05 Pengukuran Besaran Listrik INSTRUMEN PENUNJUK ARUS BOLAK BALIK

Transkripsi

1 05 Pengukuran Besaran Listrik INSTRUMEN PENUNJUK ARUS BOLAK BALIK 5.1 Pendahuluan Gerak d Arsonval akan memberi respons terhadap nilai rata-rata atau searah (dc) melalui kumparan putar. Jika kumparan tersebut dialiri arus bolak balik, maka setengah perioda ( siklus positip ), torsi penggerak akan positip dan setengah perioda berikutnya ( siklus negatip) torsi penggerak akan berlawanan arah dari sebelumnya. Apabila frekuensi arus bolak balik sangat rendah, jarum akan berayun ke kiri dan ke kanan sekitar titik nol, akan tetapi jika frekuensinya lebih tinggi, maka inersia kumparan sangat besar, sehingga jarum tidak dapat mengikuti pergantian arah torsi yang cepat, yang menyebabkan jarum berayun-ayun sekitar titik nol dan bergetar. Ada beberapa cara untuk mengukur arus bolak balik dalam gerak d Arsonval, agar diperoleh torsi satu arah, salah satu diantaranya adalah menyearahkan arus bolak balik tersebut, dan disamping itu ada cara lain dengan memanfaatkan pengaruh pemanasan arus bolak balik agar menghasilkan kebesarannya Elektrodinamometer Elektrodinamometer merupakan salah satu alat ukur arus bolak balik yang paling penting, dan sering digunakan sebagai voltmeter dan ampermeter yang akurat tidak hanya pada frekuensi jala-jala, akan tetapi juga dalam daerah frekuensi audio yang rendah. Elektrodinamometer dengan sedikit modifikasi dapat dipakai untuk mengukur : - Daya ( wattmeter ). - VAR ( VAR meter ). - Faktor daya ( power-factor meter ) - Frekuensi ( frequency-meter ). Gerak elektrodinamometer dapat berfungsi sebagai instrumen alih, karena dapat dikalibrasi pada arus searah dan digunakan langsung pada arus bolak balik, menyatakan secara langsung untuk menyamakan pengukuran tegangan dan arus ( dc dan ac ). Perbedaan antara elektrodinamometer dan gerak d Arsonval adalah : Elektrodinamometer memanfaatkan arus yang akan diukur untuk menghasilkan fluksi medan yang diperlukan, sedang gerak d Arsonval menggunakan maknet permanen untuk menghasilkan medan maknet. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 1

2 Rangkaian / skema dari elektrodinamometer ditunjukkan pada gambar 1, terdiri dari : - Dua buah kumparan tetap ( diam ) dibagi menjadi dua bagian yang sama, yang berfungsi untuk menghasilkan medan maknet di dalam mana kumparan putar berputar. Kedua kumparan ini dihubungkan seri dengan kumparan berputar dan dialiri arus yang diukur, dan keduanya ditempatkan agak berjauhan, untuk memberikan ruangan bagi poros kumparan berputar. - Sebuah kumparan berputar yang berfungsi menggerakkan jarum yang diimbangi oleh beban-beban lawan, dan putaran jarum diatur oleh pegas-pegas pengatur, seperti pada gerak d Arsonval. Gambar 1 - Untuk melindungi instrumen dari pengaruh medan maknet, peralatan dibung-kus dengan penutup yang telah dilaminasi. Prinsip Kerja Elektrodinamometer Prinsip kerja elektrodinamometer dapat dipahami dengan meninjau kembali persamaan torsi yang dibangkitkan oleh sebuah kumparan yang tergantung dalam medan maknet, yaitu : T = B x A x I x N Persamaan torsi diatas menyatakan bahwa torsi yang menyebabkan defleksi kumparan putar berbanding lurus dengan konstanta-konstanta kumparan ( A dan H ), kuat medan maknet dimana kumparan berputar (B), dan arus melalui kumparan ( I ). Pada elektrodinamometer kerapatan fluksi ( B ) bergantung pada arus melalui kumparan tetap, jadi berbanding lurus dengan arus defleksi ( I ). Dimensi-dimensi dan jumlah lilitan kumparan merupakan besaran-besaran yang diketahui, maka torsi yang dibangkitkan merupakan fungsi kuadrat arus ( T ~ I 2 ), oleh karena itu elektrodinamometer untuk pemakaian arus searah, skala kuadratnya PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 2

