Sensor Arus SCT-013-030: Prinsip Kerja, Rangkaian, ADC ESP32, dan Pengujian

Pada artikel ini kita akan membahas SCT-013-030 mulai dari prinsip kerja, karakteristik output, rangkaian antarmuka ke ESP32, tegangan bias ADC, cara pemasangan sensor, hingga metode pengujian dan kalibrasi menggunakan alat ukur pembanding.

Artikel ini juga sekaligus menjadi dokumentasi pengembangan rangkaian sensor agar setiap tahapan pengujian dapat dicatat dan digunakan kembali pada pengembangan berikutnya.

Daftar Isi

1. Apa Itu SCT-013?
2. SCT-013-030 yang Digunakan
3. Prinsip Kerja Current Transformer
4. Output Sensor SCT-013-030
5. Mengapa Output Sensor Tidak Bisa Langsung ke ADC?
6. Rangkaian Bias untuk ADC ESP32
7. Burden Resistor pada SCT-013
8. Menggunakan Jack Audio 3,5 mm
9. Rangkaian Dasar SCT-013 ke ESP32
10. Pengujian Menggunakan Beban AC
11. Hasil Pembacaan ADC
12. Mengapa Nilai ADC Belum Menunjukkan Ampere?
13. Perhitungan RMS
14. Kalibrasi Menggunakan Tang Ampere
15. Tahapan Pengembangan Rangkaian
16. Kesimpulan

#define ADC_PIN 4

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);

  analogReadResolution(12);

  Serial.println("=== TEST SCT-013 ===");
}

void loop() {
  const int samples = 1000;

  long total = 0;
  float totalKuadrat = 0;

  int nilaiMin = 4095;
  int nilaiMax = 0;

  for (int i = 0; i < samples; i++) {

    int adc = analogRead(ADC_PIN);

    if (adc < nilaiMin) nilaiMin = adc;
    if (adc > nilaiMax) nilaiMax = adc;

    total += adc;
    totalKuadrat += (float)adc * adc;

    delayMicroseconds(200);
  }

  float rata = (float)total / samples;

  float rms = sqrt(
    (totalKuadrat / samples) -
    (rata * rata)
  );

  Serial.print("MIN: ");
  Serial.print(nilaiMin);

  Serial.print(" | MAX: ");
  Serial.print(nilaiMax);

  Serial.print(" | AVG: ");
  Serial.print(rata, 1);

  Serial.print(" | RMS: ");
  Serial.println(rms, 1);

  delay(500);
}

 1. Apa Itu SCT-013?

SCT-013 adalah keluarga sensor arus AC yang menggunakan prinsip Current Transformer (CT).

Berbeda dengan sensor arus yang harus dipasang secara seri dengan beban, SCT-013 bekerja dengan mendeteksi medan magnet yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada kabel.

Karena bentuknya seperti penjepit, sensor dapat dipasang pada satu penghantar tanpa harus memutus kabel.

Secara sederhana:

      Kabel penghantar
             │
             │
        ┌────┴────┐
        │ SCT-013 │
        │    ○    │
        └─────────┘
             │
             │
          Output AC

Ketika arus mengalir pada kabel, medan magnet yang terbentuk akan menginduksi lilitan sekunder pada CT.

Induksi tersebut menghasilkan sinyal listrik yang dapat diukur oleh rangkaian elektronik.

2. SCT-013-030 yang Digunakan

Pada percobaan ini digunakan:

SCT-013-030

Salah satu hal yang harus diperhatikan ketika membeli SCT-013 adalah jenis outputnya.

Ada SCT-013 yang menghasilkan output arus, dan ada versi yang menghasilkan output tegangan.

SCT-013-030 yang digunakan pada percobaan ini merupakan tipe voltage-output.

Karakteristik yang menjadi acuan:

Karena burden resistor sudah terintegrasi pada versi ini, rangkaian tidak perlu menambahkan burden resistor eksternal.

Catatan: Pastikan tipe SCT-013 yang digunakan sebelum menentukan rangkaian. Jangan menyamakan rangkaian untuk SCT-013 voltage-output dengan SCT-013 current-output.

3. Prinsip Kerja Current Transformer

Current Transformer bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.

