ALAT-ALAT UKUR LISTRIK
OLEH WIDAYANTI,M.Si
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UIN SUNAN KALIJAGA YOGYAKARTA
1
KATA PENGANTAR
Buku mengenai alat-alat ukur elektronika yang kami sajikan ini untuk kalang kalangan an yang yang memili memilih h jalur jalur profes profesii ketekn keteknika ikan n maupun maupun fisika fisika.. Penget Pengetahu ahuan an mengenai alat-alat ukur elektronika sangatlah penting terutama untuk menunjang penye penyedia diaan an dan pengem pengemban bangan gan sumber sumber daya daya manusi manusiaa yang yang berkua berkualit litas as dan berkompetensi di bidangnya. Alat-alat ukur elektronika merupakan bagian penting dala dalam m
peng penguk ukur uran an
besa besara ran n
list listri rik k
yang yang
memb member erik ikan an
kont kontri ribu busi si
dala dalam m
perkembangan teknologi untuk pembangunan. Kami Kami mengha mengharap rapkan kan buku buku ini dapat dapat diteri diterima ma dan mendap mendapatk atkan an tempat tempat serta dapat menjadi bahan bacaan tambahan terutama untuk pendidikan menengah maupun pada pendidikan tinggi serta mereka yang berminat memperdalam materi alat-alat ukur listrik dan pengukuran listrik. Isi buku ini kami peroleh dan kami sarikan dari berbagai sumber baik berup berupaa buku buku teks teks maupun maupun penelu penelusur suran an di beberap beberapaa situs situs intern internet. et. Kami Kami juga juga meng mengha hara rapk pkan an deng dengan an memb membac acaa
buku buku ini, ini, pemb pembac acaa
akan akan mend mendap apat atka kan n
pemahaman yang cukup secara mandiri. Sela Selama ma penu penuli lisa san n buku buku ini, ini, kami kami meny menyad adar arii adan adanya ya kete keterb rbat atas asan an pen penge geta tahu huan an kami kami,, sehi sehing ngga ga adan adanya ya krit kritik ikan an yang yang memb memban angu gun n terha terhada dap p kekurangan-kekurangan buku ini dan saran dari pembaca Insya Allah akan kami terima dengan lapang dada dan kami jadikan acuan untuk menjadi lebih baik. Semoga buku ini bermanfaat. Amiin
2
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR DAFTAR ISI BAB I. PENGGOLONGAN ALAT UKUR LISTRIK A. Alat Ukur Absolut Absolut dan Sekunder Sekunder
1
B. Alat Uk Ukur El Elektronika be berdasarkan Pr Prinsip Ke Kerjanya.
2
C. Simbol-simbol Rangkaian Al Alat Ukur Sekunder
3
D. Alat-alat ukur yang biasa digunakan
3
untuk pengukuran-pengukuran E. Penggolon Penggolongan gan Alat Alat ukur ukur Arus Arus /Tegan /Tegangan, gan, daya, dan Energi berdasarkan Cara kerjanya
4
BAB II. ALAT UKUR MENUNJUK A. Torsi Torsi Penyim Penyimpan pang g
5
B. Torsi Pengontrol
5
C. Torsi Peredam
8
BAB III. ALAT UKUR KUMPARAN PUTAR A. Struktur alat ukur kuparan putar
9
B. Prinsip kerja
11
C. Kelebihan dan kelemahan alat ukur kumparan putar
13
D. Pengukur Arus (Ammeter) ku kumparan putar
14
E. Pengukur Tegangan (Voltmeter) kumparan putar
15
BAB III. ALAT UKUR KUMPARAN BESI PUTAR A. Prinsip kerja
17
B. Ammeter dan Voltmeter besi putar jenis tolak
19
C. Peredaman
20
3
D. Alat ukur frekuensi besi putar
22
E. Perluasan batas ukur alat ukur besi putar
22
BAB IV. ALAT UKUR DENGAN THERMOCOUPLE A. Prinsip kerja
25
BAB V. ALAT UKUR INDUKSI A. Prinsip kerja
27
B. Ammeter induksi
28
C. Voltmeter induksi
33
D. Kelebihan dan Kelemahan
34
BAB VI. ALAT UKUR ELEKTROSTATIS A. Prinsip kerja
35
B. Kelebihan dan Kelemahan
37
C. Voltmeter Elektrostatis
37
BAB VII. ALAT UKUR ELEKTRODINAMIS A. Prinsip kerja
39
B. Ammeter elektrodinamis
41
C. Voltmeter elektridinamis
41
D. Kelebihan dan Kelemahan
42
BAB VIII. WATTMETER (ALAT UKUR DAYA LISTRIK) A. Wattmeter elektrodinamis
43
B. Wattmeter digital
45
C. Wattmeter induksi
46
D. Wattmeter thermocouple
47
BAB IX. GALVANOMETER A. Prinsip kerja
49
4
B. Galvanometer Refleksi
50
BAB X. OSILOSKOP A. Osiloskop analog / ART
53
B. Osioskop digital / DSO
57
C. Osiloskop sampling
59
D. Kelebihan dan Kelemahan
61
BAB XI. GENERATOR SINYAL
63
BAB XII. MULTIMETER
65
BAB XII. ALAT-ALAT UKUR DIGITAL A. Voltmeter digital
67
B. Ammeter digital
70
C. Frekuensimeter digital (Frequency counter type)
71
BAB I. PENGGOLONGAN ALAT UKUR LISTRIK
5
Elektronika merupakan ilmu yang mempelajari alat listrik arus lemah yang dioperasikan dengan cara mengontrol aliran electron atau partikel bermuatan listrik dalam suatu alat seperti computer, peralatan elektronik, termokopel, senikonduktor dan lain sebagainya. Ilmu yang mempelajari alat-alat seperti ini merupakan cabang dari ilmu fisika, sementara bentuk desain dan pembuatan sirkuit elektroniknya adalah bagian dari tenik elektro, teknik computer, dan ilmu/teknik elektronika dan instrumentasi. Alat-alat yang menggunakan dasar kerja elektronika ini biasanya disebut sebagai peralatan elektronik (electronic devices). Contoh peralatan/ piranti elektronik ini : Tabung Sinar Katoda ( Cathode Ray Tube, CRT), radio, TV, perekam kaset video (VCR), perekam VCD, pere kam DVD, kamera video, kamera digital, computer pribadi desk-top, computer Laptop, PDA (computer saku), robot, smart card, dan lain sebagainya. Besaran listrik yaitu arus dan tegangan listrik serta daya tidak dapat secara langsung ditangkap oleh panca indra kita, sehingga besaran-besaran listrik tersebut perlu ditransformasikan melalui fenomena fisis yang memungkinkan panca indra kita untuk menangkap nilai besaran listrik tersebut. Arus listrik dapat ditransformasikan ke dalam besaran mekanis yaitu dengan adanya rotasi suatu penunjuk melalui suatu sumbu tertentu. Besar sudut rotasi berhubungan langsung dengan nilai arus listrik yang diamati. Disamping arus listrik, masih pula besaran listrik yang lain seperti tegangan listrik, daya, energi, frekuensi dan sebagainya.
A. Alat Ukur Absolut dan Sekunder
Alat-alat ukur elektronika adalah alat ukur yang biasa digunakan dalam pengukuran-pengukuran yang berhubungan dengan elektronika. Suatu alat ukur harus digunakan dengan baik dan benar dan layak digunakan. Alat-alat ukur elektronika dapat digolongkan menjadi dua yaitu alat ukur absolut dan alat ukur sekunder. Alat ukur absolute adalah alat ukur yang memberikan nilai terukur besaran listrik dalam pengertian konstanta dan penyimpangan alat ukur saja sehingga tidak disertai dengan kalibrasi atau perbandingan, seperti galvanometer-
6
tangen yang mengukur nilai arus dalam satuan tangent dari penyimpangan yang dihasilkan oleh arus, jari-jari dan jumlah lilitan kawat yang digunakan dan komponen horizontal medan bumi. Alat ukur ini biasanya hanya digunakan pada laboratorium sebagai alat ukur standar Alat ukur elektronik yang biasanya ada di laboratorium antara lain adalah: 1. Voltmeter AC dan DC 2. Ammeter AC dan DC 3. Ohmeter 4. Wattmeter AC dan DC 5. Multimeter 6. Galvanometer 7. Osciloscope (CRO)
Alat ukur sekunder adalah alat ukur yang memberikan nilai terukur besaran listrik yang dapat ditentukan dari penyimpangan alat ukur apabila dikalibrasi lebih dahulu dengan alat ukur absolute. Alat;alat ini biasanya dipakai pada alt ukur kerja.
B. Alat Ukur Elektronika berdasarkan Prinsip Kerjanya.
Alat-alat ukur elektronika dapat dibedakan juga menurut efek-efek yang digunakan dalam pengoperrasiannya, yaitu: 1. Efek Elektrostatis untuk voltmeter sebagai alat ukur tegangan listrik 2. Efek Elektrodinamis untuk Ammeter sebagai alat ukur arus listrik dan Voltmeter, Wattmeter 3. Efek Elektromagnetis untuk Ammeter, voltmeter Wattmeter dan Watt-Jam meter 4. Efek magnetis untuk Ammeter dan Voltmeter 5. Efek Panas, untuk Ammeter dan Voltmeter 6. Efek Kimia untuk Ampere-jam meter arus searah
7
C. Simbol-simbol Rangkaian Alat Ukur Sekunder
Alat
ukur sekunder terdiri dari tiga yaitu alat ukur menunjuk, Alat ukur
mencatat, dan Alat ukur terintegrasi. Alat ukur menunjuk akan menunjukkan nilai sesat pada saat dilakukan pengukuran. Alat ukur mencatat akan menunjukkan hasil pengukuran dari rekaman variasi jumlah listrik terus menerus selama waktu tertentu. Alat ukur terintegrasi adalah alat ukur yang mengukur dan mencatat dengan
suatu
perangkat piringan yang diberi angka dan penunjuk jumlah listrik total (ampere jam) atau jumlah total dari energi listrik (kilo watt-jam) yang digunakan oleh suatu rangkaian pada waktu tertentu. Jumlah tersebut merupakan hasil kali antara waktu dengan jumlah listrik
D. Alat-alat ukur yang biasa digunakan untuk pengukuran-pengukuran
Pada table di bawah ini diperlihatkan contoh-contoh alat-alat ukur penunjuk listrik
Tabel 1. Simbol sistem alat ukur elektronika Simbol
Sistem
8
E. Penggolongan Alat ukur Arus /Tegangan , daya, dan Energi berdasarkan Cara kerjanya
Berdasarkan cara kerja dan susunannya, jenis alat ukur listrik dapat digolongkan sebagai berikut: 1. Jenis Kumparan putar Untuk Ammeter dan Voltmeter DC dan AC 2. Jenis Besi putar Untuk Ammeter dan Voltmeter DC dan AC (jenis tolak dan jenis tarik ) 3. Jenis induksi Untuk Ammeter dan Voltmeter AC 4. Jenis kawat panas untuk Ammeter dan Voltmeter Dc dan AC 5. Jenis elektrostatis hanya untuk Voltneter DC dan AC
BAB II. ALAT UKUR MENUNJUK
9
Alat ukur menunjuk merupakan alat ukur yang langsung memberikan nilai pengukuran besaran lustrik pada skala yang yang dapat dibaca dengan jelas dan akan menunjukkan harga besaran listrik yang diukur pada saat itu. Alat ukur ini terdiri dari suatu penunjuk yang dapat bergerak sepanjang skala yang dikalibrasi, dan disambungkan dengan system berputar dari alat ukur yang mempunyai bantalan batu permata. Sistem berputar dari alat ukur tersebut dikenai torsi-torsi sebagai berikut: 1. Torsi penyimpang 2. Torsi Pengontrol 3. Torsi Peredam
A. Torsi Penyimpang
Efek elektrostatis, elektrodinamis, magnetis, induktif, panas merupakan beberapa efek yang dapat menghasilkan torsi penyimpang. Torsi ini menyebabkan system yang berputar, bergerak dari posisi nol. Demikian juga penunjuk yang terpasang pada system juga ikut bergerak dari posisi nolnya. Posisi nol adalah posisi pada saat alat ukur tidak dipakai.
