Switching Kapasitor untuk Penghematan Bi (2)
Switching Kapasitor untuk Penghematan Biaya Listrik
Yudhi Andrian1
Email :
yudhi@potensi-utama.ac.id
ABSTRAKSI
Beban listrik yang digunakan umumnya mempunyai beban bersifat reaktif induktif yang
menyebabkan gelombang arus tertinggal dari gelombang tegangan. Hal ini mengakibatkan
besarnya daya yang diserap dari sumber lebih besar daripada daya yang dipakai oleh
beban, sehingga menimbulkan kerugian yang tidak sedikit. Kerugian daya yang disebabkan
beban reaktif induktif bisa dikurangi dengan memperbaiki faktor daya. Sistem yang
dirancang mencoba membuat suatu sistem yang menghubungkan rangkaian yang diukur
faktor dayanya dengan suatu kombinasi kapasitor yang terangkai secara paralel.
Dengan kombinasi ini diharapkan nilai faktor daya yang telah diperbaiki mampu
mendekati nilai maksimumnya. Faktor daya dihitung dengan cara membandingkan antara
sinyal analog arus bolak balik yang dihasilkan oleh sensor arus dengan sinyal analog yang
dihasilkan oleh sensor tegangan. Jika sinyal analog tegangan mendahului sinyal analog arus
disebut beban induktip. Selanjutnya mikrokontoller akan mengendalikan switching kapasitor
melalui relay sesuai dengan hasil perhitungan pada mikrokontroller. Pengujian dilakukan
dengan menghubungkan beban induktif berupa lampu TL dengan daya yang bervariasi,
dimulai dari beban daya 20 Watt sampai beban 140 Watt, sehingga data yang diperoleh
merupakan data hasil penghematan daya listrik. Besarnya penghematan daya listrik yang
dilakukan oleh alat bervariasi, tergantung dari besarnya kapasitor yang terhubung ke beban.
Dari hasil pengujian didapat bahwa daya listrik yang berhasil dihemat bervariasi, dimana
penghematan minimal sebesar 3,24 % dan maksimal mencapai 7,39 %.
Kata kunci : Switching kapasitor, penghematan daya, faktor daya, mikrokontroller
ATMEGA8535.
ABSTRACT
Electrical load is used generally have inductive reactive load that caused the current
wave lags behind the voltage wave. This resulted in the amount of power absorbed
from the power source is greater than that used by the load, causing a loss that is not
small. Power loss caused by inductive reactive load can be reduced by improving the
power factor. System designed try to make a system that connects the circuit power
factor is measured by a combination of capacitors that are strung in parallel. With
this combination, the expected value of the corrected power factor able to approach
its maximum value. Power factor is calculated by comparing the analog signal of
alternating current generated by the current sensor with analog signals generated by
the voltage sensor. If the analog voltage signal precedes the current analog signal,
this is called the load induktip. Furthermore microcontoller will control the switching
of capacitors through a relay in accordance with the results of calculations on the
microcontroller. Testing is done by connecting an inductive load of TL lamps with
various power, starting from 20 watts to 140 Watt power load, so the data obtained by
the data of electric power saving. The amount of electric power saving varies,
depending on the size of the capacitor is connected to the load. From the test results
obtained that the power is successfully saved varies, where the minimum savings is
3.24% and maximum is 7.39%.
1
Dosen Program Studi Teknik Informatika, STMIK Potensi Utama
Jl. K.L. Yos Sudarso Km 6,5 No. 3A Medan, Telp (061) 6640525
Keywords : Switching Capasitor, power saving, power factor, microcontroller ATMEGA8535.
PENDAHULUAN
Kebutuhan energi listrik mengalami peningkatan setiap tahunnya, baik untuk
kebutuhan rumah tangga maupun dalam dunia industri. Beban listrik yang
digunakan umumnya mempunyai beban bersifat reaktif induktif yang menyebabkan
gelombang arus tertinggal dari gelombang tegangan. Hal ini mengakibatkan
besarnya daya yang diserap dari sumber lebih besar daripada daya yang dipakai
oleh beban (faktor daya tidak maksimal), sehingga menimbulkan kerugian yang tidak
sedikit. Kerugian daya yang disebabkan beban reaktif induktif bisa dikurangi
dengan memperbaiki faktor daya.
Sistem perbaikan faktor daya yang telah ada saat ini hanyalah dengan
menghubungkan rangkaian yang diukur faktor dayanya dengan suatu kombinasi
kapasitor paralel. Sehingga hasil yang dicapai belum tentu sesuai untuk semua
beban dan faktor daya yang dihasilkan bias saja bukan merupakan faktor daya yang
maksimum. Untuk mengatasi hal tersebut, sistem yang akan dirancang ini mencoba
membuat suatu sistem yang menghubungkan rangkaian yang diukur faktor
dayanya dengan suatu kombinasi kapasitor yang terangkai secara paralel. Dengan
kombinasi ini diharapkan nilai faktor daya yang telah diperbaiki mampu
mendekati nilai maksimumnya.
RANCANGAN SISTEM
Diagram Blok Rangkaian
Diagram blok dari sistem yang dirancang adalah seperti yang diperlihatkan
pada gambar 1. berikut ini:
Jala-Jala Listrik
Tombol
Setting
MCB
Sensor
Arus
Mikrokontroller
ATMEGA8535
Sensor
Tegangan
Relay Sebagai Switching
Beban (Alat Listrik atau
Elektronik yang Diuji)
Kapasitor Bank
Gambar 1. Diagram Blok Rangkaian
Display
LCD
Beban (Lampu
untuk pengosongan
Kapasitor
MCB digunakan untuk memutuskan atau menghubungkan hubungan jala-jalan
listrik ke beban yang diuji.
