sedang arusnya
bisa bersifat sinusoidal ataupun tidak (bila
terdapat beban tidak linear). Bila terdapat
beban reaktif maka arus dan tegangan akan
mengalami pergeseran fasa sebesar φ . Pada

3

dasarnya dalam pengukuran daya, tegangan
dijadikan sebagai referensi fasa. Jadi tengangan
dan arus AC dideskripsikan dengan persamaan:
v = Vm sin(ωt )

(2)

i = I m sin(ω t + φ )

(3)

daya rata-rata tiap periode dapat dikalkulasi
bila nilai tegangan dan arus selama periode
tersebut diketahui.

sehingga daya sesaatnya adalah :
p = vi = V m I m sin ωt sin(ωt + φ )

(4)

dimana p, v, i adalah fungsi dari waktu.
Kurva untuk p, v, i dapat digambarkan seperti
pada Gambar 3.
Jadi, luas total yang dilingkupi oleh
kurva daya sesaat selama satu periode
menunjukkan jumlah energi yang diberikan ke
beban selama periode tersebut. Pada saat φ = 0
(beban bersifat resitif murni) maka luas daerah
dibawah kurva akan bernilai nol. Tapi saat
sudut φ meningkat, maka luas daerah kurva
yang negatif akan meningkat sampai pada

φ = π 2 (beban bersifat reaktif murni) maka

luas daerah yang positif dan negatif akan sama,
sehingga luas totalnya adalah nol. Ini
menunjukkan bahwa tidak ada energi yang
netto yang digunakan oleh beban. Pada
umumnya, nilai φ akan selalu berkisar

− π2 ≤ φ ≤

π
2

, sehingga luas total daerah yang

dilingkupi kurva tidak akan pernah negatif.
Daya aktif yang digunakan oleh
beban sama dengan luas total daerah yang
dilingkupi kurva daya p (daya sesaat) selama
satu periode seperti pada Gambar 3, dibagi
periodenya. Jadi dengan kata lain, daerah
kuning pada Gambar 3 merupakan luas
totalnya selama satu periode setelah dikurangi
daerah biru yang dibawah sumbu x. Persamaan
(4) untuk perhitungan daya dapat dirubah
sehingga menggunakan kuantitas yang lebih
terukur seperti pada persamaan (5).
p = 12 Vm I m (cos φ − cos( 2ωt + φ ))

(5)

Jika T adalah periode dari p , maka daya aktif
periodiknya dapat dihitung dengan persamaan
(6).
T

preal =

1
pdt = 12 Vm I m cos φ = VI cos φ
T ∫0

(6)

Dalam persamaan (6) tersebut, V dan I adalah
besaran RMS (Root Mean Square) dari
tegangan dan arus. Dengan demikian, nilai

Gambar 3 Kurva Hubungan antar Daya, Arus, dan
Tengangan

Daya Reaktif
Perhitungan daya reaktif yang
digunakan oleh beban tidak begitu sederhana.
Pertama, telah diketahui bahwa untuk tegangan
dan arus sinusoidal, daya reaktif dapat dihitung
dengan:
Preaktif = VI sin θ

(7)

dimana V dan I adalah nilai RMS dan θ
adalah beda fasa antara tegangan dan arus.
Selain perhitungan daya reaktif
dengan cara diatas, dapat juga mengkalkulasi
daya reaktif dengan persamaan (8).

Preaktif = Ptotal 2 − Paktif

2

(8)

Faktor Daya
Faktor daya (PF) didefinisikan sebagai
rasio antara daya aktif (daya yang digunakan
oleh beban) terhadap daya total (daya yang
ditransmisikan pada beban). Faktor daya juga
disebut sebagai cos φ . Faktor daya sendiri ada
dua jenis, yaitu true power factor dan
displacement power factor.
¾ True power factor merupakan rasio antara
nilai RMS daya aktif dan daya total atau
daya efektif.
¾ Displacement power factor merupakan nilai
cosinus dari perbedaan fasa antara tegangan
dan arus.[18]
Nilai true PF ini dapat lebih rendah dari
displacement PF untuk jenis beban tertentu,
tapi seringkali mendekati sama[12]. Untuk
menghitung nilai true PF dapat dilakukan
dengan persamaan (9).
Paktif
TruePF =
(9)
Ptotal