B. Torsi Pengontrol
Torsi pengontrol digunakan untuk mengontrol penyimpangan system yang berputar supaya tidak berputar terus menerus, sehingga torsi pengontrol ini berlawanan arah dengan torsi penyimpang. Petunjuk yang terpasang pada system dihentikan pada suatu posisi di mana torsi penyimpang dan torsi pengontrol seimbang.. Torsi penyimpang akan menjadi patokan dimana variasi magniu=tude dari arus akan menghasilkan penyimpangan system yang bergerak pada proporsi sesuai dengan ukurannya masing-masing. Jika tidak ada torsi pengontrol,, penunjuk pada system akan bergerak pada posisi maksimum dari magnitude arus yang diukur, dan meskipun arus sudah dihilangkan, penunjuk tidak akan kembali ke posisi nol. Tori yang dapat mengontrol antara lain adalah pegas dan grafity
10
(pemberat). 1. Kontrol Gravity (Pemberat)
Untuk memperoleh kontrol pemberat, diperlukan sebuah pemberat kecil (balance mass) yang dipasangkan dan dapat diatur pada sistem yang berputar sehingga torsi penyimpang seimbang dengan arah yang berlawanaan dengan torsi pengontrol. Hal ini ditunjukkan oleh gambar 1 di bawah ini :
Gambar 1. Kontrol gravity pada alat ukur menunjuk Torsi Pengontrol ( Tc) sebanding dengan sudut simpangan T c∞ sin θ Penyekrupan pemberat
ke atas atau ke bawah system mengatur tingkatan
pengontrolan jika kontrol pegas ( Td ) sebanding dengan 1
Td ∞ 1 Sehingga pada posisi berhenti
11
Tc
=
Td
1 ∞ sin θ
atau
Untuk θ mencapai 90, jarak AB meningkat relative kecil untuk perubahan sudut tertentu dibandingkan bila θ baru saja meningkat dari nol sehingga alat ukur yang dikontrol dengan pemberat mempunyai skala tidak rata
2. Kontrol Pegas
Kontrol pegas biasanya diperoleh dari bahan pospor-perunggu atau biasa disebut dengan pegas rambut. Pegas dibuat dari bahan non magnetis, tidak mudah lembek, mempunyai tahanan jenis yang rendah dan mempunyai koefisien suhu tahanan yang rendah pula. Kontrol pegas ini dipasangkan pada system yang berputar pada alat ukur. Penyimpangan jarum penunjuk menyebabkan peas terpuntir
pada arah yang berlawanan dengan simpangan. Puntiran ini
menimbulkan simpanan torsi yang sebanding dengan sudut penyimpangan dari system yang berputar. Jika terjadi keseimbangan antarar torsi penyimpang dengan torsi pengontrol maka jarum penunjuk akan berhenti. Hal ini ditunjukkan pada gambar 1 pada sub bab kontrol pegas
Tc
Untuk control pegas Tc
Karena
=
∞ θ
dan
Td
∞1
Td
θ ∞ 1
maka
Karena simpangan sebanding dengan arus 1, maka alat ukur mempunyai nilai linier. Untuk memperoleh kesebandingan antara torsi pengontrol dengan sudut simpangan, maka pegas yang dipasangkan harus mempunyai jumlah lilitan yang cukup banyak sehingga sudut deformasi per satuan panjang pada skala penuh menjadi kecil. Harus diperhatikan juga bahwa reganggan pegas yang terjadi harus dapat diatasi sedemikian rupa untuk menghindari terjadinya setting yang permanent. Kontrol pegas ini mempunyai kelebihan dibandingkan dengan control pemberat yaitu memberikan skala yang linier, tetapi kekurangannya adalah terpengaruh dengan suhu dan dalam pemakaian yang cukup lama akan lembek.
12
C. Torsi Peredam
Jika sistem alat ukur bergerak, terdapat gaya yang beraksi berlawanan arah dengan arah gerakan system. Gaya tersebut adalah Gaya peredam yang dapat menghentikan jarum penunjuk dengan cepat. Tanpa adanya gaya peredam ini, jarum penunjuk akan mengalami getararn di sekitar posisi akhir simpangan beberapa saat sebelum berhenti. Hal ini disebabkan adanya sifat inert atau kelembaman dari system yang berputar tersebut.Akan tetapi gaya peredam ini harus diatur pada suatu nilai yang cukup membuat jarum penunjuk naik dengan cepat pada posisi yang tidak melampaui penyimpangan. Jika peredamannya melampaui nilai tersebut , maka akan membuat alat ukur ttersebut lambat. Gaya peredam dapat diperoleh dari gesekan udara, arrus Eddy dan gesekan cairan. Pada gambar diperlihatkan metode peredamannya
Gambar 2. Metode peredaman
BAB III ALAT UKUR KUMPARAN PUTAR
A. Struktur alat ukur kuparan putar
Alat ukur kumparan putar adalah alat pengukur, yang bekerja atas dasar
13
adanya suatu kumparan listrik, yang ditempatkan pada medan magnet, yang berasal dari suatu magnet pemanen. Arus yang dialirkan melalui kumparan akan menyebabakan kumparan tersebut berputar. Alat ukur kumparan putar adalah alat ukur yang penting yang dipakai untuk bermacam arus, yaitu arus searah, arus bolak-balik. Konsep struktur alat ukur kumparan putar (permanent magnetic moving coil instrument) adalah sebagai berikut:
Gambar 3. Konsep struktur alat ukur kumparan putar Pada dasarnya Alat kumparan putar ini terdiri dari dua bagian yaitu bagian yang bergerak dan bagian yang diam. Bagian yang bergerak terdiri dari kumparan putar, jarum penunjuk dan beban penyeimbang. Sedangkan bagian yang diam terdiri dari medan karena magnet permanen, pegas atau per serta penyangga. Kontruksi alat ukur kumparan putar ditunjukkan pada gambar 4. Dalam alat ukur kumparan putar, pada umumnya kumparan putarnya dibuat dari kerangka berbahan aluminium tembaga atau alumunium halus dan berosilasi.
14
Gambar 4. Alat kumparan putar terdiri dari kumparan putar, jarum penunjuk, beban penyeimbang, magnet permanent, pegas dan penyangga
Kumparan diletakkan di antara magnet permanent pada suatu inti besi yang berbentuk silinder agar arah dari medan magnet selalu tegak lurus terhadap kumparan putar Jarum penunjuk merupakan bagian yang menunjukkan besarann dari suatu hasil pengukuran. Terdapat dua jenis jarum penunjuk yaitu jarum penunjuk yang tipis untuk alat ukur dengan ketelitian tinggi dan jarum penunjuk yang tebal untuk memudahkan pembacaan dari kejauhan dan biasanya diletakkan pada panel listrik. Beban penyeimbang diletakkan di belakang jarum penunjuk yang berfungsi sebagai penyeimbang sehingga poros penyangga jarum penunjuk berada tepat di titik beratnya. Tujuan diberikannya beban penyeimbang ini adalah untuk mengurangi gesekan serta goncangan pada jarum penunjuk ketika menyimpang atau berdefleksi. Magnet permanent yang diberikan berguna untuk membangkitkan medan magnet di sekitar kumparan putar dan akan menimbulkan momen gerak pada kumparan putar apabila dialiri arus. Penyangga pada alat ukur kumparan putar ini berfungsi untuk menahan berat kumparan putar beserta jarum penunjuknya. Gesekan yang terjadi antara penyangga (jewel) dengan poros perputarannya (pivot) harus diusahakan sekecil mungkin. Pegas atau per yang dipasang pada alat ukur kumparan putar ini berfungsi
15
untuk memberikan momen perlawanan terhadap momen gerak sehingga didapat suatu keseimbangan momen atau gaya pada harga penunjuknya. Skema prinsip kerja alat ukur kumparan putar pada pengukuran besaran listrik arus searah dan bolak balik ditunjukkan pada gambar 5 berikut: 0100090000037800000002001c00000000000400000003010800050000000b0200 000000050000000c020910a00b040000002e0118001c000000fb02100007000000 0000bc02000000000102022253797374656d0010a00b000055220000985c110004 ee8339083085020c020000040000002d01000004000000020101001c000000fb02 9cff0000000000009001000000000440001254696d6573204e657720526f6d616e0 000000000000000000000000000000000040000002d01010005000000090200000 0020d000000320a5a00ffff01000400000000009f0b0a1020002d00040000002d010 000030000000000 Gambar 5. Skema alat ukur kumparan putar pada (a) Arus searah (b) Arus bolak balik.
B. Prinsip Kerja
Prinsip kerja alat ukur kumparan ini adalah adanya gaya pada penghantar berarus yang diletakkan pada medan magnet (berdasarkan percobaan Lorentz). Pada alat ukur kumparan putar pada umumnya terdapat baterai yang memungkinkan arus searah melalui alat ukur tersebut saat probe dihubungkan sehingga kemudian jarumpenunjuknya bergerak. Simpangan atau defleksi jarum penunjuk terjadi karena adanya interaksi antara arus dan medan magnet pada kumparan putar. Arus pada kumparan putar mengakibatkan gaya elektromagnetis yang memiliki arah tertentu sehingga jarum menyimpang sebesar θ Simpangan dinyatakan dengan momen gerak
Td
= BnabI
Dengan B = medan magnet di celah udara a= panjang kumparan
16
b= lebar kumparan n= banyaknya lilitan I= arus
Pegas yang dipasangkan pada jarum penunjuk akan memberikan reaksi yang berbanding lurus dengan sudut rotasi sumbu dan berusaha untuk menahan perputaran dengan momen kontrol Tc
=τθ
Apabila jarum penunjuk menyimpang dengan sudut akhir θ maka terjadi keadaan seimbang dimana Td
= Tc
Secara listrik kerangka alumunium kumparan putar merupakan jaringan hubung pendek (short circuit), dan memberikan pada kumparan momen peredam. Magnet permanent terdiri dari sepatu kutub dan magnet permanent berbentuk U. Magnet permanent terbuat dari logam ferromagnetik yang terbuat dari logam alnico (campuran alumunium nikel dn cobalt) dan mempunyai kutub besi lunak yang ujungnya dibuat melengkung. Bila kumparan putar berputar yang disebabkan oleh arus yang melaluinya, maka dalam kerangkanya akan timbul arus induksi. Ini disebabkan karena putaran kerangka aluminium ini terjadi dalam medan magnet pada celah udara, sehingga tegangan yang berbanding lurus pada kecepatan perputaran akan diinduksikan dalam kerangka tersebut. Arah dari tegangan dapat ditentukan melalui hukum tangan kanan Fleming. Tegangan ini yang menyebabkan arus induksi mengalir ke dalam kerangka kumparan. Sebaliknya arah arus induksi ini akan memotong fluks magnet dalam celah udara bila kumparan berputar, dan akan dibangkitkan momen yang berbanding lurus dengan kecepatan putar. Akan tetapi arah dari momen ini adalah berlawanan dengan arah perputaran, menyebabkan perputaran terhambat. Dengan demikian terjadilah suatu redaman yang dapat melawan perputaran. Luas penampang kerangka kumparan putar mempengaruhi momen redaman. Apabila luas penampangnya kecil berarti tahanannya besar dan arus induksi kecil sehingga momen redamannya menjadi kurang.
17
C. Kelebihan dan kelemahan alat ukur kumparan putar
Kelebihan dan kelemahan alat ukur kumparan putar jenis magnet permaen adalah sebagai berikut : Kelebihan: 1. Memerlukan daya rendah 2. Skala
seragam
dan
dapat
dirancang
untuk
melampaui 270 3. mempunyai rasio torsi / berat tinggi 4. dapat dimodifikasi dengan bantuan shunt dan tahsnan seri untuk memperbesar batas ukur arus dan tegangan 5. tidak mempunyai kehilangan hysterisis 6. Peredaman dengan arus eddy sangat efektif 7. Karena medan yang bekerja pada alat ukur sangat kuat, alat ukur tidak banyak dipengaruhi oleh medan magnet luar. Kelemahan : 1. Karena kontruksi yang bagus dan
perlunya
permesinan
kecermatan
dan
perakitan
dari berbagai suku cadang, alat ukur ini lebih mahal disbanding dengan alat ukur besi putar. 2. Beberapa kesalahan (error) terjadi karena pegas control dan magnet permanent yang sudah
tua
atau
lama
pemakaiannya.