Untuk mengukur tegangan digunakan sensor tegangan. Sensor tegangan yang
digunakan adalah trafo stepdown, lalu tegangannya diturunkan dengan menggunakan
rangkaian pembagi tegangan. Output dari sensor tegangan akan menjadi masukan ke
internal ADC dari mikrokontroller ATMega8535.
Sensor arus berfungsi untuk mengukur kuat arus. Output sensor arus akan
menjadi input untuk ADC internal mikrokontroller ATMega8535.
Mikrokontroller berfungsi mengolah data input, menampilkannya pada display
LCD dan melakukan tindakan sesuai dengan system kerja alat.
cos φ dihitung dengan cara membandingkan antara sinyal analog arus bolak
balik yang dihasilkan oleh sensor arus dan sinyal analog yang dihasilkan oleh sensor
tegangan. Jika sinyal analog tegangan mendahului sinyal analog arus disebut beban
induktip, jika sebaliknya sinyal analog arus mendahului sinyal analog tegangan
disebut beban kapasitip.
Selanjutnya mikrokontoller akan mengendalikan switching kapasitor melalui
relay sesuai dengan hasil perhitungan pada mikrokontroller.
Tombol setting berfungsi untuk menentukan apakah sistem akan dijalankan
secara manual atau otomatis.
Desain Hardware
Rangkaian Mikrokontroler ATMEGA8535
Pada perancangan alat ini akan digunakan mikrokontroller ATMEGA8535
yang berfungsi untuk membaca tegangan analog dari sensor tegangan dan
sensor arus, membaca inputan dari tombol, menampilkan data hasil
perhitungan ke LCD dan mengendalikan relay. Rangkaian ini berfungsi
sebagai pusat kendali dari seluruh system yang ada. Komponen utama
dari rangkaian ini adalah IC mikrokontroler ATMEGA8535. Pada IC
inilah semua program diisikan, sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai
dengan yang dikehendaki.
Dalam menjalankan chip IC
mikrokontroler ATMEGA8535 memerlukan komponen elektronika
pendukung lainnya. Suatu rangkaian yang paling sederhana dan
minim komponen pendukungnya disebut sebagai suatu rangkaian
sistem minimum. Sistem minimum ini berfungsi untuk membuat
rangkaian mikrokontroller dapat bekerja, jika ada komponen yang
kurang, maka mikrokontroller tidak akan bekerja. Dalam
perancangan alat ini, sistem minimum mikrokontroler ATMEGA8535
terdiri dari:
1. Chip IC mikrokontroler ATMEGA8535
2. Kristal 11.0592 MHz
3. Kapasitor
4. Resistor
Rangkaian mikrokontroler ATMEGA8535 master ditunjukkan pada gambar 2 berikut
ini:
Gambar 2 Rangkaian mikrokontroller ATMEGA8535
Mikrokontroler ini memiliki 32 port I/O, yaitu port A, port B, port C dan
port D. Pin 33 sampai 40 adalah Port A yang merupakan port ADC, dimana port ini
dapat menerima data analog. Pin 1 sampai 8 adalah port B. Pin 22 sampai 29 adalah
port C. Dan Pin 14 sampai 21 adalah port D. Pin 10 dihubungkan ke sumber tegangan
5 volt. Dan pin 11 dihubungkan ke ground. Rangkaian mikrokontroler ini
menggunakan komponen kristal sebagai sumber clocknya. Nilai kristal ini akan
mempengaruhi kecepatan mikrokontroler dalam mengeksekusi suatu perintah tertentu.
Pada pin 9 dihubungkan dengan sebuah kapasitor dan sebuah resistor yang
dihubungkan ke ground. Kedua komponen ini berfungsi agar program pada
mikrokontroler dijalankan beberapa saat setelah power aktip. Lamanya waktu antara
aktipnya power pada IC mikrokontroler dan aktipnya program adalah sebesar
perkalian antara kapasitor dan resistor tersebut.
Rangkaian Relay Pengendali Kapasitor
Relay ini berfungsi sebagai saklar elektronik yang dapat menghubungkan dan
memutuskan perangkat elektrik, dalam hal ini kapasitor. Rangkaian relay pengendali
kapasitor tampak seperti tampak pada gambar 3 di bawah ini ,
Gambar 3
Rangkaian relay Pengendali Kapasitor
Relay merupakan salah satu komponen elektronik yang terdiri dari lempengan
logam sebagai saklar dan kumparan yang berfungsi untuk menghasilkan medan
magnet. Pada rangkaian ini digunakan relay 12 volt, ini berarti jika positip relay (kaki
1) dihubungkan ke sumber tegangan 12 volt dan negatip relay (kaki 2) dihubungkan
ke ground, maka kumparan akan menghasilkan medan magnet, dimana medan magnet
ini akan menarik lempengan yang mengakibatkan saklar (kaki 3) terhubung ke kaki 4.
Dengan demikian, kita dapat mengunakan kaki 3 dan kaki 4 pada relay sebagai saklar
untuk menghubungkan kapasitor ke sumber tegangan PLN.
