Gambar 2.1 Rangkaian Jembatan Wheatstone

Transkripsi

1 PERCOBN II PLIKSI RNGKIN JEMBTN WHETSTONE DN PENGUKURN NULL BLNCE (KESETIMBNGN NOL) KE PENGUKURN RESISTNSI DN TEGNGN. TUJUN 1. Mengetahui prinsip dasar rangkaian Jembatan Wheatstone untuk pengukuran resistansi. 2. Mengetahui maksud dari Null Balance. 3. Mengetahui ekspresi untuk menghitung resistansi yang tidak diketahui dari nilai rangkaian pada kondisi seimbang (balance). 4. Mengetahui bahwa ketepatan pengukuran tidak tergantung pada ketepatan meter atau besar tegangan sumber. 5. Mengetahui aplikasi dari rangkaian resistansi tiga kawat. 6. Mengetahui aplikasi dari metode null ke pengukuran tegangan. 7. Mengetahui fasilitas yang dimiliki digiac 1750 dan aplikasinya ke pengukuran dari resistansi dan tegangan B. TEORI DSR 1. Rangkaian Jembatan Wheatstone Gambar 2.1 menunjukkan rangkaian dasar dari jembatan wheatstone, terdiri dari empat resistor dan sebuah meter tengah nol yang sensitive dihubungkan ke sumber DC. R1 D.C Supply G R3 R4 Gambar 2.1 Rangkaian Jembatan Wheatstone 34

2 R1, dan R4 adalah resistor tetap, R3 adalah resistor variable dan dikalibrasi maskimal dan R4 adalah resistor yang tidak diketahui harganya dan akan diukur. Selama pengukuran R3 diatur sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rangkaian galvanometer, yaitu arus galvanometer adalah nol atau null. Pada kondisi ini, jembatan dikatakan diseimbangkan atau balanced. Inilah maksud dari null balance. Dari nilai yang telah diketahui dari R1, dan R3 pada kodisi seimbang, nilai R4 dapat dihitung dengan : R4 XR3 R1 Pernyataan diatas didapatkan sebagai berikut : Tidak adanya arus pada rangkaian galvanometer, tegangan pada kedua hubungan pada galvanometer harus pada harga yang sama. Ini berarti bahwa tegangan melewati R1 dan harus pada harga yang sama dan sama pada tegangan R3 dan R4 harus pada harga yang sama. Tidak adanya arus pada galvanometer, arus pada R1 harus sama dengan arus dari R3 dan arus pada harus sama dengan arus di R4. Bila arus I1 melewati R1 dan R3 dan arus I2 mengalir dan R4 I1R1 = I2.(1) I1R3 = I2R4.(2) Bagi pernyataan (1) dengan pernyataan (2) I1R1 I 2 = & I1R3 I 2R4 R 1 = R3 R4 R4 = R 1 x R3 Resistansi tak diketahui R4 tergantung pada harga dari ratio : R1 dan harga dari R3 pada kodisi seimbang. 35

3 Resistor R1 dan normalnya menunjukkan ratio arms dari jembatan. Catatan : Harga dari tegangan sumber atau besarnya arus yang mengalir pada resistor tidak mempengaruhi hasil. rtinya tegangan sumber tidak perlu distabilkan dan arus pada rangkaian dapat ditetapkan pada harga rendah untuk komponen yang mana efek pemanasan sendiri dari arus yang mengalir data mempengaruhi hasil. kurasi galvanometer arus tidaklah penting, sejak dalam keadaan diseimbangkan dan arus pada galvanometer adalah nol. Karakteristik utama yang diperlukan untuk galvanometer adalah resistansi rendah dari sensitivitas tinggi sehingga pembiasan kecil tegangan dari nol menghasilkan pembacaan dengan skala yang benar. 2. Rangkaian Pengukuran Resistansi Tiga Kawat Beberapa rangkaian transduser resistansi, transduser dapat disituasikan relative jarak besar dari rangkaian jembatan dan karenanya resistansi dari kabel penghubung mungkin penting dan dapat mempengaruhi hasil. Untuk situasi ini hubungan tiga kawat digunakan. R1 R1 D.C Supply G Long Leads D.C Supply G Long Leads R3 2 Wire R3 3 Wire R4 R4 (a) (b) Gambar 2.2 Rangkaian Pengukuran Resistansi Ttiga Kawat 36