Ketika arus AC melewati penghantar utama, akan muncul medan magnet di sekeliling penghantar.

Medan magnet tersebut diteruskan melalui inti CT dan menginduksi tegangan pada lilitan sekunder.

Gambaran sederhananya:

             ARUS AC
                ↓
       ────────────────
             │
             │
        ┌───────────┐
        │    CT     │
        │           │
        │  Primary  │
        │    ↓      │
        │ Secondary │
        └─────┬─────┘
              │
              │
           Output AC

Semakin besar arus yang mengalir pada kabel, semakin besar pula sinyal yang dihasilkan sensor.

Inilah yang kemudian dibaca oleh mikrokontroler.

4. Output Sensor SCT-013-030

Output SCT-013-030 berupa sinyal AC, bukan tegangan DC.

Artinya tegangan output berubah terhadap waktu:

 Tegangan
    ↑
    │        /‾\        /‾\
    │       /   \      /   \
  0 ├─────/─────\───/─────\────→ waktu
    │    /       \ /       \
    │   /         \         \
    ↓

Sinyal tersebut mempunyai bagian positif dan negatif terhadap titik referensinya.

Hal ini menjadi masalah ketika sensor dihubungkan langsung ke ADC mikrokontroler yang tidak dirancang untuk menerima tegangan negatif.

Karena itu diperlukan rangkaian DC bias.

5. Mengapa Output Sensor Tidak Bisa Langsung ke ADC?

ADC ESP32 bekerja pada tegangan positif.

Sementara sinyal AC dari SCT-013 dapat bergerak ke arah positif dan negatif.

Misalnya sebuah sinyal AC mempunyai amplitudo:

       +1 V
         │
         │    /\
         │   /  \
    0 V ─┼──/────\──
         │ /      \
         │/
       -1 V

Jika sinyal seperti ini diberikan langsung ke ADC, bagian negatif tidak dapat dibaca sebagaimana mestinya.

Solusinya adalah menggeser seluruh sinyal ke atas menggunakan tegangan bias.

6. Rangkaian Bias untuk ADC ESP32

Karena ESP32 menggunakan logika 3,3 V, salah satu pendekatan sederhana adalah membuat tegangan tengah sekitar:

1,65 V

Tegangan tersebut dapat dibuat menggunakan dua resistor dengan nilai sama.

Pembagi tegangan

             3.3 V
               │
              10K
               │
               ├──────── VBIAS ≈ 1.65 V
               │
              10K
               │
              GND

Dengan dua resistor 10 kΩ:

VBIAS ≈ 3,3 V ÷ 2 = 1,65 V

Sinyal AC dari sensor kemudian ditumpangkan pada tegangan bias tersebut.

Hasilnya menjadi seperti:

3.3 V ─────────────────────

             /\        /\
            /  \      /  \
1.65 V ────/────\────/────\────
          /      \  /
         /        \/

0 V ──────────────────────────

Dengan demikian sinyal tidak lagi melewati daerah tegangan negatif.

7. Burden Resistor pada SCT-013

Burden resistor merupakan komponen penting pada Current Transformer.

Pada CT tipe tertentu, output sekundernya berupa arus sehingga diperlukan resistor burden untuk mengubah arus tersebut menjadi tegangan.

Namun pada SCT-013-030 voltage-output, burden resistor sudah terdapat di dalam sensor.

Karena itu:

Tidak perlu menambahkan burden resistor eksternal.

Ini merupakan perbedaan penting antara sensor voltage-output dan current-output.

Jika tipe sensor berbeda, rangkaiannya juga dapat berbeda.

8. Menggunakan Jack Audio 3,5 mm

Pada prototype digunakan konektor jack audio 3,5 mm untuk menghubungkan sensor ke rangkaian.

Secara umum jack 3,5 mm memiliki kontak:

        ┌─────────────┐
        │   TIP       │
        │   RING      │
        │   SLEEVE    │
        └─────────────┘

Namun konfigurasi kabel sensor harus dipastikan berdasarkan sensor yang digunakan.

Jangan hanya menentukan koneksi berdasarkan bentuk konektor.