18
Alat ukur ini pada umumnya hanya digunakan rangkaian listrik searah tetapi kadang-kadang juga digunakan dengan diberi penyearah atau sambungan thermo untuk pengukuran listrik bolak-balik pada batas-batas frekuensi tertentu. Alat ukur kumparan putar jenis magnet permanent ini dapat dipakai sebagai ammeter dengan bantuan tahanan shunt atau
sebagai voltmeter
dengan bantuan tahanan shunt atau dengan bantuan tahanan seri yang besar.
D. Pengukur Arus (Ammeter) kumparan putar
Alat ukur kumparan putar pada dasarnya adalah alat pengukur arus atau pengukur amper. Arus yang dapat dialirkan melalui kumparan putar dibatasi lebih kurang di bawah 30 mA. Hal ini disebabkan alat-alat putarnya tidak dapat terlalu berat sehingga kawat-kawat penghantar dari kumparan tidak terlalu tebal. Harga maksimum yang dapat diukur oleh pengukur ampare ini lebih kecil dari kira-kira 30 mA. Prinsip kerja ammeter ditunjukkan pada gambar 6
Gambar 6. Prinsip kerja Ammeter kumparan putar Agar pengukur ampare ini dapat melakukan pengukuran arus yang lebih besar dari 30 mA, maka dapat dilakukan dengan menambahkan suatu hambatan yang dihubungkan parallel pada kumparan putar seperti yang ditunjukkan pada gambar 7. Tahanan yang dipasang ini biasa disebut sebagai tahanan shunt.
19
Gambar 7. (a) Ammeter dengan rangkaian shunt (b) Voltmeter dengan rangkaian shunt Jika tahanan total pada kumparan putar dan pegas-pegas pengontrol disebut
R1 , sedangkan arus yang diukur adalah I, kemudian arus yang masuk ke dalam kumparan disebut dengan I” maka akan berlaku persamaan –persamaan berikut:
I = m I " m
=
R1 + R2 R2
m adalah harga factor perkalian (multiplikasi) dari shunt. Walaupun arus yang masuk sebenarnya ke dalam kumparan putar adalah I’, tapi harga skala yang diberikan sesuai dengan arus I sehingga memungkinkan untuk pengukur ampere dengan tahanan shunt ini untuk mengukur arus sebesar m kali lebih besar Sebagai contoh, bila diberikan tahanan shunt sebesar 5,005 m Ω dan dipasang parallel dengan suatu kumparan putar pengukur arus yang mempunyai harga skala maksimum 100 µ A dan tahanan dari alat putarnya (pegas) sebesar 5 k
Ω
maka faktor perkalian yang diperoleh adalah sebesar
m=
5.000 + 5,005 5,005
= 1.000
Sehingga arus yang diuukur adalah
20
I = m I ' = 1.000 x100 = 100mA
dari perhitungan di atas dimungkinkan untuk membuat alat ukur arus dengan harga skala maksimal 100 mA
E. Pengukur Tegangan (Voltmeter) kumparan putar
Konfigurasi dasarnya adalah dengan menghubungkan suatu tahananan seri dengan kumparan putar alat ukur arus dimana arus secara langsung masuk ke dalam kumparan putar.Jika tahanan dari kumparan putar adalah R1 dan tahanan seri yang dipasang adalah R2, maka jika tegangan yang akan diukur diletakkan di ujung dari alat ukur tegangan tersebut, maka arus I akan mengalir melalui kumparan putar dan dipenuhi persamaan sebagai berikut:
V = ( R1 + R2 ) I
Jadi walaupun arus yang mengalir melalui kumparan putar adalah I, namun jarum penunjuk akan menunjukkan skala berupa tegangan V. Sebagai contoh, jika terdapat suatu tahanan yang mempunyai harga 7,5 k
Ω
dihubungkan secara seri dengan suatu kuparan putar yang mempunyai harga
skala m aksimal 4 mA dan tahanan dalam sebesar 3
V = ( 3 + 37.500) 0,004 = 150 V pada I
=
Ω
maka diperoleh
4mA
Sehingga telah diperoleh pengukur tegangan dengan skala maksimal 150 V. Harga tahanan seri harus dipilih sedemikian rupa, sehingga jika alat ukur tegangan dipakai untuk tegangan yang diperuntukkannya, maka arus yang mengalir dalam kumparan putar adalah pula arus yang diperuntukkannya yang biasanya berkisar antara beberapa puluh sampai beberapa mA. Biasanya tahanan
21
seri yang dimaksud telah ada di dalam alat ukur tegangan tersebut bersama dengan bagian-bagian yang lainnya. Namun jika alat pengukur tegangan tersebut dipergunakan untuk mengukur tegangan di sekitar 10.000 V atau lebih tinggi, tahanan seri akan menjadi sedemikian besarnya dan memungkinkan terjadinya panas yang tentunya akan sukar diisolasikan, sehingga sebaiknya oada keadaan tersebut tahanan seri sebaiknya ditempatkan di luar dari alat ukurnya.
BAB IV. ALAT UKUR KUMPARAN BESI-PUTAR
A. Prinsip Kerja
Alat ukur dengan besi putar bekerja berdasarkan pada arus yang akan diukur melalui kumparan yang tetap dan menyebabkan terjadinya medan magnet. Potongan besi ditempatkan di medan magnet tersebut dan menerima gaya elektromagnetis. Kelebihan alat ukur tipe besi putar ini sederhana tapi kuat dalam kontrussinya,serta murah. Sehingga banyak digunakan sebagai pengukur arus listrik dan tegangan listrik pada frekuensi-frekuensi yang dipakai pada jaring jaring yang terdapat di kota. Di samping itu alat ukur ini mempunyai sudut yang sangat besar. Prinsip kerjanya ditunjukkan pada gambar 8
22
Gambar 8. Skema alat ukur kumparan besi putar Berdasarkan prinsip kerjanya alat ukur besi putar ini dibedakan dengan dua cara yaitu 1. Jenis tolak (repusion type):
bekerja berdasarkan
pada penolakan dari dua potong besi berdekatan yang dimagnetisasi oleh medan magnet yang sama. 2. Jenis tarik (attraction type) : bekerja berdasarkan pada penarikan sepotong besi lunak terhadap medan magnet 3. Jenis gabungan tarik dan tolak (combined attraction and repulsion type) seperti ditunjukkan pada gambar 9
23
(a) Gambar 9. (a) Jenis tolak
(b) (b) Jenis gabungan tari dan tolak
Sedangkan konsep struktur untuk alat ukur kumparan besi putar ( moving iron instrument) ditunjukkan pada gambar 10.
Gambar 10. Konsep struktur alat ukur kumparan besi putar (moving iron instrument / MI Instrument.
Karakteristik alat ukur besi putar adalah sebagai berikut: 1. Pengaruh dari medan magnet luar : Kumparan yang tidak tetap
tidak
dapat
membangkitkan suatu medan magnet
yang
kuat.
Oleh
karena itu seluruh kumparan diletakkan dalam suatu kotak besi yang berfungsi sebagai suatu tameng magnet. 2. Pengaruh
frekuensi:
Alat
24
ukur tegangan dengan prinsip besi putar ini, jika frekuensi tegangannya
tinggi,
maka
perubahan arus yang melalui kumparan putar lebih penting daripada pengaruh arus-arus putar.
Perubahan
disebabkan
arus ini perubahan
induktansi kumparan. 3. Pengaruh histerisis magnet: Alat ukur besi putar ini dapat digunakan dalam pengukuran arus searah mupun bolak balik. Tetapi
penggunaan
pada araus searah, kesalahan akan terjadi yang disebabkan adanya
kondisi-kondisi
magnetisasi
yang berbeda-
beda
disebabkan
kerugian
histerisis dari besi.
B. Ammeter dan Voltmeter besi putar jenis tolak
Alat ukur ini terdiri dari kumparan tetap di dalam yang ditempatkan dua batang besi lunak paralel satu sama lain dan sepanjang absis kumparan. Salah satunya dipasang tetap, dan yang lain dapat bergerak dengan menggerakkan jarum penunuk sepanjang skala yang dikalibrasi.abila arus yang diukur melewati kumparan tetap, akan menimbulkan medan magnet sendiri yang juga menjadikan magnet dua batang tersebut yaitu titik-titik yang berdekatan sepanjang batang akan mempunyai polaritas magnet yang sama. Karena dua batang besi tersebut saling menolak sehingga jarum penunjuk disimpangkan melawan torsi kontrol
25
dari pegas atau pemberat. Gaya tolak hampir sebanding dengan kuadrat arus yang melewati kumparan dan kemanapun arah arus yang melewati kumparan ke dua batang akan dijadikan magnet sama sehingga akan saling tolak menolak.
Gambar 11. Alat ukur besi putar jenis tolak
Skala yang seragam diperoleh menggunakan dua buah pita berbentuk lidah dari besi sebagai pengganti kedua batang tadi. Besi tetap terdiri dari besi lempeng berbentuk lidah yang dilengkungkan menjadi bentuk silinder, besi yang bergerak juga terdiri dari lempengan besi tipis yang lain dan dipasangkan sehingga bergerak paralel dengan besi tetap dan semakin sempit pada ujungnya.
C. Peredaman
Peredam pada alat ukur kumparan besi putar disebabkan oleh tiga hal yaitu karena adanya tahanan udara dan arus putar (eddy current).Peredaman yang disebabkan oleh tahanan udara terdiri dari kepingan peredam alumunium yang ditempatkan pada poros putarannya. Jika kepingan peeredam tersebut berputar berbarengan dengan sumbu putarnya, maka timbullah momen redaman yang disebabkan oleh adanya tahanan udara. Hal ini ditunjukkan pada gambar 12.
26
Gambar 12. Peredam karena tahanan udara
Sedangkan peredaman yang dihasilkan karena adanya arus putar terdiri dari kepinganan logam yang ditempatkan tegak lurus terhadap sumbu putar (poros). Kepingan logam ini ditempatkan dalam medan magnet yang dibangkitkan oleh suatu magnet permanen. Jika sumbu berputar, maka terjadilah arus putar (eddy current) di dalam kepingan logam tersebut. Adanya arus putar dan medan magnet permanen akan menimbulkan adanya momen redaman yang besarnya berbanding lurus dengan kecepatan putar dan arahnya terbalik terhadap arah putar. Peredam yang disebabkan adanya arus putar diperlihatkan pada gambar 13.
Gambar 13. Peredam karena arus putar
27
D. Alat ukur frekuensi besi putar
Prinsip kerja alat ukur ini tergantung pada perubahan arus yang ditarik oleh kedua rangkaian paralel satu induktif dan yang lain non induktif jika frekuensi berubah. Kumparan A dan B dipasang tetap sehingga sumbu magnet tegak lurus satu sama lain. Pada pusatnya diberi sumbu berupa jarum besi lunak yang panjang yang meluruskan sendiri sepanjang reesultante medan magnet dari dua kumparan. Di sini tidak ada peralatan kontrol. Elemen-elemen rangkian terdiri dari jembatan wheatstone yang menjadi seimbang pada frekuensi sumber. Ketika alat ukur diuhubungkam dengan sumber, arus yang mengalir pada kumparan A dan B serta mrnghasilkan torsi yang berlawanan. Jika frekuensi sumbernya tinggi, maka arus yang melalui kumparan A lebih besar sedangkan arus yang melalui B lebih kecil. Hal ini disebabkan adanya peningkatan reaktansi yang terjadi oleh B, sehingga medan magnet kumparan A lebih besar dari medan kumparan B Kelebihan: Kelebihan alat ukur ini antara lain dapat didesain untuk mencakup batas ukur frekuensi yang besar atau kecil tergantung dari parameter-parameter yang digunakan dalam rangkaian
F. Perluasan batas ukur alat ukur besi putar
E.1. Sebagai Ammeter:
Batas ukur untuk Ammeter ini dapat diperbesar dengan cara memberi tahanan shunt yang sesuai yang dipasang paralel dengan terminal-terminalnya . Untuk pengukuran pada listrik searah, hal ini tidak akan menimbulkan masalah, tetapi pada pengukuran listrik bolak-balik, pembagian arus antara alat ukur dan tahanan shunt akan berubah dengan adanya perubahan frekuensi sehingga disini induktansi dan resistansi alat ukur dan tahanan shunt harus diperhitungkan.