4 Gambar 2.2(a) menunjukkan rangkaian transduser R4 disituasikan diatur dari jembatan dan dihubungkan lewat dua kawat. Resistansi dari dua kawat ini akan dimasukan dalam pengukuran dari R4. Gambar 2.2(b) menunjukkan susunan dari tiga kawat. Salah satu kawat transduser sekarang diikutkan dalam rangkaian dan yang lainnya dalam rangkaian R4. Kedua rangkaian oleh karenanya akan dipengaruhi secara sama dan kondisi seimbang tidak akan dipengaruhi. Kawat tambahan dalam rangkaian galvanometer tidak mempunyai pengaruh pada keadaan seimbang, sejak tidak ada arus yang mengalir pada galvanometer pada kondisi ini 3. Pengukuran Tegangan Menggunakan Metode Null Balance a. Metode I Resistor variable dikalibrasi, sumber tegangan dikalibrasi dan galvanometer diperlukan, serta dihubungkan seperti gambar 3. R1 Unknow Voltage Rt G Standar Voltage Gambar 2.3 Pengukuran Tegangan Menggunakan Metode Null Balance Posisi penggeser dari resistor variable diatur sampai rangkaian seimbang (tidak ada arus pada rangkaian galvanometer).pada kondisi ini, tegangan mengalir dibagian dari resistansi variable adalah sama dengan harga standar dari tegangan standard dan tegangan tak diketahui dapat dihitung dengan : Tegangan tak diketahui = Rt Kekurangan metode ini adalah : x tegangan standar 37

5 1. Sumber tegangan yang tak diketahui dibebankan dengan resistor variable dan karenanya tegangan dapat terpengaruhi. 2. Metode ini hanya memungkinkan pengukuran tegangan melebihi harga standar yang diketahui b. Metode II Metode ini membutuhkan penambahan sumber DC dari jarak tegangan melampaui harga maksimum dari tegangan tak diketahui yang akan diukur dan resistansi variable Rs, rangkaian ditunjukkan pada gambar 2.4 Rs R1 Rt G Standar Voltage Unknow Voltage Gambar 2.4 Pengukuran Tegangan Menggunakan Metode Null Balance untuk pengukuran tegangan naik ke harga tegangan standar, penggeser resistor variable diatur ke posisi maksimumnya dan galvanometer dihubungkan ke sumber tegangan standar, harga dari Rs diatur sampai tidak ada arus pada galvanometer (rangkaian diseimbangkan). Resistansi maksimum (Rt) kemudian dikalibrasikan untuk mendapatkan harga tegangan standar. Untuk mengukur tegangan tak diketahui, galvanometer dihubungkan ke tegangan tak diketahui dan posisi penggeser diatur lagi untuk rangkaian seimbang. Bagian pada kondisi seimbang menampilkan jarak dari tegangan tak diketahui. Tegangan tak diketahui = Rt x Tegangan Standar 38

6 untuk pengukuran tegangan yang lebih tinggi dari tegangan sumber, resistor variable dapat dikalibrasikan terhadap tegangan standar dengan penggeser diatur pada posisi yang lebih rendah dari maksimum. Pengaturan ini akan menampilkan besar yang sama dengan tegangan standar. Keseimbangan dengan tegangan tak diketahui menghasilkan seperti yang sebelumnya tegangan yang tak diketahui dihitung dari : ( dihubungkan ke tak diketahui ) Teg. tak diketahui = x Teg.Standar. ( dihubungkan ke s tan dar Metode ini, tidak ada arus yang diambil dari tegangan sumber tak diketahui pada kondisi yang seimbang dan karenanya rangkaian tidak terbebani. Tegangan yang dihasilkan haruslah akurat dengan batas keakurasian dari resistor variable 4. Fasilitas DIGIC 1750 Gambar 2.5 menunjukkan jembatan wheatstone yang disediakan DIGIC Potensiometer 10 putaran berkualitas tinggi disediakan untuk memenuhi fungsi dari resistor R1 dan R3 dalam rangkaian jembatan wheatstone yang telah dibahas sebelumnya Fine Reading Wheatstone Bridge D 12 kohm 3 C B Out In Coarse 10 Turn Resistor 0 V 1 V Rx Gambar 2.5 Fasilitas DIGIC Menggunakan Jembatan Wheatstone Resistor sebesar 12 K Ohm dan resistor tak diketahui disediakan oleh dan R4 dari rangkaian sebelumnya. Saklar disediakan untuk mengaktifkan rangkaian resistor tak diketahui dan memungkinkan pengukuran untuk resistor tak diketahui yang lain yang dihubungkan antara soket C dan hubungan 0V 39

7 Tegangan standar 1 V terdapat pada soket B. Potensiometer berharga 10 K Ohm dengan ketidak linearan maksimum adalah 1,25 %. Tombol fine dikalibrasikan dalam langkah 2, dan pembacaan coarse dikalibrasikan 0 10 sehingga memungkinkan pembacaan dihasilkan dari putaran dengan resolusi 1, ini mewakili resolusi dari 10 ohm Meter kumparan putar dapat digunakan sebagai instrument penunjuk tengah nol, tapi sejak diatur sebagai voltmeter 10 V, sensivitasnya tidak mampu berfungsi langsung sebagai sebuah galvanometer. Kita dapat mengatasi masalah ini dengan menggunakan sebuah amplifier differensial diikuti dengan amplifier penguatan tinggi DC, amplifier no.1 atau 2, untuk menjalankan voltmeter. C. GMBR PERCOBN 1. Pengukuran Resistansi dengan Menggunakan Sebuah Rangkaian Jembatan Wheatstone 5 V 3 D 12 kohm C Rx 0 V B Diff. mp mp # Offset 10 0,1 Fine1,0 0 V Gambar 2.6 Pengukuran Resistansi dengan Rangkaian Jembatan Wheatstone 40

8 2. Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara Null Balance (Metode I): 5 V C 10 kohm B 3 D 12 kohm B 0 V mp # Offset 10 0,1 Fine1,0 V B Diff. mp 0 V Gambar 2.7 Pengukuran Tegangan dengan Cara Null Balance dengan Menggunakan 10 Resistor Wirewound 3. Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Metode Null Balance (Metoda II) C 5 V C mp #1 100 kohm B 10 kohm B 3 D 12 kohm B 0 V Offset 10 0,1 Fine1,0 V B Diff. mp 0 V Gambar 2.8 Pengukuran Tegangan Menggunakan Metode Null Balance dengan Jembatan Wheatstone 41

9 D. LT DN BHN 1. lat dan Bahan Percobaan 1 : Pengukuran Resistansi dengan Menggunakan Sebuah Rangkaian Jembatan Wheatstone. a. Jembatan Wheatstone 1 buah b. mplifier diferensial 1 buah c. mplifier # 1 1 buah d. Voltmeter kumparan putar V 1 buah e. Resistor kawat gulung 10 kω 1 buah f. Jumper/Kabel Penghubung secukupnya 2. lat dan Bahan Percobaan 2 : Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara null balance (Metode 1) a. Resistor kawat gulung 10 k 1 buah b. Jembatan Wheatstone dengan sumber tegangan 1 V 1 buah c. mplifier diferensial 1 buah d. mplifier #1 1 buah e. Kumparan putar 1 buah f. Voltmeter digital 20 V 1 buah g. Jumper/Kabel Penghubung secukupnya 3. lat dan Bahan Percobaan 3 : Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara null balance (Metode 2) a. Jembatan wheatstonedengan sumber tegangan 1 V 1 buah b. mplifier diferensial 1 buah c. mplifier #1 1 buah d. Kumparan putar 1 buah e. Voltmeter digital 20 V 1 buah f. Resistor kawat gulung 10 k 1 buah g. Resistor putaran 100 k / resistor geser karbon 10 k 1 buah h. Jumper/Kabel Penghubungsecukupnya 42

