Embed Size (px)
Citation preview
ALAT UKUR DAN PENGUKURAN LISTRIK
Kebesaran listrik seperti arus, tegangan, daya dan sebagainya tidak dapat secara langsung
kita tanggapi dengan panca indera kita. Untuk memungkinkan pengukuran maka kebesaran
listrik DC maupun AC ditransformasikan melalui suatu phenomena yang akan memungkinkan
pengamatan melalui panca indera kita; misalnya kebesaran listrik seperti tegangan, arus,
resistansi, daya, faktor kerja, dan frekuensi ditransformasikan melalui suatu phenomena fisis ke
dalam kebesaran mekanis atau elektrik.
Awalnya dipakai alat-alat ukur analog dengan penunjukan menggunakan jarum dan membaca
dari skala. Sampai saat ini alat ukur analog masih tetap digunakan karena handal, ekonomis, dan
praktis. Alat ukur ini sering disebut alat ukur kumparan putar. (Gambar 1.a), sedangkan sekarang
sudah banyak dipakai alat ukur listrik digital, karena harganya makin terjangkau, praktis dalam
pemakaian, dan penunjukannya makin akurat dan presisi dan hasilnya tinggal membaca pada
layar display (Gambar 1.b).
Pada umumnya dalam satu alat ukur listrik dapat digunakan untuk mengukur beberapa
besaran, misalnya tegangan AC dan DC, arus listrik DC dan AC, resistansi sering kita sebut
Multimmeter.
Untuk kebutuhan praktis alat ukur dipakai alat ukur tunggal, misalnya untuk mengukur
tegangan saja, atau daya listrik saja.
Pada umumnya satu alat ukur mempunyai banyak fungsi sering di sebut Multimete r yang
memiliki tiga fungsi pengukuran, yaitu
1. Voltmeter untuk tegangan AC dengan batas ukur 0-500 V, pengukuran tegangan DC dengan
batas ukur 0-0,5 V dan 0-500 V.
2. Ampermeter untuk arus listrik DC dengan batas ukur 0-50 µA dan 0-15 A, pengukuran arus
1
listrik AC 0-15 A.
3. Ohmmeter dengan batas ukur dari 1 - 1M.
1. DEFINISI & KONSEP PENGUKURAN
Berkaitan dengan pengukuran maka beberapa istilah/definisi perlu Anda ketahui agar
dapat memahami konsep pengukuran.
1.2. PENGUKURAN
Adalah proses untuk mendapatkan informasi besaran fisis tertentu, seperti tekanan (p), suhu
(T), tegangan (V), arus listrik (I). Informasi yang diperoleh dapat berupa nilai dalam bentuk angka
(kuantitatif) maupun berupa pernyataan yang merupakan sebauh simpulan (kualitatif). Untuk
mendapatkan informasi tersebut maka diperlukan alat ukur, misalnya untuk mengetahui tegangan V
menggunakan alat multimeter.
1.3. DATA PENGUKURAN
Informasi yang diperoleh dalam suatu pengukuran disebut data. Sesuai dengan sifat pengukuran
maka data dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu sebagai berikut:
1. Data kualitatif
Dengan data ini maka informasi yang diperoleh berupa sebuah pernyataan simpulan, misalnya
“nilai kuantitas suhu dari sensor LM35 dapat dirubah menjadi sinyal digital menggunakan ADC”.
2. Data Kuantitatif
Bila informasi yang diperoleh dalam pengukuran berupa nilai/angka maka data itu disebut data
kuantitatif, misalnya sebuah pengukuran tegangan diperoleh ( 10 ± 1) volt.
Digolongkan menjadi dua jenis, yaitu:
a. Data empiris
Data ini diperoleh langsung saat dilakukan pengukuran (apa yang terbaca pada alat ukur). Data
empiris sering disebut juga data mentah karena belum diproses lebih lanjut. Tegangan yang
terbaca pada voltmeter, misalnya adalah termasuk data empiris.
b. Data Terproses (processed data)
Data ini diperoleh setelah dilakukan pengolahan tertentu, misalnya melalui sebuah perhitungan.
Sebagai contoh jika diukur tegangan V dan arus I maka hambatan R = V/I setelah dihitung hasilnya
disebut data terproses Data tipe ini biasanya diperoleh dari proses reduksi data.
1.4. REDUKSI DATA
Berkaitan dengan data di atas maka setelah data terkumpul dari hasil suatu pengukuran
selanjutnya dilakukan proses perhitungan-perhitungan matematik atau dilakukan penyusunan ulang
data-data. Proses/prosedur ini disebut reduksi data atau pengolahan data.
2
1.5. ALAT UKUR LISTRIK
Piranti yang digunakan dalam pengukuran untuk memperoleh data disebut alat ukur. Istilah lain
berkaitan dengan alat ukur adalah instrumentasi, yang menggambarkan satu kesatuan alat ukur
tersebut, menyangkut alat serta mekanisme pengukurannya secara keseluruhan. Alat ukur listrik
adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur besaran-besaran listrik beserta turunan-turunannya,
seperti tegangan, arus, daya, frekuensi, hambatan. Contoh dari alat ukur listrik adalah voltmeter untuk
mengukur tegangan. Alat ukur listrik memiliki beberapa keunggulan, di antaranya mudah digunakan;
cepat menampilkan hasil pengukuran, sensitivitas, kemampuan menyimpan informasi, akurasi, presisi,
dan lain-lain.
1.6. RALAT & KETIDAKPASTIAN
Secara konsep pengukuran, baik karena keterbatasan alat ukur maupun karena kondisi
lingkungan maka dipercaya bahwa setiap pengukuran akan selalu menghasilkan hasil ukur yang
tidak semestinya (sebenarnya). Dalam hal ini diasumsikan hasil benar tersebut tidak diketahui.
Simpangan atau selisih (difference) antara hasil ukur (hasil pengamatan) dan hasil yang sebenarnya
tersebut dinyatakan disebut sebagai ralat (error). Perlu dicermati di sini bahwa pengertian ralat bukan
berarti kita salah mengukur, tapi lebih menggambarkan deviasi hasil baca alat ukur terhadap nilai
"benar" besaran fisis yang diukur, akibatnya tidak mengetahui nilai benar dari apa yang ingin diukur.
Meskipun demikian pada beberapa buku ada yang menyebutkan ralat dengan istilah kesalahan karena
mengambil dari istilah error, Oleh karena kita tidak mengetahui nilai benar tersebut maka hasil ukur
yang kita peroleh harus dinyatakan dalam bentuk rentang (interval) hasil pengukuran. Dengan
pengertian ini maka dalam mengukur tegangan misalnya, hasilnya dinyatakan dengan 1,5 <V< 1,6
volt atau V = (1,4 ± 0,1) volt. Nilai benar pengukuran tentu saja berada di dalam rentang hasil
pengukuran ini. Oleh karena sebuah rentang nilai pengukuran sekaligus menyatakan ketidakpastian
(uncertainty) hasil ukur maka pengertian ralat sering tidak dibedakan dengan pengertian
ketidakpastian untuk menunjukkan deviasi pengukuran terhadap nilai benar. Sebagai contoh, sebuah
pengukuran tegangan dituliskan hasilnya dengan V = (10,5 ± 0,5) volt, artinya alat ukur kita
menunjukkan hasil baca 10,5 volt (dengan ketidakpastian/ralat pengukuran 0,5 volt, sedangkan nilai
benar kita berada dalam selang nilai (10,5 - 0,5 = 10,0 ) volt s.d (10,5 + 0,5 = 11,0) voIt.
