Rangkaian DC Amperemeter [PDF]

Citation preview

Rangkaian DC Ammeter



Untuk mengukur arus dalam sebuah rangkaian, ammeter harus selalu dihubungkan SERI di dalam rangkaian tersebut. Untuk melewatkan arus pada rangkaian, ammeter harus mempunyai resistansi yang lebih rendah dari resistasi pada rangkaian. Simpangan jarum penunjuk bergerak secara linier sesuai dengan besarnya arus yang mengalir pada kumparan. Namun, maksimum simpangan jarum penunjuk dihasilkan dari arus yang sangat kecil dan lilitan kumparan biasanya dari kawat tipis yang akan langsung rusak oleh arus yang besar. Untuk arus yang besar, alat ukur ammeter harus dimodifikasi sehingga sebagian besar arus yang akan diukur melangsir disekitar kumparan dari alat ukur dan hanya sebagian kecil saja arus yang melewati kumparan yang bergerak. Seperti Gambar 1.



Gambar 1. A. Konstruksi DC ammeter



B. Rangkaian ammeter



Resistor shunt mempunyai nilai resistansi yang sangat kecil dan dipasang paralel dengan kumparan yang bergerak. Pada Gambar 1b, Rm adalah resistor meter (atau resistansi rangkaian kumparan) dan Rs adalah resistor shunt. Nilai resistansi meter adalah 99 Ω dan resistansi shunt adalah 1 Ω. Sehingga dalam hal ini, arus yang mengalir pada resistor shunt akan 99 kali lebih besar dari arus yang mengalir ke kumparan. Pada kondisi ini, jika meter kumparan diberikan FSD (full scale deplection) arus sebesar 0,1 mA, skala pembacaannya adalah 100 x 0,1 mA atau 10 mA pada skala penuh. Hubungan antara arus shunt dengan arus kumparan dapat dilihat pada contoh 1 dan 2.



Contoh 1. Sebuah ammeter mempunyai resistansi kumparan Rm = 99Ω dan arus pada FSD 0,1 mA. Resistansi shunt Rs = 1 Ω. Tentukan total arus yang melalui ammeter pada (a) FSD, (b) 0,5 FSD dan (c) 0,25FSD Jawab:



Total arus pada contoh diatas adalah 10 mA pada FSD. Selanjutnya, meter mempunyai skala, ketika jarum penunjuk berada pada 0,5 FSD dan 0,25 FSD, maka level arus adalah 5 mA dan 2,5mA.



Contoh 2: Sebuah ampremeter mempunyai FSD 100 µA dan resistansi kumparan Rm = 1 kΩ. Hitunglah nilai resistansi shunt jika (a) I = 100 mA dan (b) I = 1A. Jawab:



Ammeter multirange Rangkaian multirange ammeter dapat dilihat pada Gambar 2. Sebagai ilustrasi, saklar putar digunakan untuk memilih salah satu resistor shunt yang mempunyai nilai resistansi yang berbeda-beda.



Gambar 2. Multirange amparemeter dan saklar putar Gambar 3 memperlihatkan multirange ammeter yang berbeda. Resistor R1, R2, dan R3 disebut Ayrton shunt. Pada Gambar 3, jika saklar di posisi B, maka total resistansi adalah Rm



diparalel dengan R1 + R2 + R3. Ketika saklar di posisi C, total resistansi adalah R3 seri dengan resistansi meter (R3 + Rm) dan diparalel dengan R1 + R2.