3 mudah diamati, yaitu melalui tanda-tanda skala yang banyak pada nilai-nilai arus sangat rendah, dan menyebar maju pada nilai arus yang frekuensinya tinggi. Pada pengukuran arus bolak balik, torsi yang dibangkitkan setiap saat, sebanding dengan kuadrat arus sesaat ( i 2 ), dimana nilai sesaat i selalu positip dan akibatnya dihasilkan torsi yang bergetar, namun gerakan jarum tidak dapat mengikuti perubahan torsi yang cepat, sehingga jarum menempati suatu posisi dimana torsi rata-rata diimbangi oleh torsi pegas-pegas pengatur. Jadi defleksi alat ukur merupakan fungsi rata-rata dari kuadrat arus. Skala elektrodinamometer, umumnya dikalibrasi dalam akar kuadrat arus rata-rata, yang mempunyai arti bahwa alat ukur membaca nilai rms atau efektif arus bolak balik. Sifat-sifat pengalihan Elektrodinamometer Sifat-sifat pengalihan eletrodinamometer menjadi jelas bila membandingkan nilai efektif arus bolak balik terhadap arus searah berdasarkan pengaruh pemanasan atau pengalihan dayanya. Suatu arus bolak balik menghasilkan panas di dalam sebuah tahanan yang besarnya diketahui, pada laju rata-rata yang sama dengan arus searah ( I ), yang menurut definisi akan mempunyai nilai sebesar I amper. Laju rata-rata pengeluaran panas oleh arus searah sebesar I amper didalam sebuah tahanan adalah I 2 R watt. Laju rata-rata pengeluaran panas oleh suatu arus bolak balik i amper selama T satu perioda dalam tahanan R yang sama adalah : ( 1 / T ) i 2 R dt, jadi berdasarkan definisi : 0 T I 2 R = ( 1 / T ) i 2 R dt dan 0 T I = ( 1 / T ) i 2 dt = rata-rata i 2 0 dimana I adalah nilai rms atau nilai efektif dari arus bolak balik dan sering disebut nilai arus searah ekivalen. Jika elektrodinamometer dikalibrasi untuk arus searah 1 A, dan pada skala diberi tanda menyatakan nilai 1 A, maka arus bolak balik yang menyebabkan jarum menyimpang ke tanda skala untuk 1 A dc tersebut, harus memiliki nilai arus efektif sebesar 1 A, dengan kata lain kita dapat mengalihkan pembacaan yang dihasilkan PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 3

