BAB II DASAR TEORI 2.1 Trafo Arus ( Current Transformer ) Current

BAB II
DASAR TEORI
2.1
Trafo Arus ( Current Transformer )
Current Transformer atau yang biasa disebut Trafo arus adalah tipe instrument
trafo yang didesain untuk mendukung arus yang mengalir pada kumparan sekunder
sebanding dengan arus bolak-balik yang mengalir pada sisi primer. Secara umum
Trafo ini digunakan untuk mengukur dan melindungi rele pada industri yang memakai
tegangan tinggi di mana trafo ini mempunyai fasilitas pengukuran yang aman dalam
mengukur jumlah arus yang besar begitu juga dengan tegangan yang tinggi.
Disamping penggunannya untuk mengukur arus, trafo ini juga dibutuhkan
untuk pengukuran daya dan energi, trafo arus juga dibutuhkan untuk pengukuran daya
dan energi, pengukuran jarak jauh dan rele proteksi.Kumparan primer trafo arus
dihubungkan secara serie dengan jaringan atau peralatan yang akan diukur arusnya,
sedangkan kumparan sekunder dihubungkan dengan peralatan meter dan rele proteksi.
Trafo ini bekerja sebagai trafo yang terhubung singkat. Trafo arus untuk tujuan
proteksi biasanya harus mampu bekerja lebih dari 10 kali arus pengenalnya.
Cara kerja dari trafo arus ini: Jika pada kumparan primer mengalir arus I1,
maka pada kumparan primer akan timbul gaya gerak magnet sebesar N1 I1. gaya
gerak magnet ini memproduksi fluks pada inti. Fluks ini membangkitkan gaya gerak
listrik pada kumparan sekunder. Jika kumparan sekunder tertutup, maka pada
kumparan sekunder mengalir arus I2. arus ini menimbulkan gaya gerak magnet N2I2
pada kumparan sekunder.
Sebagai contoh suatu CT dengan pengenal nominal arus 300/5A, dimana I1
adalah arus primer 300 A dan I2 arus sekunder 5 A
Gambar 2.1 Kinerja CT
Berdasarkan rumus:
I1 N1 = I2 N2 ………………………...……………………………………………...(2.1)
…………………………………………………………………. (2.2 )
dimana:
>
, sehingga
<
= Jumlah lilitan primer
= Jumlah lilitan sekunder
Daya yang diserap oleh transformator ini untuk melakukan kerjanya tidak
seberapa besar, karena beban yang dihubungkan hanya terdiri dari relai-relai dan alatalat ukur (meteran) yang mungkin hanya digunakan pada waktu tertentu.
Beban pada transformator ukur (CT) dikenal sebagai muatan (Burden) dari
transformator tersebut. Istilah muatan biasanya melukiskan impedansi yang
dihubungkan pada kumparan sekunder transformator itu, tetapi dapat juga
menetapkan voltampere yang diberikan kepada beban
2.2
Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah suatu keping IC dimana terdapat mikroprosesor dan
memori program (ROM) serta memori serbaguna (RAM), bahkan ada beberapa jenis
mikrokontroler yang memiliki fasilitas ADC, PLL, EEPROM dalam satu kemasan.
Penggunaan mikrokontroler dalam bidang kontrol sangat luas dan populer.
Ada beberapa vendor yang membuat mikrokontroler diantaranya Intel,
Microchip, Winbond, Atmel, Philips, Xemics dan lain - lain. Dari beberapa vendor
tersebut, yang paling populer digunakan adalah mikrokontroler buatan Atmel.
Mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc prosesor) memiliki arsitektur RISC 8
bit, di mana semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits word) dan sebagian
besar instruksi dieksekusi dalam 1 (satu) siklus clock, berbeda dengan instruksi MCS
51 yang membutuhkan 12 siklus clock. Tentu saja itu terjadi karena kedua jenis
mikrokontroler tersebut memiliki arsitektur yang berbeda. AVR berteknologi RISC
(Reduced Instruction Set Computing), sedangkan seri MCS 51 berteknologi CISC
(Complex Instruction Set Computing).
Secara umum, AVR dapat dikelompokkan menjadi 4 kelas, yaitu keluarga
ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang
membedakan masing – masing kelas adalah memori, peripheral, dan fungsinya. Dari
segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka bisa dikatakan hampir sama.
Oleh karena itu, dipergunakan salah satu AVR produk Atmel, yaitu ATMega8535.