Pada rangkaian ini untuk mengaktipkan atau menon-aktipkan relay digunakan
transistor tipe NPN. Dari gambar dapat dilihat bahwa negatip relay dihubungkan ke
kolektor dari transistor NPN (2SC945), ini berarti jika transistor dalam keadaan aktip
maka kolektor akan terhubung ke emitor dimana emitor langsung terhubung ke
ground yang menyebabkan tegangan di kolektor menjadi 0 volt, keadaan ini akan
mengakibatkan relay aktip. Sebaliknya jika transistor tidak aktip, maka kolektor tidak
terhubung ke emitor, sehingga tegangan pada kolektor menjadi 12 volt, keadaan ini
menyebabkan tidak aktip.
Kumparan pada relay akan menghasilkan tegangan singkat yang besar ketika
relay dinon-aktipkan dan ini dapat merusak transistor yang ada pada rangkaian ini.
Untuk mencegah kerusakan pada transistor tersebut sebuah dioda harus dihubungkan
ke relay tersebut. Dioda dihubungkan secara terbalik sehingga secara normal dioda ini
tidak menghantarkan. Penghantaran hanya terjadi ketika relay dinonaktipkan, pada
saat ini arus akan terus mengalir melalui kumparan dan arus ini akan dialirkan ke
dioda. Tanpa adanya dioda arus sesaat yang besar itu akan mengalir ke transistor, yang
mengakibatkan kerusakan pada transistor.
Untuk menentukan tipe transistor yang digunakan, maka harus diketahui arus yang
mengalir pada relay. Relay yang digunakan adalah JQX-4453, relay ini membutuhkan
arus 34 mA untuk dapat bekerja, maka transistor yang digunakan harus dapat
mengalirkan arus 34 mA pada colektornya. Pada alat ini digunakan transistor tipe
NPN C945, yang dapat mengalirkan arus maksimal 100 mA pada kolektornya.
Sensor Arus ACS712
ACS712 adalah Hall Effect current sensor. Hall effect allegro ACS712
merupakan sensor yang presisi sebagai sensor arus AC atau DC dalam pembacaan
arus didalam dunia industri, otomotif, komersil dan sistem-sistem komunikasi. Pada
umumnya aplikasi sensor ini biasanya digunakan untuk mengontrol motor, deteksi
beban listrik, switched-mode power supplies dan proteksi beban berlebih.
Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena
didalamnya terdapat rangkaian low-offset linear Hall dengan satu lintasan yang
terbuat dari tembaga. cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui
kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang di
tangkap oleh integrated Hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional. Ketelitian
dalam pembacaan sensor dioptimalkan dengan cara pemasangan komponen yang ada
didalamnya antara penghantar yang menghasilkan medan magnet dengan hall
transducer secara berdekatan. Persisnya, tegangan proporsional yang rendah akan
menstabilkan Bi CMOS Hall IC yang didalamnya yang telah dibuat untuk ketelitian
yang tinggi oleh pabrik.
Output/keluaran dari sensor ini sebesar (>VIOUT(Q)) saat peningkatan arus
pada penghantar arus (dari pin 1 dan pin 2 ke pin 3 dan 4), yang digunakan untuk
pendeteksian atau perasa arus. Hambatan dalam penghantar sensor sebesar 1,2 mΩ
dengan daya yang rendah. Jalur terminal konduktif secara kelistrikan diisolasi dari
sensor leads/mengarah (pin 5 sampai pin 8). Hal ini menjadikan sensor arus ACS712
dapat digunakan pada aplikasi-aplikasi yang membutuhkan isolasi listrik tanpa
menggunakan opto-isolator atau teknik isolasi lainnya yang mahal. Ketebalan
penghantar arus didalam sensor sebesar 3x kondisi overcurrent. Sensor ini telah
dikalibrasi oleh pabrik. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 4 Blok Diagram
berikut :
Gambar 4 Blok diagram Sensor Arus ACS712
Sensor Tegangan
Sensor tegangan yang digunakan adalah dengan menggunakan trafo step
down, trafo ini juga digunakan sebagai power supplay. Rangkaian sensor tegangan
ditunjukkan pada gambar 5 berikut ini:
Gambar 5 Sensor tegangan
Sensor tegangan ini menggunakan trafo, output trafo diturunlan lagi
tegangannya menggunakan rangkaian pembagi tegangan.
Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display)
LCD (Liquid Crystal Display) adalah modul penampil yang banyak digunakan
karena tampilannya menarik. LCD yang paling banyak digunakan saat ini ialah LCD
LMB162ABC karena harganya cukup murah. LCD LMB162ABC merupakan modul
LCD dengan tampilan 2x16 (2 baris x 16 kolom) dengan konsumsi daya rendah.
Modul tersebut dilengkapi dengan mikrokontroler yang didesain khusus untuk
mengendalikan LCD. Gambar 6 berikut menampilkan hubungan antara LCD dengan
port mikrokontroler:
Gambar 6 Rangkaian Skematik dari LCD ke mikrokontroler
Pada gambar rangkaian di atas pin 1 dihubungkan ke Vcc (5V), pin 2 dan 16
dihubungkan ke Gnd (Ground), pin 3 merupakan pengaturan tegangan Contrast dari
LCD, pin 4 merupakan Register Select (RS), pin 5 merupakan R/W (Read/Write), pin
6 merupakan Enable, pin 11-14 merupakan data. Reset, Enable, R/W dan data
dihubungkan ke mikrokontroler Atmega8535. Fungsi dari potensiometer (R2) adalah
untuk mengatur gelap/terangnya karakter yang ditampilkan pada LCD.