1.7. AKURASI
Suatu alat ukur dikatakan tepat jika mempunyai akurasi yang baik yaitu hasil ukur menunjukkan
ketidakpastian yang kecil. Dapat juga dipahami sebagai seberapa dekat hasil ukur dengan nilai 3
benarnya. Dalam hal ini sebelum sebuah alat ukur digunakan, harus dipastikan bahwa kondisi alat
benar-benar dalam keadaan baik dan layak untuk digunakan, yaitu alat dalam keadaan terkalibrasi
dengan baik. Kalibrasi yang buruk akan menyebabkan ketidakpastian hasil ukur menjadi besar.
1.8. KALIBRASI
Alat ukur perlu diteliti kalibrasinya sebelum dipergunakan agar hasil ukurnya dapat dipercaya.
Saat kalibrasi harus selalu menempatkan jarum penunjuk pada titik nol yang sesungguhnya, saat alat
ukur akan digunakan. Sering pada sebuah alat ukur jarum penunjuk tidak berada pada titik nol yang
semestinya sehingga saat digunakan nilai baca selalu lebih besar atau lebih kecil dari yang seharusnya
sehingga menyumbang apa yang disebut ralat sistematis. Secara umum pengertian kalibarasi di sini
adalah membandingkan alat ukur Anda dengan referensi. Referensi (standar) yang digunakan untuk
mengkalibrasi alat ukur dapat ditempuh dengan beberapa tahap.
1. Standar Primer
Apabila ada standar primer maka sebaiknya acuan ini yang digunakan untuk mengecek
kalibrasi alat. NIST (National Institute of Standard and Technology) dalam hal ini termasuk yang
memiliki wewenang untuk selalu memelihara dan menyediakan standar-standar yang diperlukan
dalam pengukuran, misalnya temperatur, massa, dan waktu.
2. Standar Sekunder
Biasanya standar primer tidak dapat ditemukan maka dapat menggunakan standar sekunder
berupa alat ukur lain yang diyakini mempunyai akurasi yang lebih baik. Sebagai contoh, voltmeter
Anda pada waktu digunakan menunjukkan pembacaan 4,5 volt. Alat lain yang diyakini akurasinya
(standar sekunder) menghasilkan nilai 4,4 volt. Dengan ini berarti voltmeter dapat dikalibrasi 0,1 volt
lebih kecil.
3 . Standar Lain yang Diketahui
Apabila standar sekunder juga tidak dapat diperoleh, Anda dapat menggunakan acuan lain,
misalnya nilai hasil perhitungan teoretik.
1.9. PRESISI
Sebuah alat ukur dikatakan presisi jika untuk pengukuran besaran fisis tertentu yang diulang
maka alat ukur tersebut mampu menghasilkan hasil ukur yang sama seperti sebelumnya. Sebagai
contoh jika pengukur tegangan dengan voltmeter menghasilkan pcngukuran diulang beberapa kali
kemudian tetap menghasilkan pembacaan 5,61 volt, alat-alat tersebut sangat presisi. Oleh karena
itu, sifat presisi sebuah alat ukur bergantung pada resolusi dan stabilitas alat ukur.
1. Resolusi
4
Sebuah alat ukur dikatakan mempunyai resolusi yang tinggi/baik jika alat tersebut mampu
mengukur perubahan nilai besaran fisis untuk skala perubahan yang semakin kecil. Voltmeter dengan
skala terkecil 1 mV tentu mempunyai resolusi lebih baik dibanding voltmeter dengan skala baca
terkecil 1 volt.
2. Stabilitas
Stabilitas alat ukur dikaitkan dengan stabilitas hasil ukur/hasil pembacaan yang bebas dari
pengaruh variasi acak. Jadi, dikaitkan dengan penunjukan hasil baca yang tidak berubah-ubah selama
pengukuran. Jarum voltmeter tidak bergerak-gerak ke kiri maupun ke kanan di sekitar nilai tertentu.
Jadi, sebuah alat ukur yang baik harus memiliki akurasi yang baik juga harus menghasilkan presisi
tinggi. Sebuah alat ukur mungkin saja mempunyai presisi yang baik, tetapi tidak akurat dan
sebaliknya. Selain sebuah alat ukur perlu mempunyai akurasi dan presisi yang baik, perlu juga
memiliki sensitivitas yang tinggi.
3. Sensitivitas
Apabila alat ukur mempunyai respon yang baik terhadap setiap perubahan kecil sinyal
input/masukan sehingga output (hasil baca) mengikuti perubahan tersebut maka alat dikatakan
sensitif.
2. SATUAN STANDAR
Ukuran standar dalam pengukuran sangat penting, karena sebagai acuan dalam peneraan alat
ukur yang diakui oleh komunitas internasional. Ada enam besaran yang berhubungan dengan
kelistrikan yang dibuat sebagai standar, yaitu standar amper, resistansi, tegangan, kapasitansi,
induktansi, kemagnetan, dan temperatur.
Satuan standar dalam pengukuran listrik telah ditetapkan dalam International Electrical Kongres
sejak tahun 1893. Namun, untuk Internasional Ampere dan Ohm telah ditetapkan di London tahun
1908. Adapun satuan standar yang sering digunakan dalam listrik sebagai berikut:
a. Muatan listrik mempunyai satuan dasar yang disebut dengan Coulomb. Huruf Q atau q biasa
digunakan untuk merepresentasikan muatan listrik. Simbol untuk satuan muatan adalah C. Satu
coulomb = 6,25 x 1018 elektron.
b. Arus listrik adalah ampere. Hal yang didefinisikan sebagai besarnya arus konstan yang mengalir
pada kawat panjang sejajar yang berjarak satu meter satu dengan yang lainnya dalam ruang vakum,
di mana dari peristiwa tersebut dihasilkan gaya sebesar 2x10-7 Newton per meter. Sutu ampere
absolut setara dengan gaya antar konduktor sejajar sebesar 2x10-7 Newton per meter. Hasil
perjanjian terakhir untuk memudahkan disepakati bahwa nilai ampere internasional setara dengan
5
endapan elektrolit perak dari larutan perak nitrat. Satu Ampere setara dengan besarnya arus yang
mengendapkan perak dengan kecepatan sebesar 1,118 miligram per second dari suatu laruta perak
nitrat standar. Satuan ampere disimbolkan dengan A. Sedangkan representasinya diwakili oleh
huruf I atau i. Representasi tersebut sering dilihat dalam sebuah diagram rangkaian listrik.
c. Tegangan listrik adalah volt. Biasa disimbolkan dengan V. Satu volt standar disepakati dengan
tegangan yang dihasilkan sel Weston, yang terdiri dari sepasang elektroda positif, yaitu air raksa
dan elektroda negatif cadmium amalgam (10% Cd), dengan larutan elektrolit cadmium sulfat. Sel
saturasi weston adalah sel weston yang mempunyai larutan saturasi pada sernua temperatur yang
disebabkan oleh pengaruh kristal-kristal cadmium sulfat yang menutupi elektroda-elektrodanya.