4 arus searah ke nilai arus bolak balik yang sesuai, dan ini akan menetapkan hubungan antara dc dan ac. Elektrodinamometer sangat bermanfaat sebagai instrumen kalibrasi dan sering digunakan untuk keperluan kalibrasi karena ketelitian yang dimiliki. Kekurangan-kekurangan dari elektrodinamometer : - Konsumsi daya yang besar, sebagai akibat langsung dari konstruksinya, Arus yang akan diukur bukan hanya arus yang mengalir melalui kumparan putar, tetapi juga arus yang menghasilkan medan maknet, dan diperlukan gaya gerak maknet ( ggm ) yang tinggi untuk memperoleh medan maknet yang kuat, untuk itu sumber arus akan menyuplai arus dan daya yang tinggi. - Medan maknet yang dihasilkan jauh lebih lemah daripada yang dihasilkan oleh gerak d Arsonval, disebabkan tidak terdapat besi didalam rangkaian ( seluruh lintasan fluksi berisi udara ). - Sensitivitas voltmeter elektrodinamometer rendah, yaitu sekitar ( Ω/V ) ( bandingkan dengan 20 KΩ/V pada alat ukur d Arsonval). - Reaktansi dan tahanan kumparan juga bertambah dengan bertambahnya frekuensi, sehingga penggunaan voltmeter elektrodinamometer terbatas untuk daerah frekuensi rendah, tetapi untuk frekuensi jala-jala alat ini sangat teliti dan karenanya sering digunakan sebagai standar sekunder. Gerak elektrodinamometer dengan atau tanpa shunt, dapat dianggap sebagai ampermeter, akan tetapi untuk merencanakan sebuah kumparan putar yang dapat membawa arus lebih dari 100 ma agak sulit, karena arus ini harus dialirkan ke kumparan putar melalui kawat-kawat besar, yang akan kehilangan fleksibilitasnya. Jika sebuah shunt digunakan, umumnya hanya dihubungkan paralel dengan kumparan yang berputar. Kumparan-kumparan tetap dibuat dari kawat besar yang dapat mengalirkan arus yang besar dan layak untuk membuat ampermeter sampai 20 A. Nilai-nilai arus yang lebih besar umumnya diukur dengan menggunakan sebuah trafo arus dan sebuah ampermeter standar 5 A, ac. 5.3 Instrumen Besi Putar Instrumen-instrumen besi putar dikelompokkan dalam dua jenis, yaitu : 1. Instrumen tarikan ( attraction ) 2. Instrumen tolakan ( repulsion ), lebih umum digunakan. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 4

5 Gerak tolakan daun radial : Sebuah gerak tolak daun radial ditunjukkan pada gambar 2. Gambar 2 Gerak ini terdiri dari : - sebuah kumparan diam yang mempunyai banyak gulungan dimana mengalir arus yang akan diukur. - Dua buah daun besi lunak yang terletak dibagian dalam kumparan, dimana salah satu dikaitkan tetap ke kerangka kumparan, sedang yang lainnya dihubungkan ke poros instrumen, sehingga dapat berputar. Prinsip kerja : - Arus yang mengalir melalui kumparan memaknetisasi kedua daun dengan polaritas yang sama tanpa memperhatikan arah arus sesaat. - Kedua daun yang termaknetisasi akan menghasilkan gaya tolakan, dan disebabkan hanya satu daun yang berputar, maka defleksi sebanding dengan besarnya arus kumparan, dan gaya tolak sebanding dengan kuadrat arus, akan tetapi pengaruh frekuensi dan histeresis cenderung menghasilkan defleksi jarum yang tidak linier dan akibatnya tidak mempunyai hubungan kuadrat yang sempurna. Instrumen daun radial jenis tolakan adalah gerak besi putar yang paling sensitif dan mempunyai skala paling linier. Daun-daun aluminium yang diikat ke poros tepat dibawah jarum berputar didalam sebuah rongga yang besarnya hampir sama, membawa jarum untuk berhenti dengan cepat PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 5