Rancangan Flowchart
Untuk menjelaskan proses-proses yang terjadi dalam sistem switching kapasitor untuk
penghematan daya listrik menggunakan mikrokontroller atmega8535 ini, penulis
menggunakan bagan alir (flowchart). Adapun bentuk flowchart dari rancangan proses
yang terjadi pada perangkat lunak ini seperti terlihat pada Gambar 7 berikut ini.
Gambar 7 Rancangan Flowchart Cara Kerja Sistem
Pengujian dan Analisa Sistem.
Pengujian beban tanpa penghematan daya Listrik
Pengujian dilakukan dengan menghubungkan beban induktif berupa lampu TL
dengan daya yang bervariasi, dimulai dari beban daya 20 Watt sampai beban 140
Watt. Pada pengujian ini switching kapasitor tidak diaktifkan, sehingga data yang
diperoleh merupakan data beban daya yang sebenarnya, tanpa ada penghematan daya
listrik. Dari hasil pengujian didapatkan data arus, tegangan, cos phi dan daya terukur
sebagai berikut:
BEBAN
TANPA BEBAN
LAMPU TL 20 W
LAMPU TL 40 W
LAMPU TL 40 W +20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W + 20 W
DAYA
BEBAN
0
20
40
60
80
100
120
140
ARUS
0
0,1
0,2
0,34
0,47
0,82
1,07
1,41
TEGANGAN
210
210
210
209
209
208
208
207
COS
PHI
0
0,96
0,94
0,85
0,82
0,59
0,54
0,48
DAYA
Terukur
0,00
20,16
39,48
60,40
80,55
100,63
120,18
140,10
Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur tanpa penghematan daya
listrik ditunjukkan pada gambar 8 sebagai berikut:
Gambar 8 Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur tanpa
penghematan daya listrik
Dari gambar 8 dapat dilihat bahwa grafik nilai daya beban dengan grafik daya terukur
berhimpit, ini menunjukkan bahwa, pembacaan yang dilakukan oleh alat sesuai
dengan beban yang diukur.
Pengujian beban dengan penghematan daya Listrik
Pengujian dilakukan dengan menghubungkan beban induktif berupa lampu TL
dengan daya yang bervariasi, dimulai dari beban daya 20 Watt sampai beban 140
Watt. Pada pengujian ini switching kapasitor diaktifkan, sehingga data yang diperoleh
merupakan data hasil penghematan daya listrik. Dari hasil pengujian didapatkan data
arus, tegangan, cos phi dan daya terukur sebagai berikut:
BEBAN
DAYA
ARUS
TEGANGAN
COS PHI
DAYA
LAMPU TL 20 W
LAMPU TL 40 W
LAMPU TL 40 W +20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W
BEBAN
20
40
60
80
100
120
0,09
0,18
0,28
0,38
0,47
0,56
210
210
210
210
209
209
0,98
0,98
0,98
0,97
0,98
0,98
Terukur
18,52
37,04
57,62
77,41
96,27
114,70
Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur dengan penghematan
daya listrik ditunjukkan pada gambar 9 sebagai berikut:
Gambar 9 Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur dengan
penghematan daya listrik
Dari gambar 9 dapat dilihat bahwa grafik nilai daya terukur berada di bawah grafik
daya beban, ini menunjukkan bahwa daya terukur lebih kecil dari daya beban, hal ini
disebabkan karena adanya penghematan daya listrik yang dilakukan oleh switching
kapasitor.
Besarnya penghematan daya listrik yang dilakukan oleh alat bervariasi, tergantung
dari besarnya kapasitor yang terhubung ke beban. Besarnya penghematan daya listrik
dapat dilihat pada tabel berikut ini:
BEBAN
LAMPU TL 20 W
LAMPU TL 40 W
LAMPU TL 40 W +20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W
DAYA
BEBAN
20
40
60
80
100
120
DAYA
Terukur
18,52
37,04
57,62
77,41
96,27
114,70
%
Penghematan Daya
7,39%
7,39%
3,96%
3,24%
3,73%
4,42%
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W + 20 W
140
129,75
7,32%
Dari tabel hasil penghematan daya listrik di atas, didapat bahwa daya listrik yang berhasil
dihemat mencapai 7,39 %. Hal ini sangat membantu dalam mengurangi beban daya listrik
yang digunakan baik dalam rumah tangga maupun dalam industry, sehingga dapat menghemat
biaya pengeluaran untuk pembayaran listrik.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian di atas, maka kesimpulannya adalah
1. Dari hasil penelitian didapatkan bahwa besarnya faktor daya (cos phi)
berbanding terbalik dengan besarnya beban daya dan arus.
2. Semakin besar beban daya dan arus yang diukur, maka semakin kecil pula
faktor dayanya, demikian pula sebaliknya.
3. Tanpa switching kapasitor daya terukur oleh alat akan sama dengan daya
beban.
4. Dengan menggunakan switching kapasitor daya yang terukur lebih rendah dari
daya beban sebenarnya.
5. Dari hasil pengujian didapat bahwa daya listrik yang berhasil dihemat bervariasi,
dimana penghematan minimal sebesar 3,24 % dan maksimal mencapai 7,39 %.
DAFTAR PUSTAKA
Bejo, Agus. 2008. C dan AVR Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler
Atmega8535. Edisi Pertama. Yogyakarta: Graha Ilmu.