Sel saturasi weston pada 20°C mempunyai tegangan 1,0858 volt absolut dan pada temperatur lain
nilai tegangannya sebagai berikut:
Et = e20oC - 0,000046 (t - 20) - 0,00000095 (t - 20 )2 + 0,00000001(t – 20)2
dalam satuan volt.
d. Hambatan listrik adalah parameter listrik yang sering disimbolkan dengan huruf R. Sedangkan
satuan hambatan listrik adalah ohm dan biasa disimbolkan dengarn huruf Greek Yunani Ω. Satu
ohm setara dengan hambatan yang membatasi 1 A arus yang lewat dengan tegangan dari gaya
gerak listrik (ggl) sebesar 1 volt. Satu ohm standar dihasilkan dari sebuah kawat yang terbuat dari
paduan bahan mirip manganin yang memiliki hambatan jenis yang tinggi dan koefisien temperatur
hambatan yang rendah sehingga hubungan antara temperatur dan hambatan hampir konstan. Kawat
hambatan ini berwujud kumparan yang dimasukkan dalam bejana berdinding rangkap yang disegel
untuk mencegah pengaruh lingkungan sekitar (atmosfer).
e. Kapasitansi adalah Farad biasa disimbolkan dengan huruf F. Kapasitansi standar sebagai acuan
biasa dibuat dengan bahan pelat logam yang disusun sejajar dengan udara sebagai bahan
dielektriknya. Komponen elektronik yang mempunyai kapasitansi biasa disebut dengan kapasitor
dan sering disimbolkan dengan huruf C.
f. Induktansi listrik adalah Henry biasa disimbolkan dengan huruf H. Induktansi terjadi bila sebuah
kawat dibuat kumparan dengan jumlah lilitan tertentu. Jenis bahan dan jumlah lilitan kumparan
mempengaruhi jumlah induktansi yang dihasilkan. Induktansi standar oleh NBS ditetapkan dari
standar Campbell untuk induktansi bersama dan induktansi diri.
Secara praktis besaran listrik yang sering digunakan adalah volt, amper, ohm, henry, dan
sebagainya. Kini sistem SI sudah membuat daftar besaran, satuan dan simbol di bidang kelistrikan
dan kemagnetan berlaku internasional.
6
Tabel 2.2. Besaran dan Simbol Kelistrikan
Besaran dan simbol Nama dan simbol Persamaan
Arus listrik, I amper A -
Gaya gerak listrik, E volt, V V -
Tegangan, V volt, V V -
Resistansi, R ohm, Ω R = V/I
Muatan listrik, Q coulomb C Q = It
Besaran dan simbol Nama dan simbol Persamaan
Kapasitansi, C farad F C = Q/V
Kuat medan listrik, E - V/m E = V/l
Kerapatan fluk listrik, D - C/m2 D = Q/I2
Permittivity, - F/m = D/E
Kuat medan magnet, H - A/m ∫ Hdl = nI
Fluk magnet, weber Wb E =d/dt
Kerapatan medan magnet, B tesla T B = /I2
Induktansi, L, M henry H M = /I
Permeability, - H/m µ = B/H
3. SISTEM SATUAN
Pada awal perkembangan teknik pengukuran mengenal dua sistem satuan, yaitu sistem metrik
(dipelopori Prancis sejak 1795). Amerika Serikat dan Inggris juga menggunakan sistem metrik
untuk kepentingan internasional, tapi untuk kebutuhan lokal menggunakan sistem CGS
(centimeter-gram-second). Sejak tahun 1960 dikenalkan Sistem Internasional (SI Unit) sebagai
kesepakatan internasional.
Tabel 2.1. Besaran Sistem Internasional
Besaran Satuan SimbolPanjang meter mMassa kilogram kgWaktu detik sArus listrik amper ATemperatur thermodinamika derajat kelvin 0KIntensitas cahaya candela Cd
7
4. KONSEP PENGUKURAN BESARAN LISTRIK
Besaran listrik yang biasa dikenal adalah arus listrik, hambatan listrik, kapasitansi dan
induktansi. Besaran-besaran tersebut dapat diukur secara praktis dengan alat-alat digital meter atau
analog meter. Untuk menjelaskan konsep pengukuran secara jelas maka perlu dijelaskan kembali
tentang diagram rangkaian listrik terutama tentang rangkaian seri dan paralel. Namun, sebelum ini kita
pelajari terlebih dahulu tentang kawat konduktor dan hambat jenis.
4.1. Kawat Konduktor
Sebuah kawat konduktor padat akan mempunyai nilai hambatan, kecuali hila bahan konduktor
tersebut adalah superkonduktor dengan R= 0. Besar hambatan yang dikandung oleh bahan konduktor
dipengaruhi oleh:
a. jenis material penyusun,
b. panjang kawat konduktor,
c. luas penampang lintang konduktor, dan
d. nilai temperatur konduktor.
Berdasarkan faktor-faktor yang berpengaruh tersebut dirumuskan persamaan hambatan listrik
dalam sebuah konduktor:
dimana,
ρ = hambatan jenis bahan kawat konduktor,
L = panjang kawat konduktor,
A = luas penampang lintang kawat konduktor
d = panjang diameter kawat yang berbentuk silinder.
Apabila nilai temperatur konduktor mempengaruhi harga hambatan Iistrik maka hambatan listrik
pada suhu t adalah:
Gambar 4.1. Kawat Konduktor Berbentuk Silinder Panjang
8
4.2. Rangkaian Listrik
Dalam sebuah rangkaian listrik dikenal dua jenis rangkaian listrik, yaitu rangkaian listrik seri
dan paralel.
a. Rangkaian seri
Pada gambar 4.2 (a), dimaksudkan untuk pembagian tegangan listrik antara ujung akhir dari R1
dengan ujung awal R2, ujung akhir dari R2 dengan ujung awal.....Rn, sedangkan arus yang mengalir
pada hambatan R1, R2, .... Rn adalah sama dan tegangan tidak sama jika besarnya R1, R2 dan R3
tidak sama dan sebaliknya
a. Rangkaian paralel
dimaksudkan untuk pembagian arus listrik melalui titik percabangan.
Dalam gambar rangkaian listrik kedua jenis rangkaian tersebut dapat dilihat dalam Gambar 4.2.
, , sedangkan pada gambar 4.2 (b) arus dari sumber tegangan tidak sama dalam rangkaian paralel
sesuai dengan hukum kirchof'f tetapi besarnya tegangan sama.
