BAND-PASS FILTER PADA SISTEM PENGANALISIS KOMPONEN FREKUENSI HARMONISA ARUS BEBAN PERALATAN LISTRIK TUGAS AKHIR - Band-pass filter pada sistem penganalisis komponen frekuensi harmonisa arus beban peralatan listrik - USD Repository

  BAND-PASS FILTER PADA SISTEM PENGANALISIS KOMPONEN FREKUENSI HARMONISA ARUS BEBAN PERALATAN LISTRIK TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Oleh: Nama : Zainal Xaperius NIM : 045114032 JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2008

  Band-Pass Filter of Load Current Harmonic Frequency Component Analyzer of Electrical Device FINAL PROJECT Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree In Electrical Engineering Study Program By: Name : Zainal Xaperius Student Number: 045114032 ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2008

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  

“Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini

tidak memuat karya atau bagian karya orang lain,

kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka,

sebagaimana layaknya karya ilmiah.”

  Yogyakarta, 5 November 2008 Zainal Xaperius

HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTTO

  Kupersembahkan karya tulis ini kepada: TUHAN YESUS KRISTUS ORANG TUA YANG SAYA KASIHI SAUDARA DAN TEMAN-TEMAN YANG TELAH MEMBERIKAN SEMANGATNYA Motto:

  Di dalam TUHAN aku percaya pada-Nya dan berikan yang terbaik bagi orang tua, saudara dan teman-teman yang kita cintai disekitar

kita.

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Zainal Xaperius

  Nomor Mahasiswa : 045114032

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

BAND-PASS FILTER PADA SISTEM PENGANALISIS KOMPONEN

  

FREKUENSI HARMONISA ARUS BEBAN PERALATAN LISTRIK

beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan

kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, me-

ngalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data,

mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di Internet atau media

lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun

memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai

penulis.

  Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal : 16 Desember 2008 Yang menyatakan ( Zainal Xaperius )

  

INTISARI

Penggunaan beban peralatan listrik yang non linier, mengakibatkan bentuk

gelombang arus tidak sama dengan bentuk gelombang tegangan pada komponen

elektronika daya peralatan listrik. Bentuk gelombang yang tidak sinus akan

menimbulkan adanya komponen harmonisa selain frekuensi fundamental. Dalam

penelitian ini untuk mencari komponen harmonisa menggunakan BPF (Band-Pass

Filter ) terkendali digital.

  Band-Pass Filter diimplementasikan dengan menggunakan topologi state

variable filter . BPF berfungsi untuk memperoleh sinyal harmonisa yang diinginkan

sebanyak 31 harmonisa. Pengendalian digital BPF menggunakan multiplying digital

to analog converter (DAC). Sinyal input pengendali digital BPF diperoleh dari

output mikrokontroler AT89S52. Pada implementasi, terdapat tiga buah BPF yang

dikaskadekan. Pemilihan BPF yang diinginkan dilakukan oleh PC melalui pemilih

orde. Peak detector mengambil sinyal puncak output BPF. ADC mengubah tegangan

analog output peak detector menjadi bit-bit digital untuk dikirim ke mikrokontroler.

  Dari hasil pengujian BPF, pada BPF telah bekerja cukup baik dengan galat

  1

rata-rata pada Fo dan Av sebesar 0,11% dan 13,8% meskipun galat rata-rata pada

BW dan Q cukup besar sebesar 25,84% dan 21,81%. Pada BPF

  2 dan BPF 3 galat rata-

rata yang diperoleh cukup besar meskipun pada Fo kecil sebesar 0,12% dan 0,11%,

galat rata-rata BPF

  2 untuk BW, Q dan Av sebesar 29,08%; 23,02% dan 28,84%.

  

Galat rata-rata BPF untuk BW, Q dan Av sebesar 31,17%; 23,9% dan 46,4%. Pada

  3

pengujian sistem, sistem mampu mengambil frekuensi fundamental dan frekuensi

harmonisa sebanyak 31 harmonisa.

  Kata kunci: BPF, ADC, DAC, harmonisa, peak detector

  

ABSTRACT

The usage of non linier electricity load caused an uneven current wave that was compared to the voltage wave in the power electronic components of electrical equipment. Current waveform which not sine will conduct harmonic component rather than fundamental frequency. This research in order to find harmonic component using digitally-controlled BPF (Band-Pass Filter).

  Band-Pass Filter was implemented using the state variable filter topology.

BPF functions to obtain harmonic signal as much 31 harmonics. BPF digital control

employed the multiplying digital to analog converter (DAC). The BPF digital controlled input signal was obtained from the AT89S52 microcontroller output. On the implementation, there were three BPFs which were cascaded. The selection of the desired BPF was done by the PC using the order selection. Peak detector

extracted the BPF output peak signal. ADC altered the analog voltage output of peak

detector into digital bits to be sent to the microcontroller.