Rahardjo, Yadi Yunus, “PERBAIKAN FAKTOR DAYA MOTOR INDUKSI 3 FASE”,
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR, YOGYAKARTA, 18
NOVEMBER 2010
Yudhi Andrian1
Email :
yudhi@potensi-utama.ac.id
ABSTRAKSI
Beban listrik yang digunakan umumnya mempunyai beban bersifat reaktif induktif yang
menyebabkan gelombang arus tertinggal dari gelombang tegangan. Hal ini mengakibatkan
besarnya daya yang diserap dari sumber lebih besar daripada daya yang dipakai oleh
beban, sehingga menimbulkan kerugian yang tidak sedikit. Kerugian daya yang disebabkan
beban reaktif induktif bisa dikurangi dengan memperbaiki faktor daya. Sistem yang
dirancang mencoba membuat suatu sistem yang menghubungkan rangkaian yang diukur
faktor dayanya dengan suatu kombinasi kapasitor yang terangkai secara paralel.
Dengan kombinasi ini diharapkan nilai faktor daya yang telah diperbaiki mampu
mendekati nilai maksimumnya. Faktor daya dihitung dengan cara membandingkan antara
sinyal analog arus bolak balik yang dihasilkan oleh sensor arus dengan sinyal analog yang
dihasilkan oleh sensor tegangan. Jika sinyal analog tegangan mendahului sinyal analog arus
disebut beban induktip. Selanjutnya mikrokontoller akan mengendalikan switching kapasitor
melalui relay sesuai dengan hasil perhitungan pada mikrokontroller. Pengujian dilakukan
dengan menghubungkan beban induktif berupa lampu TL dengan daya yang bervariasi,
dimulai dari beban daya 20 Watt sampai beban 140 Watt, sehingga data yang diperoleh
merupakan data hasil penghematan daya listrik. Besarnya penghematan daya listrik yang
dilakukan oleh alat bervariasi, tergantung dari besarnya kapasitor yang terhubung ke beban.
Dari hasil pengujian didapat bahwa daya listrik yang berhasil dihemat bervariasi, dimana
penghematan minimal sebesar 3,24 % dan maksimal mencapai 7,39 %.
Kata kunci : Switching kapasitor, penghematan daya, faktor daya, mikrokontroller
ATMEGA8535.
ABSTRACT
Electrical load is used generally have inductive reactive load that caused the current
wave lags behind the voltage wave. This resulted in the amount of power absorbed
from the power source is greater than that used by the load, causing a loss that is not
small. Power loss caused by inductive reactive load can be reduced by improving the
power factor. System designed try to make a system that connects the circuit power
factor is measured by a combination of capacitors that are strung in parallel. With
this combination, the expected value of the corrected power factor able to approach
its maximum value. Power factor is calculated by comparing the analog signal of
alternating current generated by the current sensor with analog signals generated by
the voltage sensor. If the analog voltage signal precedes the current analog signal,
this is called the load induktip. Furthermore microcontoller will control the switching
of capacitors through a relay in accordance with the results of calculations on the
microcontroller. Testing is done by connecting an inductive load of TL lamps with
various power, starting from 20 watts to 140 Watt power load, so the data obtained by
the data of electric power saving. The amount of electric power saving varies,
depending on the size of the capacitor is connected to the load. From the test results
obtained that the power is successfully saved varies, where the minimum savings is
3.24% and maximum is 7.39%.
1
Dosen Program Studi Teknik Informatika, STMIK Potensi Utama
Jl. K.L. Yos Sudarso Km 6,5 No. 3A Medan, Telp (061) 6640525
Keywords : Switching Capasitor, power saving, power factor, microcontroller ATMEGA8535.
PENDAHULUAN
Kebutuhan energi listrik mengalami peningkatan setiap tahunnya, baik untuk
kebutuhan rumah tangga maupun dalam dunia industri. Beban listrik yang
digunakan umumnya mempunyai beban bersifat reaktif induktif yang menyebabkan
gelombang arus tertinggal dari gelombang tegangan. Hal ini mengakibatkan
besarnya daya yang diserap dari sumber lebih besar daripada daya yang dipakai
oleh beban (faktor daya tidak maksimal), sehingga menimbulkan kerugian yang tidak
sedikit. Kerugian daya yang disebabkan beban reaktif induktif bisa dikurangi
dengan memperbaiki faktor daya.
Sistem perbaikan faktor daya yang telah ada saat ini hanyalah dengan
menghubungkan rangkaian yang diukur faktor dayanya dengan suatu kombinasi
kapasitor paralel. Sehingga hasil yang dicapai belum tentu sesuai untuk semua
beban dan faktor daya yang dihasilkan bias saja bukan merupakan faktor daya yang
maksimum. Untuk mengatasi hal tersebut, sistem yang akan dirancang ini mencoba
membuat suatu sistem yang menghubungkan rangkaian yang diukur faktor
dayanya dengan suatu kombinasi kapasitor yang terangkai secara paralel. Dengan
kombinasi ini diharapkan nilai faktor daya yang telah diperbaiki mampu
mendekati nilai maksimumnya.
RANCANGAN SISTEM
Diagram Blok Rangkaian
Diagram blok dari sistem yang dirancang adalah seperti yang diperlihatkan
pada gambar 1. berikut ini:
Jala-Jala Listrik
Tombol
Setting
MCB
Sensor
Arus
Mikrokontroller
ATMEGA8535
Sensor
Tegangan
Relay Sebagai Switching
Beban (Alat Listrik atau
Elektronik yang Diuji)
Kapasitor Bank
Gambar 1. Diagram Blok Rangkaian
Display
LCD
Beban (Lampu
untuk pengosongan
Kapasitor
MCB digunakan untuk memutuskan atau menghubungkan hubungan jala-jalan
listrik ke beban yang diuji.