28
E.2. Sebagai Voltmeter:
Batas ukur alat ukur ini dapat diperbesar juga dengan memasang tahanan non induktif yang dihubungkan seri. Tahanan ini disebut sebagai multiplier jika dipergunakan pada rangkaian listrik searah. Jika batas ukur Voltmeter ini ingin diperbesar dari v menjadi V maka kelebihan tegangan yaitu V –v akan didrop pada tahanan multiplier R. Apabila arus penyimpangan skala alat ukur, maka
= V − v V − v V − ir V = = − r R = iR
i
i
i
Perbesaran tegangannya
=
V v iR
Karena iR
iR Atau ir
=
= V − v V v
V Sehingga v
maka v
=
V v
−1
−1
R = 1 + r
Sehingga makin besar tahanan multiplier, makin besar perluasan batas alat ukur tegangannya. Pada rangkaian listrik searah, R harus tetap atau mempunyai koefisien suhu yang rendah. Pada rangkaian listrik bolak-balik, impedansi tota voltmeter dan tahanan seri R sedapat mungkin bertahan hampir tetap pada frekuensi yang berbeda-beda, sehingga R harus dibuat non induktif untuk membuat induktansi seluruh rangkaian minimal. Kesalahan frekuensi yang disebabkan adanya induktansi kumparan dapat dikompensasi dengan memberikan kapasitor C yang dipasang paralel dengan R yang ditunjukkan pada gambar 15. Untuk r << R, impedansi rangkaian voltmeter ini akan tetap atau konstan untuk frekuensi sampai dengan 1000 Hz.
29
C = Arus dasar
L
(1 + 2 ) R
2
= 0,41
L R2
Gambar 14. Voltmeter besi putar dengan tahanan non konduktif R
Gambar 15. Voltmeter besi putar dengan rangkaian paralel R dan C
30
BAB V. ALAT UKUR DENGAN THERMOCOUPLE
Thermocouple adalah suatu rngkaian yang tersusun dari dua buah logam yang masing-masing mempunyai koefisien muai panjang berbeda yang dihubungkan satu denngan yang lain pada ujung-ujungnya. Jika pada kedua titk hubung kedua logam tersebut mempunyai perbedaan temperature, maka timbullah beda potensial yang memungkinkan adanya arus listrik di dalamnya. Gaya gerak listrik akibat adanya beda potensial tersebut disebut dengan GGL thermis.
A. Prinsip Kerja
Konfigurasi alat ukur dengan thermocouple ditunjukkan pada gambar 16
Gambar 16. Prinsip kerja alat ukur jenis thermocouple Terdapat sebuah kawat pemanas lurus yang dibuat dari bahan yang mempunyai nilai tahanan yang cukup tinggi. Pada tengah-tengah kawat pemanas tersebut dihubungkan dengan salah satu titik hubung dari thermocouple. Kedua ujung bebas thermocouple masing-masing dihubungkan dengan pengukur milivolt yang akan mengukur beda tegangan yang dihasilkan oleh kedua ujung thermocouple tersebut. Jika arus I dialirkan melalui kawat pemanas maka kawat
31
pemanas akan membangkitkan panas dengan besar daya berbanding dengan arus kuadratnya. Panas yang dibangkitkan ini menaikkan panas pada tengah kawat pemanas dari T 1 ke T 2 . Yang sebanding dengan jumlah panas tersebut. Temperatur pada salah satu titik hubung thermocouple juga naik sehingga berlaku hubungan
T 1 − T 2
= K 1I 2
dengan K 1 adalah suatu tetapan. Titik hubung thermocouple yang satunya ditempatkan kira-kira pada temperatur ruangan sehingga thermocouple akan membangkitkan GGL thermis sebesar
E = K 2 ( T 1 − T 2 )
Dengan K 2 juga sebuah tetapan. Akhirnya hubungan antara arus dantegangan adalah
E = K 1 K 2 I 2
Arus yang diukur dapat diperoleh dengan mengukur tegangan pada kedua ujung thermocouple yang lain. Pada rangkaian bolak-balik arus yang diukur merupakan arus efektif yang meripakan gelombang sinus. Sehingga panas yang dibangkitkan pada kawat pemanas adalah sebagi fungsi waktu. Dengan mengukur harga egangan E, maka diperoleh harga dari arus efektif dari arus bolak balik tersebut. Pada alat ukur ini harga arus dan tegangan yang ditunjukkan sama saja antara arus DC maupun AC sehingga alat ukur ini termasuk alat ukur yang universal untuk arus searah maupun bolak balik
dan tidak terpengaruh oleh
bentuk gelombang dari arus yang diukur.
32
BAB VI. ALAT UKUR INDUKSI
Induksi adalah suatu keadaan listrik hasil akibat adanya medan magnet yang bangkit disekitar kumparan berarus listrik. Bila suatu konduktor ditempatkan dalam medan magnit dari arus bolak-balik, maka arus-arus putar akan dibangkitkan didalam konduktor tersebut. Medan-medan magnit dari arus-arus putar ini dan dari arus bolak-balik yang menyebabkannya, akan memberikan interaksi yang menimbulkan momen gerak pada konduktor; dan prinsip ini akan mendasari kerja daripada alat-alat ukur induksi. Alat ukur induksi hanya dipergunakan pada pengukuran listrik bolak-balik serta dapat digunakan sebagai Ammeter, Voltmeter ataupun Wattmeter serta Energi meter (Kwh-meter).Torsi penyimpang pada alat ukur induksi dihasilkan oleh reaksi antara fluks magnet bolak-balik.
A. Prinsip kerja
Prinsip kerja alat ukur induksi ini dipengaruhi adannya torsi yang terjadi karena adanya reaksi antara fluks magnetis yang magnitudenya tergantung pada arus atau tegangan yang diukur serta tergantung pada arus eddy atau arus putar yang terinduksi pada piringan atau silinder metal oleh fluks magnet yang lain. Skema prinsip kerja alat ukur induksi diperlihatkan pada gambar 17.
33
Gambar 17. Prinsip kerja alat ukur induksi Alat ukur induksi mempunyai kelebihan yaitu sistem perputarannya yang sederhana tapi kokoh, sudut penunjukkannya lebar karena penyimpangan untuk skala penuh dapat melebihi 200 0 serta tidak banyak dipengaruhi medan eksternal. Akan tetapi kelemahan alat ukur ini terbatas penggunaannya pada arus bolak-balik , biasanya hanya dipergunakan pada panel-panel listrik serta mengkonsumsi daya yang cukup banyak.
B. Ammeter Induksi
Konfigurasi alat ukur arus tipe induksi ini ditunjukkan pada gambar 18
Gambar 18. Ammeter jenis induksi
34
Untuk alat ukur ammeter induksi, torsi total yang bekerja pada piringan adalah
T = K 2 φ 1mφ 2 mm sin α
Apabila kedua fluks yang dihasilkan oleh listrik bolak-balik yang diukur sama dengan harga maksimumnya adalah
I m
maka
T
2
=
K 2ω I sin α
. Untuk sudut
α dan untuk frekuensi tertentu, torsi sebanding dengan kuadrat arus. Jika piringan mempunyai kontrol pegas, piringan akan mencapai posisi simpangan stabil waktu torsi kontrol sama dengan torsi penyimpang. Ammeter induksi terbagi menjadi tiga jenis yaitu: 1. Alat ukur piringan dengan kumparan fase belah, jenis silinder dengan kuumparan fase-belah 2. Alat ukur jenis silinder dengan kumparn fase- belah 3. Ammeter induksi kutub bayangan
1. Alat ukur piringan dengan kumparan fase belah (ferraris type)
Pada dasarnya beda fase diperoleh dengan cara menambahkan tahanan shunt pada salah satu rangkaian kutubnya (gambar 19). Kumparan pada dua magnet yang berlapis-lapis P1 dan P2 dihubungkan secara seri. Kumparan P2 dihubungkan paralel dengan tahanan R sehingga kumparan ketinggalan arus total. Sudut pergeseran fase α yang dihasilkan fluks magnet φ 1 dan φ 2 oleh P1 dan P2 yang diperlukan adalah 60 0. Apabila histerisis diabaikan, maka masing-masing fluks magnet sebanding dengan arus yang diukur yaitu I
T α ∞φ 1mφ 2 m sin α
35
2 Atau Td ∞ I
dimana I merupakan harga rms
Apabila digunakan kontrol pegas, maka T ∞ θ Pada sisi simpangan akhir Tc
=
Td
2 sehingga θ ∞ I
Ammeter ini menggunakan peredam arus eddy sehingga apabila piringan berputar, maka piringan tersebut akan memotong fluks pada celah udara mgnet dan arus eddy yang dihasilkan menjadi peredam.
Gambar 19. Ammeter induksi dengan kumparan fase belah
2. Ammeter jenis silinder kumparan fase belah
Alat ukur ini bekerja dengan cara kerja piringan dengan kumparan fase belah, dimana piringan putarnya diganti dengan drum alumunium beronnga. Kutub P1 menimbulkan fluks magnet bolak balik dan arus eddy pada bagian drum yang terletak di bawah P2, sedangkan kutub P2 menghasilkan fluks magnet bolak balik dan arus eddy pada bagian drum yang terletak di bawah P1. Terdapat gaya F1 yang sebanding dengan φ 1 I 2 serta F2 yang sebanding dengan φ 2 I 1 dimana gaya tersebut adalah tangensial terhadap permukaan drum yang menimbulkan torsi dan memutarkan drum di seputar sumbunya. Kumparan P2 yang dihuungkan paralel dengan tahanan R menimbulkan pergeseran fase antara fluks magnet φ 1 dan
36
φ 2 Agar putaran dari drum tidak berrlebih, diatasi oleh pegas kontrol yang dapat menghentikan putaran pada suatu posisi dimana torsi penyimpang menjaadi sama dengan torsi pengontrol. Jarum penunjuk dipasang pada poros yang dua ujung landasannya diberi bantalan dari bahan intan. Inti silinder yang berlapislapis dalam rongga drum berfungsi untuk menguatkan fluks magnet yang memotong drum. Kutub-kutub juga dibuat berlapis-lapis dan rangkaian magnet dilengkapi dengan gandar dan inti, sedangkan uuntuk peredam dilakukan oleh arus eddy yang diinduksikan pada piringan alumunium terpisah (gambar 20)
Gambar 20. Ammeter induksi jenis silinder dengan fase belah
3. Ammeter induksi kutub bayangan (Shaded pole)
Kumparan yang digunakan pada alat ukur ini hanya satu buah. Flluks magnet dihasilkan oleh kumparan kemudian displit menjadi fluks φ 1 dan φ 2 yang membuat pegeseran fase sebesar α . Bagian atas dan bawah dari kutub dekat piringan terbagi dua alur yang salah satu bgiannya diberi cincin hubung singkat. Incin ini berfungsi sebagai kumparan sekunder sedangkan kumparan utama berfungsi sebagai kumparan primer. Arus induksi menimbulkan pergeseran fase
37
sebesar φ 2 terhadap φ 1 yang besarnya sekitar 50 0. Fluks magnet φ 1 dan φ 2 yang melewati bagian yang tidak diberi cincin dan yang diberi cincin masing-masing menimbulkan arus eddy dan menghasilkan torsi penggerak total
Td ∞φ 1mφ 2 m sin α
Jika φ 1 dan φ 2 sebanding dengan I maka Td ∞ I 2 Torsi ini diimbangi dengan torsi kontrol oleh pegas kontrol seperti ditunjukkan pada gambar 21
Gambar 21. Ammeter induksi kutub bayangan Ammeter induksi jenis kutub bayangan yang selengkapnya ditunjukkan pada gambar 22. Ammeter ini terdiri dari piringan alumunium atau tembaga yang dipasang pada sumbu putar (poros). Poros dengan jarum penunjuk dikontrol oleh pegas kontrol.