Selain mudah didapatkan dan lebih murah ATMega8535 juga memiliki fasilitas yang
lengkap. Untuk tipe AVR ada 3 jenis yaitu AT Tiny, AVR klasik, AT Mega.
Perbedaannya hanya pada fasilitas dan I/O yang tersedia serta fasilitas lain seperti
ADC,EEPROM dan lain sebagainya. Salah satu contohnya adalah AT Mega 8535.
Memiliki teknologi RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz membuat
ATMega8535 lebih cepat bila dibandingkan dengan varian MCS 51. Dengan fasilitas
yang lengkap tersebut menjadikan ATMega8535 sebagai mikrokontroler yang
powerfull dan hemat daya listrik.
Gambar 2.2 IC Atmega 8535
2.2.1. Fitur ATMega8535
•
Sistem processor 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal
16 MHz.
•
Ukuran memory flash 8KB, SRAM sebesar 512 byte, EEPROM
sebesar 512 byte.
•
ADC internal dengan resolusi 10 bit sebanyak 8 channel
•
Port komunikasi serial USART dengan kecepatan maksimal 2.5
Mbps
•
Mode Sleep untuk penghematan penggunaan daya listrik
2.2.2. Peta Mikrokontroler Atmega 8535
Mikrokontroler Atmega 8535 mempunyai susunan dan tata letak
seperti yang digambarkan dibawah ini :
Gambar 2.3 Tata Letak Mikrokontroler AT mega 8535
•
Saluran IO sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan
Port D
•
ADC 10 bit sebanyak 8 Channel
•
Tiga buah timer / counter
•
32 register
•
Watchdog Timer dengan oscilator internal
•
SRAM sebanyak 512 byte
•
Memori Flash sebesar 8 kb
•
Sumber Interrupt internal dan eksternal
•
Port SPI (Serial Pheriperal Interface)
•
EEPROM on board sebanyak 512 byte
•
Komparator analog
•
Port USART (Universal Shynchronous Ashynchronous Receiver
Transmitter)
2.2.3. Konfigurasi Pin Atmega 8535
Mikrokontroler Atmega 8535 mempunyai konfigurasi seperti yang
digambarkan dibawah ini :
Gambar 2.4 Konfigurasi Pin Atmega 8535
•
VCC (power supply) merupakan Pin yang berfungsi sebagai pin
masukan catudaya
•
GND (ground) merupakan Pin Ground
•
Port A (PA7..PA0) merupakan pin I/O dan pin masukan ADC,
Port A berfungsi sebagai input analog pada A/D Konverter. Port A
juga berfungsi sebagai suatu Port I/O 8-bit dua arah, jika A/D
Konverter tidak digunakan. Pin - pin Port dapat menyediakan
resistor internal pull-up (yang dipilih untuk masing-masing
bit).Port A output buffer mempunyai karakteristik gerakan simetris
dengan keduanya sink tinggi dan kemampuan sumber. Ketika
pinPA0 ke PA7 digunakan sebagai input dan secara eksternal
ditarikrendah, pin – pin akan memungkinkan arus sumber jika
resistor internal pull-up diaktifkan. Pin Port A adalah tri-stated
manakalasuatu kondisi reset menjadi aktif, sekalipun waktu habis.
•
Port B (PB7..PB0)
Port B adalah suatu Port I/O 8-bit dua arah dengan resistor
internalpull-up (yang dipilih untuk beberapa bit). Port B output
buffermempunyai karakteristik gerakan simetris dengan keduanya
sinktinggi dan kemampuan sumber. Sebagai input, pin port B
yangsecara eksternal ditarik rendah akan arus sumber jika resistor
pullupdiaktifkan. Pin Port B adalah tri-stated manakala suatu
kondisi reset menjadi aktif, sekalipun waktu habis.
•
Port C (PC7..PC0)
Port C adalah suatu Port I/O 8-bit dua arah dengan resistor
internalpull-up (yang dipilih untuk beberapa bit). Port C output
buffermempunyai karakteristik gerakan simetris dengan keduanya
sinktinggi dan kemampuan sumber. Sebagai input, pin port C
yangsecara eksternal ditarik rendah akan arus sumber jika resistor
pullupdiaktifkan. Pin Port C adalah tri-stated manakala suatu
kondisi reset menjadi aktif, sekalipun waktu habis.