Cara yang lebih aman adalah memeriksa:

• datasheet sensor
• kontinuitas dengan multimeter
• konfigurasi kabel sensor
• hasil pengukuran tegangan output

Untuk pengembangan PCB, konfigurasi pin harus dicatat dengan jelas agar tidak terjadi kesalahan ketika rangkaian dibuat dalam jumlah banyak.

9. Rangkaian Dasar SCT-013 ke ESP32

Konsep rangkaian yang digunakan:

                          3.3 V
                            │
                           10K
                            │
                            ├────────── VBIAS
                            │
                           10K
                            │
                           GND


SCT-013
   │
   │ Output AC
   │
 ─┴─ C coupling
   │
   ├───────────────────────┐
   │                       │
   │                     ADC ESP32
   │
  VBIAS

Pada implementasi nyata, nilai kapasitor coupling dan konfigurasi input dapat disesuaikan setelah melihat bentuk sinyal menggunakan alat ukur.

Hal terpenting pada tahap awal adalah memastikan:

1. sensor menghasilkan sinyal,
2. sinyal mempunyai bias yang benar,
3. tegangan tidak melebihi batas ADC,
4. pembacaan ADC berubah sesuai perubahan arus.

10. Pengujian Menggunakan Beban AC

Setelah rangkaian selesai, sensor diuji menggunakan beban listrik AC.

Pada percobaan awal digunakan bor listrik sebagai sumber beban.

Sensor dipasang dengan menjepit satu kabel penghantar.

Contoh:

FASE ────────────────[ BEBAN ]
          │
          │
       ┌──────┐
       │ SCT  │
       └──────┘

Jangan menjepit kabel fase dan netral secara bersamaan.

Jika kedua penghantar berada di dalam CT, medan magnet dari keduanya dapat saling mengurangi.

Akibatnya sensor dapat membaca nilai yang sangat kecil atau tidak sesuai.

11. Hasil Pembacaan ADC

Pengujian dilakukan dengan beberapa kondisi:

OFF
↓
ON
↓
OFF
↓
ON

Tujuan pengujian pertama bukan langsung mendapatkan angka Ampere.

Yang ingin dipastikan terlebih dahulu adalah:

Apakah perubahan arus pada beban menyebabkan perubahan sinyal pada ADC?

Jika kondisi OFF menghasilkan satu pola pembacaan dan kondisi ON menghasilkan pola berbeda, berarti sensor dan rangkaian input sudah memberikan respons terhadap perubahan arus.

Namun hal tersebut belum berarti angka yang dihasilkan sudah akurat dalam satuan Ampere.

12. Mengapa Nilai ADC Belum Menunjukkan Ampere?

ADC hanya menghasilkan nilai digital yang mewakili tegangan yang diterimanya.

Misalnya:

ADC = 2000

Angka tersebut belum bisa langsung diterjemahkan menjadi:

2000 = 2 Ampere

Karena hubungan antara nilai ADC dan arus dipengaruhi oleh:

• karakteristik SCT-013
• rangkaian bias
• rangkaian input
• tegangan referensi ADC
• karakteristik ADC ESP32
• metode sampling
• perhitungan RMS
• faktor kalibrasi

Oleh karena itu proses pengukuran perlu dilakukan secara bertahap.

13. Perhitungan RMS

Karena arus yang diukur adalah arus AC, nilai yang biasanya dibutuhkan adalah RMS (Root Mean Square).

ADC perlu melakukan sampling berkali-kali.

Secara sederhana:

Sinyal AC
    ↓
Sampling ADC
    ↓
ADC1 ADC2 ADC3 ADC4 ... ADCn
    ↓
Kurangi nilai bias
    ↓
Hitung kuadrat
    ↓
Rata-rata
    ↓
Akar kuadrat
    ↓
RMS

Secara matematis:

Vrms = √[(V1² + V2² + V3² + ... + Vn²) / n]

Setelah mendapatkan nilai tegangan RMS, nilai tersebut dapat dikonversi menjadi arus berdasarkan karakteristik sensor dan faktor kalibrasi.

14. Kalibrasi Menggunakan Tang Ampere

Setelah sistem mampu membaca sinyal dan menghitung RMS, tahap berikutnya adalah melakukan kalibrasi.

Untuk mendapatkan nilai referensi digunakan tang ampere.