38
Gambar 22. Skema lengkap ammeter induksi kutub bayangan Piringan yang bergerak pada celah udara elektromagnetik yang berlapislapis dan diperkuat oleh arus yang diukur . Peredaman yang dipakai adalah peredaman karena adanya arus putar yang diinduksikan oleh magnet tetap yang ada di bagian tertentu pada piringan. Dua fluks magnet satu sama lain m mempunyai beda fase 40 0 sampai 500. Masing-masing fluks menginduksikan arus putar pada piringan.. Karena masing-masing dari arus putar sefase dengan fluks, maka terdapat dua buah torsi yang saling berlawanan arah dan menghsilkan torsi total. Torsi ini akan memutar piringan-putaran yang dikontrol oleh pegas kontrol agar dapat berhenti. Simpangan jarum penunjuk sebanding dengan kuadrat arus atau tegangan yang sedang diukur.
C. Voltmeter Induksi
Pada alat ukur ini jumlah lilitan kumparannya banyak dan kecil-kecil. Kumparan dihubungkan paralel dengan jaring-jaring dan mengalirkan arus kecil 5-10 mA. Supaya garis-garis gaya magnet yang dihasilkan cukup, jumlah lilitan kumparan harus banyak. Konfigurasi dari voltmeter induksi ditunjukkan pada gambar 23.
39
Gambar 23. Voltmeter Induksi
D. Kelebihan dan Kelemahan
Kelebihan alat ukur jenis induksi ini adalah memiliki skala penuh pengukuran yang cukup besar yang dapat melebihi 200 0, tidak banyak dipengaruhi oleh medan dari luar, serta sangat efisiennya peredaman. Sedangkan kelemahan yang dimiliki oleh alat ukur ini adalah hanya dapat digunakan untuk pengukuran listrik searah, memerlukan daya yang cukup besar dalam penggunaannya serta dapat menimbulkan kesalahan (error) jika tidak dikompensasi oleh variasi frekuensi dan suhu.
40
BAB VII. ALAT UKUR ELEKTROSTATIS
Alat ukur elektrostatis adalah alat ukur yang mempergunakan gaya elektrostatis yaitu gaya tarik antara muatan listrik yang didapatkan dari interaksi antara dua buah elektroda yang masing-masing mempunyai potensial yang berbeda. Gaya elektrostatis ini dapat menimbulkan torsi penyimpangan. Biaasanya alat ukur ini digunakan sebagai alat ukur tegangan bolak-balik dan tegangan searah. Untuk beda potensial yang cukup besar, maka gaya elektrostatis yang dihasilkan kecil, sehingga alat ukur ini biasanya dikhususkan untuk tegangan yang tingi.
A. Prinsip kerja
Alat ukur ini terdiri dari dua buah elektroda yaitu elektroda tetap dan elektroda putar. Agar terhindar dari pengaruh pelepasan muatan listrik pada tegangan tinggi, maka tepian plat taadi dibulatkan dengan permukaan yang sangat halus. Kemudian terdapat cicin pelindung yang terpasang pada elektroda putar yang bergerak. Cincin pelindung ini memungkinkan terjadinya medan yang rata antara elektroda putar dan elektroda tetap serta dapat mengurangi pengaruh medan elektrostatis sekelilingnya. Elektroda putar akan bergerak dan mendapatkan momen gaya ketika suatu tegangangan yang akan diukur ditempatkan antara dua elektroda tersebut. Momen yang dihasilkan sebanding dengan kuadarat tegangan dan arahnya menuju bertambahnya kapasitas kondensator. Untuk menunjukkan harga tegangan yang diukur, maka sebuuah jarum penunjuk dihubungkan dengan sumbu gerak elektroda putarnya. Perputaran jarum penunjuk merupakan pergerakan yang linier dari elektroda putar. Alat ukur elektrostatis ini merupakan alat ukur arus searah dan arus bolak balik. Dalam keadaan arus searah, simpangan atau sudut putar jarum penunjuk
41
tergantung kepada kudaran dari tegangan yang diukur, sedangkan pada keadaan bolak-balik, sudut putar jarum penunjuk tergantung pada harga efektif dari tegangan yang diukur. Pada arus searah, mula-mula arus pengisi mengalir yang kemudian sesudahnya arus hmpir-hampir tidak mengalir. Pada arus bolah-balik arus pengisi akan terus mengalir di antara elektroda-elektroda.
(a)
(b)
Gambar. 24. Prinsip kerja alat ukur elektrostatis (a) diperrgunakan untuk tegangan beberapa kilovolt (b) dipergunakan untuk tegangan tinggi
42
B. Kelebihan dan kelemahan:
Kelebihan alat ukur ini adalah sebagai berikut: 1. Alat ukur ini
sangat ideal untuk suatu alat ukur
tegangan atau voltmeter. 2. Pada penggunaan tegangan tinggi, momen geraknya bertambah besar dengan menaiknya tegangan, dengan kerugian daya yang kecil 3. Dapat dibuat dengan kecermatan yang tinggi 4. Bebas dari kesalahan yang diakibatkan histerisis, arus eddy dan akibat pengaruh suhu 5. Hanya menarik arus yang sangat kecil karena kapasitansi alat ukur pada rangkaian listrik bolak balik. 6. Dapat digunakan sampai dengan frekuensi 1000 kHz Adapun kelemahannya adalah sebagai berikut : 1. Pada
tegangan
rendah,
momen
geraknya
sangat
rendah
sehingga
batas
tegangan yang minimal dapat dipakai untuk alat ukur ini ada di sekitar 100 Volt. 2. Harganya mahal dan tidak mudah membuatnya kuat
C. Voltmeter Elektrostatis
Volmeter atau kilovolmeter merupakan suatu alat ukur yang digunakan
43
untuk mengukur besarnya potensial listrik. Dalam satuan Volt (V) atau kilovolt (kV). Untuk satuan yang lebih kecil lagi dapat digunakan mili-Volt (mV). Volmeter elektrostatik atau elektrometer adalah satu-satunya instrumen yang langsung daripada menggunakan efek arus yang dihasilkannya. Instrumen ini mempunyai satu karakteristik lain yaitu : dia tidak memakai daya (kecuali selama periode yang singkat dari penyambungan awal ke rangkaian) dan berarti menyatakan impedansi tak berhingga terhadap rangkaian yang diukur. Tingkah lakunya bergantung pada reaksi antara dua benda bermuatan listrik. Mekanisme elektrostatik mirip sebuah kapasitor variabel, dimana gaya yang terjadi antara kedua pelat pararel merupakan fungsi dari beda potensial yang dihubungkan kepadanya. Pelat X dan Y berisi sebuah kapasitor yang kapasitasnya bertambah bila jarum P bergerak ke kanan. Gerakan jarum dilawan oleh pegas kumparan yang juga berfungsi untuk menghasilkan kontak listrik antara te rminal A dan pelat X. Bila terminal X dan Y dihubungkan ke titik-titik yang potensialnya berlawanan, dan gaya tarik antara kedua benda yang sama tetapi bermuatan berlawanan tersebut mendorong jarum bergerak ke kanan. Jarum akan berhenti bila torsi yang disebabkan oleh tarikan listrik antara pelat-pelat sama dengan torsi lawan dari pegas kumparan. Skema voltmeter elektrostatis ditunjukkan pad gambar 25
44
5. Skema voltmeter elektrostatis
BAB VIII. ALAT UKUR ELEKTRODINAMIS
Telah dibahas sebelumnya mengenai alat ukur kumparan putar dimana salah satu komponennya adalah magnet permanen. Pada alat ukur yang bekerja berdasarkan prinsip elektrodinamis, maka magnet permanen tersebut diganti dengan kumparan yang tetap dan arus dimungkinkan dapat dialirkan melalui kumparan tetap dan kumparan putar. Monen gerak yang dihasilkan dari sistem tersebut merupakan interaksi antara medan magnet yang dibuat oleh kumparan tetap dan medan magnet yang dibuat oleh kumparan putar. Alat ukur
45
elektrodinamis ini dapat digunakan untuk mengukur besaran listrik pada arus searah maupun arus bolak balik.
A. Prinsip kerja
Kumparan putar (M) dari alat ukur elektrodinamis ini ditempatkan di antara kumparan tetap (F1 dan F2) seperti ditunjukkan pada gambar 26. Ketika terdapat arus (i1) yang melalui kumparan tetap dan juga terdapat arus (i2) yang melalui kumparan putar, maka akan dihasilkan gaya elektromagnetis yang dikenakan pada kumparan putar. Apabila kumparan telah mengalami perputaran dengan sudut tertentu yaitu sebesar θ dari posisi nolnya, maka momen gerak yang dihasilkan adalah
k 1i1i2 cos( α − θ ) dengan k 1 adalah tetapan. Pegas yang terpasang pada alat ukur akan memberikan momen kontrol dan terjadi keseimbangan antara momen gaya simpangan dan momen gaya kontrol yang memenuhi persamaan τ θ = k 1i1i2 cos( α − θ ) dengan k 1 adalah tetapan pegas. Hasil pengukuran akan ditunjukkan oleh jarum penunjuk yang tergantung pada hasil kali dua arus yang berbeda yaitu i1 dan i2
46
Gambar 26. Prinsip kerja Alat ukur elektrodinamis
B. Ammeter Elektrodinamis
Untuk membuat Ammeter elektrodinamis, maka kumparan tetap dan kumparan putar dihubungkan secara seri. Besar sudut putaran pada Ammeter ini adalah θ =
k 1i1i2 τ
cos( α − θ )
Karena kumparan putar dan kumparan tetap dihubungkan seri maka i1
i2
= k 2i
=i
dan
maka besar sudut putaran menjadi
47
θ =
k 1k 2 τ
i 2 cos( α − θ )
Hasil pengukuran arus oleh alat ukur elektrodinamis ini merupakan harga efektif dari arus yang diukur
Gambar 27. rangkaian-rangkaian Ammeter elektrodinamis
C. Voltmeter Elektrodinamis
Untuk membuat Voltmeter elektrodinamis, diperlukan tahanan seri yang dihubungkan pada rangkaian pada gambar 28 dan mengalirkan arus sekitar 100mA melalui kumparn putarnya.
48
Gambar 28. Prinsip voltmeter elektrodinamis
D. Kelebihan dan kelemahan
Kelebihan alat ukur elektrodinamis ini dapat digunakan untuk arus searah maupun arus bolak balik serta dapat dibuat dengan presisi yang baik, sedangkan kelemahaanya adalah pemakaian dayanya yang tinggi sehingga kurang dipakai sebagai alat ukur arus maupun tegangan.
BAB IX. WATTMETER (ALAT UKUR DAYA LISTRIK)
Alat ukur ini digunakan untuk mengukur daya listrik secara langsung.
49
Wattmeter dapat digunakan untuk pengukuran pada arus searah maupun arus bolak balik. Untuk arus searah, maka daya yang dipakai dalam beban tahanan R dinyatakan sebagai
P = V I = I R 2
=
V 2 R
Dengan V adalah tegangan beban dan I adalah arus beban Pada arus bolak balik, daya yang dipakai pada beban pada saat tegangan beban v dan arus beban i dinyatakan sebagai
p
=vi
dengan v dan i adalah tegangan dan arus sebagai fungsi waktu yang
memenuhi persamaan sinusoida. Terdapat beberapa jenis Wattmeter yaitu diantaranya wattmeter elektrodinamis wattmeter Induksi, wattmeter elektrostatis, wattmeter digital dan sebagainya. Paling banyak digunakan adalah Wattmeter elekrodinamis
A. Wattmeter Elektrodinamis
Wattmeter
analog
yang
paling
sederhana
adalah
Wattmeter
elektrodinamis. Alat ukur daya ini terdiri dari sepasang kumparan tetap yang disebut sebagai kumparan arus dan sebuah kumparan putar (yang bergerak) yang disebut sebagai kumparan tegangan (potensial). Kumparan arus dihubungkan dengan rangkaian secara seri sedangkan kumparan tegangan dihubungkan paralel dengan rangkaian alat ukurnya. Pada wattmeter analog ini, kumparan tegangan menggerakkan jarum penunjuk yang menyimpang sepanjang skala yang menunjukkan pengukuran daya. Arus mengalir melalui kumparan arus (tetap) menghasilkan medan elektromagnetik di sekitar kumparan. Kuat medan ini sebanding dan sefase dengan arus. Sebuah hambatan yang besar nilainya disambungkan seri pada kumparan putar
untuk mereduksi arus yang melalui
kumparan tersebut. Pada rangkaian arus searah, simpangan jarum penunjuk sebanding dengan arus dan tegangan, dan memenuhi persamaan
W=VA atau P=VI.