•
Port D (PD7..PD0)
Port D adalah suatu Port I/O 8-bit dua arah dengan resistor
internalpull-up (yang dipilih untuk beberapa bit). Port D output
buffermempunyai karakteristik gerakan simetris dengan keduanya
sinktinggi dan kemampuan sumber. Sebagai input, pin port D
yangsecara eksternal ditarik rendah akan arus sumber jika resistor
pullupdiaktifkan. Pin Port D adalah tri-stated manakala suatu
kondisi
reset menjadi aktif, sekalipun waktu habis.
•
RESET (Reset input) merupakan pin yang digunakan untuk
mereset mikrokontroler
•
XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal
•
AVCC merupakan pin masukan untuk tegangan ADC
•
AREF adalah pin masukan tegangan referensi untuk ADC.
2.2.4. Sistem Clock
Mikrokontroler, mempunyai sistem pewaktuan CPU, 12 siklus clock.
Artinya setiap 12 siklus yang dihasilkan oleh ceramic resonator maka
akan menghasilkan satu siklus mesin. Nilai ini yang akan menjadi
acuan waktu operasi CPU. Untuk mendesain sistem mikrokontroler
kita memerlukan sistem clock, sistem ini bisa di bangun dari clock
eksternal maupun clock internal. Untuk clock internal, kita tinggal
memasang komponen seperti di bawah ini:
Gambar 2.5 Sistem Clock
2.2.5. Peta Memory Atmega 8535
ATMega8535 memiliki ruang pengalamatan memori data dan memori
program yang terpisah. Memori data terbagi menjadi 3 bagian yaitu :
32 buah register umum, 64 buah register I/O, dan 512 byte SRAM
internal.
Register untuk keperluan umum menempati space data pada alamat
terbawah yaitu $00 sampai $1F. Sementara itu register khusus untuk
menangani I/O dan kontrol terhadap mikrokontroler menempati 64
alamat berikutnya, yaitu mulai dari $20 sampai $5F. Register tersebut
merupakan register yang khusus digunakan untuk mengatur fungsi
terhadap berbagai peripheral mikrokontroler, seperti kontrol register,
timer/counter, fungsi fungsi I/O, dan sebagainya. Register khusus
alamat memori secara lengkap dapat dilihat pada tabel dibawah .
Alamat memori berikutnya digunakan untuk SRAM 512 byte, yaitu
pada lokasi $60 sampai dengan $25F.
Konfigurasi memori data ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.6 Konfigurasi Data AVR AT Mega 8535
2.2.6. Memory Program
ATmega8535 berisi 8K bytes On-Chip di dalam sistem Memoriflash
Reprogrammable untuk penyimpanan program. Karena semuaAVR
instruksi adalah 16 atau 32 bits lebar, Flash adalah berbentuk 4K x16.
Untuk keamanan perangkat lunak, Flash Ruang program memori
adalah dibagi menjadi dua bagian, bagian boot program dan bagian
aplikasi program dengan alamat mulai dari $000 sampai $FFF.Flash
Memori mempunyai suatu daya tahan sedikitnya 10,000write/erase
Cycles. ATmega8535 Program Counter (PC) adalah 12 bitlebar, alamat
ini 4K lokasi program memori.
Gambar 2.7 Memori Program AT Mega 8535
2.2.7. Interupsi
Interrupt adalah suatu kejadian atau peristiwa yang menyebabkan
mikrokontroler berhenti sejenak untuk melayani interrupt tersebut.
Mikrokontroler yang sedang menjalankan programnya, saat terjadi
interrupt, program akan berhenti sesaat, melayani interrupt tersebut
dengan menjalankan program yang berada pada alamat yang ditunjuk
oleh vektor dari interrupt yang terjadi hingga selesai dan kembali
meneruskan program yang terhenti oleh interrupt tadi. Seperti yang
terlihat Gambar di bawah, sebuah program yang seharusnya berjalan
terus lurus, tiba-tiba terjadi interrupt dan harus melayani interrupt
tersebut terlebih dahulu hingga selesai sebelum ia kembali meneruskan
pekerjaannya.
Gambar 2.8 Diagram Pelayanan Interupsi
Yang harus diperhatikan untuk menguanakan interupsi adalah, kita
harus tau sumber-sumber interupsi, vektor layanan interupsi dan yang
terpenting rutin layanan interupsi, yaitu subrutin yang akan dikerjakan
bila terjadi interupsi.