10 E. LNGKH KERJ 1. Langkah Kerja Percobaan 1 : Pengukuran Resistansi dengan Menggunakan Sebuah Rangkaian Jembatan Wheatstone. a. Pertamatama atur konfigurasi amplifier dan meter yang membentuk sensifitas galvanometer sehingga nol menghasilkan output nol ketika pengukuran maksimum. b. Hubungkan meter dan amplifier seperti gambar percobaan18, tapi dengan input dan amplifier diferensial dihubung singkat dengan sebuah kabel sehingga input adalah nol. tur kontrol penguatan coarse amplifier # 1 ke 10 dan "fine" ke 1.0. c. Nyalakan sumber tegangan dan atur kontrol "offset" sehingga meter kumparan putar menunjukkan sekitar nol. Lalu atur kontrol "coarse" ke 100 dan atur ulang kontrol "offset" agar output tepat nol. d. Sakelar rangkaian jembatan Wheatstone diset ke IN, hingga terhubung pada rangkaian resistor tak diketahui, atur kontrol "coarse" amplifier #1 ke 10 dan hubungkan rangkaian seperti gambar percobaan18. e. tur kontrol resistor 10 putaran sehingga meter kumpatan putar membaca kirakira nol, kemudian atur kontrol "coarse" ke 100 dan atur resistor 10 putaran sehingga tepat untuk pembacaan meter sama dengan nol (untuk jembatan pada kondisi seimbang). Pembacaan putaran Resistansi R 3 = 10 x pembacaan putaran Resistansi R 1 = 10,000 R 3 Resistansi R 2 Resistansi tak diketahui R 4 = x R 3 R f. Cobalah pengukuran resistansi yang lain agar anda lebih terbiasa dengan peralatan ini. tur sakelar Jembatan Wheatstone ke OUT untuk memindahkan resistor tak diketahui yang berlabel R x dari rangkaian dan 1 43

11 hubungkan resistor kawat gulung 10 kω di dan B ke rangkaian Jembatan Wheatstone di C dan 0 V. g. Putar maksimum resistor 10 kω, pengaturan 10 ukur resistansi sebagai berikut. 1) Periksa bahwa offset amplifier telah diatur dengan tepat, atur bila perlu. 2) Dengan kontrol "coarse" amplifier no 1 ke 10, hasilkan kirakira kondisi seimbang dengan mengatur resistor 10 putaran. 3) tur kontrol "coarse" amplifier ke 100 dan hasilkan keseimbangan terakhir. Catat pernbacaan putaran dan masukkan harga, pada tabel 7. h. Ulangi langkah pengukuran resistansi resistor 10 kω untuk semua pengaturan dari 10 ke 1, masukkan pembacaan putaran pada tabel7. 2. Langkah Kerja Percobaan 2 : Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara null balance (Metode 1) a. Pertarnatama atur kontrol "offset" mplifier # 1, gunakan langkah yang sama seperti pada percobaan pertama, dengan input amplifier diferensial dihubungkan dan penguatan "fine" amplifier # 1 diatur 1.0, atur "offset" sekitar output nol dengan penguatan "coarse" diatur pada 10 dan terakhir atur untuk nol dengan penguatan diatur pada 100. b. Hubungkan rangkaian seperti garnbar percobaan19 dan pindahkan sakelar rangkaian Jembatan Wheatstone, ke OUT untuk tidak menghubungkan resistor 12 kω dan resistor tak diketahui dari rangkaian. c. tur penguatan coarse amplifier # 1 ke 10 dan atur output dari resistor kawat gulung 10 kω ke 4V seperti ditunjukkan dengan multimeter digital yang menampilkan tegangan tak diketahui. d. tur resistor 10 putaran sekitar kondisi seimbang dan hasilkan keseimbangan akhir dengan penguatan "coarse" amplifier # 1 diatur ke 100. Catat pembacaan putar pada keseimbangan, masukkan harga pada tabel8 dan hitung harga tegangan tak diketahui dari: 44