  From the experiments, BPF had functioned quite well with the error average

  1

on Fo and Av valued for 0,11% and 13,8% although the error average on BW and Q

was quite substantial with the values of 25,84% and 21,81%. On BPF

  2 and BPF 3 , the

error average was quite substantial although the Fo valued for 0,12% and 0,11%, the

error average for BPF

  2 on its BW, Q and Av valued for 29,08%; 23,02% and 28,84%. The error average for BPF 3 on the BW, Q and Av valued for 31,17%; 23,9% and 46,4%. On the system experiments, the system could extract fundamental frequency and harmonic frequency with the value of 31 harmonics.

  Keywords: BPF, ADC, DAC, harmonic, peak detector

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus, karena atas

berkat dan rahmat-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan

baik dan lancar.

  Dalam proses penulisan tugas akhir ini penulis menyadari bahwa ada begitu

banyak pihak yang telah memberikan perhatian dan bantuan dengan caranya masing-

masing sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Oleh karena itu penulis ingin

mengucapkan terima kasih antara lain kepada :

  1. Tuhan Yesus Kristus atas rahmat dan berkat kasih-Nya.

  

2. Bapak dan mama yang telah memberikan doa dan semangat yang tidak pernah

putus sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

  

3. Bapak Martanto, S.T., M.T., selaku pembimbing I atas bimbingan, dukungan,

saran dan kesabaran bagi penulis dari awal sampai tugas akhir ini bisa selesai.

  

4. Bapak A. Bayu Primawan S.T., M.Eng., selaku pembimbing II yang telah

bersedia meluangkan waktu serta memberikan bimbingan dan saran yang tentunya sangat berguna untuk tugas akhir ini.

  

5. Ibu Bernadeta Wuri H. S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  

6. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Wakil Dekan I Fakultas Sains

dan Teknologi.

  

7. Seluruh dosen teknik elektro atas ilmu yang telah diberikan selama penulis

menimba ilmu di Universitas Sanata Dharma.

  8. Mas Sur, Mas Mardi dan Mas Broto selaku laboran yang telah mengizinkan membuka Lab sewaktu-waktu jika diperlukan untuk mengambil data.

  9. Teman-teman kelompok tugas akhir : Lucia, Erik, dan Guntur. Terima kasih atas pertemanan dan kerja samanya.

  10. Teman-teman elektro : Wharton P., Henry R., Bayu P., Yohanes D.I., Sumin, dan

Edi, serta teman-teman angkatan ’04 lainnya yang selalu berbagi cerita dan

bersama dalam kuliah dan tugas akhir ini. GBU 2 all.

  11. Teman-teman kost ku: Ricky N., Febrian, “Gondrong”, Anton, Leo, dan Mas Pristo. Terima kasih atas partisipasi kalian. Selamat berjuang ya.

  12. Seluruh pihak yang telah ambil bagian dalam proses penulisan tugas akhir ini yang terlalu banyak jika disebutkan satu-persatu.

  Dengan rendah hati penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu berbagai kritik dan saran untuk perbaikan tugas akhir ini sangat diharapkan. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Terima kasih.

  Yogyakarta,

  5 November 2008 Penulis

  DAFTAR ISI Halaman

  JUDUL …. .............................................................................................................. i

HALAMAN PERSETUJUAN OLEH PEMBIMBING ..................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN OLEH PENGUJI ................................................ iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ......................................... v

HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTTO ................................................. vi

LEMBAR PENRYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA

  

ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ............................................ vii

  

INTISARI .............................................................................................................. viii

ABSTRACT ........................................................................................................... ix

KATA PENGANTAR ........................................................................................... x

DAFTAR ISI .......................................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. xv

DAFTAR TABEL ................................................................................................. xix

DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... xx

  BAB I. PENDAHULUAN

  1.1. Latar Belakang Masalah .................................................................. 1

  1.2. Batasan Masalah ............................................................................. 3

  1.3. Tujuan Penelitian ............................................................................ 3

  1.4. Manfaat Penelitian .......................................................................... 4

  1.5. Metodologi Penelitian .................................................................... 4

  1.6. Sistematika Penulisan ..................................................................... 4

  BAB II. DASAR TEORI

  2.1. Harmonisa ....................................................................................... 6

  2.2. Deret Fourier ................................................................................. 6

  

2.3. Penguat Operasional (Operational Amplifier, Op-Amp)

Sebagai Pembangun Dasar .............................................................. 9