Gambar 3. Ampermeter multirange dengan metode Ayrton shunt Contoh 3. Diketahui rangkaian multirange ammeter seperti Gambar 3. Nilai resistansinya adalah R1 = 0,05 Ω, R2 = 0,45 Ω, dan R3 = 4,5Ω. Resistansi pada kumparan Rm = 1 kΩ dan FSD = 50 µA. Hitunglah ketiga range ammeter tersebut. Jawab :



Rangkaian DC Voltmeter



Untuk mengukur tegangan dalam sebuah rangkaian, voltmeter harus selalu dihubungkan PARALEL di dalam rangkaian tersebut. Simpangan jarum penunjuk bergerak secara linier sesuai dengan besarnya arus yang mengalir pada kumparan dan proposional dengan tegangan yang melewati kumparan. Resistansi kumparan normalnya cukup kecil dan kumparan tegangan biasanya juga sangat kecil. Jika tidak menambahkan resistasi yang dipasang seri, voltemeter tidak akan bisa mengukur level tegangan yang sangat kecil. Skala voltmeter sangat mudah dinaikan dengan menghubungkan resistor secara seri dengan resistor kumparan seperti Gambar 4b. Resistor seri ini dinamakan multiplier resistor.



Gambar 4. Rangkaian voltmeter Contoh 4. Sebuah instrumen voltmeter mempunyai FSD 100 µA dan resistansi kumparan Rm = 1kΩ. Tentukan nilai resistansi multiplier yang diperlukan, jika voltmeter digunakan untuk mengukur tegangan 50 V pada skala penuh seperti Gambar 5. Lalu hitung juga tegangan yang terjadi ketika jarum penunjuk berada pada posisi 0,8, 0,5 dan 0,2 dari FSD.



Gambar 5. Skala voltmeter



Jawab:



Voltmeter sensitivity Voltemeter yang dirancang pada contoh 4 memiliki resistansi total : Rv = Rs + Rm = 500 kΩ Karena voltmeter mengukur 50 V pada skala penuh, maka resistansi per volt adalah 500 Ω = 10 Ω/ 50



Nilai ini juga disebut sensitivity dari voltmeter. Sensitivity voltmeter selalu ditentukan oleh pabrik pembuatnya, dan seringnya ditulis pada skala didalam alat ukur. Jika sensitivity sudah diketahui, total resistansi voltmeter sangat mudah dihitung sebagai (sensitivity x range). {penting diketahui bahwa total resistansi bukanlah – sensitivity x pembacaan meter}. Idealnya, voltmeter harus mempunyai resistansi yang sangat besar (tak terhingga). Voltmeter dipasang secara paralel terhadap benda yang akan diukur. Jika resistansi voltmeter terlalu rendah, ini akan merubah tegangan rangkaian. Hal ini dikenal sebagai efek pembebanan voltmeter. Voltmeter Multirange dapat dilihat pada Gambar 6. Range pada voltmeter ini adalah: =



(



+ )



Dimana R bisa R1, R2, atau R3.



Gambar 6. Voltmeter multirange



Contoh 6. Sebuah voltmeter multirange pada Gambar 6, mempunyai FSD = 50 µA dan Rm = 1700 Ω yang akan digunakan untuk voltmeter dengan range 10 V, 50 V, dan 100 V. Tentukan nilai resistor multiplier yang digunakan. Jawab: Untuk rangkaian Gambar 6a:



Untuk rangkaian Gambar 6b:



Rangkaian Ohmmeter Ohmmeter umumnya bagian dari volt-ohm-miliammeter (VOM), atau multimeter. Ohmmeter ada dua macam, yaitu : tipe seri dan paralel. a.



Tipe Seri



Rangkaian ohmmeter tipe seri yang sederhana dapat dilihat pada Gambar 7. Nilai resistansi yang akan diukur (Rx) dihubungkan ke terminal A dan B.