Gambar 4.2.(a) Rangkaian Seri dan (b) Rangkaian Paralel
4.3. Pengukuran Arus dan Tegangan Listrik
Untuk mengukur besar arus listrik dalam suatu rangkaian maka amperemeter harus dihubungkan
seri dengan titik rangkaian yang akan diukur besar arusnya. Sedangkan untuk pengukuran tegangan
listrik maka voltmeter harus dihubungkan paralel dengan titik pada rangkaian yang akan diukur
tegangan listriknya. Secara umum hubungan antara tegangan dengan hambatan dan kuat arus listrik
mengikuti aturan Hukum Ohm, yaitu nilai hambatan listrik dalam suatu rangkaian sebanding dengan
besar beda potensial antara dua titik (tegangan listrik) dan berbanding terbalik dengan kuat arus yang
melewatinya. Secara sederhana hubungan ini dapat dituliskan sebagai V = I R.
Dalam rangkaian Gambar 4.3 (a), terlihat bahwa ampermeter terhubung seri terhadap R dan
voltmeter terhubung paralel, Ra dan Rv adalah hambatan dalam amperemeter dan voltmeter. Pada
pengukuran model seperti ini arus yang mengalir dalam R tidak terukur secara teliti, namun tegangan
dalam R dapat terukur dengan teliti.
9
Gambar 4.3 (a). Rangkaian Pengukuran Arus dan Tegangan
Pada keadaan tersebut dapat digunakan persamaan sebagai berikut.
1/R = I/V – 1/Rv
Untuk mendapatkan hasil pengukuran arus yang teliti maka rangkaian pengukuran harus diubah
menjadi Gambar 4.4
Gambar 4.4. Rangkaian Pengukuran Arus pada R Secara Teliti
Dari Gambar 4.4 tersebut dapat diformulasikan sebagai berikut.
a. Pengukuran hambatan listrik Ω
Pengukuran hambatan listrik suatu komponen dalam rangkaian listrik digunakan Ohmmeter.
Sebelum pengukuran dilakukan, harus dipastikan bahwa sumber tenaga listrik dalam rangkaian
dalam posisi off (switch off). Untuk mengukur hambatan komponen dalam rangkaian perlu dilakukan
langkah-langkah sebagai berikut.
1. Power dalam posisi off dengan membuka switch
2. Memutus komponen yang akan diukur dari rangkaian
3. Mengukur hambatan komponen tersebut secara seri dengan Ohmmeter
Gambar 4.5. Cara Pengukuran Hambatan pada Komponen R,
10
Secara sederhana diagram pengukuran hamhatan dengan Ohmmeter adalah seperti terlihat dalam
Gambar 4.5. Pada gambar tersebut, terlihat switch dalam posisi terbuka dan tanda x menunjukkan
salah satu sisi komponen R1 yang dipotong. Sesaat kemudian nilai hambatan dapat dibaca dengan
Ohmmeter.
11
1.2. Alat Ukur Kumparan Putar
Yang dimaksudkan dengan "alat ukur kumparan putar", adalah alat pengukur, yang
bekerja atas dasar prinsip adanya suatu kumparan listrik, yang ditempatkan pada medan magnit
dari suatu magnit permanen. Arus yang dialirkan melalui kumparan akan menyebabkan kumparan
tersebut berputar. Alat ukur kumparan putar merupakan alat ukur yang dipakai untuk mengukur
arus maupun tegangan baik AC (balak-balik) atau searah (DC). Pemakaian dari alat ukur
kumparan putar adalah sangat luas, mulai dari alat-alai ukur yang ada di laboratorium sampai
pada alat ukur yang ditempatkan di dalam pusat-pusat pembangkit listrik.
Gambar. 2 Prinsip alat ukur besi putar
Alat ukur besi putar memiliki anatomi yang berbeda dengan kumparan putar. Sebuah belitan
kawat dengan rongga tabung untuk menghasilkan medan elektromagnetik (Gambar. 2).
Di dalam rongga tabung dipasang sirip besi yang dihubungkan dengan poros dan jarum
penunjuk skala meter. Jika arus melalui belitan kawat, timbul elektromagnetik dan sirip besi akan
bergerak mengikuti hukum tarik-menarik medan magnet.
Besarnya simpangan jarum dengan kuadrat arus yang melewati belitan skala meter bukan
linear tetapi jaraknya angka non-linear. Alat ukur besi putar sederhana bentuknya dan cukup
handal.
1.3 Prinsip Kerja
Lihat Gbr. 3-1. Bila pemutus arus K ditutup yang memungkinkan arus searah yang konstan
melalui alat ukur amper maka jarum penunjuk akan bergerak melalui posisi 1, 2, 3, dan
berhenti pada 4, seperti pada Gbr. 3-2. Pada saat ini akan dijelaskan dulu apa yang dimaksudkan
dengan "sudut akhir dari rotasi" dari pada jarum penunjuk.
12
Gbr. 3-1 Alat ukur jenis kumparan putar.
Gbr. 3-3, diperlihatkan adanya magnit yang permanen (1), yang mempunyai kutub-kutub
(2), dan di antara kutub-kutub tersebut ditempatkan suatu silinder inti besi (3). Penempatan
silinder inti besi (3) tersebut di atas ini, di antara ke dua kutub magnit, Utara dan Selatan, akan
menyebabkan bahwa, di celah udara antara kutub-kutub magnit dan silinder inti besi akan terbentuk
medan magnit yang rata, yang masuk melalui kutubkutub tersebut ke dalam silinder, secara radial
sesuai dengan, arah-arah panah. Dalam celah udara, ini ditempatkan kumparan putar (4), yang
dapat berputar melalui sumbu (8). Bila arus searah yang tidak diketahui besarnya mengalir
melalui kumparan tersebut, suatu gaya elektromagnitis f yang mempunyai arah tertentu akan
dikenakan pada kumparan putar, sebagai hasil interaksi antara arus dan medan magnit. Arah
dari gaya f dapat ditentukan menurut ketentuan tangan dari Fleming (lihat Gbr. 1-4). Besar dari
gaya ini akan dapat diturunkan dengan mudah. Nyatakanlah besar medan magnit dalam
celah udara sebagai B, panjang kumparan sebagai a, dan lebar kumparan sebagai b. Momen putar
Td, dapat dinyatakan sebagai :
n menyatakan banyaknya lilitan dari kumparan putar.
Pada setiap ujung dari pada sumbu (8), ditempatkan pegas yang salah satu ujungnya melekat
padanya, sedangkan ujung yang lain pada dasar yang tetap. Setiap pegas akan memberikan gaya
reaksinya yang berbanding lurus dengan besar sudut rotasi dari sumbu, dan berusaha untuk
menahan perputaran. Jadi dengan kata lain, pegas memberikan pada sumbu moment Tc, yang
berlawanan arahnya dengan Td,. Bila konstanta pegas dinyatakan sebagai maka besar Tc, dapat
dinyatakan sebagai:
Tc = 3.1
Bila sumbu (8) dan pula kumparan putar (4), berputar melalui sudut akhir sebesar 0, maka
dalam keadaan seimbang ini Td = Tc, sehingga terdapat persamaan sebagai berikut :
o = B n a b I 3.2
3.3
13
Dengan demikian maka sudut akhir o dari putaran sumbu yang menjadi pula tempat melekat
penunjuk (6), ditentukan oleh persamaan (1-3). Kebesaran-kebesaran (Bnab/) disebut sebagai
konstanta alat ukur.
Pada umumnya, momen seperti Td disebut momen penggerak, dan alat yang
menyebabkannya dikenal sebagai alat penggerak. Sedangkan momen Tc disebut momen pengontrol.
Dengan berpegang kepada pengertian-pengertian ini, maka harga sudut rotasi akhir dari
penunjuk, pada alat pengukur kumparan putar, ditentukan oleh hubungan antara momen
penggerak dan momen pengontrol, dan dinyatakan dalam persamaan (3-3).
1.4 Cara Menentukan Skala
Cara penentuan skala alat ukur kumparan putar akan dijelaskan melalui suatu grafik, yang
menghubungkan persamaan antara sudut putar dan momen penggerak T. Sumbu horizontal
menyatakan sudut putar , dan sumbu vertical momen seperti dinyatakan pada Gbr. 4-1.
Misalkan suatu alat pengukur kumparan putar berputar melalui sudut sebesar 1,2 radial
bila arus searah yang melaluinya adalah sebesar 5 mA. Bila momen-momen penggerak yang
disebabkan oleh arus-arus sebesar 1, 2, 3, 4, dan 5 mA dinyatakan sebagai TD1, TD2 TD3 TD4
dan TD5 , maka momen-momen tersebut pada Gbr. 4-1 dapat digambarkan sebagai garis-
garis datar dan berjarak sama satu dan lainnya.
Ingat bahwa momen-momen penggerak tersebut hanya ditentukan oleh besarnya arus,
dan tidak tergantung dari sudut putar dari penunjuk. Momen pengontrol berbanding lurus
dengan besar sudut putar, dan digambarkan dalam grafik sebagai garis lurus yang
menghubungkan titik mula dengan A. Bila sudut perputaran dari penunjuk dalam keadaan
keseimbangan antara momen penggerak dan momen pengontrol, pada masing-masing momen
penggerak dinyatakan sebagai 1, 2, 3, 4, 5, maka didapat 1, = 21, 3 = 31, 4 = 41, dan
14
5 = 51.
Dengan demikian bila skala dibentuk dengan membagi busur lingkaran sebesar 1,2 rad
ke dalam lima bagian-bagian yang sama, dan memberikan angka-angka pada lima bagian
dari skala tersebut 0, 1, 2, 3, 4, dan 5 seperti pada Gbr. 4-2, maka arus yang melalui alat
ukur ini dapat segera dinyatakan pada harga skala dimana penunjuk berhenti (maksimal).
Misalnya dalam gambar yang sekarang, arus sebesar 3,5 mA mengalir melalui alat ukur.
1.5 Peredaman Alat Ukur Kumparan Putar
Dalam alat ukur kumparan putar, pada umumnya kumparan putarnya dibuatkan dengan
kerangka dari aluminium. Secara listrik kerangka tersebut merupakan jaringan hubung pendek,
dan memberikan pada kumparan momen peredam. Bila kumparan berputar, yang disebabkan
oleh arus I yang mengalir melaluinya, maka dalam kerangkanya akan timbul arus induksi.
Ini disebabkan karena putaran kerangka aluminium ini terjadi dalam medan magnit 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 dari Fleming. Tegangan ini yang menyebabkan arus induksi Id mengalir dalam
kerangka kumparan. Sebaliknya arus Id ini, akan memotong fluksi magnit dalam celah udara bila
kumparan berputar; dan akan dibangkitkan momen yang berbanding lurus dengan kecepatan
putar. Akan tetapi arah dari pada momen ini adalah berlawanan dengan arah perputaran, hingga,
berakibat menghambat perputaran. Demikianlah terjadinya momen peredam, dan momen ini
berusaha untuk melawan perputaran.
Jika sesuatu penampang dari kerangka adalah kecil sedangkan tahanannya (secara listrik)
besar, maka Id yang terjadi akan kecil. Dalam hal ini maka momen redam yang dihasilkan akan
lemah, dan penunjuk akan berosilasi di sekitar 0, dan secara graduil akan menuju ke titik akhir
15
tersebut, seperti diperlihatkan pada Gbr. 5.a. Bila tahanan listrik pada kerangka kecil, maka Id
akan dapat besar, yang menghasilkan momen peredam yang kuat pula. Dalam hal ini maka
perlawanan terhadap perputaran akan besar, dan pergerakan penunjuk tidak lagi bebas.
Penunjuk akan mendekati harga akhir secara monotonic lambat, seperti dinyatakan pada kurve
(B)•
Gbr. 5 Gerakan jarum penunjuk dari suatu alat ukur.
Aksi peredaman yang mempergunakan prinsip-prinsip elektromagnetis ini dikenal sebagai
redaman elektromagnetis. Kurve A menyatakan peredaman kurang, sedangkan Kurve B
menyatakan peredaman lebih. Waktu untuk sampai pada harga akhir untuk kedua keadaan
tersebut adalah lama. Suatu keadaan khusus terdapat di antara keduanya, dimana alat penunjuk akan
sampai pada 0 dalam waktu yang relatip singkat, seperti dinyatakan oleh kurve C. Keadaan ini
dinyatakan sebagai peredaman kritis.
Waktu yang diperlukan untuk satu perioda dalam keadaan peredaman kurang disebut
perioda dari osilasi. Untuk alat-alat ukur yang biasanya kita pergunakan, diperlukan untuk
sampai pada harga akhir yang hendak dibaca dalam batas-batas yang secepat mungkin. sehingga
pengukuran yang benar dapat diperoleh dengan cepat. Maka dari itu alat-alat ukur yang lazim
dipergunakan, dibuat dengan peredaman sedikit kurang, seperti dinyatakan pada kurve (D)
dalam Gbr. 5.b. Pergerakan penunjuk dari 1 ke 4 dalam Gbr. 5.a, dimaksudkan kepada keadaan
peredaman seperti itu.
2 Istilah dan definisi, satuan dalam Alat Ukur
2.1 Istilah dan definisi
Ada beberapa istilah dan definisi pengukuran listrik yang harus dipahami, diantaranya alat
ukur, akurasi, presisi, kepekaan, resolusi, dan kesalahan.
a. Alat ukur, adalah perangkat untuk menentu kan nilai atau besaran dari kuantitas atau variabel.
b. Akurasi, kedekatan alat ukur membaca pada nilai yang sebenarnya dari variabel yang diukur.
c. Presisi, hasil pengukuran yang dihasilkan dari proses pengukuran, atau derajat untuk
16
membedakan satu pengukuran dengan lainnya.
d. Kepekaan, ratio dari sinyal output atau tanggapan alat ukur perubahan input atau variabel yang
diukur.
e. Resolusi, perubahan terkecil dari nilai pengukuran yang mampu ditanggapi oleh alat ukur.
f. Kesalahan, angka penyimpangan dari nilai sebenarnya variabel yang diukur.
1. Standar amper
Menurut ketentuan Standar Internasional (SI) adalah arus konstan yang dialirkan pada dua
konduktor dalam ruang hampa udara dengan jarak 1 meter, di antara kedua penghantar
menimbulkan gaya = 2 × 10-7 newton/m panjang.
2. Standar resistansi
Menurut ketentuan SI adalah kawat alloy manganin resistansi 1 yang memiliki tahanan
listrik tinggi dan koefisien temperatur rendah, ditempatkan dalam tabung terisolasi yang
menjaga dari perubahan temperatur atmosfer.
3. Standar tegangan
Ketentuan SI adalah tabung gelas Weston mirip huruf H memiliki dua elektrode, tabung
elektrode positip berisi elektrolit mercury dan tabung elektrode negatip diisi elektrolit
cadmium, ditempatkan dalam suhu ruangan. Tegangan elektrode Weston pada suhu 20°C
sebesar 1,01858 V.
4. Standar Kapasitansi
Menurut ketentuan SI, diturunkan dari standart resistansi SI dan standar tegangan SI,
dengan menggunakan sistem jembatan Maxwell, dengan diketahui resistansi dan frekuensi
secara teliti akan diperoleh standar kapasitansi (farad).
5. Standar Induktansi
Menurut ketentuan SI, diturunkan dari standar resistansi dan standar kapasitansi, dengan
metode geometris, standar induktor akan diperoleh.
6. Standart temperatur
Menurut ketentuan SI, diukur dengan derajat kelvin besaran derajat kelvin didasarkan pada
tiga titik acuan air saat kondisi menjadi es, menjadi air dan saat air mendidih. Air menjadi
es sama dengan 0° celsius = 273,160 kelvin, air mendidih 100°C.
7. Standar luminasi cahaya menurut ketentuan SI,
17
Cara-cara Menghubungkan Alat Pengukur Amper dan Alat Pengukur Volt
Dalam mempergunakan alat-alat ukur amper maupun alat-alat ukur volt untuk mengukur
arus beban maupun tegangan, dua cara pengukuran dimungkinkan seperti diperlihatkan Gbr. 1-
24(a) dan (b). Dalam Gbr. 1-24(a) alat pengukur amper mengukur jenis beban / yang
sebenarnya, akan tetapi alat ukur Volt tersebut memperlihatkan jumlah gan antara
tegangan beban dan kerugian tegangan pada alat pengukur. Bila tegangan beban disebut IR
dan kerugian tegangan pada alat pengukur amper adalahV R v maka tegangan yang diukur jadi:
IR + IRa = I(R + Ra) (1-12)
Akan tetapi sebaliknya Gbr. 1-24(b), pengukur volt menunjukkan tegangan beban V
yang sebenarnya akan tetapi pengukur amper memperlihatkan jumlah dari pada beban I dan
arus Iv yang melalui alat pengukur volt sehingga dengan demikian menjadi:
(1-13)
Dengan menunjuk kepada persamaan (1-12) dan (1-13) maka untuk mengadakan pengukuran
arus beban dan tegangan beban setepat mungkin, adalah sangat menguntungkan untuk
melaksanakannya sebagai berikut:
(1) Untuk pengukuran pada jaringan-jaringan elektronika dimana arus bebannya kecil maka
hubungan-hubungan seperti diperlihatkan pada (a) adalah lebih baik.
(2) Untuk pengukuran pengukuran pada jaringan-jaringan t e n a g a d i m a n a p a d a u mumnya
arus beban adalah besar maka hubungan yang d ipe r l i ha t kan pada (b ) adalah lebih baik.
Sebagai catatan perlu diperhatikan bahwa tahanan dalam dari suatu alat pengukur amper
berubah dengan harga skala maksimum dan diperlihatkan di dalam Tabel 1-2.
18
Tabel 2-3 Harga-harga tahanan dalam ammeter arus searah.
Harga skala
maksimum
Tahanan
dalam ()
10 A 0,005
1 A 0,05
100 mA 0,4
10 mA 0,72
1 mA 380
100 A 8.100
Harga-harga dalam tabel tersebut adalah pendekatan dalam prakteknya. Dengan
mempergunakan hubungan seperti diperlihatkan pada Gbr. 1-24(a) maka kesalahan pada
pengukuran tegangan yang disebabkan oleh kerugian tegangan pada alat pengukur amper,
dapat dicari dengan mempergunakan tabel tersebut di atas. Tahanan dalam dari alat pengukur
volt adalah kira-kira berkisar antara 100 /V sampai 100 k/V, yang terdapat dalam
kebanyakan alat-alat ukur. Dan hal ini biasanya dinyatakan pada alat ukurnya. Dengan data
ini maka kesalahan dalam pengukuran arus beban yang dinyatakan pada cars
menghubungkan yang diberikan pada Gbr. 1-24. (b) dapat dicari dengan mempergunakan
koreksi-koreksi sesuai dengan persamaan (1-13) dan data alat ukur volt tersebut. Sebagai
contoh bila suatu alat ukur volt yang mempunyai harga skala maksimum 100 V, dan
dinyatakan sebagai 100 /Volt, maka tahanan dalamnya adalah 10.000 Ohm. Cara yang diberikan
demikian ini dalam menyatakan sebagai /V sangat menguntungkan, dan terutama Bering
diberikan dalam alat-alat ukur yang mempunyai batas ukur yang berganda.
Sebagai contoh
Misalkan bahwa alat pengukur volt menunjukkan 10 V dan alat penunjuk amper
menunjukkan 1 mA. Dimisalkan bahwa harga skala maksimum dari alat pengukur volt
adalah 15 V, dan tahanan dalamnya 10 k/V, maka arus yang mengalir melalui volt meter
dinyatakan sebagai berikut :
dengan demikian arus beban pada saat ini adalah:
1 - 0,067 = 0,933 mA.
19
4 Pengukuran Tegangan dan Arus
4.1 Pengukuran Tegangan DC
Pengukur tegangan voltmeter memiliki tahanan meter Rm (Gambar 4.1). Tahanan dalam
meter juga menunjukkan kepekaan meter, disebut FSD (full scale deflection) arus yang diperlukan
untuk menggerakkan jarum meter pada skala penuh. Untuk menaikkan batas ukur voltmeter
harus dipasang tahanan seri sebesar RV. Persamaan tahanan seri meter RV:
Gambar 4.1 Tahanan seri RV pada voltmeter
Keterangan:
Rv = n – 1 · Rm
Rv = Tahan seri meter
Rm = Tahanan dalam meter
U = Tegangan
Um = Tegangan meter
Im = Arus meter
n = Faktor perkalian
Contoh:
Pengukur tegangan voltmeter memiliki arus meter 0,6 mA dan tegangan meter 0,3 V. Voltmeter
akan digunakan untuk mengukur tegangan 1,5 V. Hitung besarnya tahanan seri meter Rv.
20
Jawaban:
4.2 Pengukuran Arus DC
Pengukur arus listrik ampermeter memiliki keterbatasan untuk dapat mengukur arus, tahanan
dalam meter Rm membatasi kemampuan batas ukur. Menaikkan batas ukur dilakukan dengan
memasang tahanan paralel R p dengan ampermeter (Gambar 4.2). Tahanan Rp akan dialiri arus
sebesar I p , arus yang melalui meter Rm sebesar Im.