50
Gambar. 29. Wattmeter Elektrodinamis Pada rangkaian arus bolak balik, simpangan jarum penunjuk sebanding dengan rata-rata arus dan tegangan sesaat i dan v Wattmeter DC dac AC tersebut dapat mengalami kerusakan oleh adanya arus yang berlebihan. Pada Ammeter dan Voltmeter, arus yang berlebihan ini akan menimbulkan panas dimana ini merupakan kondisi yang berbahaya (jarum penunjuk menjadi tidak dapat bergerak lagi karena melebihi batas skala). Akan tetapi pada Wattmeter, arus dan tegangan dapat menjadi panas tetapi tidak menyebabkan penunjukan jarum melebihi batas skala. Hal ini dkarenakan posisi jarum penunjuk tergantung pada faktor daya, tegangan dan arus. Sehingga rangkaian dengan faktor daya yang rendah akan memberikan pembacaan yang rendah pula pada wattmeter meskipun melebihi batas keselamatan. Oleh karena itu di samping untuk mengukur besar daya listrik dalam Watt, juga dalam volts dan ampere. B. Wattmeter digital
Wattmeter digital merupakan alat ukur daya listrik modern. Rerata dari tegangan sesaat dikalikan dengan arus listriknya merupakan harga daya listrik sebenarnya. Daya ini (P) jika dibagi dengan volt-ampere (VA) adalh faktor
51
dayanya. Rangkaian pada komputer menggunakan nilai-nilai sampel untuk menghitung tegangan RMS, arus RMS, VA, daya (Watt), faktor daya dan kilowatt-jam. Informsi mengenai besaran listrik yang diukur ditampilkan pada display LCD. Peralatan dan skema Wattmeter digital ditunjukkan pada gambar 30 dan 31
Gambar 30. Salah satu bentuk Wattmeter induksi
Gambar. 31. Skema rangkaian wattmeter digital C. Wattmeter induksi
Wattmeter induksi juga tersusun dari sepasang kumparan yang bebas satu sama lain yang menimbulkan adanya momen yang berbanding lurus dengan hasilkali arus-arus yang melalui kumparan-kumparan tersebut. Pada gambar 32 diperlihatkan diagram vektor dari wattmeter induksi ini. Sudut apit antara V (tegangan) dengan arus (I) adalah θ . Fluks magnet φ 1 dihasilkan oleh arus beban I sedangkan fluks magnet φ 2 dihasilkan dari tegangan beban V. Pada diagram
52
tersebut terlihat bawa φ 2 mempunyai sudut fase sebesar 900 didahului oleh tegangan V.
Gambar 32. Diagram vektor Wattmeter jenis induksi Ditunjukkan pula dari gambar bahwa sin α = cos ϕ Agar fluks magnet φ 2 mempunyai sudut fase 90 0 didahului oleh tegangan V, maka jumlah lilitan pada kumparan ditambah sehingga kumparan menjadi
V sebuah indukstansi murni dan besar φ 2 sebanding dengan ω sehingga diperoleh hubungan ω φ 1φ 2 sin α = KVI cos ϕ Dari uraian di atas , maka dapat dilakukan pengukuran daya listrik menggunakan wattmeter yang bekerja berdasarkan prisip induksi elektromagnetik. D. Wattmeter Thermocouple
Prinsip kerja Wattmeter thermocouple ini berdasarkan pada adanya gaya listrik thermis. Konfigurasi alat ukur ini diperlihatkan pada gambar 33
53
Gambar 33. Skema prinsip kerja Wattmeter jenis thermocouple Dari gambar tersebut terlihat bahwa jika arus-arus berbanding lurus dengan tegangan, sehingga memenuhi persamaan
( i1 + i2 ) 2 − ( i1 − i2 ) 2 = 4i1i2 = 4k 1k 2v1 Jika
i2
i
= k 2i
= k 1v
merupakan arus sekumder pada transformator
T 1 sedangkan
merupakan arus sekunder dari transformator T 2 maka bila sepasang
tabung thermocouple dipanaskan dengan arus i1 + i2 dan i1 − i2 , maka gaya listrik secara thermis juga akan digerakkan dan berbanding lurus dengan kuadrat arusarus. Sepasang tabung thermocouple ini dihubungkan secara seri sedemikian rupa sehingga polaritasnya terbalik, maka perbedaan tegangan yang terjadi pada ujungujungnya dapat diukur dengan sebuah milivolt yang sebanding dengan daya yang akan diukur. Wattmeter jenis thermocouple ini biasanya digunakan untuk mengukur daya yang kecil yaitu pada frekuensi audio.
54
BAB X. GALVANOMETER
Istilah galvanometer diambil dari seorang yang bernama Luivi Galvani. Penggunaan galvanometer yang pertama kali dilaporkan oleh Johann Schweigger dari Universitas Halle di Nurremberg pada 18 september 1820. Andre-Marie Ampere adalah seorangg yang memberi kontribusi dalam mengembangkan galvanometer. Galvanometer pada umumnya dipakai untuk penunjuk analog arus searah,
55
dimana arus yang diukur merupakan arus-arus kecil misalnya yang diperoleh pada pengukuran fluks magnet.
A. Prinsip Kerja
Prinsip kerjanya menggunakan konstruksi kumparan putar yang serupa untuk pengukur arus tapi kerangka dari kumparan putarnya dihilangkan untuk mengurangi inersia dari bagian yang berputar (gambar 34)
Gambar 34. Redaman pada galvanometer jenis kumparan putar (D-Arsonval Galvanometer Seperti diperlihatkan gambar 33 di atas, jika terdapat arus I mengalir melalui kumparan putar, maka akan dilawan oleh tegangan yang diinduksikan dalam kumparan putar. Hal ini terjadi karena adnya rotasi kumparan putar sehingga menghasilkan arus I d . Arus ini menimbulkan momen peredam yang dapat diatur dengan cara mengatur besarnya tahanan shunt r d . Jika derajat redamannya kritis, tahanan r d disebut tahanan kritis. Besaran inilah yang disebut sebagai data galvanometer. Gambar 35 di bawah ini menunjukan operasi galvanometer.
56
Gambar 35. Operasi galvanometer B. Galvanometer Refleksi
Galvanometer yang digunakan pada kepekaan-kepekaan yang tinggi, menggunakan system refleksi cahaya. Alat penunjuk (pointer) yang digunakan adalah berupa cermin pemantul yang dipasang pada bagian yang berputar. Berkas cahaya dipantulkan dari cermin terrsebut kemudian diproyeksikan pada sebuah kaca buram yang mempunyai garis-garis skala pembagi. Gambar 36 memperlihatkan galvanometer jenis pemantul ini.
Gambar. 36 Galvanometer jenis pemantul, lampu dan skalanya
57
Gambar. 37 Prinsip kerja galvanometer jenis pemantul/reflleksi Prinsip kerja Galvanometer jenis pemantul ditunjukkan pada gambar 37. Cermin pemantul paralel dengan papan skala jika tidak ada arus mengaalir, kemudian jika ada arus yang mengalir maka cermin pemantul berputar dengan besar sudut θ . Berkas cahaya yang bersal dari sumber cahaya dipantulkan oleh cermin dan diproyeksikan ke papan skala dan menghasilkan sudut sebesar 2 θ terhadap berkas cahaya yang datang nenuju cermin. Proyeksi yang berupa titk pada papan skala bergerak sepanjang d dari titik O dan memenuhi persamaan tan 2θ =
d D
dengan d adalah jarak titik proyeksi dari O D adalah jarak antara cermin pemantul m dan skala S.
58
Jika besar sudut putar cermin θ jauh lebih kecil dari 1 maka persamaan di atas menjadi d
=
2 Dθ
Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa dengan sudut putararn yang kecil akan diperoleh pergeseran yang dapat dideteksi. Pergeseran ini dapat digunakan sebagai indikasi perubahan arus yang mengalir pada galvanometer.
BAB XI. OSILOSKOP
Osiloskop adalah alat ukur yang sangat penting dalam bidang elektronika karena mampu menampilkan bentuk gelombang yang dihasilkan oleh suatu rangkaian yang sedang diamati. Berdasarkan prinsip kerjanya osiloskop digolongkan menjadi dua jenis yaitu osiloskop tipe analog / ART(analog real time) dan tipe digital /DSO ( Digital storage oscilloscope). Masing-masing memiliki karakter yang berbeda serta mempunyai kelebihan dan kelemahan yang berbeda pula. Gambar 38 menunjukkan bentuk osiloskop beserta chanelchanelnya
59
Gambar.38. Osiloskop dengan chanel-chanelnya A. Osiloskop Analog / ART
Osiloskop analog biasanya dipakai untuk mengamati dan menggambar bentuk-bentuk gelombang tunggal melalui gerakan pancaran elektron dalam sebuah tabung sinar katoda (CRT-cathode ray tube) dari kiri ke kanan. Bagian bagian pokok CRT seperti tampak pada gambar 39. 8 1
2
3
4
5 6
9
7
10
Gambar 39. Bagian-bagian pokok tabung sinar katoda Keterangan : 1.
Pemanas / filamen
2.
Katoda
3.
Kisi pengatur
4.
Anoda pemusat
5.
Anoda pemercepat
6.
Pelat untuk simpangan horisontal
7.
Anoda untuk simpangan vertikal
8.
Lapisan logam
9.
Berkas sinar elektron
10.
Layar fluorosensi
60
Elektron yang dipancarkan dari bagian senapan elektron (electron gun) akan membentur atau menumbuk dinding tabung CRT tersebut kemudian mengeksitasi elektron dalam lapisan fosfor pada layar tabung CRT sehingga menimbulkan perpendaran pada layar yang menggambarkan bentuk dasar gelombang. Sebelum menuju layar tabung, elektron yang dipancarkan oleh senapan elektron tadi dipengaruhi oleh medan listrik dengan arah vertikal ke atas maupun ke bawah yang dihasilkan oleh sepasang pelat pembelok vertikal , juga dipengaruhi oleh medan listrik dengan arah horizontal yang dihasilkan oleh sepasang pelat pembelok horizontal. Jika semua pelat tegangannya nol volt, maka elektron akan lurus menuju layar sehingga hanya terlihat sebuah bintik nyala di tengah-tengah layar. Supaya muncul garis pada layar, maka perlu diberikan gelombang gigi gergaji pada pasangan pelat yang horisontal. Tegangan gigi gergaji dihasilkan oleh time base generator atau sweep generator yang dperkuat oleh penguat horisontal. Tegangan gigi gergaji ini naik secara linier terhadap waktu sehingga berkas elektron pada layar bergerak dari kiri ke kanan. Setelah sampai di bagian paling kanan layar, tegangan gigi gergaji turun dengan cepat ke nol sehingga memulai gerakan berulang dari bagian kiri layar. Gerakan balik yang cepat ini tidak dapat ditangkap oleh mata sehingga yang terlihat adalah gambar garis horisontal lurus pada layar yang tidak terputus. Agar osiloskop dapat menggambarkan bentuk gelombang yang sedang diamati maka gelombang tersebut diumpankan ke rangkaian vertikal. Rangkaian vertikal ini berfungsi memperkuat atau melemahkan simpangan vertikal dari gelombang masukan, sehingga tegangan yang diberikan
ke pasangan pelat
defleksi vertikal
menghasilkan medan listrik yang dapat mempengaruhi gerakan vertikal elektron secara proporsional selagi ia bergerak menuju ke layar, yang berakibat bentuk gelombang pada layar dapat diperbesar atau diperkecil. Karena arah gerak elektron berdasar vektor medan listrik horisontal dan vertikal, CRT nya disebut direct viev vector CRT. Prinsip osiloskop jenis analog /ART dapat disederhanakan dengan gambar 40 berikut:
61
Gambar. 40 Skema prinsip kerja osiloskop ART Agar gambar pada layar dapat stabil, digunakan rangkaian picu (trigger). Jika suatu gelombang listrik dihubungkan ke ART, rangkaian picu akan memonitor gelombang masukan tersebut dan menunggu event - yakni saat terjadinya peristiwa atau kondisi yang dapat dipakai untuk- pemicuan. Event picu ini berupa suatu sisi atau tebing gelombang yang memenuhi persyaratan yang telah didefinisikan atau ditentukan melalui suatu pilihan tombol pada panel depan osiloskop. Sekali event picu ini terjadi, osiloskop akan menstart generator sapu dan meragakan bentuk gelombang yang sedang diukur. Proses ini akan berulang sepanjang osiloskop tersebut dapat mendeteksi event-event picu.