6 Gerak tolakan daun konsentrik : Variasi dari instrumen daun radial adalah gerak tolakan daun konsentrik, seperti ditunjukkan pada gambar 3. Gambar 3 Instrumen ini memiliki dua daun konsentrik, dimana salah satu daun diikat tetap ke kerangka kumparan, sedang yang lainnya dapat berputar secara koaksial dibagian dalam daun yang diam. Prinsip kerja : - Arus yang mengalir melalui kumparan memaknetisasi kedua daun dengan polaritas yang sama dan menyebabkan bergeser ke sisi ketika mengalami gaya tolakan. - Karena daun yang berputar terikat ke sebuah poros engsel, maka gaya tolak ini akan menghasilkan gaya rotasi yang merupakan fungsi arus yang mengalir di kumparan. Gaya rotasi ini dikontrol oleh pegas-pegas, posisi akhir dari jarum jam merupakan ukuran arus kumparan. Seperti halnya semua instrumen daun berputar, gerakannya tidak membedakan polaritas, maka instrumen ini dapat digunakan untuk dc dan ac, tetapi umumnya digunakan untuk pengukuran bolak balik ( ac ). Jika digunakan untuk arus bolak balik, torsi aktual akan bergetar dan dapat mengakibatkan getaran pada ujung jarum. Konstruksi jarum yang kokoh, secara efektif dapat menghilangkan getaran tersebut pada suatu daerah frekuensi yang lebar dan berfungsi untuk mencegah pelengkungan jarum jika mengalami beban lebih. Instrumen konsentrik mempunyai sensitivitas sedang dan karakteristik skala kuadratis. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 6

7 Ketelitian instrumen-instrumen besi putar, terutama dibatasi oleh ketidak-linieran Kurva maknetisasi daun-daun besi. Penambahan sebuah tahanan pengali yang sesuai akan mengubah gerak daun besi menjadi voltmeter dan dengan cara yang sama penambahan shunt akan menghasilkan rangkuman arus yang berbeda. Jika gerak daun besi digunakan sebagai voltmeter arus bolak balik, frekuensi akan memperbesar impedansi rangkaian dan ini cenderung akan memberikan pembacaan tegangan rendah, karena itu voltmeter daun besi sebaiknya selalu dikalibrasi untuk setiap frekuensi yang digunakan. 5.4 Instrumen Jenis Penyearah Rangkaian Penyearah Pengukuran arus bolak balik diperoleh dengan menyearahkan arus tersebut dengan sebuah penyearah. Instrumen-instrumen jenis penyearah umumnya menggunakan gerak PMMC yang digabung dengan rangkaian penyearah, dimana elemen penyearah umumnya terdiri dari dioda germanium atau silikon. Untuk menghasilkan penyearah gelombang penuh, didalam instrumen terdapat empat buah dioda yang dihubungkan didalam rangkaian jembatan. Pada gambar 4 ditunjukkan sebuah rangkaian voltmeter arus bolak balik yang terdiri dari tahanan pengali, penyearah rangkaian jembatan, dan gerak PMMC Gambar 4 PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 7

8 Penyearah rangkaian jembatan menghasilkan arus searah yang bergetar ( pulsasi ) melalui gerak d Arsonval ( PMMC ) s elama satu siklus penuh dari tegangan masukan. Disebabkan oleh inersia kumparan putar, maka alat ukur akan menunjukkan suatu defleksi mantap yang sebanding dengan nilai arus rata-rata. Nilai arus dan tegangan bolak balik umumnya dinyatakan dalam nilai efektif ( rms ), oleh karena itu skala alat ukur dikalibrasi dalam nilai efektif gelombang sinus. Contoh 1 : Sebuah voltmeter arus bolak balik menggunakan rangkaian 4a, dimana gerak d Arsonval ( PMMC ) mempunyai tahanan dalam 50 Ω dan membutuhkan arus searah sebesar 1 ma untuk defleksi penuh. Jika dioda dianggap ideal ( tahanan maju nol dan tahanan balik tak berhingga ) dan tegangan sebesar 10 V rms dihubungkan ke terminal masukan, tentukan nilai tahanan R s yang menghasilkan defleksi penuh. Penyelesaian : Untuk penyearah gelombang penuh : E dc = ---- E m = E rms = 0,9 E rms π π E dc = 0,9 x 10 V = 9 V tahanan total rangkaian dengan mengabaikan tahanan dioda dalam arah maju : 9 V R T = R s + R m = = 9 KΩ 1 ma Jadi ; R s = R T - R m = 9000 Ω - 50 Ω = 8950 Ω Faktor Bentuk : Sebuah gelombang bukan sinus akan mempunyai nilai rata-rata yang dapat berbeda dari nilai rata-rata gelombang sinus murni ( p ada mana alat ukur di kalibrasi ) dan pembacaan yang dihasilkan mungkin salah. Faktor bentuk memberikan hubungan nilai rata-rata dan nilai rms ( efektif ) tegangan dan arus yang berubah terhadap waktu, yaitu : Nilai efektif gelombang bolak balik Faktor bentuk = Nilai rata-rata gelombang bolak balik PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 8