  2.3.1. Dasar-Dasar Penguat Operasional....................................... 9

  2.3.3. Penguat Tidak Membalik (Non Inverting Amplifier) .......... 11

  2.3.4. Pengikut Tegangan (Voltage Follower) .............................. 12

  2.3.5. Penguat Penjumlah (Summing Amplifier) ........................... 14

  2.3.6. Integrator ............................................................................. 14

  2.4. Filter ................................................................................................ 16

  2.5. Band Pass Filter (BPF) .................................................................... 17

  2.6. State Variable Filter (SVF) ............................................................. 20

  2.7. Pengubahan Analog ke Digital ....................................................... 27

  2.8. Pengubahan Digital ke Analog (DAC) ........................................... 30

  2.9. Akurasi dan Resolusi ...................................................................... 31

  2.10. Mikrokontroler AT89S52 ............................................................... 31

  2.10.1. Fasilitas yang dimiliki AT89S52 ..................................... 32

  2.10.2. Deskripsi fungsi pin AT89S52 ........................................ 33

  2.11. Peak Detector .................................................................................. 35

  2.12. Saklar Mekanik ............................................................................... 36

  2.13. Relay ............................................................................................... 36

  2.14. Saklar Transistor ............................................................................. 37

  2.15. LED (Light Emitting Diode) ........................................................... 39

  2.16. Phototransistor ................................................................................ 40

  BAB III. RANCANGAN PENELITIAN

  3.1. Diagram Blok Sistem Penganalisis Komponen Frekuensi Harmonisa Arus Beban Peralatan Listrik ......................................................... 42

  3.2. Multiplier (Pengali) ......................................................................... 43

  3.3. Perancangan Band Pass Filter ......................................................... 45

  3.4. Peak Detector .................................................................................. 51

  3.5. Pengubah Analog ke Digital ........................................................... 53

  3.6. Optocouplers Sebagai Isolator ........................................................ 54

  3.7. Transistor Sebagai Pengaktif Relay ................................................ 55

  BAB IV. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN

  4.1. Pengujian Sistem ............................................................................. 57

  4.3. Hubungan Antara Input Digital Dengan Frekuensi Pusat, dengan Bandwidth , dengan Faktor Kualitas dan Penguatan Amplitudo ...... 66

  4.4. Hubungan Antara Input Digital dengan Galat ................................ 74

  4.5. Pemilih Orde BPF ........................................................................... 78

  4.6. Peak Detector .................................................................................. 79

  4.7. ADC (Analog To Digital Converter) .............................................. 80

  BAB V. PENUTUP

  5.1. Kesimpulan ..................................................................................... 83

  5.2. Saran ................................................................................................ 84 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Gambar gelombang kotak .................................................................. 8Gambar 2.2. Gambar fundamental dan harmonisa 3 .............................................. 8Gambar 2.3. Simbol Op-Amp dalam rangkaian ..................................................... 9Gambar 2.4. Catu daya bipolar sederhana .............................................................. 10Gambar 2.5. Comparator non inverting dengan bias positif ................................... 10Gambar 2.6. Comparator inverting dengan bias positif .......................................... 10Gambar 2.7. Rangkaian penguat inverting .............................................................. 11Gambar 2.8. Rangkaian penguat non inverting ....................................................... 12 Gambar 2.9. Rangkaian pengikut tegangan .............................................................

  12 Gambar 2.10. Rangkaian penguat inverting tanpa pengikut tegangan ...................... 13

Gambar 2.11. Rangkaian penguat penjumlah ........................................................... 14Gambar 2.12. Rangkaian integrator Op-Amp ........................................................... 14Gambar 2.13. Rangkaian integrator yang menggunakan resistor

  untuk meminimalkan offset terror .................................................. 15

Gambar 2.14. Karakteristik ideal filter pelewat jalur ............................................... 16Gambar 2.15. Sinyal HPF, LPF dan BPF ................................................................. 17Gambar 2.16. Tanggapan amplitudo BPF ................................................................. 19Gambar 2.17. Tanggapan amplitudo BPF orde 2 dengan berbagai nilai Q ............... 20Gambar 2.18. Diagram blok yang merepresentasikan persamaan (2.29) .................. 22Gambar 2.19. Rangkaian realisasi untuk blok penjumlah ......................................... 23Gambar 2.20. Rangkaian filter pelewat jalur ............................................................ 23Gambar 2.21. Rangkaian ternormalisasi filter pelewat jalur……………………….25Gambar 2.22. Rangkaian ternormalisasi filter pelewat jalur untuk