62
Gambar 41. Skema prosedur dalam osiloskop analog
B. Osiloskop Digital (Digital Storage Oscilloscope)
Pada osiloskop analog, gelombang yang akan ditampilkan langsung diberikan ke rangkaian vertikal sehingga akan menghilang dengan cepat dengan bergeraknya sinar elektron pada layar. Pada osiloskop digital, bentuk gelombang yang diamati merupakan gambar yang bisa diam terlihat pada layar. Prinsipnya, pada osiloskop digital ini, gelombang yang akan ditampilkan pada layar terlebih dulu dicuplik atau disampling dan didigitalisasikan kemudian nilai-nilai tegangan gelombang bersama-sama dengan skala waktu gelombangnya disimpan. Proses mencuplik dan menyimpan ini diulangi sampai dihentikan. Osiloskop digital melakukan akuisisi (pengambilan) gelombang yang akan diukur dalam satu event
63
pemicuan, namun demikian ia secara mengukur
rutin dan
memperoleh, menyimpan
sinyal masukan, mengalirkan nilainya melalui memori dalam suatu proses kerja dengan cara; pertama yang disimpan, yang pertama pula yang akan dikeluarkan, sambil menanti picu terjadi. Sekali osiloskop ini mengenali event picu yang didefinisikan oleh penggunanya, osiloskop mengambil sejumlah cuplikan yang kemudian mengirimkan informasi gelombangnya ke peraga (layar). Karena kerja pemicuan yang demikian ini, ia dapat menyimpan dan meragakan informasi yang diperoleh sebelum picu (pretrigger) sampai 100 persen dari lokasi memori yang disediakan. DSO mempunyai dua cara untuk "menangkap" atau mencuplik gelombang, yakni teknikdigital single shot atau real time sampling. Dengan kedua teknik ini, ang teramati padadengan osiloskop osiloskop memperoleh semua cuplikan dengan satu event picu. Sayangnya laju cuplik DSO membatasi lebar pita osiloskop ketika beroperasi dalam waktu nyata (real time). Secara teori (sesuai dengan Nyquist sampling theorema), osiloskop digital membutuhkan masukan dengan sekurang-kurangnya dua cuplikan per periode gelombang untuk merekonstruksi suatu bentuk gelombang. Dalam praktek, tiga atau lebih cuplikan per periode menjamin akurasi akuisisi. Jika pencuplik tidak dapat sama cepat dengan sinyal masukannya, osiloskop tidak akan dapat mengumpulkan suatu jumlah yang cukup yang berakibat menghasilkan suatu peragaan yang lain dari bentuk gelombangnya aslinya. yakni osiloskop akan menggambarkan struktur keseluruhan sinyal masukan pada suatu frekuensi yang jauh lebih rendah dari frekuensi sinyal sesungguhnya. Ketika menangkap suatu gelombang bentuk tunggal (single shot waveform ) dengan cuplikan waktu nyata, osiloskop digital harus secara akurat menangkap frekuensi sinyal masukan. Osiloskop digital biasanya menspesifikasikan dua lebar pita; real time dan analog. Lebar pita analog menyatakan frekuensi tertinggi jalur masukannya yang dapat lolos tanpa cacat yang serius pada sinyalnya. Lebar pita real time menunjukkan frekuensi maksimum dari osiloskop yang dapat secara akurat mencuplik menggunakan satu event picu. Bergantung dari osiloskopnya, kadang-kadang kedua lebar pita tersebut mempunyai harga yang sama, kadang mempunyai nilai yang berbeda jauh. Sebagai contoh misalnya lebar pita analog dari suatu DSO 350 MHz dan lebar pita real time-nya hanya 40MHz.
Dengan metode alternatif yakni menggunakan equivalent-time sampling DSO secara akurat dapat menangkap sinyal-sinyal sampai pada lebar pita osiloskopnya, tetapi hanya pada sinyal-sinyal yang sifatnya repetitif. Dengan
64
teknik ini, osiloskop digital menerima cuplikan-cuplikan pada banyak event-event picu yang kemudian secara berangsur-angsur mengkonstruksi keseluruhan bentuk gelombangnya. Hanya lebar pita analog yang membatasi osiloskop pada frekuensi berapa dapat menerima teknik ini. Kebanyakan DSO, apakah ia menggunakan teknik teknik real time atau equivalent equivalent time akan mencuplik pada laju maksimum maksimum tanpa mengacu berapa dasar waktu (time base) yang di pilih. Pada kecepatan sapuan yang lebih rendah osiloskop digital menerima jauh lebih banyak cuplikan daripada yang dapat disimpannya. Bergantung kepada mode akuisisi yang kita pilih, suatu DSO akan membuang cuplikan ekstra atau menggunakannya untuk pemrosesan sinyal-sinyal tambahan seperti deteksi puncak gelombang (peak detect), maupun sampul gelombang (envelope) .
Gambar 43. Skema prosedur dalam osiloskop digital C. Osiloskop Osiloskop Samplin Sampling g (Sampling (Sampling Oscillo Oscilloscop scope) e)
65
Osiloskop ini bekerja berdasarkan teknik sampling dan cocok untuk bentuk bentuk gelombang berulang. Osiloskop jenis ini memiliki sensitivitas yang tinggi dan daerah jangkauan frekuensi yang lebar dan lainnya. Beberapa kelemahan yang ada pada osiloskop ART diantaranya lebar band amplifier, sensitivitas simpanng dapat dapat diatas diatasii oleh oleh adanya adanya osilos osiloskop kop sampli sampling ng ini. ini. Osilos Osiloskop kop ini juga juga dapat dapat mengam mengamati ati gelomb gelombang ang dengan dengan frekue frekuesi si tinggi tinggi.. Prinsip Prinsip osilo osilosko skop p sampli sampling ng ditunjukkan pada gambar 43
(a)
(b) Gambar 44. (a) Skema prinsip kerja sampling Osiloskop (b) Contoh sampling osiloskop TDS 8000
66
Pulsa triggering triggering (pemicu) (pemicu) akan mmenimbulkan mmenimbulkan tegangan tegangan pada generator tegang tegangan an slopin sloping. g. Untuk Untuk membua membuatt pulsa pulsa sampli sampling, ng, harus harus diknda dikndalik likan an oleh oleh keluaran dari gelombang gerigi yang linier. Jika terdapat sinyal (pulsa) diberikan pad padaa samp samplin ling, g, maka maka siny sinyal al masu masuka kan n ters terseb ebut ut akan akan diam diammb mbil il (ampl (amplit itud udo o sesaatnya). sesaatnya). Suatu delay delay line digunakan digunakan untuk memperlamba memperlambatt gelombang, gelombang, agar gelom gelombag bag masuka masukan n dapat dapat terama teramati ti dengan dengan baik. baik. Gelomb Gelombang ang masuka masukan n ini lalu lalu mengalami penguatan dan dioerlebar sampai 1ms sebelum muncul sebagai sebuah bintik cahaya pada layar. D. Ke Keleb lebiha ihan n dan Kele Kelemah mahan an
Osiloskop jenis ART mempunyai kelebihan dalam hal fidelity (kesetiaan)nya dibandingkan dengan jenis DSO, karena hanya mengkodisikan sinyal masukan mele melema mahk hkan an
(mem (mempe perk rkec ecil il))
dan dan
meng mengua uatk tkan anny nyaa
(mem (mempe perb rbes esar ar))
dala dalam m
perag peragaan aannya nya di layar, layar, maka maka keutuh keutuhan an esensi esensi dari dari sinyal sinyal masuka masukan n tetap tetap utuh. utuh. Kesetiaan sinyal (signal fidelity) menyatakan suatu ukuran seberapa dekat bentuk gelom gelomban bang g yang yang diraga diragakan kan oleh oleh osilos osiloskop kop sesuai sesuai dengan dengan bentuk bentuk gelomb gelombang ang masukan sesungguhnya. Osiloskop ART juga mempunyai kelebihan dalam hal resolu resolusin sinya ya yang yang tak terbata terbatas. s. Pancara Pancaran n elektr elektron on untuk untuk mengga menggamba mbarr bentuk bentuk gelombang mempunyai resolusi yang ajeg baik secara vertikal maupun horizontal. Pada Osiloskop digital (DSO), karena ada proses pembagian digitalisasi sebuahh sinyal ke dalam pengukuran diskret, maka DSO akan kehilangan kemampuan resolusi resolusi yang ada pada osilosko osiloskop p analog. analog. Untuk Untuk menaikkan menaikkan resolusinya, resolusinya, baik vertikal mauoun horisontal. DSO menggunakan berbagai metode akuisisi yang berdasarkan pada pemrosesan sinyal digital untuk menaikkan resolusi vertikalnya. Mode ini bekerja pada sinyal-sinyal yang sekejap (single shoot) maupun bentuk bentuk gelombang yang berulang. Laju cuplikan pada osiloskop digital ada yang mencapai 2 Giga (2.109) per detik, yang berarti mencuplik sinyal setiap 500 piko detik. Osiloskop analog memiliki persistensi yang yang lebih baik daripada daripada osiloskop digital. digital. Adanya Adanya persistens persistensii akan mengungkapkan mengungkapkan informasi penting jika akan dilaku dilakukan kan analisa analisa dan penelus penelusura uran n bentuk bentuk-be -bentu ntuk k
gelomb gelombang ang dalam suatu
perancangan peralatan elektronik yang kompleks seperti pada catu daya swiching.
67
Harga osiloskop analog (ART)
relatif lebih murah daripada osiloskop digital
(DSO), pengaturannya lebih mudaah karena tidak ada tunda antara gelombang yang sedang dilihat dengan peragaan pad layar. Untuk gelombang yang kompleks, contohnya sinyal video di TV, osiloskop analog lebih unggul dalam memeragakan gelombangnya. Akan tetapi osiloskop analog ini mempunyai keterbatasan yaitu tidak dapat menangkap bagian gelombang sebelum terjadinya event picu serta adanya kedipan pada layar untuk gelombang yang frekuensinya rendah (kira-kira 10-20 Hz). Osiloskop digital (DSO) mempunyi kelebihan dalam kemudahan untuk melakukan akuisisi gelombang dan pengukurannya. Kemampuannya sebagai penyimpan gelombang memudahkan untuk dilakukan analisa terhadap sinyal-sinyal yang penting, sehingga kondisi khusus yang terjadi dapat dideteksi. Osiloskop digital juga mampu mengatasi keterbatasan yang ada pada osiloskop analog yaitu dapat menangkap bagian gelombang sebelum terjadinya event picu serta adanya kedipan pada layar gelombang yang frekuensinya rendah.
68
BAB XII. GENERATOR SINYAL Sinyal generator adalah salah satu alat elektronik yang dapat menghasilkan bentuk gelombang. Bentuk gelombang tersebut dapat dilakukan pengulangan. Generator
sinyal analog
biasanya digunakan
untuk menghasilkan
(memproduksi) bentuk gelombang tiga sudut (triangle waveform). Gelombang ini dihasilkan oleh adanya picu dan tidak dipicunya sebuah kapasitor secara berulangulang. Dengan diketahuinya frekuensi dan tegangan gelombang generator sinyaa ini, maka alat ini kemudian dapat digunakan sebagaim pengetesan atau kalibrasi beberapa alat ukur lain. Alat ukur ini terdiri dari attenuator, bentuk gelombang yang termodulasi. Beberapa ketentuan dalam pembuatan generator yang harus dipenuhi antara lain : 1. Gelombang keluaran memiliki distorsi kecil 2. Impedansi
keluaran
tidak
berubah
meskipun
frekuensi dan atau tegangan keluaran berubah 3. Kebocoran gelombang elektromagnet pada terminal keluaran harus kecil sekali 4. Frekuensi osilasi dan tingkat keluaran harus stabil dalam batas beberapa % 5. Apabila dimodulasi, maka tingkat modulasi harus teliti dan distorsinya kecil.