4

Pengukuran Tegangan dan Arus
Agar dapat menghitung jumlah
pemakaian daya listrik, maka perlu mengetahui
tengangan dan arus yang melewati beban.
Dalam meteran listrik terdapat komponen yang
berfungsi untuk mengukur tengangan dan arus
yang menuju beban pada setiap saat, sehingga
data pengukuran tengangan dan arus ini akan
diproses di dalam blok prosesor pada meteran
listrik untuk menghitung jumlah pemakaian
daya dan energi total yang digunakan oleh
beban.
Komponen yang berfungsi untuk
mengukur tegangan AC pada jala-jala listrik
disebut
transduser
tegangan
(Voltage
Transducer), sedangan untuk mengukur besar
arus AC yang melewati beban digunakan
sensor arus berupa current transformer.
Pengukur Arus
Pengukur arus atau sensor arus yang
dapat digunakan untuk keperluan meteran
listrik ada beberapa jenis seperti resistor shunt,
current transformer (CT) dan Hall Effect
current sensor. Resistor shunt merupakan
metode pengukuran arus secara langsung (arus
yang akan diukur dilewatkan pada resistor),
sedangkan current transformer dan Hall-Effect
sensor merupakan metode tak langsung
(memanfaatkan
medan
magnet
yang
ditimbulkan dari arus AC yang mengalir dekat
sensor). Pengukuran arus tak langsung akan
lebih baik karena mengurangi disipasi daya
pada sensor dan juga memiliki akurasi dan
stabilitas terhadap temperatur yang lebih baik.
Oleh karena itu, dalam penelitian ini digunakan
sensor arus jenis Current Transformer (CT).
Current transformer berfungsi untuk mengukur
besar arus AC yang mengalir pada sebuah
penghantar dengan memanfaatkan medan
magnet yang ditimbulkan oleh arus tersebut,
sehingga tidak diperlukan kontak langsung
antara penghantar dan CT. Arus sekunder yang
dihasilkan oleh CT akan proporsional terhadap
arus primer yang melewatinya dimana
perbedaan fasa antara arus primer dan sekunder
mendekati nol[19]. Selain dalam hal akurasi,
keuntungan utama menggunakan CT adalah
dari segi keamanan, karena apapun yang terjadi
pada arus primer, bagian sirkuit sekunder akan
tetap terlindung dari tegangan tinggi, sehingga
dapat melindungi perangkat meteran listrik
terhadap tegangan tinggi.
Prinsip kerja CT ini sesuai dengan
Hukum Lens, dimana perubahan besar medan
magnet yang ditimbulkan arus listrik disekitar
kumparan, akan menghasilkan arus listrik pada
kumparan yang menimbulkan medan magnet
baru dengan arah melawan perubahan medan

magnet sebelumnya. Jadi pada CT ideal, arus
sekunder akan sama dengan arus primer setelah
dikalikan dengan turn ratio CT tapi arahnya
berlawanan. Dimana turn ratio merupakan
perbandingan jumlah lilitan sekunder/ lilitan
primer.

TurnRatio(r ) =

N sec
N primer

(10)

Contoh rangkaian pengukur arus dengan CT
terlihat seperti Gambar 4. Pada Gambar 4, Vo
adalah tegangan keluaran (mV), Io adalah arus
primer, Is adalah arus sekunder, dan Ro adalah
Burden Resistor. Burden Resistor ini
diperlukan untuk mengubah arus sekunder
menjadi tegangan, sehingga output dari sensor
arus ini adalah tegangan, bukannya arus.
Dengan demikian, arus sekunder (Is) dapat
dihitung dengan :

Is =

I0
TurnRatio(r )

(11)

Sehingga tegangan output (Vo) dapat dihitung
dengan :
V0 = I s Ro

(12)

Dengan menggabungkan persamaan (11) dan
(12) akan diperoleh hubungan antara tegangan
output (Vo) dengan arus primer (Io).

V0 =

Ro
I0
TurnRatio(r )

(13)

Gambar 4 Rangkaian Pengukur Arus

Dari persamaan (13) tersebut, maka terlihat
jelas bahwa nilai tegangan keluaran (Vo) dari
sensor arus akan sebanding dengan nilai arus
primer yang mengalir (Io). Karena arus primer
yang melewati sensor arus merupakan arus AC
(bolak-balik) secara sinusoidal, maka tegangan
keluaran dari sensor arus juga akan sinusoidal.
Sehingga agar tegangan keluaran sensor arus
yang berupa sinyal analog dapat diolah untuk
perhitungan daya, maka perlu dikonversi ke
dalam bentuk digital terlebih dahulu.

5

Pengukur Tegangan
Pada dasarnya, untuk mengukur
tegangan tidak dibutuhkan sensor karena
besaran yang diukur telah berbentuk tegangan
sehingga tidak lagi dibutuhkan sensor untuk
mengkonversi besaran fisik ke besaran elektrik
(tegangan). Hanya saja untuk pengukuran
tegangan yang cukup tinggi seperti tegangan
jala-jala listrik yang berkisar 220 V rms, maka
diperlukan
rangkaian
tambahan
untuk
mengkondisikan tegangan tersebut agar cukup
rendah sehingga dapat diukur tanpa merusak
rangkaian elektronik yang lain. Rangkaian ini
dinamakan Voltage Transducers. Voltage
transducers dapat berupa rangkaian pembagi
tegangan sederhana seperti tampak pada
gambar 2.6.
R

R

R

R

Vinput
Vout
Ro
Ground

Gambar 5 Rangkaian Pengukur Tegangan

Tegangan keluaran dari rangkaian diatas dapat
dihitung dengan :

Vout =

Ro
Vinput
4 R + Ro

(14)