Gambar 7. Rangkaian dasar Ohmmeter



Arus meter (Im) diindikasikan oleh alat ukur pada Gambar 7(a) sebagai tegangan baterai/resistensi total: =



+



+



Ketika resistansi eksternal (Rx) adalah nol (misalnya terminal A dan B dihubung singkat), persamaannya menjadi: =



+



Jika terminal A dan B dihubung singkat, maka FSD dinyatakan sebagai zero (nol) ohm. Untuk Rx = 0, jarum penunjuk akan mengindikasikan 0 Ω. Ketika terminal A dan B terbuka (opencircuit), nilai efektif resistansi Rx adalah infinity. Jika nilai resistansi Rx berada antara nol dan infinity dihubungkan ke terminal A dan B, arus meter adalah lebih besar dari nol namun lebih kecil dari FSD. Posisi jarum akan menunjuk pada skala yang besarnya tergantung dari hubungan antara Rx dan R1 + Rm. Hal ini dicontohkan dalam contoh 7. Contoh 7. Ohmeter tipe seri seperti pada Gambar 7a terdiri dari baterai 1,5 V, arus meter 100 µA, dan resistor R1 yang membuat (R1 + Rm) = 15 kΩ. (a) Tentukan indikasi alat ukur ketika Rx = 0 (b) Tentukan berapa skala resistansi yang ditunjukkan pada 0,5 FSD, 0,25 FSD dan 0,75 FSD.



Rangkaian sederhana ohmmeter yang digambarkan pada Gambar 7 akan bekerja dengan memuaskan selama tegangan pada baterai konstan dan tepat 1,5 V. Jika terjadi drop tegangan (tegangan baterai berkurang karena penggunaan), skala ohmmeter tidak lagi valid. Untuk mengatasi hal ini, ditambahkan resistor R2 variabel yang digunakan untuk mengatur nol pada skala ohmmeter, seperti pada Gambar 8.



Gambar 8. Penambahan R2 pada Rangkaian sebagai pengatur nol



b.



Tipe paralel



Tipe ini memiliki skala sama dengan alat ukur yang lain, yaitu skala nol (0) di sebelah kiri dan tipe ini cocok untuk mengukur nilai tahanan yang kecil (0-500). Mempunyai dua sumber, sumber tegangan 15 V untuk skala x 10 kΩ dan sumber tegangan 1,5 V untuk skala yang lain. Rangkaian ohmmeter tipe paralel dapat dilihat pada Gambar 9.



Gambar 9. Rangkaian ohmmeter tipe paralel.



Contoh 8. Hitunglah arus meter dan indikasi nilai resistansi untuk rangkaian ohmmeter pada Gambar 9 pada skala R x1 ketika (a) Rx = 0 dan (b) Rx = 24 Ω. Jawab:



Rangkaian ekivalen Gambar 9



Rangkaian AC voltmeter Ketika sebuah arus bolak-balik (AC) dengan frekuensi rendah melalui sebuah alat ukur, jarum penunjuk cenderung langsung mengikuti level pada gelombang AC. Jika arus (gelombang) positif, simpangan jarum penunjuk naik sampai puncak maksimum gelombang. Kemudian pada saat arus turun, simpangan jarum penunjuk turun ke posisi nol. Jika gelombang AC negatip, simpangan jarum penunjuk ke arah sebelah kiri dari posisi nol. Perubahan pergerakan jarum penunjuk ini hanya dapat terjadi pada arus AC yang mempunyai frekuensi 0,1 Hz atau lebih rendah. Dengan frekuensi normal 50 – 60 Hz atau yang lebih tinggi lagi, mekanisme damping dan pergerakan kumparan tidak bisa mengikuti perubahan level AC. Untuk mengatasi hal tersebut, pada rangkaian AC voltmeter diberi penyearah. Penyearah bisa menggunakan dioda silikon atau germainum. Tegangan maju (VF) dioda silikon adalah 0,7 V, sedangkan dioda germanium adalah 0,3 V. Penyearah ini berfungsi untuk mengkonversi gelombang AC (bolak-balik) menjadi searah, sehingga menghasilkan simpangan positip ketika melewati alat ukur. Gambar rangkaian penyearah gelombang penuh dapat dilihat pada Gambar 10. Rangkaian ini melewatkan gelombang posistip dan membalik gelombang negatip. Ketika input positip, dioda D1 dan D4 bekerja, menyebabkan arus mengalir melalui kumparan meter dari atas ke bawah. Ketika gelombang menjadi negatip, D2 dan D3 bekerja, dan arus mengalir lagi melalui kumparan meter dari terminal positip ke terminal negatip. Seperti pada voltmeter DC, rangkaian voltmeter AC pun menggunakan resistor multiplier (Rs) untuk menghambat arus yang akan melalui kumparan meter. Simpangan jarum penunjuk sebanding dengan arus rata-rata, dimana besarnya adalah 0,637 x arus puncak. Tetapi arus aktual yang diindikasikan oleh alat ukur AC normalnya adalah nilai rms, dimana besarnya adalah 0,707 dari nilai puncak atau 1,11 kali dari nilai rata-rata.