69
. Gambar. 45 Bentuk generator sinyal Gambar 45 menunjukkan salah satu bentuk generator sinyal. Bagian yang penting pada generator sinyal adalah peredaman. Salah satu jenis peredaman adalah peredam variabel jenis tahanan yang dilengkapi oleh sebuah elemen tahanan. Peredaman diperoleh dari kerugian tahanannya. Kelebihan peredaman jenis ini ada pada bentuknya yang kecil. Peredaman lain yaitu jenis reaktansi dimana perdamannya berdasarkan peredaman pada daerah cut off. Gelombang elektromagnetik yang ditimbulkan dalam
silinder akan diredam secara
eksponensial dengan nilai tertentu. Terdapat
juga
gernerator
sinyal
yang
portable.
Generator
ini
mengkombinasikan antara frekuensi dengan jangkauan yang lebar dengan fungsi bentuk gelombang modulasi, mempunyai bentuk yang cukup kecil dan mudah digunakan dengan perangkat
Gambar 46. Signal Generator Add-on Modules Increase RF Output to 2.6GHz Beberapa aplikasi dari generator sinyal adalah 1. Mengetes Penguatan pada amplifier
70
2. Mengetes adanya Wi-Fi, RFID 3. Dapat memprogram generator clock 4. Mengetes dan mengkalibrasi rangkaian penerima 5. Sumber osillator lokal 6. Mengetes rangkaian filter sampai 1 Hz
BAB XIII. MULTIMETER Berkembangnya teknologi semikonduktor telah menghasilkkan alat ukuralat ukur yang dibuat dari elemen-elemen semikonduktor. Demikian juga dibuatlah multimeter yang menggunakan elemen semikonduktor yang populer menggunakan transistor dan dioda. Alat ukur jenis ini banyak memiliki keunggulan dibanding dengan
multimeter tabung hampa diantaranya adalah
penunjukannya tidak berubah-ubah meskipun ada aus panas, bentuk rangkaiannya yang kecil serta mempunyai frekuensi dengan daerah kerja yang lebar. Di samping itu multimeter jenis ini dapat dirancang sebagai alat yang portable atau dapat bekerja walau hanya menggunakan sumber DC. Multimeter atau VOM (volt-ohm-milliammeter)
adalah alat ukur yang dapat
digunakan
untuk
pengukuran tegangan, hambatan dan arus listrik. Ada dua tipe multimeter yaitu multimeter analog dan multimeter digital. Bentuk kedua multimeter tersebut ditunjukkan pada gambar 47
71
Gambar 47. Multimeter analog dan multimeter digital Perbedaan yang mendasar antara kedua tipe tersebut analah untuk ipe analog bekerja berdasarkan mekanisme gerak pointer (jarum penunjuk) sepanjang skala yang terkalibrasi. Sedangkan pada tipe digital, melalui rangkaian digital yang kompleks, kaka besaran listrik yang diukur akan ditampilkan dalam bentuk angka pada layar. Secara teknik, multimeter digital lebih akurat dibandingkan mulimeter analog (kesalahan pada tipe analog 3 % lebih besar dari kesalahan pada tipe digital). Demikian juga pada tipe analog mempunyai resolusi yang lebih rendah (1 % dari 100) dibandingkan dengan tipe digital (1% dari 1000). Akan tetapi untuk mengetahui adanya noise, maka tipe analog lebih unggul dibandingkan dengan tipe digital. A. Prinsip Kerja Multimeter Analog
Multimeter analog terdiri dari voltmeter, ohmmeter dan Ammeter dalam satu paket alat. Untuk memahami prinsip kerja multimeter analog ini ada baiknya jika memahami prinsip kerja dari voltmeter, ohmmeter dan ammeter. Ammeter bekerja menggunakan galvanometer D-Arsonal yang telah dijelaskan pada bab Galvanometer. Prinsip kerjanya ditunjukkan pada gambar 48 (a), (b) dan (c)
72
a)
(b)
(c) Gambar 48. Prinsip kerja (a) Ammeter (b) Voltmeter dan (c) Ohmmeter
BAB XIV. ALAT-ALAT UKUR DIGITAL . Pada dasarnya besaran –besaran yang diukur adalah berupa besaran analog. Untuk menampilkannya dalam bentuk analog maka salah satu bagian penting alat ukur digital ini adalah adanya pengubah besaran analog ke digital. Beberapa kelemahan yang ada pada alat-alat ukur analog dapat diatasi oleh alatalat ukur digital. Harga besaran listrik yang diukur ditunjukkan langsung (dapat dibaca langsung). Di samping itu alat ukur jenis ini dapat dihubungkan juga dengan komputer sehingga kegunaannya bisa berkembang untuk berbagai keperluan. Pengukuran besaran analog yang diubah ke besaran digital ditunjukkan oleh skema pada gambar 49
73
Gambar. 49. Prinsip pengubahan besaran anaolg ke digital A. Voltmeter Digital
Voltmeter digital
dapaat digunakan untuk mengukur tegangan AC
maupun DC. Secara garis besar, metode yang digunakan oleh voltmeter digital ini dapat dibagi menjadi tiga yaitu metode perbandingan, metode integrasi dan metode potensiometer integrasi.
0100090000037800000002001c00000000000400000003010800050000000b0200 000000050000000c020910a00b040000002e0118001c000000fb02100007000000 0000bc02000000000102022253797374656d0010a00b000055220000985c110004 ee8339083085020c020000040000002d01000004000000020101001c000000fb02 9cff0000000000009001000000000440001254696d6573204e657720526f6d616e0 000000000000000000000000000000000040000002d01010005000000090200000 0020d000000320a5a00ffff01000400000000009f0b0a1020002d00040000002d010 000030000000000 Gambar. 50. Rangkaian voltmeter digital sederhana Diagram blok voltmeter digital sederhana diperlihatkan pada gambar 50 yang tersusun dari pembanding tegangan (komparator), gerbang AND, pencacah, pendekode, penayang tujuh segmen, pengubah Analog ke digital (A/D) serta pengubah Digital ke Analog (D/A) Pada metode perbandingan, tegangan yang diukur selalu dibandingkan dengan suatu penguat pembanding. Pengubah Analog
74
ke Digital mengubah tegangan analog ke bentuk biner yang kemudian dikirimkan ke pendekode, yang mengubahnya ke kode tujuh segmen. Pembacaan tujuh segmen
menyatakan
tegangan
dalam
angka
desimal.
Pendekode
akan
mengaktifkan garis a sampai g sesuai dengan nilai biner yang masuk ke pendekode. Beberapa catu daya diperlukan untuk mengeset rangkaian ini. Sekarang anggaplah terdapat tegangan masukan (yang diukur) sebesar 2 Volt. Pertama-tama pencacah BCD direset menjadi 0000. Pembanding akan memeriksa masukan A dan B. Jik A lebih besar (A=2 Volt, B=0 Volt) maka keluaran pembanding adalah suatu nilai logis 1 yang kemudian membuka pintu AND sehingga pulsa detak (clock) dapat melewati gerbang AND tersebut. Pulsa detak ini menyebabkan pencacah melakukan satu cacahan yaitu 0001. Nilai biner 0001 ini kemudian terpasang pada pendekode yang membuka baris b dan c dari peraga tujuh segmen sehingga memberikan pembacaan desimal 1. 0001 ini juga terpasang pada pengubah D/A. Sekitar 3,2 Volt dari pencacah terpasang pada masukan penguat amplifier (Op-Amp) melalui resistor 150 k Ω . Besar penguatan tegangan yang dihasilkan oleh Op-Amp tersebut adalah
Av
=
R f Rin
=
47000 150000
= 0,31
Penguatan ini jika dikalikan dengan besar tegangan masukannya, maka diproleh besar tegangan keluaran sebesar
V o
= Av X V in = 0,31 X 3,2 = 1
Volt
Tegangan keluaran D/A adalah -1 Volt yang kemudian dimasukkan kembali ke angkaian pembanding. Pembanding kemudian memeriksa kembali masukan A dan B. Masukan A (2 Volt) masih lebih besar dari masukan B (1 Volt), sehingga memberikan logis 1 ke gerbang AND. Gerbang AND melewatkan pulsa detak (Clock) yang kedua ke pencacah BCD sehingga pencacah melanjutkan pencacahannya sampai 0010. yang diterukan ke pendekode dan terbaca pada peraga tujuh segmen sebagai desimal 2. Nilai biner 0010 tersebut juga masuk ke
75
pengudah D/A dan mengeluarkan tegangan keluaran sebesar 2 Volt yang dimasukkan
kembali
ke
rangkaian
pembanding.
Sekarang
masukan
A
dibandingkan dengan masukan B yang ternyata B sedikit lebih besar dari A sehingga pembanding memberikan logis 0 pada gerbang AND sehingga gerbang AND tertutup dan tidak ada pulsa detakak (clock) yang masuk sampai pencacah. Cacahan berhenti sampai di sini dan memberikan nilai 2 pada peraga tujuh segmen yang telah menampilkan tegangan sebenarnya yang sedang diukur. Voltmeter digital terdiri dari tiga buah lempengan tembaga yang terpasang pada sebuah bakelite yang dirangkai dalam sebuah tabung kaca atau plastik seperti ditunjukka pada gambar 51. Lempengan luar berperan sebagai anoda sedangkan yang di tengah sebagai katoda. Umumnya tabung tersebut berukuran 15 x 10cm (tinggi x diameter)
Gambar 51. Bentuk voltmeter digital B. Ammeter Digital
Ammeter digital adalah alat ukur yang mengukur arus listrik dalam satuan ampere dan menampilkan nilai dari arus yang diukur dalan bentuk angka pada layar (display). Ammeter digital dihubungkan seri dengan tahanan beban pada rangkaian. Jika arus terukur nilainya kecil, hal ini mengindikasikan adanya tahanan yang tinggi pada rangkaian sedaangkan jika nilai arus terukur terlalu tinggi, ini dapat mengindikasikan kemungkinan adanya hubungan pendek (short
76
circuit) atau adanya komponen yang cacat. Ammeter digital ini dapat mengukur arus searah (DC) maupun arus bolak balik(AC). Beberapa ammeter yang mengukur arus AC juga mengukur daya RMS ( Root Mean Squarre) yaitu akar kuadrat tegangan rata-rata . Terdapat juga Ammeter yang memiliki komponen berupa sensor yang dipasang pada Ammeter tersebut atau di clamp mengelilingi kawat pada ammeter. Perbedaan tipe ammeter dalah didasarkan pada perbedaan range nilai ukurnya. Ammeter digital dapat dibuat secara portable, dengan menggunakan baterai sebagai sumber tegangannya. Contoh digital Ammeter ditunjukkan pada gambar 52.
Gambar 52. Bentuk Ammeter digital C. Frekuensimeter jenis penghitung (Frequency Counter Type)
Prinsip dasar frekuensimeter ini juga berdasarkan teknik rangkaian digital. Besar frekuensi yang diukur akan langsung ditunjukkan dalam bentuk angka sehingga mudah
dipakai, tepat serta teliti. Frekuensi yang diukur
beripa
gelombang sinus dirubah menjadi pulsa-pulsa. Pulsa-pulsa ini kemudian dicacah oleh suatu pencacah frekuensi. Untuk menghitung pulsa masukan, diperlukan suatu ossilator kristal yang memberikan nilai tertentu pada pencacah frekuensi ini. Keluaran ossilator ini kemudian dibagi frekuensinya unuk memperoleh pulsa pulsa dengan perioda satu detik yaang digunakan untuk
mengatur rangkaian
gerbang. Pulsa-pulsa masukan akan dicacah selama satu detik dan pencacah akan langsung menunjukkan besar frekuensi yang sedang diukur. Kelemahan alat ukur ini hanya dapat mengukur frekuensi yang tinggi, sehingga pada frekuensi yang rendah perlu dirubah terlebih dulu ke frekuensi tinggi. Hal ini dapat dilakukan
77
oleh rangkaian pengali frekuensi frekuency multiplier). Beberapa contoh frekuensi meter ditunjukkan pada gambar 53.
(a)
(b) Gambar 53. (a) Frekuensi meter FR-114/U dan (b) Anritsu MF76A --- 10Hz18GHz Microwave Frequency counter
TENTANG PENULIS
WIIDAYANTI,M.Si lahir di Surakarta pada tanggal 26 Mei 1976. Kini
menjadi salah satu staff dosen di Program Studi Fisika Universitas Islam Negeri Sunan Kalijaga Yogyakarta.
78