Rangkaian diatas menggunakan empat buah
resistor dengan besar yang sama daripada
hanya satu resistor saja dengan besar 4R
dikarenakan bila menggunakan empat resistor,
maka disipasi daya akan dibagi keempat
resistor tersebut sehingga disipasi daya pada
tiap resistor tidak akan terlalu besar, untuk
mencegah resistor menjadi panas. Karena
Vinput adalah tegangan AC yang sinusoidal,
maka Vout juga berupa tegangan AC sinusoidal
tapi dengan amplitudo yang jauh lebih kecil.
Frekuensi Vinput akan sama dengan Vout ,

merupakan komplian meteran listrik untuk
pengukuran energi aktif.
Standar ini menspesifikasikan beberapa
parameter yaitu :
¾ Parameter listrik
Parameter ini menspesifikasikan seberapa
besar batas maksimum meteran litrik
menyerap daya untuk operasionalnya, dan
seberapa besar tegangan yang harus dapat
ditoleransi oleh meteran listrik tersebut.
¾ Parameter akurasi
Parameter ini menspesifikasikan seberapa
besar tingkat kesalahan pengukuran yang
diperbolehkan dalam berbagai kondisi.
¾ Parameter kompatibilitas elektromagnetik
Parameter ini menspesifikasikan seberapa
besar radiasi elektromagnetik yang dapat
diserap dan diemisikan oleh meteran
listrik.
Tabel standardisasi tersebut dapat dilihat pada
Lampiran 1.
Mixed-Signal Mikrokontroler MAXQ3120
Mikrokontroler
MAXQ3120
merupakan mikrokontroler 16 bit berarsitektur
RISC (Reduced Instruction Set Computer)
dengan kemampuan tinggi yang menyertakan
dua buah input ADC Delta-Sigma 16bit,
interface Liquid Crystal Display (LCD) 112
segmen, dan Real-Time Clock dengan baterai.
Bentuk fisik dari mikrokontroler ini adalah
seperti Gambar 6.
Mikrokontroler
MAXQ3120
ini
sangat reliable untuk aplikasi meteran listrik
karena dapat beroperasi pada kecepatan 8
MHz. Selain itu, MAXQ3120 memiliki 16
Kwords memori flash, 256 words RAM, 3
buah timer 16bit, dan 2 Universal
Syncronuous/Asyncronuous
Receiver/Transmitter (USARTs). Bagian –
bagian
penting
dari
mikrokontroller
MAXQ3120 ini seperti analog front-end, high
speed hardware multiplier, dan realtime clock.

begitu juga dengan fasanya karena pada
rangkaian hanya menggunakan hambatan
murni.
Standardisasi Meteran Listik
Dalam pembuatan meteran listrik,
terdapat standar-standar yang harus dipenuhi
agar meteran listrik tersebut layak untuk
diaplikasikan secara luas. Salah satu standar
untuk meteran listrik yang digunakan di
seluruh dunia adalah standar IEC61036 yang

Gambar 6 Mikrokontroler MAXQ3120

Analog Front-End
Bagian
analog
front-end
dari
MAXQ3120 adalah seperti terlihat pada
gambar 2.9. Dua channel input (AN0 dan
AN1) untuk konversi data analog (ADC Delta-

6

Sigma) bekerja secara parallel dengan
kecepatan sama. Selain itu juga dilengkapi
dengan blok koreksi fasa untuk mengkoreksi
adanya phase-sift diantara kedua channel yang
disebabkan oleh rangkaian luar. Buffer untuk
koreksi fasa bekerja secara digital dengan cara
menunda arus data dari salah satu channel

terhadap channel lain hingga 140 bit. Modul
ADC ini dapat melakukan sampling setiap
48us, sehingga dalam 1 detik dapat dilakukan
pengambilan sample sebanyak 20833 sample
dengan range input -1 sampai 1V dengan
resolusi 16 bit.

Gambar 7 Diagram Blok Front-End MAXQ3120

Modul Pengali Berkecepatan Tinggi (HighSpeed Hardware Multiplier)
MAXQ3120 juga dilengkapi dengan
modul pengali untuk mengalikan data digital
keluaran dari dua channel ADC. Modul ini
dapat melakukan operasi pengalian dengan
cepat,
operasi
pengkuadratan,
operasi
pengakumulasian, dan dapat melakukan
operasi pengalian dengan pengakumulasian dua
data 16 bit (16bit × 16bit ) hanya dalam satu
siklus operasi. Modul ini memiliki register
akumulator 40 bit.

dibutuhkan penelitian ini adalah 12 bulan yaitu
dari bulan Juli 2006 hingga bulan Juli 2007.

Real-Time Clock
Mikrokontroler MAXQ3120 memiliki
sistem pencatatan waktu secara biner yang
berfungsi sebagai jam, sehingga dapat
dijadikan sebagai acuan waktu. Resolusi dari
jam biner MAXQ3120 mencapai 1/256 detik.
Jam ini terbuat dari pencacah detik 32 bit,
sehingga mampu mencacah hingga 136 tahun
dan dapat dikonversi ke dalam format kalender
dengan software aplikasinya

Bahan – bahan yang digunakan dalam
penelitian ini antara lain :
1. Modul evaluasi MAXQ3120 + JTAG
2. Modul sensor arus dan tegangan
3. Modul display
4. Modul catu daya DC 5V
5. Modul AC-MIO Transceiver

BAHAN DAN METODE
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan pada Lab
Fisika Lanjut, Lab Mikroprosesor dan Lab
Software Departemen Fisika IPB. Waktu yang

Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian
ini antara lain :
1. Personal Computer (PC)
2. Multimeter digital
3. Peralatan solder
4. Catu daya AC/DC digital
5. Rheostat
6. Protoboard dan alat pendukung lain

Metode Penelitian
Penelitian dilakukan dalam beberapa
tahapan yaitu :
1. Melakukan studi literalur melalui internet
dan melakukan survei ke beberapa kantor
PLN untuk memperoleh gambaran
rancangan meteran listrik yang sesuai
kebutuhan.
2. Membuat desain meteran listrik digital.

7

3.

Membuat desain masing – masing modul
seperti modul sensor, modul display,
modul EEPROM, dan modul catu daya.
+ ADC0
100kΩ

220 Vr ms

10nF

100kΩ

100kΩ

100kΩ
100nF

1.00kΩ

10nF

- ADC0
100nF

1.00kΩ

Gambar 8. Desain meteran listrik digital

Meteran listrik digital yang didesain
menggunakan mikrokontroler MAXQ3120
sebagai komponen utama. Dua buah sensor
yaitu sensor arus dan tegangan dipasang
untuk mengukur besar arus dan tegangan
yang mengalir, dimana keluaran dari
sensor akan dikonversi oleh ADC ke
format digital dengan metode Delta-Sigma
16 bit. Lalu hasil konversi akan diolah oleh
16-Bit RISC CPU yang meliputi
perhitungan Vrms, Irms, daya aktif, daya
reaktif dan pemakaian energi total.
Pada meteran listrik juga dipasang
modul EEPROM untuk menyimpan data
hasil pengukuran dan data kalibrasi agar
tidak hilang saat listrik padam. Selain itu,
pada modul EEPROM ini juga terdapat
baterai yang akan menjaga agar RTC (Real
Time Clock) pada MAXQ3120 tetap
berjalan walaupun listrik padam.
Untuk keperluan komunikasi, meteran
listrik dapat berkomunikasi lewat serial
port RS232, dimana melalui port RS232
ini dapat dilakukan kalibrasi ataupun
pembacaan data dari meteran listrik. Jenis
komunikasi yang dilakukan adalah
komunikasi
asinkron
dengan
menggunakan paket data. Format dari
paket data ini dapat dilihat pada Gambar
9.

Gambar 10. Desain Sensor Tegangan

CURRENT_XFORMER

2500: 1

10nF

220V RMS
330 Ω

- ADC1
825Ω
10nF

Gambar 11. Desain Sensor Arus

Sensor tegangan telah didesain agar
masih dapat mengukur kenaikan tegangan
hingga 115% dari tegangan standar yaitu
220 Vrms, berdasar pada standar
IEC61036. Pada saat tegangan input
maksimum maka tegangan outputnya :
Vout =

1KΩ
× 115% × 220Vrms = 0,630Vrms
401KΩ

Sehingga range osilasi maksimum pada
input ADC adalah 0,630V × 2 = 0,891V .
Nilai ini masih berada dalam range input
ADC yaitu -1 sampai 1V.
Sedangkan sensor arus didesain agar
meteran listrik dapat membaca arus hingga
5A (1200W), dimana pada saat arus
maksimum, tegangan outputnya adalah

Format paket data ke meteran

V out =
Format paket data reply dari meteran

4.
5.
Gambar 9. Format Paket Data

+ ADC1
825Ω

J al a l i s t r i k

5A
× 330 Ω = 0,66V rms
2500

Jadi saat arus masukan maksimum, range
osilasi maksimum pada input ADC adalah
0,660V × 2 = 0,933V , masih berada dalam
range input ADC.
Merakit masing – masing modul
Menguji masing – masing modul secara
terpisah

8

Pengujian sensor tegangan dan sensor
arus dilakukan dengan menggunakan
rangkaian seperti pada Gambar 12 dan
Gambar 13.
Vol t met er
( Tegangan Kel uar an)
Vol t met er
( Tegangan Mas uk an)
Se n s o r
Te g a n g a n

9.

Pengambilan data pengujian meteran
listrik dengan cara membandingkan
dengan perangkat pengukuran standar
yaitu Power Logic Power Meter PM800
yang memiliki tingkat error kurang dari
atau sama dengan 1%.

Prosedur tahapan – tahapan dalam
melakukan penelitian dapat dilihat pada
diagram alir yaitu pada Gambar 14.

I NPUT
OUT PUT

Gambar 12. Rangkaian Pengujian Sensor Tegangan
Amper emet er
( Ar us Mas uk an)

Vol met er
( Tegangan Kel uar an)

330 Ω

50%

Cur r ent
Tr ansf or mer

Rheos t at
Gambar 13. Rangkaian Pengujian Sensor Arus

6.
7.

Mengintegrasikan seluruh sistem meteran
listrik
Melakukan kalibrasi meteran listrik
Kalibrasi meteran listrik ini meliputi
pengukuran nilai offset masukan ADC agar
dapat meng-nol-kan nilai output ADC.
Selain itu juga perlu dilakukan pengukuran
nilai faktor konversi sensor tegangan dan
sensor arus. Secara teoretis, nilai faktor
konversi dari sensor tegangan dan sensor
arus dapat dihitung dari persamaan
dibawah ini.
I _ Konversi =
V _ Konversi =

8.

TurnRatio 2500
=
= 7,57
Ro
330
Rtotal 401K
= 401
R o 1K

Membuat software meteran listrik yang
kemudian di-download ke dalam modul
MAXQ3120.