  

menghasilkan faktor kualitas sebesar Q dan penguatan

amplitudo sebesar A o ………………………………………………..26

Gambar 2.23. Blok diagram BPF orde 2 dikaskade tiga ........................................ 26Gambar 2.24. Contoh gelombang kaskade yang diinginkan .................................... 27Gambar 2.27. Simbol DAC0832 .............................................................................. 30Gambar 2.28. Rangkaian R-2R Ladder pada DAC .................................................. 30Gambar 2.29. Konfigurasi Pin AT89S52 ................................................................. 32Gambar 2.30. Rangkaian detektor puncak sederhana ............................................... 35Gambar 2.31. Rangkaian detektor puncak dengan diode presisi .............................. 35Gambar 2.32. Rangkaian saklar mekanik ................................................................. 36Gambar 2.33. Relay .................................................................................................. 37Gambar 2.34. Rangkaian saklar transistor ................................................................ 37Gambar 2.35. Karakteristik output transistor ........................................................... 38Gambar 2.36. Transistor sebagai saklar tertutup ...................................................... 39Gambar 2.37. Transistor sebagai saklar terbuka....................................................... 39Gambar 2.38. Rangkaian LED……………………………………………………..40Gambar 2.39. Rangkaian Phototransistor ................................................................. 41Gambar 3.1. Diagram blok sistem penganalisis komponen frekuensi

  harmonisa arus beban peralatam listrik ............................................. 42

Gambar 3.2. Simbol pengali .................................................................................... 43Gambar 3.3. DAC yang dihubungkan ke sebuah Op-Amp ..................................... 44Gambar 3.4. Rangkaian multiplying DAC............................................................... 45Gambar 3.5. Rangkaian filter pelewat jalur ternormalisasi yang

  dikendalikan oleh k ............................................................................. 46

Gambar 3.6. Bandwidth dua filter yang saling overlap ........................................... 47Gambar 3.7. Bandwidth minimum antar frekuensi pusat yang diinginkan ............. 47Gambar 3.8. Rangkaian BPF terkendali kode digital (kon) .................................... 49Gambar 3.9. Rangkaian pengikut tegangan ……………………………………….49Gambar 3.10. Untai BPF menggunakan multiplying DAC ...................................... 50Gambar 3.11. Blok BPF orde 2 dikaskade 3 ............................................................ 51Gambar 3.12. Rangkaian peak detector .................................................................... 52Gambar 3.13. Konfigurasi ADC0804 ...................................................................... 53Gambar 3.14. Rangkaian optocouplers .................................................................... 55Gambar 3.15. Transistor sebagai pengaktif relay ..................................................... 56Gambar 4.1. Gambar sinyal input arus dan frekuensi fundamental BPF 1 ............... 58Gambar 4.3. Gambar harmonisa pada BPF 1 dengan osciloscop digital ................. 60Gambar 4.4. Gambar amplitudo harmonisa berdasarkan

  

osciloscop digital dengan FFT............................................................ 61

Gambar 4.5. Gambar harmonisa ganjil dan genap pada osciloscop digital ............ 62Gambar 4.6. Tanggapan magnitude BPF hasil pengamatan bit 100 dengan

  frekuensi pusat BPF , BPF dan BPF sebesar 1000 Hz .................... 64

  1

  

2

  3 Gambar 4.7. Tanggapan magnitude teoritis pada bit 100 dengan frekuensi pusat BPF 1 , BPF 2 dan BPF 3 sebesar 1000 Hz ................... 64

Gambar 4.8. Tanggapan magnitude hasil pengamatan pada bit 15 dengan

  frekuensi pusat BPF 1 , BPF 2 dan BPF 3 sebesar 149,8 Hz ................... 65

Gambar 4.9. Tanggapan magnitude teoritis pada bit 15 dengan

  frekuensi pusat BPF 1 , BPF 2 dan BPF 3 sebesar 150 Hz ...................... 65 Gambar4.10. Tanggapan magnitude hasil pengamatan pada bit 155 dengan frekuensi pusat BPF 1 , BPF 2 dan BPF 3 sebesar 1553,2 Hz ................. 66

  Gambar4.11. Tanggapan magnitude teoritis pada bit 155 dengan frekuensi pusat BPF , BPF dan BPF sebesar 1550 Hz ................................... 66

  1

  2

  

3

Gambar 4.12 Grafik hubungan antara input digital dengan frekuensi pusat BPF berdasarkan hasil pengamatan dan teori ........................... 68

Gambar 4.13 Grafik hubungan antara input digital dengan

  bandwidth setiap BPF ........................................................................ 70

Gambar 4.14 Grafik hubungan antara input digital dengan faktor kualitas

  hasil pengamatan dan teori ................................................................. 71

Gambar 4.15 Grafik hubungan antara input digital dengan penguatan

  amplitudo berdasarkan hasil pengamatan dan teori ........................... 72

Gambar 4.16 Gelombang sinyal pada frekuensi 1450 Hz, 1500 Hz dan

  1550 Hz yang tidak overlap ............................................................... 74

Gambar 4.17 Grafik hubungan antara input digital dan galat frekuensi pusat ......... 76Gambar 4.18 Grafik hubungan antara input digital dan galat bandwidth ................ 76Gambar 4.19 Grafik hubungan antara input digital dan galat faktor kualitas .......... 77Gambar 4.20 Grafik hubungan antara input digital dan galat

  penguatan amplitudo .......................................................................... 77

Gambar 4.21 Sinyal input peak detector dan sinyal output BPF yang

  dilewatkan saat relay aktif .................................................................. 79

Gambar 4.22 Sinyal input dan output peak detector ................................................ 80Gambar 4.23 Input ADC0804 (Multimeter) dan output ADC0804 (LED) .............. 82

  

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1. Fungsi khusus port 3 .........................................................................................................................

  33 Tabel 4.1. Frekuensi sisi atas dan frekuensi sisi bawah BPF saat 100 (d) ............................

  64 Tabel 4.2. Bandwidth setiap BPF saat masukan digital 100 (d) .................................. 64

Tabel 4.3. Data pengamatan fH, fL, bandwidth dan faktor kualitas pada frekuensi 1450 Hz, 1500 Hz dan 1550 Hz ............................................... 69Tabel 4.4. Nilai rerata galat setiap BPF(%) .............................................................. 72Tabel 4.5. Tabel input ADC, output ADC dan perkalian ADC(d) ........................... 76

  

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

  1. Gambar 1 Rangkaian lengkap BPF pada sistem penganalisis komponen

frekuensi harmonisa arus beban peralatan listrik ...................................... L2

  2. Gambar 2 Rangkaian BPF dengan pengali ............................................... L3

  3. Gambar 3 Hasil simulasi BPF ................................................................... L3

  4. Tabel 1 Hasil pengamatan amplitudo harmonisa BPF

untuk input 9,6 Ipp .................................................................................... L4

  5. Tabel 2 Hasil pengamatan amplitudo harmonisa BPF

untuk input 8,16 Ipp .................................................................................. L5

  6. Tabel 3 Hasil pengamatan amplitudo harmonisa BPF

untuk input 8,8 Ipp .................................................................................... L6

  

7. Tabel 4 Hasil pengamatan tegangan output BPF dari bit 5 sampai bit 155 dengan

kenaikan 5 bit dalam satuan Vpp dan input 1Vpp .................................... L7

  8. Tabel 5 Hasil pengamatan tanggapan magnitude dari bit 5 sampai

bit 155 dengan kenaikan 5 bit .................................................................. L19

  9. Tabel 6 Tabel tanggapan magnitude teoritis dari bit 5 sampai bit 155

dengan kenaikan 5 bit ............................................................................... L32

  10. Tabel 7 Hasil pengamatan Fo, fL, fH dan hasil perhitungan bandwidth (BW),

faktor kualitas (Q) berdasarkan hasil pengamatan setiap kenaikan 5 bit .. L46

  11. Tabel 8 Perhitungan fH, fL, bandwidth dan faktor kualitas secara

teoritis setiap kenaikan 5 bit...................................................................... L48

  12. Tabel 9 Galat (%) penguatan amplitudo A(dB) ........................................ L50

  

14. Tabel 11 Galat (%) bandwidth (BW) ........................................................ L52

  

15. Tabel 12 Galat (%) faktor kualitas (Q) ..................................................... L53

  

16. Tabel 13 Hasil pengujian ADC ................................................................ L54

  

17. Tabel 14 Hasil pengujian peak detector .................................................... L55

  

18. Gambar 4 Rangkaian BPF......................................................................... L56

  

19. Gambar 5 Rangkaian peak detector ......................................................... L56

  

20. Gambar 6 Rangkaian ADC ....................................................................... L57

  

21. Gambar 7 Pemilih Orde ........................................................................... L57

  

22. Data sheet .................................................................................................. L58

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

  Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi pada saat ini telah

mempengaruhi segala bidang kehidupan manusia, termasuk dalam bidang

elektronika. Kemajuan dalam bidang elektronika membawa perkembangan dalam hal

peralatan listrik dan peralatan elektronika. Peralatan listrik yang telah ada dalam

dunia industri maupun peralatan elektronika mengarah pada aplikasi elektronika.

Pada saat ini telah banyak teknologi yang digunakan manusia dalam kehidupannya,

namun tidak menutup kemungkinan teknologi yang sudah ada saat ini terus

berkembang yang akan menunjang kelancaran kehidupan manusia.

  Penggunaan beban peralatan listrik yang non linier, mengakibatkan bentuk

gelombang arus tidak sama dengan bentuk gelombang tegangan pada komponen

elektronika daya peralatan listrik. Bentuk gelombang yang tidak sinus akan

menimbulkan adanya komponen harmonisa selain frekuensi fundamental. Komponen

arus dapat menimbulkan banyak implikasi pada jala-jala daya listrik. Hal ini

menyebabkan timbulnya rugi-rugi daya listrik, selain itu dapat menginteferensi

saluran komunikasi. Dalam menganalisis komponen frekuensi harmonisa arus beban

peralatan listrik diperlukan peralatan yang mampu merekam bentuk gelombang yang

  

diperoleh dari sumber agar sesuai dengan kenyataan yang nantinya bentuk gelombang

dapat terlihat pada unit penampil.