Gambar 4.2 Tahanan paralel ampermeter
Untuk menaikkan tahanan dalam meter, di depan tahanan meter Rm ditambahkan tahanan seri Rv.
Sehingga tahanan dalam meter yang baru (Rm + Rv) (Gambar 4.3). Tahanan paralel R p
tetap dialir i arus Ip , sedangkan arus yang melewati ( R m + R v ) sebesar Im. Persamaan
tahanan paralel Rp:
Gambar 4.3 Tahanan depan dan paralel ampermeter
21
Rp = Tahanan paralel
U = Tegangan
I = Arus yang diukur
Im = Arus melewati meter
Ip = Arus melewati tahanan paralel
Rm = Tahanan dalam meter
Contoh:
Ampermeter dengan tahanan dalam Rm = 100 , arus yang diizinkan melewati
meter Im = 0,6 mA. Ampermeter akan mengukur arus I = 6 mA. Hitung tahanan paralel Rp.
Jawaban:
Secara praktis untuk mendapatkan batas ukur yang lebar dibuat menjadi tiga tingkatan
(Gambar 4.4). Batas ukur skala pertama, sakelar pada posisi 1 dipakai tahanan paralel Rp1.
Batas ukur dengan skala 2 posisi sakelar 2 dipakai tahanan paralel Rp2. Batas ukur
ketiga, posisi sakelar 3 dipakai tahanan paralel Rp3.
Dengan metoda berbeda dengan tujuan memperluas batas ukur, dipakai tiga tahanan paralel
Rp1, Rp2, dan Rp3 yang ketiganya disambung seri (Gambar 4.5). Sakelar posisi 1,
tahanan (Rp1 + Rp2 + Rp3) paralel dengan rangkaian (Rv + Rm). Sakelar posisi 2, tahanan
(Rp2 + Rp3) paralel dengan rangkaian (Rp1 + Rv + Rm). Saat sakelar posisi 3, tahanan Rp3
paralel dengan rangkaian (Rp1 + Rp2 + Rv + Rm).
22
Gambar 4.4 Batas ukur ampermeter Gambar 4.5 Penambahan batas ukur meter
4.3 Pengukuran Arus AC
Disamping ini, beberapa, type dari alat pengukur arus maupun alat pengukur tegangan
untuk arus bolak balik, terdapat pula yang bekerja atas prinsip yang lain, dari pada alat
pengukur kumparan putar. Misalkan alat pengukur dengan besi putar, alat pengukur
elektrodinamis, alat pengukur induksi dan alat pengukur elektrostatis, ada beberapa contoh
alat-alat ukur yang dimaksudkan. Di antaranya; alat pengukur dengan tabung vacum,
diaplikasi dengan transistor dan sebagai kombinasi dari penguat atau pengeras, dan
sebagainya.
Arus bolak-balik dapat didefinisikan sebagai arus yang besar maupun arahnya berubah
dengan waktu, dan perubahan tersebut diulangi kembali secara periodik. Karakteristik
perubahan dengan waktu atau lebih umum dikenal sebagai bentuk gelombang dari arus bolak
balik tersebut adalah bermacam-macam, dan yang sering dipergunakan dapat dilihat pada Gbr. 4-6 (a),
(b), (c).
23
Penyearah arus adalah elemen khusus yang akan menghasilkan arus searah (arus pada
arah yang sama), bila tegangan ditempatkan pada ujung-ujungnya. Kemampuan kerja dari
penyearah arus tersebut disebut penyearah. Penyearahan arus dapat dinyatakan dengan simbol
seperti diberikan dalam Gbr. 4-8, dimana arah panah memperlihatkan arah dari pada tegangan
yang diberikan untuk arah arus yang, mudah, dan arah ini biasanya disebut arah maju.
Sebaliknya arus akan mendapatkan suatu hambatan yang sangat besar dan pula dapat disebut
arah tukar atau arah kebalikan.
24
5 Pengukuran Tahanan
Pengukuran tahanan dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu mengukur langsung nilai tahanan dan
pengukuran tidak langsung dengan metode jembatan (Gambar 5.1). Pengukuran tahanan secara
langsung bisa menggunakan multimeter, dengan menempatkan selektor pemilih mode pada
pengukuran tahanan. Resistor yang diukur dihubungkan dengan kedua kabel meter dan nilai tahanan
terbaca pada skala meter. Pengukuran tidak langsung, menggunakan alat meter tahanan khusus dengan
prinsip kerja seperti jembatan Wheatstone.
Gambar 5.1 Jenis-jenis Pengukuran Tahanan
6 Jembatan Wheatstone
Pengembangan rangkaian resistor seri dan paralel menghasilkan prinsip Jembatan
Wheatstone (Gambar 6-1). Sumber tegangan DC mencatu rangkaian empat buah resistor. R1 seri
dengan R2, dan R3 seri dengan R4.
Gambar 6-1 Rangkaian jembatan Wheatstone
Hukum Kirchoff tegangan menyatakan jumlah drop tegangan sama dengan tegangan sumber.
U = U1 + U2 dan U = U3 + U4
Titik A-B dipasang Voltmeter mengukur beda tegangan, jika meter menunjukkan nol, artinya
tegangan U1 = U3 disebut kondisi seimbang. Jika U1 U3 disebut kondisi tidak seimbang
25
dan meter menunjukkan angka tertentu.
Aplikasi praktis dipakai model Gambar 6-2, R1 = Rx merupakan tahanan yang dicari
besarannya. R2 = Rn adalah tahanan yang bisa diatur besarannya. R3 dan R4 dari tahanan geser.
Dengan mengatur posisi tahanan geser B, sampai Voltmeter posisi nol. Kondisi ini
disebut setimbang, maka berlaku rumus kesetimbangan jembatan Wheatstone.
Contoh:
Jembatan Wheatstone, diketahui besarnya nilai R2 = 40 , R3 = 25 , R4 = 50
Hitung besarnya R1 dalam kondisi setimbang.
Gambar 6-2 Pengembangan model Wheatstone
Jawaban:
26
7. Tangmeter
Bila arus yang melalui suatu jaringan akan diukur sedangkan tidak memungkinkan memotong
jaringan tersebut untuk menghubungkan alat pengukur amper, atau melalui suatu transformator
arus, maka penggunaan dari alat ukur amper jaringan, akan merupakan pemecahan yang
sangat balk. Seperti diperlihatkan dalam. Gbr. 7 (a), alat ukur amper jaringan dibuat dengan
kumparan besi dalam bentuk seperti garpu yang mempunyai banyak lilitan, dan membentuk
kumparan sekunder, dan satu pengantar sebagai kumparan primer dari satu lilitan, yang terdiri
dari pengantar dimana arus yang akan diukur mengalir. Bila pengantar ditempatkan di antara inti besi
seperti diperlihatkan dalam gambar, arus sekunder yang berbanding lurus dengan arus yang akan
diukur didapat pada penunjukan dari alat pengukur amper. Akan tetapi dengan cara
pengukuran ini dimana jalan magnitis tidak menutup, maka kesalahan-kesalahan yang tergantung
dari posisi pemasukan dari pengantar ke dalam inti, ditambah pula kesalahan bentuk gelombang dan
frekwensi adalah besar. Untuk mengurangi kesalahankesalahan tersebut maka alat ukur amper
yang digantungkan seperti diperlihatkan dalam Gbr. 7.(b) lebih baik dipergunakan. Dalam
alat ukur ini jalan garis-garis magnit hanya terbuka pada saat memasukan pengantar ke dalam
inti besi, sedangkan garis-garis magnit tersebut menutup pada saat pengukuran dijalankan.