Untuk mengukur tegangan digunakan sensor tegangan. Sensor tegangan yang
digunakan adalah trafo stepdown, lalu tegangannya diturunkan dengan menggunakan
rangkaian pembagi tegangan. Output dari sensor tegangan akan menjadi masukan ke
internal ADC dari mikrokontroller ATMega8535.
Sensor arus berfungsi untuk mengukur kuat arus. Output sensor arus akan
menjadi input untuk ADC internal mikrokontroller ATMega8535.
Mikrokontroller berfungsi mengolah data input, menampilkannya pada display
LCD dan melakukan tindakan sesuai dengan system kerja alat.
cos φ dihitung dengan cara membandingkan antara sinyal analog arus bolak
balik yang dihasilkan oleh sensor arus dan sinyal analog yang dihasilkan oleh sensor
tegangan. Jika sinyal analog tegangan mendahului sinyal analog arus disebut beban
induktip, jika sebaliknya sinyal analog arus mendahului sinyal analog tegangan
disebut beban kapasitip.
Selanjutnya mikrokontoller akan mengendalikan switching kapasitor melalui
relay sesuai dengan hasil perhitungan pada mikrokontroller.
Tombol setting berfungsi untuk menentukan apakah sistem akan dijalankan
secara manual atau otomatis.
Desain Hardware
Rangkaian Mikrokontroler ATMEGA8535
Pada perancangan alat ini akan digunakan mikrokontroller ATMEGA8535
yang berfungsi untuk membaca tegangan analog dari sensor tegangan dan
sensor arus, membaca inputan dari tombol, menampilkan data hasil
perhitungan ke LCD dan mengendalikan relay. Rangkaian ini berfungsi
sebagai pusat kendali dari seluruh system yang ada. Komponen utama
dari rangkaian ini adalah IC mikrokontroler ATMEGA8535. Pada IC
inilah semua program diisikan, sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai
dengan yang dikehendaki.
Dalam menjalankan chip IC
mikrokontroler ATMEGA8535 memerlukan komponen elektronika
pendukung lainnya. Suatu rangkaian yang paling sederhana dan
minim komponen pendukungnya disebut sebagai suatu rangkaian
sistem minimum. Sistem minimum ini berfungsi untuk membuat
rangkaian mikrokontroller dapat bekerja, jika ada komponen yang
kurang, maka mikrokontroller tidak akan bekerja. Dalam
perancangan alat ini, sistem minimum mikrokontroler ATMEGA8535
terdiri dari:
1. Chip IC mikrokontroler ATMEGA8535
2. Kristal 11.0592 MHz
3. Kapasitor
4. Resistor
Rangkaian mikrokontroler ATMEGA8535 master ditunjukkan pada gambar 2 berikut
ini:
Gambar 2 Rangkaian mikrokontroller ATMEGA8535
Mikrokontroler ini memiliki 32 port I/O, yaitu port A, port B, port C dan
port D. Pin 33 sampai 40 adalah Port A yang merupakan port ADC, dimana port ini
dapat menerima data analog. Pin 1 sampai 8 adalah port B. Pin 22 sampai 29 adalah
port C. Dan Pin 14 sampai 21 adalah port D. Pin 10 dihubungkan ke sumber tegangan
5 volt. Dan pin 11 dihubungkan ke ground. Rangkaian mikrokontroler ini
menggunakan komponen kristal sebagai sumber clocknya. Nilai kristal ini akan
mempengaruhi kecepatan mikrokontroler dalam mengeksekusi suatu perintah tertentu.
Pada pin 9 dihubungkan dengan sebuah kapasitor dan sebuah resistor yang
dihubungkan ke ground. Kedua komponen ini berfungsi agar program pada
mikrokontroler dijalankan beberapa saat setelah power aktip. Lamanya waktu antara
aktipnya power pada IC mikrokontroler dan aktipnya program adalah sebesar
perkalian antara kapasitor dan resistor tersebut.
Rangkaian Relay Pengendali Kapasitor
Relay ini berfungsi sebagai saklar elektronik yang dapat menghubungkan dan
memutuskan perangkat elektrik, dalam hal ini kapasitor. Rangkaian relay pengendali
kapasitor tampak seperti tampak pada gambar 3 di bawah ini ,
Gambar 3
Rangkaian relay Pengendali Kapasitor
Relay merupakan salah satu komponen elektronik yang terdiri dari lempengan
logam sebagai saklar dan kumparan yang berfungsi untuk menghasilkan medan
magnet. Pada rangkaian ini digunakan relay 12 volt, ini berarti jika positip relay (kaki
1) dihubungkan ke sumber tegangan 12 volt dan negatip relay (kaki 2) dihubungkan
ke ground, maka kumparan akan menghasilkan medan magnet, dimana medan magnet
ini akan menarik lempengan yang mengakibatkan saklar (kaki 3) terhubung ke kaki 4.
Dengan demikian, kita dapat mengunakan kaki 3 dan kaki 4 pada relay sebagai saklar
untuk menghubungkan kapasitor ke sumber tegangan PLN.