Gambar 14. Diagram Alir Penelitian

9

HASIL DAN PEMBAHASAN
Bagian yang sangat penting dalam
meteran listrik karena berperan besar dalam hal
akurasi pengukuran adalah sensor. Sensor arus
dan tegangan yang digunakan dalam
perancangan meteran listrik ini telah diuji,
dimana
hasilnya
menunjukkan
tingkat
linearitas yang memenuhi standar. Data hasil
pengujian dapat dilihat pada Gambar 15 dan
Gambar 16.

Tegangan Output (mV)

Hasil Pengujian Sensor Arus
700,0
600,0

y = 0,1333x + 0,0536

500,0
400,0
300,0
200,0
100,0
0,0
0,0

1000,0 2000,0 3000,0 4000,0 5000,0 6000,0
Arus (mA)

Gambar 15. Hasil Pengujian Sensor Arus

Hasil Pengujian Sensor tegangan

Tegangan Output (mV)

70,0
60,0
y = 2,4834x - 0,1092

meningkatkan tingkat error dalam prngukuran.
Oleh karena itu, dalam penelitian ini offset
ADC perlu diukur sehingga dapat kemudian
dikompensasi pada saat pembacaan data dari
ADC. Data hasil pengukuran nilai offset
masukan ADC dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Data Pengukuran nilai offset ADC

Pengulangan
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Rata - Rata =

Output (Format Desimal)
ADC 0
ADC 1
-20
-10
-25
-3
-15
-18
-23
-25
-18
-23
-28
-20
-18
-13
0
-20
-20
-20
-25
-23
-20
-5
-15
-50
-25
-15
-58
-10
-30
-25
-22,7
-18,7

50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

Tegangan Input (V ac)

Gambar 16. Hasil Pengujian Sensor Tegangan

Pada Gambar 15, hasil pengujian
sensor arus menghasilkan kemiringan grafik
yang hampir sama dengan hasil perhitungan
teoretis yaitu 0,132. Sedangkan pada Gambar
16, hasil pengujian sensor tegangan
menghasilkan kemiringan grafik yang juga
mendekati hasil perhitungan yaitu 2,493.
Adanya sedikit perbedaan kemiringan grafis
pada hasil pengujian sensor tegangan ini
disebabkan oleh penggunaan kapasitor dalam
modul sensor tegangan untuk mem-filter noise
sehingga akan sedikit mengubah gain sensor
tegangan dikarenakan kapasitor juga memiliki
reaktansi.
Blok ADC dari meteran listrik digital
yang dibuat memiliki nilai tegangan offset
masukan sehingga walaupun input ADC
bernilai nol, output ADC tidak benar- benar nol
tapi mendekati nol. Nilai offset ini dapat

Pada Tabel 2 dapat terlihat bahwa ADC 0 yaitu
ADC untuk sensor tegangan memiliki keluaran
rata–rata -22,7 pada saat tidak ada masukan,
sedangkan ADC 1 yaitu ADC untuk sensor
arus memiliki keluaran rata-rata -18,7 saat
tidak ada masukan. Sehingga pada saat
pembacaan nilai ADC, perlu ditambahkan
dengan 22,7 pada ADC0 dan 18,7 pada ADC1
sebagai faktor koreksi. Untuk kasus ini, nilai
22,7 dan 18,7 dapat dibulatkan menjadi 23 dan
18 untuk mempermudah pembacaan data tanpa
memberi pengaruh yang signifikan karena
range nilai ADC mencapai 216 atau 65536,
sehingga nilai 0,3 tidak cukup berarti.
Selain pengukuran nilai offset
masukan ADC, dilakukan juga pengukuran
faktor konversi pada sensor arus dan sensor
tegangan. Faktor konversi pada sensor
tegangan
dapat
diukur
dengan
cara
memberikan tegangan masukan berupa
tegangan DC yang bervariasi sambil mengukur
tegangan
keluaran
ADC-nya.
Dengan
membandinkan nilai output ADC dan nilai
input, maka akan diperoleh besar faktor
konversi sensor. Data hasil pengukuran nilai
faktor konversi sensor tegangan dapat dilihat
pada Tabel 2. Untuk pengukuran faktor
konversi sensor arus, tidak dapat dilakukan

10

pengukuran tegangan output ADC secara
langsung karena arus input yang diberikan pada
sensor arus merupakan arus AC sehingga nilai
tegangan output ADC-nya akan berosilasi.
Arus input sensor arus perlu menggunakan arus
AC karena sensor arus yang digunakan berupa
induktor sehingga jika menggunakan arus DC
tidak akan diperoleh tengangan output karena
arus DC tidak dapat menimbulkan induksi
magnet. Jadi tegangan baik pada input sensor
maupun output ADC yang diukur merupakan
tegangan RMS-nya. Data hasil pengukuran
faktor konversi sensor arus dapat dilihat pada
Tabel 3.
Pengukuran nilai faktor konversi
sensor tegangan ini dilakukan dengan

pemberian tegangan masukan sensor yang
bervariasi dari 0 – 200 volt. Pengambilan hasil
sampling ADC dilakukan 5 kali perulangan.
Sedangkan tegangan keluaran ADC (V_ADC0)
dihitung dengan cara membagi nilai output
ADC dengan 32768 (berlaku untuk ADC 16
bit). Dari data pada Tabel 2, nilai rataan faktor
konversi sensor tegangan yang diperoleh
adalah 409,14. Nilai ini sedikit lebih tinggi dari
perhitungan teoretis yaitu 401. Peningkatan
nilai faktor konversi ini disebabkan oleh
kapasitor yang dipasang pada keluaran ADC
sehingga mengakibatkan adanya reaktansi
tambahan pada outputnya yang akan
mengurangi nilai tegangan ouputnya.