Pada AVR terdapat 3 pin interupsi eksternal, yaitu INT0,INT1,dan
INT2. Interupsi eksternal dapat dibangkitkan apabila ada perubahan
logika atau logika 0 pada pin interupsi Pengaturan kondisi keadaan
yang menyebabkan terjadinya interupsi eksternal diatur oleh register
MCUCR ( MCU Control Register), yang terlihat seperti gambar ini:
Gambar 2.9 MCU Control Regiser
Bit penyusunnya:
•
Bit ISC11 dan ISC10 bersama-sama menentukan kodisi yang dapat
menyebakan interupsi eksternal pada pin INT1.
•
Bit ISC01 dan ISC00 bersama-sama menentukan kodisi yang dapat
menyebakan interupsi eksternal pada pin INT0.
Pemilihan pengaktifan interupsi eksternal diatur oleh register GICR
(General Interrupt Control Register) yang terlihat pada gambar berikut:
Gambar 2.10 General Interrupt Control Register
Bit penyusunnya dapat dijelaskan sebagai berikut:
•
Bit INT1 adalah bit untuk mengaktifkan interupsi eksternal 1.
Apabila bit tersebut diberi logika 1 dan bit I pada SREG (status
register) juga satu , maka interupsi eksternal 1 akan aktif.
•
Bit INT0 adalah bit untuk mengaktifkan interupsi eksternal 0.
Apabila bit tersebut diberi logika 1 dan bit I pada SREG (status
register) juga satu , maka interupsi eksternal 0 akan aktif.
•
Bit INT2 adalah bit untuk mengaktifkan interupsi eksternal 2.
Apabila bit tersebut diberi logika 1 dan bit I pada SREG (status
register) juga satu , maka interupsi eksternal 2 akan aktif.
2.2.8. Timer / Counter
Timer/Counter pada AT Mega 8535 terdiri dari 3 buah. Yaitu
Timer/Counter0 ( 8bit ), Timer/Counter1 ( 16 bit ), dan
Timer/Counter2 ( 8 Bit ).
2.2.8.1
Timer/Counter0
Pengaturan Timer/Counter0 diatur oleh register TCCR0
yang dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 2.11 TCCR0
Bit 7 – FOC0: Force Output Compare
Bit 6,3-WGM01:WGM00 : Waveform generation Unit
Bit mengontrol kenaikan dari konter, sumber nilai
maksimum counter, dan tipe dari jenis timer/counter yang
dihasilkan, yaitu mode normal,clear timer,mode compare
match, dan dua tipe dari PWM.
Tabel 2.1 Waveform Generation Unit WGM01dan WGM00
Bit 5,4 – COM1:COM00 : Compare Match Output Mode
Bit tersebut mengontrol pin OC0 (Output Compare pin).
Apabila kedua bit itu 0 atau clear, maka pin OC0 berfungsi
sebagi pin biasa. Namun, bil;a salah satu bit set, maka
fungsi pin tergantung pada setting bit pada WGM00 dan
WGM01. Berikut daftar table seting bit pada WGM00 dan
WGM01.
Tabel 2.2 Compare Output Mode, non-PWM Mode
COM
01 dan COM 00
Tabel 2.3 Compare Output Mode, Fast PWM Mode
COM 01 dan COM 00
Tabel 2.4 Compare Output Mode, Phase Correct PWM
Mode COM 01 dan COM 00
Bit 2,1,0 – CS02,CS01,CS00 : Clock seleck
Ketiga bit tersebut memilih sumber clok yang akan
digunakan oleh Timer/Counter . Berikut Tabelnya:
Tabel 2.5 Clock Select Bit Description CS02,CS01,CS00
2.2.8.2
Timer/Counter1
Timer/Counter1 adalah 16
Bit Timer/Counter yang
memungkinkan program pewaktuan lebih akurat .
Pengaturan pada Timer/Counter1 diatur melalui Resgister
TCCR1A
Register COM1A1: 0 dan COM1B:0 mengontrol kondisi
Pin Output Compare (OC1A dan OC1B ). Jika salah satu
atauy kedua bit pada register COM1A:0 ditulis menjadi 1 ,
maka kaki pin OC1A tidak berfungsi normal sebagai I/O.
begitu juga pada rekaki OC1B. Fungsi pada pin OC1A dan
OC1B tergantung dari seting bit pada register WGM13:0
diset sebagai mode PWM atau mode non PWM.