Pada rangkaian ini untuk mengaktipkan atau menon-aktipkan relay digunakan
transistor tipe NPN. Dari gambar dapat dilihat bahwa negatip relay dihubungkan ke
kolektor dari transistor NPN (2SC945), ini berarti jika transistor dalam keadaan aktip
maka kolektor akan terhubung ke emitor dimana emitor langsung terhubung ke
ground yang menyebabkan tegangan di kolektor menjadi 0 volt, keadaan ini akan
mengakibatkan relay aktip. Sebaliknya jika transistor tidak aktip, maka kolektor tidak
terhubung ke emitor, sehingga tegangan pada kolektor menjadi 12 volt, keadaan ini
menyebabkan tidak aktip.
Kumparan pada relay akan menghasilkan tegangan singkat yang besar ketika
relay dinon-aktipkan dan ini dapat merusak transistor yang ada pada rangkaian ini.
Untuk mencegah kerusakan pada transistor tersebut sebuah dioda harus dihubungkan
ke relay tersebut. Dioda dihubungkan secara terbalik sehingga secara normal dioda ini
tidak menghantarkan. Penghantaran hanya terjadi ketika relay dinonaktipkan, pada
saat ini arus akan terus mengalir melalui kumparan dan arus ini akan dialirkan ke
dioda. Tanpa adanya dioda arus sesaat yang besar itu akan mengalir ke transistor, yang
mengakibatkan kerusakan pada transistor.
Untuk menentukan tipe transistor yang digunakan, maka harus diketahui arus yang
mengalir pada relay. Relay yang digunakan adalah JQX-4453, relay ini membutuhkan
arus 34 mA untuk dapat bekerja, maka transistor yang digunakan harus dapat
mengalirkan arus 34 mA pada colektornya. Pada alat ini digunakan transistor tipe
NPN C945, yang dapat mengalirkan arus maksimal 100 mA pada kolektornya.
Sensor Arus ACS712
ACS712 adalah Hall Effect current sensor. Hall effect allegro ACS712
merupakan sensor yang presisi sebagai sensor arus AC atau DC dalam pembacaan
arus didalam dunia industri, otomotif, komersil dan sistem-sistem komunikasi. Pada
umumnya aplikasi sensor ini biasanya digunakan untuk mengontrol motor, deteksi
beban listrik, switched-mode power supplies dan proteksi beban berlebih.
Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena
didalamnya terdapat rangkaian low-offset linear Hall dengan satu lintasan yang
terbuat dari tembaga. cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui
kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang di
tangkap oleh integrated Hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional. Ketelitian
dalam pembacaan sensor dioptimalkan dengan cara pemasangan komponen yang ada
didalamnya antara penghantar yang menghasilkan medan magnet dengan hall
transducer secara berdekatan. Persisnya, tegangan proporsional yang rendah akan
menstabilkan Bi CMOS Hall IC yang didalamnya yang telah dibuat untuk ketelitian
yang tinggi oleh pabrik.
Output/keluaran dari sensor ini sebesar (>VIOUT(Q)) saat peningkatan arus
pada penghantar arus (dari pin 1 dan pin 2 ke pin 3 dan 4), yang digunakan untuk
pendeteksian atau perasa arus. Hambatan dalam penghantar sensor sebesar 1,2 mΩ
dengan daya yang rendah. Jalur terminal konduktif secara kelistrikan diisolasi dari
sensor leads/mengarah (pin 5 sampai pin 8). Hal ini menjadikan sensor arus ACS712
dapat digunakan pada aplikasi-aplikasi yang membutuhkan isolasi listrik tanpa
menggunakan opto-isolator atau teknik isolasi lainnya yang mahal. Ketebalan
penghantar arus didalam sensor sebesar 3x kondisi overcurrent. Sensor ini telah
dikalibrasi oleh pabrik. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 4 Blok Diagram
berikut :
Gambar 4 Blok diagram Sensor Arus ACS712
Sensor Tegangan
Sensor tegangan yang digunakan adalah dengan menggunakan trafo step
down, trafo ini juga digunakan sebagai power supplay. Rangkaian sensor tegangan
ditunjukkan pada gambar 5 berikut ini:
Gambar 5 Sensor tegangan
Sensor tegangan ini menggunakan trafo, output trafo diturunlan lagi
tegangannya menggunakan rangkaian pembagi tegangan.
Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display)
LCD (Liquid Crystal Display) adalah modul penampil yang banyak digunakan
karena tampilannya menarik. LCD yang paling banyak digunakan saat ini ialah LCD
LMB162ABC karena harganya cukup murah. LCD LMB162ABC merupakan modul
LCD dengan tampilan 2x16 (2 baris x 16 kolom) dengan konsumsi daya rendah.
Modul tersebut dilengkapi dengan mikrokontroler yang didesain khusus untuk
mengendalikan LCD. Gambar 6 berikut menampilkan hubungan antara LCD dengan
port mikrokontroler:
Gambar 6 Rangkaian Skematik dari LCD ke mikrokontroler
Pada gambar rangkaian di atas pin 1 dihubungkan ke Vcc (5V), pin 2 dan 16
dihubungkan ke Gnd (Ground), pin 3 merupakan pengaturan tegangan Contrast dari
LCD, pin 4 merupakan Register Select (RS), pin 5 merupakan R/W (Read/Write), pin
6 merupakan Enable, pin 11-14 merupakan data. Reset, Enable, R/W dan data
dihubungkan ke mikrokontroler Atmega8535. Fungsi dari potensiometer (R2) adalah
untuk mengatur gelap/terangnya karakter yang ditampilkan pada LCD.
Rancangan Flowchart
Untuk menjelaskan proses-proses yang terjadi dalam sistem switching kapasitor untuk
penghematan daya listrik menggunakan mikrokontroller atmega8535 ini, penulis
menggunakan bagan alir (flowchart). Adapun bentuk flowchart dari rancangan proses
yang terjadi pada perangkat lunak ini seperti terlihat pada Gambar 7 berikut ini.
Gambar 7 Rancangan Flowchart Cara Kerja Sistem
Pengujian dan Analisa Sistem.
Pengujian beban tanpa penghematan daya Listrik
Pengujian dilakukan dengan menghubungkan beban induktif berupa lampu TL
dengan daya yang bervariasi, dimulai dari beban daya 20 Watt sampai beban 140
Watt. Pada pengujian ini switching kapasitor tidak diaktifkan, sehingga data yang
diperoleh merupakan data beban daya yang sebenarnya, tanpa ada penghematan daya
listrik. Dari hasil pengujian didapatkan data arus, tegangan, cos phi dan daya terukur
sebagai berikut:
BEBAN
TANPA BEBAN
LAMPU TL 20 W
LAMPU TL 40 W
LAMPU TL 40 W +20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W + 20 W
DAYA
BEBAN
0
20
40
60
80
100
120
140
ARUS
0
0,1
0,2
0,34
0,47
0,82
1,07
1,41
TEGANGAN
210
210
210
209
209
208
208
207
COS
PHI
0
0,96
0,94
0,85
0,82
0,59
0,54
0,48
DAYA
Terukur
0,00
20,16
39,48
60,40
80,55
100,63
120,18
140,10
Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur tanpa penghematan daya
listrik ditunjukkan pada gambar 8 sebagai berikut:
Gambar 8 Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur tanpa
penghematan daya listrik
Dari gambar 8 dapat dilihat bahwa grafik nilai daya beban dengan grafik daya terukur
berhimpit, ini menunjukkan bahwa, pembacaan yang dilakukan oleh alat sesuai
dengan beban yang diukur.
Pengujian beban dengan penghematan daya Listrik
Pengujian dilakukan dengan menghubungkan beban induktif berupa lampu TL
dengan daya yang bervariasi, dimulai dari beban daya 20 Watt sampai beban 140
Watt. Pada pengujian ini switching kapasitor diaktifkan, sehingga data yang diperoleh
merupakan data hasil penghematan daya listrik. Dari hasil pengujian didapatkan data
arus, tegangan, cos phi dan daya terukur sebagai berikut:
BEBAN
DAYA
ARUS
TEGANGAN
COS PHI
DAYA
LAMPU TL 20 W
LAMPU TL 40 W
LAMPU TL 40 W +20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W
BEBAN
20
40
60
80
100
120
0,09
0,18
0,28
0,38
0,47
0,56
210
210
210
210
209
209
0,98
0,98
0,98
0,97
0,98
0,98
Terukur
18,52
37,04
57,62
77,41
96,27
114,70
Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur dengan penghematan
daya listrik ditunjukkan pada gambar 9 sebagai berikut:
Gambar 9 Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur dengan
penghematan daya listrik
Dari gambar 9 dapat dilihat bahwa grafik nilai daya terukur berada di bawah grafik
daya beban, ini menunjukkan bahwa daya terukur lebih kecil dari daya beban, hal ini
disebabkan karena adanya penghematan daya listrik yang dilakukan oleh switching
kapasitor.
Besarnya penghematan daya listrik yang dilakukan oleh alat bervariasi, tergantung
dari besarnya kapasitor yang terhubung ke beban. Besarnya penghematan daya listrik
dapat dilihat pada tabel berikut ini:
BEBAN
LAMPU TL 20 W
LAMPU TL 40 W
LAMPU TL 40 W +20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 20 W
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W
DAYA
BEBAN
20
40
60
80
100
120
DAYA
Terukur
18,52
37,04
57,62
77,41
96,27
114,70
%
Penghematan Daya
7,39%
7,39%
3,96%
3,24%
3,73%
4,42%
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W + 20 W
140
129,75
7,32%
Dari tabel hasil penghematan daya listrik di atas, didapat bahwa daya listrik yang berhasil
dihemat mencapai 7,39 %. Hal ini sangat membantu dalam mengurangi beban daya listrik
yang digunakan baik dalam rumah tangga maupun dalam industry, sehingga dapat menghemat
biaya pengeluaran untuk pembayaran listrik.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian di atas, maka kesimpulannya adalah
1. Dari hasil penelitian didapatkan bahwa besarnya faktor daya (cos phi)
berbanding terbalik dengan besarnya beban daya dan arus.
2. Semakin besar beban daya dan arus yang diukur, maka semakin kecil pula
faktor dayanya, demikian pula sebaliknya.
3. Tanpa switching kapasitor daya terukur oleh alat akan sama dengan daya
beban.
4. Dengan menggunakan switching kapasitor daya yang terukur lebih rendah dari
daya beban sebenarnya.
5. Dari hasil pengujian didapat bahwa daya listrik yang berhasil dihemat bervariasi,
dimana penghematan minimal sebesar 3,24 % dan maksimal mencapai 7,39 %.
DAFTAR PUSTAKA
Bejo, Agus. 2008. C dan AVR Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler
Atmega8535. Edisi Pertama. Yogyakarta: Graha Ilmu.
Rahardjo, Yadi Yunus, “PERBAIKAN FAKTOR DAYA MOTOR INDUKSI 3 FASE”,
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR, YOGYAKARTA, 18
NOVEMBER 2010