ALAT-ALAT UKUR LISTRIK

OLEH WIDAYANTI,M.Si

PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UIN SUNAN KALIJAGA YOGYAKARTA

1

KATA PENGANTARBuku mengenai alat-alat ukur elektronika yang kami sajikan ini untuk kalangan yang memilih jalur profesi keteknikan maupun fisika. Pengetahuan mengenai alat-alat ukur elektronika sangatlah penting terutama untuk menunjang penyediaan dan pengembangan sumber daya manusia yang berkualitas dan berkompetensi di bidangnya. Alat-alat ukur elektronika merupakan bagian penting dalam pengukuran besaran listrik yang memberikan kontribusi dalam perkembangan teknologi untuk pembangunan. Kami mengharapkan buku ini dapat diterima dan mendapatkan 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 berupa buku teks maupun penelusuran di beberapa situs internet. Kami juga mengharapkan dengan membaca buku ini, pembaca akan mendapatkan pemahaman yang cukup secara mandiri. Selama penulisan buku ini, kami menyadari adanya keterbatasan pengetahuan kami, sehingga adanya kritikan yang membangun terhadap 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 LISTRIKA. Alat Ukur Absolut dan Sekunder B. Alat Ukur Elektronika berdasarkan Prinsip Kerjanya. C. Simbol-simbol Rangkaian Alat Ukur Sekunder D. Alat-alat ukur yang biasa digunakan untuk pengukuran-pengukuran E. Penggolongan Alat ukur Arus /Tegangan, daya, dan Energi berdasarkan Cara kerjanya BAB II. ALAT UKUR MENUNJUK A. Torsi Penyimpang B. Torsi Pengontrol C. Torsi Peredam BAB III. ALAT UKUR KUMPARAN PUTAR A. Struktur alat ukur kuparan putar B. Prinsip kerja C. Kelebihan dan kelemahan alat ukur kumparan putar D. Pengukur Arus (Ammeter) kumparan putar E. Pengukur Tegangan (Voltmeter) kumparan putar BAB III. ALAT UKUR KUMPARAN BESI PUTAR A. Prinsip kerja B. Ammeter dan Voltmeter besi putar jenis tolak C. Peredaman 17 19 20 9 11 13 14 15 5 5 8 4 1 2 3 3

3

D. Alat ukur frekuensi besi putar E. Perluasan batas ukur alat ukur besi putar BAB IV. ALAT UKUR DENGAN THERMOCOUPLE A. Prinsip kerja BAB V. ALAT UKUR INDUKSI A. Prinsip kerja B. Ammeter induksi C. Voltmeter induksi D. Kelebihan dan Kelemahan BAB VI. ALAT UKUR ELEKTROSTATIS A. Prinsip kerja B. Kelebihan dan Kelemahan C. Voltmeter Elektrostatis BAB VII. ALAT UKUR ELEKTRODINAMIS A. Prinsip kerja B. Ammeter elektrodinamis C. Voltmeter elektridinamis D. Kelebihan dan Kelemahan BAB VIII. WATTMETER (ALAT UKUR DAYA LISTRIK) A. Wattmeter elektrodinamis B. Wattmeter digital C. Wattmeter induksi D. Wattmeter thermocouple BAB IX. GALVANOMETER A. Prinsip kerja

22 22

25

27 28 33 34

35 37 37

39 41 41 42

43 45 46 47

49

4

B. Galvanometer Refleksi BAB X. OSILOSKOP A. Osiloskop analog / ART B. Osioskop digital / DSO C. Osiloskop sampling D. Kelebihan dan Kelemahan BAB XI. GENERATOR SINYAL BAB XII. MULTIMETER BAB XII. ALAT-ALAT UKUR DIGITAL A. Voltmeter digital B. Ammeter digital C. Frekuensimeter digital (Frequency counter type)

50

53 57 59 61 63 65

67 70 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, perekam 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 (amperejam) 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 Penyekrupan pemberat Td 1 Sehingga pada posisi berhenti ke atas atau ke bawah system mengatur tingkatan pengontrolan jika kontrol pegas (Td) sebanding dengan 1

11

Tc = Td

atau

1 sin

Untuk mencapai 90, jarak AB meningkat relative kecil untuk perubahan sudut tertentu dibandingkan bila 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 Untuk control pegas Karena maka Tc dan Td 1

Tc = Td

1Karena 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 PUTARA. 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 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 = Apabila jarum penunjuk menyimpang dengan sudut akhir 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 dan kecermatan perakitan permesinan

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 dan dipasang parallel dengan suatu kumparan putar pengukur arus yang mempunyai harga skala maksimum 100 A dan tahanan dari alat putarnya (pegas) sebesar 5 k maka faktor perkalian yang diperoleh adalah sebesar 5.000 + 5,005 = 1.000 5,005

m=

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 + R 2 ) 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 dihubungkan secara seri dengan suatu kuparan putar yang mempunyai harga skala m aksimal 4 mA dan tahanan dalam sebesar 3 maka diperoleh V = ( 3 + 37.500) 0,004 = 150 V pada I = 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-PUTARA. 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 jaringjaring 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 magnet tidak yang kuat. dapat Oleh membangkitkan suatu medan 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 arus ini disebabkan perubahan induktansi kumparan. 3. Pengaruh histerisis magnet: Alat ukur besi putar ini dapat digunakan dalam pengukuran arus searah mupun bolakbalik. Tetapi penggunaan pada araus searah, kesalahan akan terjadi yang disebabkan adanya beda kondisi-kondisi disebabkan kerugian magnetisasi yang berbedahisterisis 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 iR = V v R= V v V ir V = = r i i i = V v

Perbesaran tegangannya

iR V = 1 v Karena iR = V v maka v iR V = 1 v Atau ir V R = 1 + v r Sehingga 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