Tabel 2. Data pengukuran nilai faktor konversi sensor tegangan

V INPUT
(V)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200

1
-17
1585
3193
4803
6398
8038
9618
11215
12833
14440
16115

Output ADC 0
2
3
4
26
5
3
1583
1615
1598
3163
3193
3193
4828
4828
4813
6413
6418
6408
7993
8023
8025
9593
9620
9623
11238 11213 11230
12823 12820 12845
14433 14450 14430
16080 16095 16100

5
3
1583
3190
4793
6410
8018
9603
11213
12830
14408
16065

V_ADC0
(V)
0,049
0,097
0,147
0,196
0,245
0,293
0,342
0,392
0,440
0,491
Rataan =
Standar Deviasi =

Rataan
4
1593
3186
4813
6409
8019
9611
11222
12830
14432
16091

V_Konversi
411,45
411,35
408,49
409,00
408,61
409,11
408,80
408,64
408,69
407,28
409,14
1,29

Tabel 3. Data pengukuran nilai faktor konversi sensor arus

I INPUT
(A)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1

OUTPUT ADC 1
(V)
0,013206
0,026572
0,039123
0,051428
0,064259
0,076094
0,088217
0,102084
0,113889
0,125651
Rataan =
Standar Deviasi =

Pengukuran nilai faktor konversi
sensor arus dilakukan dengan mmberi
masukan arus AC yang besarnya bervariasi
pada sensor arus, yaitu antara 0,1 – 1 A. Dari

I_Konversi
7,572
7,527
7,668
7,778
7,781
7,885
7,935
7,837
7,902
7,959
7,784
0,151

data-data yang diperoleh, nilai rataan faktor
konversi untuk sensor arus adalah 7,784.
Nilai ini juga sedikit lebih tinggi dari
perhitungan teoretis yaitu 7,57. Hal ini dapat

11

disebabkan
juga
karena
pemasangan
kapasitor pada keluaran sensor arus sehingga
menyebabkan adanya reaktansi tambahan
pada output yang akan mengurangi tegangan
outputnya.
Selain pengukuran nilai tegangan
offset ADC seperti penjelasan sebelumnya,
perlu juga dilakukan pengukuran nilai offset
yang berasal dari modul sensor. Hal ini
karena walaupun saat sensor tidak diberi
beban, sensor menghasilkan keluaran yang
tidak nol, sinyal ini bisa disebut sinyal offset
sensor. Untuk mengkoreksi penyimpangan
hasil pengukuran akibat sinyal offset sensor,
maka dilakukan pengukuran besar sinyal
offset sensor setiap satu periode yang
kemudian nilai ini akan digunakan untuk
mengkoreksi nilai hasil pengukuran. Yang
diukur adalah sinyal offset sensor tegangan
dan arus dalam setiap siklus keluaran dari
ADC, yaitu ∑V 2 dan ∑I 2 hasil keluaran

Dengan adanya sinyal offset dari
sensor arus dan tegangan ini, maka besaran
ini juga akan terakumulasi saat perhitungan
daya real, hal ini akan mengurangi akurasi
hasil pengukuran daya. Oleh karena itu,
dilakukan juga pengukuran nilai offset daya
real dalam setiap siklus, yang disebabkan
oleh nilai offset sensor ini. Pengukuran
dilakukan dalam kondisi sensor tanpa beban.
Hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5. Hasil pengukuran nilai offset daya
(Data ini diperoleh dari hasil keluaran ADC)

Perulangan
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Rata-Rata

sensor saat tidak ada beban pada sensor.
Hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4. Hasil pengukuran nilai offset sensor
(Data ini merupakan nilai keluaran dari ADC)

Perulangan

∑I2

∑V 2

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Rata-Rata

8527
12436
7358
11645
13922
10755
5029
10441
7591
8559
9626,3

50420
42065
42778
58224
44602
52726
55422
45650
49716
52729
49433,2

∑ VI
2770028
2159128
1140865
2701991
1632458
2983316
3254360
539747
3167128
2747874
2309689,3

Nilai – nilai offset rataan pada Tabel 3, 4, dan
5 ini kemudian akan dijadikan nilai koreksi
dari akumulasi arus, tegangan, dan daya
setiap siklus.
Setelah proses kalibrasi selesai
dilakukan, maka dilakukan proses pengujian.
Pengujian
dilakukan
dengan
cara
membandingkan hasil pengukuran dari
meteran listrik hasil rancangan dengan
meteran listrik standar, yaitu Power Meter
(Power Logic PM800) yang memiliki tingkat
akurasi 1 %.

Tabel 6. Hasil pengukuran berbagai beban dengan Power Logic PM800
Beban
Solder
Standing Fan
Table Fan

I RMS
(mA)
119
169
161

P real
(W)
24,8
30,9
19,2

P reaktif
(VAR)
11,0
22,6
31,3

P total
(VA)
25,7
38,0
36,9

PF
(Power Factor)
0,915
0,891
-0,520

Tabel 7. Hasil pengukuran berbagai beban dengan meteran listrik hasil rancangan
Beban
Solder
Standing Fan
Table Fan

I RMS
(mA)
117
168
160

P real
(W)
24,7
31,0
18,8

P reaktif
(VAR)
10,7
22,3
31,1

P total
(VA)
25,6
37,8
36,6

PF
(Power Factor)
0,917
0,892
0,515

12

Tabel 8. Hasil pengukuran akumulasi pemakaian energi pada berbagai beban selama 15 menit
Beban
Setrika
Solder
Standing Fan
Laptop
Table Fan

PF
Referensi
1,000
0,915
0,891
0,680
0,520

Error
(%)

Akumulasi Energi ( Watt – Hours)
Meteran Listrik Power Logic PM800
35,7
36,2
6,04
6,04
7,76
7,80
7,46
7,48
4,63
4,71

1,38
0,00
0,51
0,27
1,69

Tabel 9. Hasil perhitungan persentase perbedaan hasil pengukuran terhadap PM800
Beban
Solder
Standing Fan
Table Fan

I RMS
(%)
1,68
0,59
0,62

P real
(%)
0,40
0,32
2,08

Perbandingan
antara
hasil
pengukuran dengan meteran listrik hasil
rancangan dan instrumen ukur standar dapat
dilihat pada Tabel 6 dan Tabel 7. Dari data
tersebut dapat dilihat bahwa rata-rata hasil
pengukuran cukup akurat, hanya pada
beberapa bagian ada penyimpangan yang
lebih besar dari 1%. Penyimpangan ini
kemungkinan disebabkan oleh kurang
tepatnya pembacaan nilai, dikarenakan
pemakaian beban yang cukup fluktuatif.
Hasil pengukuran akumulasi energi
baik dengan instrumen standar maupun
dengan meteran listrik hasil rancangan dapat
dilihat pada Tabel 8. Hasil pengukuran cukup
akurat untuk berbagai beban, kecuali pada
beban berupa table fan (kipas meja). Faktor
utama yang diduga menyebabkan hal ini
adalah akibat beban ini bersifat sangat
induktif dengan nilai PF(Power Factor) yang
cukup rendah yaitu 0,520. Dari data terlihat
bahwa tingkat error pada pengukuran daya
real juga meningkat saat beban bersifat
sangat induktif. Sehingga sangat masuk akal
bahwa penyimpangan dari pengukuran daya
real ini akan berimbas pada penyimpangan
saat proses akumulasi energi yang pada
dasarnya merupakan proses integrasi dari
daya real terhadap waktu.
Semua proses perhitungan daya,
tegangan, arus, energi dan power factor ini
dilakukan oleh sebuah program DSP (Digital
Signal Processing) yang dieksekusi oleh
prosesor. Secara sederhana, DSP akan
mengakumulasi daya ( ∑ VI ), kuadrat arus
dan kuadrat tegangan ( ∑ V 2 dan ∑ I 2 ) setiap

P reaktif
(%)
2,72
1,33
0,64

P total
(%)
0,39
0,53
0,81

PF
(%r)
0,22
0,11
0,96

waktu, sambil menunggu request dari bagian
lain untuk perhitungan nilai RMS, daya atau
energi. Saat terjadi request, maka request
akan dilayani oleh DSP selama masa tidak
sibuk (tidak sedang melayani interrupt). DSP
akan menyimpan variabel – variabel yang
akan diperlukan untuk perhitungan RMS,
daya, frekuensi, maupun faktor daya,
sehingga saat terjadi request maka DSP dapat
segera mengkalkulasi nilai yang di-request.

Gambar 17. Diagram Alir Kerja DSP

13

Secara garis besar, struktur program
meteran listrik yang dibuat tampak seperti
Gambar 16.

3.

meminimalkan noise yang masuk ke
ADC.
Perhitungan pergeseran fasa antara V
dan I akibat rangkaian sensor perlu lebih
akurat dengan peralatan yang lebih baik.

DAFTAR PUSTAKA

Gambar 18. Struktur Program Meteran Listrik

Jika ada request dari serial RS-232,
maka request tersebut akan diterima oleh
SerialCom,
lalu
SerialCom
akan
mengirimkan
request
tersebut
ke
SerialService
untuk
diterjemahkan.
Kemudian
SerialService
akan
mengintruksikan
kepada
DSP
untuk
memberikan data sesuai dengan yang request,
dan memformat data tersebut bersamaan
dengan data tanggal dan waktu yang
diperoleh dari RTC sebelum dikirimkan
kembali melalui SerialCom. Setiap blok
routine pada Gambar 18 memiliki
prioritasnya masing-masing.

SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
1. Secara umum meteran listrik yang
dirancang telah berfungsi dengan baik
dengan tingkat akurasi lebih dari 99%.
2. Pada beban yang sangat induktif terjadi
penurunan tingkat akurasi pengukuran
hingga 98%.
3. Dengan tingkat efisiensi software DSP
yang dibuat, sampling rate ADC
mencapai lebih dari 385 sample/siklus.
Saran
1. Untuk penelitian selajutnya, sampling
rate ADC dapat ditingkatkan hingga 417
sample/siklus
dengan
lebih
mengefisienkan software DSP. Secara
sederhana dapat dilakukan dengan tidak
mengakumulasi I2 dan V2 setiap saat,
melainkan
hanya
diakumulasi
berdasarkan request.
2. Tingkat akurasi pengukuran juga dapat
ditingkatkan dengan membuat modul
sensor yang lebih baik sehingga dapat

[1] _____. 2005. High-Precision ADC Mixed
Signal Microcontroller. Maxim, Inc
[2] _____. 2005. MAXQ3120 Evaluation Kit.
Maxim, Inc
[3] _____. 2006. MAXQ3120 Electricity
Meter Reference. Maxim, Inc
[4] _____. 2005. Single Phase, Bidirectional Power/Energy IC. Cirrus
Logic, Inc.
[5] _____. 2004. AVR465 : Single-Phase
Power/Energy Meter with Tamper
Detection. Atmel Corporation
[6] _____. 2005. Introduction to Utility
Metering Tutorial. Microchip
Technology, Inc
[7] _____. 2006. Single-Phase Energy Meter
with Tamper Detection based on
ST7FLITE2x. ST Electronics
[8] _____. 2000. Power Factor. USA:
Osram Sylvania.
[9] English, Stephen T. A Low Cost WattHour Meter based on the ADE7757.
Analog Device, Inc. USA.
[10] English, Steven and Dave Smith. 2001.
Power Meter Reference Design
based on the ADE7756. Analog
Device, Inc. USA
[11] General, Ariel. Current-Sense
Transformer Application Design
Guidelines. Datatronic Distribution,
Inc
[12] Grady, W Mack and Robert J Gilleskie.
1993. Harmonics and How They
Relate to Power Factor. San Diego.
[13] Jayaraman. Reactive Power. Kochi
Refineries, Ltd. Japan.
[14] King, Craig L. 2005. IEC Compliant
Active-Energy Meter Design Using
the MCP3905/6. Microchip
Technology, Inc
[15] Koon, William. 2001. A TamperResistent Watt-Hour Energy Meter
based on the AD7751 with a Current
Transformer and a Low Resistant
Shunt. Analog Device, Inc. USA.
[16] Mouline, Etienne. 2002. Measuring
Reactive Power in Energy Meter.
Analog Device, Inc. USA.

14

[17] Sauer, Peter W. 2003. What is Reactive
Power?.
Urbana-Champaign
:
University of Illionis.
[18] Power Factor Effect.
http:// EnergyIdeas.org
[19] Current Transformer, Voltage
Transformer, and Instrument
Transformer.
http://www.kappaelectricals.com

LAMPIRAN
Lampiran 1. Source code DSP (Digital Signal Processing)
//

DSP (Digital Signal Processing) Routine

#include "MAXQ3120.h"
#include "AMR.h"
#include

//constant
static float V_gain, I_gain;
static int OFF_ADC0,OFF_ADC1;
static float POWER_CONSTANT, V_CONSTANT, I_CONSTANT, ENERGY_CONSTANT;
static
static
static
static
static
static
static
static

int sample_count, energy_sample, data_count, cycle_count;
char sample_neg, zero_crossf, timer0_count;
int prev_sample_i, prev_sample_v;
long long realpowerE_sum,realpower_sum;
long long v2_sum,i2_sum,v2_acc,i2_acc;
sign_mac realpower_acc;
int frecuency;
float Energy;

void accumulateRealPower(int i_sample, int v_sample)
{
initMAC(MULTIPLY_ADD);
preloadMAC(realpower_acc.Byte);
realpower_acc.Byte = getMAC(v_sample, i_sample);
}

void accumulateV2(int v_sample)
{
initMAC(SQUARE_ADD);
preloadMAC(v2_acc);
v2_acc = getSQUARE(v_sample);
}

void accumulateI2(int i_sample)
{
initMAC(SQUARE_ADD);
preloadMAC(i2_acc);
i2_acc = getSQUARE(i_sample);
}

void LineCycleRoutine(void)
{
v2_sum = v2_acc;
i2_sum = i2_acc;
v2_acc = 0;
i2_acc = 0;
if ( realpower_acc.byte_array[2] == 0xFF)
{
realpower_acc.byte_array[3] = 0xFFFF;
realpower_acc.byte_array[2] = 0xFFFF;
}
realpowerE_sum += realpower_acc.Byte;
realpower_sum = realpower_acc.Byte;
data_count = sample_count;
realpower_acc.Byte = 0;
sample_count = 0;
}

void ZeroCrossingDetector(int sampleADC)
{
if (sampleADC < 0)
{
if((zero_crossf > 0) && (sample_count < 50)) return; // remove sero_cross by noise
sample_neg = 1;
}
if ((sampleADC >= 0) && sample_neg)
{
if ((zero_crossf > 0) && (sample_count < 50)) return; // remove sero_cross by noise
zero_crossf++;
if(zero_crossf == 1)
{
startTimer1();
// timing for kwh calculation
startTimer0();
// timing for frecuency cal