12 tegangan tak diketahui 1000 xstandar pembacaan putar 1000 x1volt pembacaan putar e. Ulangi langkah ini dengan input tegangan "tak diketahui" diatur untuk tiap harga ditunjukkan pada tabel 8 masukkan harga pembacaan dan penghitungan tegangan untuk tiap harga. f. Set tegangan yang tak diketahui untuk 2.0V dan dalam kondisi seimbang. Dengan pembacaan putar kirakira 0500, menandakan tegangan 2.0V. g. Sekarang pindahkan koneksi dari keluaran resistor wirewound (Soket B) dengan Jembatan Wheatstone (Soket D) dan catat nilai yang ditunjukkan kembali oleh tegangan yang tak diketahui dari voltmeter digital. 3. Langkah Kerja Percobaan 3 : Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara null balance (Metode 2) a. Lakukan langkah pengaturan offset seperti pada percobaan sebelumnya, lalu hubungkan rangkaian seperti gambar 20tapi hanya yang bergaris tebal, gunakan resistor 100 kω. b. tur resistor 10 putaran ke pengaturan maksimumnya (1000), dan atur resistor 100 kω untuk kondisi seimbang (meter kumparan putar menunjuk ke nol). tur kontrol coarse gain amplifier # 1 ke 10 lalu ke 100 selama dilakukan penyeimbangan. Setelah selesai, resistor 10 putaran telah dikalibrasi sehingga pembacaan skala maksimal 1000 mewakili tegangan V. c. Hubungkan soket amplifier diferensial ke tegangan tak diketahui seperti garis terputusputus pada gambar 20. d. tur tegangan tak diketahui ke harga rendah, katakanlah 0,25 V. tur resistor 10 putaran untuk kondisi seimbang. Pembacaan di resistor ini menampikan harga dan tegangan tak diketahui. 45

13 e. Masukkan harga ke tabel 9 dan bandingkan dengan pembacaan yang ditunjukkan oleh meter digital. f. Mengukur nilainilai urutan tegangan keluaran yang dapat diperoleh meskipun resistor 10KΩ ledih rendah dari pengaturan nol dan masukan nilainilai itu dalam Tabel 10. g. Ulangi langkah di atas untuk, input tegangan tak diketahui yang lain dengan range 0 1V. h. Ganti resistor 100kΩ yang telah dikalibrasi dengan 10kΩ slider dan ganti juga 12V masukannya dengan 5V. i. Set angka pengaturan kontrol dari 10 resistor dengan ketentuan 0100 dan hubungkan soket penguat diferensial ke soket B Jembatan Wheatstone seperti yang ditunjukkan dalam gambar 20. j. Lakukan penyesuaian 10kΩ resistor slider dengan ketentuan dalam keadaan seimbang. Ketika selesai, putar resistansi ke 10 yang telah dikalibrasi sedemikian sehingga dengan skala pembacaan putar Dengan begitu tegangannya juga 1.00 V dan skala pembacaan maksimum 1000 akan menghasilkan tegangan 10V. k. Hubungkan soket penguat diferensial ke soket B 10kΩ wirewound resistor seperti yang ditunjukkan dengan titik dalam gambar 8 dan tegangan " yang tak diketahui" pada posisi 010V dalam rangkaian itu. Catat hasil pembacaan putar dalam keadaan seimbang untuk masingmasing pengaturan tegangan dan masukan nilainilai itu dalam tabel