  Untuk memperoleh bentuk gelombang arus beban peralatan listrik, sistem

menggunakan sensor arus berupa resistor yang akan diambil besaran tegangan pada

saat resistor dialiri arus listrik, sedangkan sensor tegangan menggunakan resistor

sebagai pembagi tegangan dan dilakukan penguatan tegangan. Sinyal tegangan output

  penguat dari sensor arus dan tegangan selanjutnya diolah oleh mikrokontroler II setelah sebelumnya melalui ADC untuk diketahui nilai Irms dan Vrms sehingga dapat dihitung nilai

  

Prms . Sinyal tegangan output penguat dari sensor arus kemudian diinputkan ke dalam BPF

  terkendali digital. BPF ditala pada frekuensi tertentu (fundamental atau harmonisanya), yang dikendalikan oleh mikrokontroler. Output filter dimasukkan ke dalam rangkaian yang dapat mengambil nilai puncak gelombang, yang kemudian dihubungkan ke pengubah tegangan analog menjadi data digital. Data digital kemudian direkam oleh mikrokontroler I sesuai dengan komponen frekuensi harmonisa orde tertentu sesuai penalaan BPF. Setiap kali mengubah frekuensi pusat dari BPF, dilakukan pengukuran terhadap amplitudo gelombang.

  Hasil pembacaan amplitudo komponen harmonisa ini dapat langsung dikirimkan ke PC. Kemudian data diproses lebih lanjut untuk menggambarkan grafik hubungan antara amplitudo arus beban komponen harmonisa sebagai fungsi orde frekuensi harmonisa listrik jala-jala. Sarana bantu pemrograman menggunakan Visual Basic.

  Pada penelitian ini, untuk menganalisis komponen harmonisa pada peralatan listrik tidak merekam tegangan arus yang masuk, tetapi sinyal yang akan direkam dilewatkan pada

  

Band Pass Filter (BPF). Keluaran BPF yang dihasilkan akan diubah ke dalam bentuk data digital. Pengubahan sinyal analog ke sinyal data digital dikenal dengan Analog to Digital

  Converter (ADC)

1.2. Batasan Masalah Pada penelitian ini, dilakukan batasan-batasan terhadap sistem yang akan diteliti.

  Batasan yang dilakukan antara lain :

  1. Dalam realisasi digunakan Penapis Peubah Kondisi (State Variable Filter, SVF ) yang berbasis pada orde 2 yang dikaskade tiga.

  2. Faktor kualitas dipilih sebesar 40.

  3. Penguatan amplitudo sebesar 1.

  4. Jangkauan frekuensi pusat, yaitu mulai 50 Hz sampai dengan 1550 Hz, dengan kenaikan 10 Hz/bit.

  5. Pengendalian frekuensi pusat menggunakan Digital to Analog Coverter 8 bit.

1.3. Tujuan Penelitian

  Tujuan yang diharapkan dapat diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

  1. Mengaplikasikan Filter Pelewat Jalur terkendali digital untuk melewatkan komponen frekuensi tertentu, yaitu frekuensi fundamental atau komponen frekuensi harmonisa, dan menerapkannya untuk penganalisis komponen harmonisa.

2. Menerapkan pengubah tegangan analog menjadi digital untuk mengambil magnitudo sinyal sesuai komponen frekuensi harmonisa.

1.4. Manfaat Penelitian

  Manfaat yang diharapkan dapat diperoleh dari penelitian ini adalah 1. Sistem pengendalian yang dilakukan lebih praktis.

  2. Sebagai referensi yang dapat mendukung penelitian selanjutnya yang berkaitan dengan Filter Pelewat Jalur.

  3. Sebagai dasar pengembangan untuk aplikasi yang lebih bervariasi.

1.5. Metodologi Penelitian Dalam penyusunan Tugas Akhir ini dilakukan beberapa metodologi penelitian.

  Adapun metodologi penelitian yang dilakukan terdiri dari :

  1. Studi pustaka, yaitu dengan mengumpulkan dan mempelajari berbagai informasi, baik dari buku, makalah maupun internet mengenai hal-hal yang berkaitan dengan Filter Pelewat Jalur, sehingga informasi yang diperoleh dapat digunakan sebagai referensi pendukung dalam penyusunan laporan.

  2. Merealisasikan pengetahuan yang diperoleh dalam bentuk perancangan hardware .

  3. Melakukan pengujian terhadap hasil perancangan agar dapat diketahui hasil secara realistis.

  4. Menganalisis hasil pengujian dan membandingkan dengan teori yang ada.

  5. Mengambil kesimpulan terhadap perancangan dan pengujian yang telah dilakukan.

1.6 Sistematika Penulisan

  Sistematika penulisan Tugas Akhir ini terbagi menjadi 5 bab yang disusun sebagai berikut :

  BAB I. PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, metodologi penelitian serta sistematika penulisan.