9 Untuk sebuah gelombang sinus : E rms { ( 2 ) / ( 2 ) } E m Faktor bentuk = = = 1,1 ( 5-1 ) E rata-rata ( 2 / π ) E m Pada contoh 1, voltmeter mempunyai skala yang hanya sesuai untuk pengukuran arus bolak balik sinus. Oleh karena itu faktor bentuk persamaan ( 5-1 ), juga merupakan faktor dengan mana arus searah rata-rata diperbesar untuk mendapatkan tanda-tanda skala rms ekivalen. Kurva karakteristik dari sebuah penyearah solid-state Elemen penyearah yang ideal harus mempunyai tahanan maju dan tahanan balik tak berhingga, akan tetapi dalam praktek, penyearah merupakan komponen yang tidak linier, seperti ditunjukkan kurva karakteristik pada gambar 5. Gambar 5 Dari gambar 5 dapat dilihat bahwa : - Pada nilai arus maju yang rendah, penyearah bekerja di bagian kurva yang sangat tidak linier dan tahanannya besar dibandingkan dengan tahanan untuk nilai-nilai arus yang lebih besar. Oleh karena itu skala rendah dari sebuah voltmeter ac rangkuman ganda sering saling berdekatan dan kebanyakan pabrik menyediakan skala tegangan rendah yang terpisah yang khusus di kalibrasi untuk keperluan ini. - Tahanan tinggi dalam bagian permulaan karakteristik penyearah juga memberikan suatu batas sensitivitas yang dapat ditemukan dalam mikroampermeter dan voltmeter. Salah satu kekurangan dari instrumen jenis penyearah, yaitu : tahanan elemen penyearah berubah terhadap temperatur. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 9

10 Ketelitian alat ukur umumnya memuaskan dalam kondisi operasi normal pada temperatur kamar dan biasanya dalam orde ± 5 % pembacaan skala penuh untuk gelombang-gelombang sinus. Pada temperatur yang sangat tinggi atau yang lebih rendah, tahanan penyearah akan merubah tahanan total rangkaian pengukuran, yang cukup menyebabkan kesalahan berat. Jika diperkirakan variasi temperatur adalah besar, alat ukur ini harus dimasukkan didalam sebuah kotak yang temperaturnya dapat diatur. ( terkontrol ). Kerja elemen penyearah juga dipengaruhi oleh frekuensi. Penyearah mempunyai sifat kapasitif dan cenderung melewatkan frekuensi-frekuensi yang lebih tinggi. Pembacaan alat ukur dapat menghasilkan penurunan kesalahan sebesar 0,5 % untuk setiap kenaikan frekuensi sebesar 1 KHz Rangkaian Multimeter Rangkaian yang ditunjukkan pada gambar 6, merupakan rangkaian yang sering digunakan voltmeter arus bolak balik jenis penyearah. + R 1 R 2 R 3 D 1 Masukan arus Bolak-balik - Pemilih rangkuman D 2 M R sh Gambar 6 Pada rangkaian diatas, digunakan dua buah dioda, yang berfungsi sebagai penyearah gelombang penuh, dimana alat ukur dihubungkan sedemikian rupa, sehingga hanya mampu menerima setengah dari arus yang disearahkan. Dioda D 1 konduksi selama setengah siklus positif gelombang masukan dan menyebabkan alat ukur berdefleksi sesuai dengan nilai rata-rata setengah siklus tersebut. Sebuah tahanan R sh diparalel dengan alat ukur, yang bertujuan untuk mengalir-kan arus yang lebih besar ke D 1 dan memindahkan titik kerjanya ke bagian linier dari kurva karakteristik. Jika dioda D 2 tidak ada dalam rangkaian, maka pada setengah perioda negatif dari tegangan masukan akan memberikan tegangan balik ke dioda D 1 dan akan mengakibatkan kebocoran arus yang kecil dalam arah balik. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 10