Gambar 10. Rangkaian AC voltmeter



Contoh 9. Sebuah alat ukur dengan FSD = 100 µA dan Rm = 1 kΩ digunakan untuk AC voltmeter dengan FSD = 100 V(rms). Dioda silikon digunakan sebagai rangkaian jembatan penyearah seperti pada Gambar 10. Hitunglah nilai resistansi multiplier yang diperlukan. Jawab:



Contoh 10. Hitung indikasi penunjukan jarum pada voltmeter pada contoh 9, ketika tegangan input rms adalah (a) 75 V dan (b) 50 V. Jawab:



Rangkaian AC ammeter Sama seperti DC ammeter, AC ammeter juga harus mempunyai resistansi yang sangat rendah dan harus terhubung secara seri dalam rangkaian dimana arus akan diukur. Resistansi yang sangat rendah ini diperlukan karena drop tegangan yang melalui ammeter harus kecil, umumnya tidak lebih besar dari 100 mV. Tegangan drop yang melalui dioda adalah 0,3 sampai 0,7 V, tergantung penggunaan dioda apakah dari bahan silikon atau germanium. Ketika sebuah rangkaian jembatan penyearah digunakan, total drop tegangan dioda adalah 0,6 sampai 1,4 V. Sehingga, penyearah tidak cocok untuk diaplikasikan sebagai ac ammeter. Solusinya adalah dengan menggunakan current transformer sehingga memberikan ammeter dengan resistansi rendah dan drop tegangan rendah. Hal in dapat dilihat pada Gambar 11.



Gambar 11. Rangkaian AC ammeter Transformer juga menaikkan tegangan input untuk memberikan tegangan kerja yang cukup bagi penyearah, dan pada saat yang bersamaan menurunkan arus primer ke level yang cocok untuk pengukuran oleh kumparan meter. Karena transformer digunakan dalam rangkaian ammeter, rasio transformer sangat penting yaitu Ip/Is = Ns/Np. Resistor beban yang tepat (RL) dihubungkan ke lilitan sekunder trafo. RL digunakan untuk mengambil arus sekunder yang tidak diperlukan oleh kumparan meter. Sebagai contoh, diasumsikan alat ukur memerlukan 100 µA (rata-rata) untuk FSD, dan arus trafo mempunyai Ns = 2000 dan Np = 5. Jika arus rms pada primer adalah 100 mA, maka arus rms pada sekunder adalah:



Arus rata-rata:



Karena alat ukur memerlukan 100 µA untuk FSD, maka nilai RL harus dihitung nilainya untuk melewati 225,2 µA. Contoh 11. Sebuah rangkaian ammeter AC seperti pada gambar 11 memberikan arus FSD pada primer sebesar 250 mA. Kumparan meter mempunyai FSD = 1 mA dan Rm = 1700 Ω. Arus transformer mempunyai Ns = 500 dan Np = 4. Tegangan masing-masing dioda VF = 0,7 V, dan resistansi seri Rs = 20 kΩ. Hitunglah nilai resistansi RL yang diperlukan. Jawab: