Rangkaian Pengkondisi Sinyal Sensor Arus

Sensor arus yang digunakan pada rangkaian ini adalah sensor arus ACS712 yang dapat mendeteksi besarnya nilai arus dari -5A sampai 5A. 

Sensor arus ACS712 dapat digunakan pada pengukuran arus AC atau DC di dunia industri, otomotif, komersil dan sistem komunikasi. Pada umumnya sensor ini digunakan untuk mengontrol motor, deteksi beban listrik, switched-mode power supplies, dan proteksi beban berlebih.

Sensor Arus ACS712

IP+ dan IP- dari  pin ACS712 terhubung pada rangkaian yang akan diukur nilai arusnya. Kapasitor 1nF digunakan sebagai filter sensor arus, sedangkan kapasitor 0,1uF digunakan sebagai filter pada sumber tegangan Vcc. Sensor arus dicatu oleh tegangan 5V yang terhubung ke Vcc. Keluaran sensor arus Vout terhubung ke rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus. Berikut ini adalah gambar rangkaian dari sensor arus dari ACS712.

Rangkaian Sensor Arus

Saat tidak ada arus yang terdeteksi pada sensor arus ACS712, maka keluaran sensor adalah 2,5 V. Saat arus mengalir dari IP+ ke IP-, maka keluaran akan lebih dari 2,5 V. Sebaliknya ketika arus listrik mengalir dari IP- ke IP+, maka keluaran akan kurang dari 2,5 V.

Grafik Tegangan Keluaran terhadap Arus yang Terdeteksi

Pada pendeteksian arus -5A sampai dengan 5A, pengkondisi sinyal sensor arus mengubah level tegangan keluaran sensor arus (1,5V–3,5V)  ke dalam level tegangan masukkan ADC mikrokontroler (0V–5,0V) . 

Perubahan Grafik Tegangan Keluaran terhadap Arus

Pengkondisi sinyal sensor arus terdiri dari rangkaian subtractor dan inverting. Rangkaian subtractor yang digunakan hanya terdiri dari satu buah opamp U1 dengan persamaan tegangan keluaran

Tegangan yang dihasilkan pada RV1 digunakan untuk menggeser nilai sinyal masukkan sebesar 1,5V. Opamp U2 bersifat inverting dengan persamaan tegangan keluaran

Zener 5,1 V digunakan untuk membatasi keluaran agar tidak lebih dari 5,1 V. 

Rangkaian Pengkondisi Sinyal Sensor Arus

Kapasitor C1 pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus, digunakan pada umpan balik opamp untuk menaikkan kestabilan frekuensi yang dapat mengurangi osilasi dan pengaruh derau. Tapis yang digunakan merupakan low pass filter (LPF) untuk melewatkan sinyal dengan frekuensi rendah dan melemahkan sinyal derau pada frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi cut-off.

Pelemahan sinyal terjadi dikarenakan oleh peredaman sinyal berferekuensi tinggi  10kHz yaitu di atas frekuensi cut-off. Frekuensi cut-off dari Low Pass Filter pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus adalah 338,628 Hz. Sehingga filter pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus berfungsi dengan baik.

Besarnya frekuensi cut-off ditunjukkan oleh persamaan berikut.

Low Pass Filter pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus dengan besarnya kapasitor C1 adalah 47nF dan resistor R4 adalah 10kW, sehingga didapatkan frekuensi cut-off sebesar 338,628 Hz.

Besarnya frekuensi cut-off dapat dihitung dari persamaan berikut.

Rangkaian Active Low Pass Filter

Fungsi transfer dari filter aktif LPF ditunjukkan oleh persamaan berikut.

Dan besarnya penguatan tegangan Active Low Pass Filter dapat dituliskan dalam satuan dB sebagai berikut.

Operasi dari Low Pass Filter pada rentang frekuensi tertentu berdasarkan besarnya penguatan (gain) adalah sebagai beikut.

Low Pass Filter dalam domain frekuensi terhadap penguatan tegangan (gain), ditunjukkan oleh gambar bode berikut ini.

Bode Plot dari Low Pass Filter

Simulasi untuk pengujian rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus ditunjukkan oleh gambar sebagai berikut.

Simulasi Rangkaian Pengkondisi SInyal Sensor Arus

Untuk mengetahui kinerja dari Low Pass Filter pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus, dilakukan pengujian dengan menggunakan masukan sinyal sinus frekuensi dengan frekuensi 10kHz. Gambar sinyal masukan dan sinyal keluaran pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus ditunjukkan oleh gambar berikut.

Hasil Simulasi Kinerja Low Pass Filter dengan Sinyal Masukan 10kHz

Pada gambar tersebut garis merah menunjukkan sinyal masukan, garis hijau menunjukkan sinyal keluaran Opamp 1 dan garis biru menunjukkan sinyal keluaran Opamp 2. Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa sinyal keluaran mengalami pelemahan sinyal dengan besarnya amplitudo sinyal keluaran Opamp1 dan Opamp 2 yang lebih kecil dari sinyal masukan.