11 Kebocoran arus ini akan menghasilkan nilai rata-rata dari siklus total lebih kecil dari yang seharusnya dihasilkan oleh penyearahan setengah gelombang dan dioda D 2 digunakan untuk mengatasi masalah ini. Jika dioda D 2 ada dalam rangkaian, maka pada setengah siklus negatif, dioda D 2 konduksi dan arus melalui rangkaian pengukuran ( dalam hal ini berlawanan arahnya ), tidak mengalir melalui alat ukur. Tanda-tanda skala yang sama untuk rangkuman-rangkuman arus searah dan arus bolak-balik, sering digunakan oleh Multimeter komersil. Oleh karena komponen arus searah gelombang sinus untuk penyearahan setengah gelombang sama dengan 0,45 kali nilai efektifnya ( rms ), maka suatu masalah akan terjadi. Untuk memperoleh defleksi yang sama pada rangkuman tegangan searah dan bolak-balik yang saling berhubungan, maka tahanan pengali rangkuman bolak balik harus diperkecil secara berimbang. Untuk mengatasi masalah tersebut, digunakan rangkaian seperti ditunjukkan pada gambar 7, dan pada contoh 2 masalah ini akan dibahas lebih rinci. R s D 1 + I t I sh I m Masukan arus Bolak-balik D 2 R sh M - Gambar 7 Contoh 2 : Sebuah alat ukur mempunyai tahanan dalam sebesar 100 Ω dan memerlukan arus searah 1 ma untuk defleksi penuh. Tahanan shunt sebesar 100 Ω dihubungkan paralel dengan alat ukur. Dioda D 1 dan D 2 masing-masing mempunyai tahanan maju rata-rata sebesar 400 Ω dan dianggap mempunyai tahanan balik tak berhingga. Pada rangkuman 10 V, Tentukan : a. nilai tahanan pengali R s b. sensitivitas voltmeter pada rangkuman 10 V ac tersebut Penyelesaian : a. Tahanan R m dan R sh, nilainya sama, yaitu : 100 Ω, arus total yang disuplai oleh sumber untuk defleksi penuh I t = 2 ma ( I t = I m + I sh = = 2 ma ). PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 11

12 Untuk penyearahan setengah gelombang, nilai dc ekivalen dari tegangan ac yang disearahkan adalah : E dc = 0,45 E rms = 0,45 x 10 V = 4,5 V Maka tahanan total rangkaian instrumen R T adalah : R T = E dc / I t = 4,5 V / 2 ma = 2250 Ω Tahanan total terdiri dari beberapa bagian. Karena kita hanya tertarik pada tahanan rangkaian selama setengah perioda dimana alat ukur dialiri arus, maka tahanan balik dioda D 2 dapat dihilangkan dari rangkaian, jadi : R m R sh R T = R s + R D R m + R sh 100 x 100 R T = R s = R s dengan demikian nilai tahanan pengali R s adalah : R s = R T = = 1800 Ω b. Sensitivitas voltmeter pada rangkuman 10 V ac adalah : 2250 Ω S = = 225 Ω / V 10 V Catatan : Gerak yang sama, jika digunakan pada voltmeter arus searah akan menghasil-kan sensitivitas sebesar 1000 Ω / V. Daftar Pustaka 1. Wiliam D. Cooper, Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran Jakarta, September 2008 Ir. S.O.D. Limbong PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 12