  BAB II. DASAR TEORI Bab ini berisi penjelasan-penjelasan umum serta persamaan matematis yang berkaitan dengan filter pelewat jalur terkendali digital, Analog to Digital

  

Converter (ADC), Digital to Analog Converter (DAC), Peak detector.

  BAB III. RANCANGAN PENELITIAN Bab ini berisi tentang rancangan filter pelewat jalur terkendali digital pada sistem penganalisis komponen frekuensi harmonisa arus beban peralatan listrik, yang meliputi diagram blok, penjelasan cara kerja secara singkat dan pemilihan komponen.

BAB IV. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN Bab ini berisi hasil pengamatan dan pembahasan dari pengujian yang telah dilakukan. BAB V. PENUTUP Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran.

BAB II DASAR TEORI

  2.1 Harmonisa Harmonisa adalah gejala pembentukan gelombang-gelombang dengan

frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi

dasarnya[1]. Hal ini disebut frekuensi harmonik yang timbul pada bentuk gelombang

aslinya sedangkan bilangan bulat pengali frekuensi dasar disebut angka urutan

harmonik. Misalnya, frekuensi dasar suatu sistem tenaga listrik adalah 50 Hz, maka harmonik keduanya adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 100 Hz, harmonik

ketiga adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 150 Hz dan seterusnya.

Gelombang-gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni/aslinya

sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang

murni sesaat dengan gelombang hormonisanya.

  2.2 Deret Fourier Setiap gelombang perodik, yaitu yang merniliki bentuk f(t) = f(t + T) dapat dinyatakan oleh sebuah deret fourier bila mernenuhi persyaratan Dirichlet:

  

1. bila gelornbang diskontinu, hanya terdapat jumlah diskontinuitas yang terbatas

dalam perioda T.

  2. gelombang memiliki nilai rata-rata yang terbatas dalam perioda T. 3. gelombang memiliki jumlah maksimum dan minimum yang terbatas dalam perioda T.

  Bila syarat-s B syarat terseb but dipenuhi, , deret Fouri er dapat diny yatakan dala am bentuk: (2.1) Secara umum S m, tegangan dan arus da apat dinyatak kan dalam de eret Fourier sebagai: (2.2)

  (2.3) dengan : d (2.4) (2.5) (2.6)

d dimana h ad dalah orde h harmonisa, y yaitu bilang an 1,2,3…d dst. Orde h= =1 menyatak kan

komponen d k dasar atau fu undamental dari gelomb bang. Suku a a rnenyatak kan kompon nen

o

d dc atau nila ai rata-rata d dari gelanba ang, yang m mana umum mnya kompon nen ini tid dak

m muncul dala am jaringan sistem arus bolak-balik k. Bila gelom mbang arus atau tegang gan

berbentuk si b inusoidal sem mpurna, mak ka orde h=l saja yang ad da. Gelomba ang yang cac cat

( (terdistorsi) memiliki ko oefisien-koef fisien dengan n indeks h.

  Amplitudo h A harmonisa bi isa dinyataka an sebagai : , h (2.7) ≥ ≥1

Nilai-nilai c N c sebagai fu ungsi h seri ingkali diga ambarkan d alam suatu barchart d dan

dikenal deng d gan 'spektrum m frekuensi ' gelombang

  g. Sebagai co ontoh, denga an input siny yal

kotak pada k gambar 2.1 yang perio odis dapat d diuraikan me enjadi bany ak gelomba ang

sinus yang s mempunyai nilai ampli itudo dan fr rekuensi tert tentu, yang menghasilk kan

frekuensi fun f ndamental d dan frekuens i harmonisa. .

  

Ga ambar 2.1 G Gambar gelom mbang kotak k[2].

Gambar 2.2 G Contoh hasi il penguraian n gelombang g kotak men ghasilkan ge elombang s sinus

  

Gambar 2 .2 Gelomban ng fundamen ntal dan harm monisa 3[2]. .

H Hasil pengur raian gelomb bang kotak d dapat dilihat t pada rumus s berikut: (2. 8)

D Dari hasil penguraian sinyal kota ak, gelomba ang sinus p pertama ada alah frekuen nsi

f fundamental l yang mem mpunyai am mplitudo ma aksimum de engan frekue ensi d dan

g gelombang berikutnya merupakan gelombang g harmonisa

  a, amplitudo onya semak kin k kecil dan fre ekuensinya s semakin naik k dengan kel lipatan bilan gan bulat.