Tabel 2.6 Compare Output Mode, non-PWM
Tabel 2.7 Compare Output Mode, Fast PWM
Tabel 2.8 Compare Output Mode, Phase Correct and
Frequensi Correct PWM
Bit 3 FOC1A : Force Output Compare untuk chanel A
Bit 2 FOC1B : Force Output Compare untuk chanel B
Bit 1 WGM11:0 : Waveform generation Mode
Dikombinasikan denagn bit WGM13:2 yang terdapat pada
register TCCR1B, bit tersebut mengontrol urutan pencacah
dari counter, sumber maksimum (TOP) nilai counter, dan
tipe gelombang yang dibangkitkan. Mode yang dapat
dilakukan antara lain mode normal, mode clear timer on
compare Match (CTC) dan tiga tipe mode PWM. Setingan
mode dapat dilihat pada table berikut:
Tabel 2.9 Waveform Generation Mode Bit Description
WGM 12 WGM 11 dan WGM 10
TCCR1B
Register
TCCR1B
digunakan
juga
untuk
mengkonfigurasi/seting Timer/Counter1. Khusunya bit
WGM13,WGM12.
Untuk penentuan clock bit CS12,CS11,CS10
Tabel 2.10 Clock Select Bit Description bit CS12, CS11,
dan CS10
2.2.8.3
Timer/ Counter 2
Pengaturan Timer/Counter2 diatur oleh register TCCR2
yang dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Bit 7 – FOC2: Force Output Compare
Bit 6,3-WGM021:WGM20 : Waveform generation Unit.
Bit mengontrol kenaikan dari konter, sumber nilai
maksimum counter, dan tipe dari jenis timer/counter yang
dihasilkan, yaitu mode normal,clear timer,mode compare
match, dan dua tipe dari PWM. Berikut table setingnya:
Tabel 2.11 Waveform Generation Mode Bit Description
WGM 21 dan WGM 20
Bit 5,4 – COM1:COM00 : Compare Match Output Mode
Bit tersebut mengontrol pin OC0 (Output Compare pin).
Apabila kedua bit itu 0 atau clear, maka pin OC0 berfungsi
sebagi pin biasa. Namun, bila salah satu bit set, maka fungsi
pin tergantung pada setting bit pada WGM00 dan WGM01.
Berikut daftar table seting bit pada WGM00 dan WGM01.
Tabel 2.12
Compare Output Mode, non-PWM Mode
WGM 21 dan WGM 20
Tabel 2.13 Compare Output Mode, Fast PWM
Mode
WGM 21 dan WGM 20
Tabel 2.14 Compare Output Mode, Phase Correct PWM
Mode WGM 21 dan WGM 20
Bit 2,1,0 – CS22,CS21,CS20 : Clock seleck
Ketiga bit tersebut memilih sumber clok yang akan
digunakan oleh Timer/Counter . Berikut Tabelnya:
Tabel 2.15 Clock Select Bit Description – CS22, CS21 dan
CS20
Register TIMSK dan TIFR
Bit0 – Timer/Counter0 Overflow Interrupt Enable, jika bit
tersebut diberi logika satu dan I SREG juga set, maka bisa
dilakukan enable interupsi overflow Timer/Counter0
Bit1- Timer/Counter0 Output Compere Match Interrupt
Enable, jika bit tersebut diberi logika satu dan I SREG juga
set, maka bisa dilakukan enable Interupsi Output Compere
Match
Bit2- Timer/Counter1 Overflow Interrupt Enable, jika bit
tersebut diberi logika satu dan I SREG juga set, maka bisa
dilakukan enable interupsi overflow Timer/Counter1
Bit3-
Bit0 – Timer/Counter0 Overflow Flag, bit akan bernilai
satu jika Timer/Counter0 Overflow. Bit dapat dinolkan lagi
dengan memberikan logika satu ke bit Flag ini.
Bit1- Output Comapre Flag 0, bit akan berniali satu jika
nilai pada Timer/Counter0 sama dengan nilai pada OCR0 –
Output Comapre
2.3
Pengkondisi Sinyal.
Sinyal arus yang keluar pada saat pembebanan akan diukur sampai taraf yang
lebih rendah dengan perbandingan tertentu dengan meggunakan trafo arus
( CT ), hal ini dimaksudkan agar sesuai dengan taraf arus perubahan dari
sistem analog ke digital.
Arus keluaran dari trafo arus dirubah menjadi tegangan analog agar bisa
dibaca oleh ADC yang ada dalam internal mikrokontroler Atmega 8535.
2.4
Analog to Digital Converter ( ADC )
ADC atau Analog to Digital Converter adalah sebuah alat yang dapat
digunakan untuk mengkonversi sinyal atau isyarat analog menjadi digital yang
siap disimpan atau diproses lebih lanjut oleh peralatan digital, termasuk
mikrokontroler AVR.