Konsep pengujiannya:

            Kabel beban
                 │
                 │
           ┌─────┴─────┐
           │ SCT-013   │
           └───────────┘

                 +

           ┌───────────┐
           │ Tang      │
           │ Ampere    │
           └───────────┘

Kedua alat membaca arus pada penghantar yang sama.

Misalnya:

Tang ampere   : 5,20 A
SCT-013       : 4,80 A

Maka diperlukan faktor koreksi.

Secara sederhana:

Faktor kalibrasi = Arus referensi / Arus terbaca

Contoh:

5,20 / 4,80 = 1,083

Nilai tersebut kemudian dapat digunakan sebagai faktor koreksi dalam program.

Namun kalibrasi yang baik sebaiknya dilakukan pada beberapa titik pengukuran, bukan hanya satu titik.

15. Tahapan Pengembangan Rangkaian

Agar proses pengembangan lebih mudah ditelusuri, pengujian sebaiknya dilakukan secara bertahap.

Tahap 1 — Pastikan sensor menghasilkan sinyal

Ukur output SCT menggunakan multimeter atau oscilloscope jika tersedia.

Tahap 2 — Pastikan bias ADC benar

Ukur tegangan VBIAS.

Target awal:

≈ 1,65 V

untuk sistem 3,3 V.

Tahap 3 — Hubungkan ke ADC

Pastikan tegangan maksimum sinyal tetap berada dalam batas input ADC.

Tahap 4 — Buat program sampling

Jangan langsung menghitung Ampere.

Tampilkan terlebih dahulu:

ADC minimum
ADC maksimum
ADC rata-rata

Tahap 5 — Hitung RMS

Setelah pembacaan stabil, implementasikan perhitungan RMS.

Tahap 6 — Kalibrasi

Bandingkan dengan tang ampere.

Tahap 7 — Uji beberapa beban

Lakukan pengujian pada beberapa kondisi arus untuk melihat apakah hasil pembacaan tetap konsisten.

16. Kesimpulan

SCT-013-030 merupakan sensor arus AC berbasis Current Transformer yang dapat digunakan untuk mengukur arus tanpa memutus penghantar.

Dalam penggunaannya dengan ESP32, beberapa hal penting yang perlu diperhatikan adalah:

• SCT-013 menghasilkan sinyal AC.
• ADC ESP32 membutuhkan sinyal dalam rentang tegangan positif.
• Sinyal AC perlu diberikan DC bias.
• Untuk sistem 3,3 V, titik bias awal dapat dibuat sekitar 1,65 V.
• SCT-013-030 voltage-output telah memiliki burden resistor internal.
• Sensor harus menjepit satu penghantar saja.
• Nilai ADC mentah belum dapat langsung dianggap sebagai nilai Ampere.
• Pengukuran arus AC perlu dilakukan menggunakan sampling dan perhitungan RMS.
• Hasil akhir perlu dikalibrasi menggunakan alat ukur referensi seperti tang ampere.

Alur keseluruhan sistem dapat diringkas sebagai berikut:

┌──────────────┐
│  SCT-013-030 │
└──────┬───────┘
       │
       ▼
┌──────────────┐
│ Rangkaian    │
│ Input + Bias │
└──────┬───────┘
       │
       ▼
┌──────────────┐
│ ADC ESP32    │
└──────┬───────┘
       │
       ▼
┌──────────────┐
│ Sampling     │
└──────┬───────┘
       │
       ▼
┌──────────────┐
│ Perhitungan  │
│ RMS          │
└──────┬───────┘
       │
       ▼
┌──────────────┐
│ Kalibrasi    │
└──────┬───────┘
       │
       ▼
┌──────────────┐
│ Nilai Arus A │
└──────────────┘

Percobaan awal menggunakan beban AC menunjukkan bahwa perubahan kondisi beban dapat menghasilkan perubahan pada pembacaan ADC. Tahap selanjutnya adalah melakukan pengukuran menggunakan tang ampere sebagai nilai referensi, kemudian menentukan faktor kalibrasi agar hasil pembacaan SCT-013 dapat mendekati nilai sebenarnya.

Dengan dokumentasi ini, pengembangan berikutnya dapat dilakukan dari tahap yang sudah teruji, bukan mengulang kembali seluruh proses dari awal.