2.3. Penguat Operasional (Operational Amplifier, Op-Amp) sebagai pembangun dasar

2.3.1 Dasar-Dasar Penguat Operasional

  Istilah penguat operasional atau Op-Amp awalnya dikenal dalam bidang

elektronika analog dan biasanya digunakan untuk operasi-operasi aritmatika seperti

penjumlahan, integrasi, dll. Op-Amp sebenarnya merupakan sebuah penguat

tegangan DC diferensial. Adapun simbol Op-Amp dalam suatu rangkaian

ditunjukkan oleh gambar 2.3.

Gambar 2.3 Simbol Op-Amp dalam rangkaian karakteristik ideal yang dimiliki, yaitu : lebar pita yang tak berhingga (infinite

  

bandwidth), impedansi input yang tak berhingga (infinite input impedance), serta

impedansi output sama dengan nol (zero output impedance). Dari gambar 2.3

• terlihat bahwa Op-Amp memiliki dua input, yaitu input positif (V ) dan input

• negatif (V ). Biasanya Op-amp diberi catu daya dengan polaritas ganda atau bipolar

  dalam jangkauan ± 5 volt hingga ± 15 volt. Untuk keperluan eksperimen yang

  murah, kita dapat membuat catu daya bipolar sederhana seperti ditunjukkan pada

  gambar 2.4.

Gambar 2.4 C G Catu daya bip polar sederh hana Seperti tel lah disebutk kan sebelum mnya, Op-Am mp memilik ki dua inpu ut. Agar stat tus

  

outputnya mengindika asikan mana a diantara ke edua teganga an input yan ng lebih bes ar,

maka suat tu Op-Amp dapat digu unakan sebag gai compara ator. Dengan n menerapk kan

bias DC p pada input O Op-Amp, lev vel transisi d dapat diset p pada level t tegangan ya ang

diinginkan n. Hal ini ter rgantung pul la pada pola aritas bias da an pada term minal Op-Am mp

mana yang g diberi bias s. Comparat tor non inve erting denga an bias posit tif ditunjukk kan

oleh gamb bar gambar 2

2.5. Vo

  Vs sat Vi Vref

• Vsat

  Gambar 2

  2.5 Compara ator non inve erting denga an bias positi if

Dari gamb bar 2.5 terlih hat bahwa saa at Vi < Vref f maka Vo = -Vsat, sedan ngkan saat

Vi > Vref maka Vo = Vsat. C Comparator inverting de engan bias p ositif ditunju ukkan oleh g gambar 2.6.

  Vo Vsat Vref Vi

• V Vsat

  

Gamba ar 2.6 Compa arator invert ting dengan b bias positif

  

Dari gambar D r 2.6 terlihat t bahwa saat t Vi < Vref m maka Vo = V Vsat, sedang gkan saat Vi i >

  

V Vref maka Vo = -Vs sat. Selanjut tnya pada p pembahasan n-pembahasa an berikutny ya,

rangkaian O r Op-Amp ya ang diguna akan dalam filter akti f selalu be erbentuk at tau

menggunaka m an umpan ba alik eksterna al yang berg guna untuk m menstabilkan n karakterist tik

Op-Amp itu O u sendiri.

  2.3.2 Peng 2 guat Mem balik (Inv verting Am mplifier) R Rangkaian pe enguat inver rting ditunju kkan pada g gambar 2.7.

Gambar 2.7 R G Rangkaian p penguat inve erting K Keterangan : : Ra = Hamb batan input, R Rb = Hamba atan umpan b balik

  

Penguatan n tegangan a atau perband dingan tegan ngan output t terhadap t egangan inp put

dapat ditul liskan sebag gai : (2.9)

Dengan de emikian, pen nguatan tega angan bisa k kurang dari 1, sama den ngan 1 (uni ty)

atau lebih dari 1. Bia asanya R a =

  1K na impedans si input pen nguat inverti ing

Ω, karen

tersebut sa ama dengan R a .

  2.3.3 Peng guat tidak membalik k (Non Inv verting Am mplifier) R Rangkaian pe enguat non i inverting ditu unjukkan ole eh gambar 2 2.8.

  2

  

Ga ambar 2.8 Ra angkaian pen nguat non in verting

Persamaan n untuk men entukan pen nguatan tegan ngan adalah : (2.10)

2.3.4 Peng 2 gikut Tega angan (Vo oltage Follo ower)

  P Pengikut teg angan kadan ng-kadang d disebut sebag gai penyang gga atau buff ffer

dan memil liki fungsi y ang sama se eperti pengik kut emiter (e emitter follow wer)[3]. Buff ffer

tegangan b berfungsi un ntuk mempe ertahankan t tegangan ou utput agar ti idak terbeba ani

oleh beba an. Tegangan n output ya ang dihasilk kan rangkaia an buffer te egangan per sis

sama deng gan tegangan n input. Gambar 2. .9 menunjuk kkan rangkai ian pengikut tegangan.