Gbr. 7. Pengukuran arus pada kawat penghantar.
27
2. Alat Ukur Digital
Sistem digital berhubungan dengan informasi dan data digital. Penunjukan angka digital
berupa angka diskret dan pulsa diskontinyu berhubungan dengan waktu. Penunjukan display dari
tegangan atau arus dari meter digital berupa angka tanpa harus membaca dari skala meter. Sakelar
pemindah frekuensi pada pesawat HT juga merupakan angka digital dalam bentuk digital
Gambar 2-1 Tampilan penunjukan digital
Alat ukur digital saat sekarang banyak dipakai dengan berbagai kelebihannya, murah,
mudah dioperaikan, dan praktis. Multimeter digital mampu menampilkan beberapa pengukuran
untuk arus miliamper, temperatur °C, tegangan milivolt, resistansi ohm, frekuensi Hz, daya listrik
mW sampai kapasitansi nF (Gambar 2-1).
Pada dasarnya data/informasi yang akan diukur bersifat analog. Blok diagram alat ukur
digital terdiri komponen sensor, penguat sinyal analog, analog to digital converter,
mikroprosesor, alat cetak, dan display digital (Gambar 2-2).
Sensor mengubah besaran listrik dan non elektrik menjadi tegangan, karena tegangan
masih dalam orde mV perlu diperkuat oleh penguat input.
Gambar 2-2 Prinsip kerja alat kur digital
Sinyal input analog yang sudah diperkuat, dari sinyal analog diubah menjadi sinyal digi- tal
dengan (ADC) analog to digital akan diolah oleh perangkat PC atau mikroprosessor dengan program
tertentu dan hasil pengolahan disimpan dalam sistem memori digital. Informasi digital ditampilkan
dalam display atau dihubungkan dicetak dengan mesin cetak.
28
Display digital akan menampilkan angka diskrit dari 0 sampai angka 9 ada tiga jenis, yaitu 7-
segmen, 14-segmen dan dot matrik 5 x 7 (Gambar 2-3). Sinyal digital terdiri atas 0 dan 1, ketika
sinyal 0 tidak bertegangan atau OFF, ketika sinyal 1 bertegangan atau ON.
Sebuah multimeter digital, terdiri dari tiga jenis alat ukur sekaligus, yaitu mengukur
tegangan, arus, dan tahanan. Mampu untuk mengukur besaran listrik DC maupun AC (Gambar 2-
4).
Saklar pemilih mode digunakan untuk pemilihan jenis pengukuran, mencakup tegangan
AC/DC, pengukuran arus AC/DC, pengukuran tahanan, pengukuran diode, dan pengukuran
kapasitor.
Terminal kabel untuk tegangan dengan arus berbeda. Terminal untuk pengukuran arus kecil
300 mA dengan arus sampai 10 A dibedakan.
29
3. KWH Meter
Alat ukur piringan putar tidak menggunakan jarum penunjuk. Konstruksi meter piringan putar
memiliki dua inti besi (Gambar 3-1). Inti besi U dipasang dua buah belitan arus pada masing-
masing kaki inti, menggunakan kawat berpenampang besar. Inti besi berbentuk E-I dengan satu
belitan tegangan, dipasang pada kaki tengah inti besi, jumlah belitan tegangan lebih banyak
dengan penampang kawat halus.
Piringan putar aluminium ditempatkan di antara dua inti besi U dan E-I. Akibat efek
elektromagnetis kedua inti besi tersebut, pada piringan aluminium timbul arus Eddy yang
menyebabkan torsi putar pada piringan.
Piringan aluminium berputar bertumpu pada poros, kecepatan putaran sebanding dengan daya
dari beban. Jumlah putaran sebanding dengan energi yang dipakai beban dalam rentang waktu
tertentu. Meter piringan putar disebut kilowatthours (kWh)-meter (Gambar 3-1).
Alat Ukur Piringan Putar
Pengawatan kWh-meter satu phasa belitan arus dihubungkan ke terminal 1-3, belitan tegangan disambungkan terminal 2-6, terminal 1-2 dikopel, dan terminal 4-6 juga dikopel langsung. Pengawatan kWh-meter tiga phasa dengan empat kawat (Gambar 3-3) L1, L2, L3 dan N memiliki tiga belitan arus dan tiga belitan tegangan.
1. Jala-jala L1, terminal-1 ke belitan arus-1 terminal-3 ke beban, terminal 1-2 dikopel untuk suplai ke belitan tegangan-1.
2. Jala-jala L2, terminal-4 ke belitan arus-2 terminal 6 langsung beban, terminal 4-5 dikopel suplai ke belitan tegangan-2.
3. Jala-jala L3, terminal-7 ke belitan arus-3 ke terminal 9 langsung beban, terminal 7-8 dikopel untuk suplai ke belitan tegangan-3.
30
Gambar 3-1 Prinsip alat ukur piringan
putar (kWH-meter)Gambar 3-2. kWH-meter
4. Terminal 10 dan 12, untuk penyambungan kawat netral N dan penyambungan dari ketiga belitan tegangan phasa 1, 2, dan 3.
Gambar 3-3 Pengawatan kWH-meter satu phasa dan tiga phasa
Bentuk fisik kWh-meter kita lihat di setiap rumah tinggal dengan instalasi dari PLN. Sebagai pengukur energi listrik kWhmeter mengukur daya pada interval waktu tertentu dalam konversi waktu jam. Setiap kWh-meter memiliki angka konstanta jumlah putaran /kWh.
Cz =Konstanta jumlah putaran/kWhn = PutaranP = Daya listrik kW
Contoh:
kWh-meter satu phasa memiliki konstanta putaran 600 putaran/kWh dalam waktu 1 menit tercatat 33 putaran piringan. Hitunglah beban daya listrik!
Cz = 600 put/kWhn = 33 put/menit = 33 60 put/jam
Jawaban:
31
4. Alat Ukur Elektrodinamik
Alat ukur elektrode memiliki dua jenis belitan kawat, yaitu belitan kawat arus yang
dipasang, dan belitan kawat tegangan sebagai kumparan putar terhubung dengan poros dan
jarum penunjuk (Gambar 4-1).
Interaksi medan magnet belitan arus dan belitan tegangan menghasilkan sudut
penyimpangan jarum penunjuk sebanding dengan daya yang dipakai beban:
P = V I cos Pemakaian alat ukur elektrodinamik sebagai pengukur daya listrik atau wattmeter.
Pemasangan wattmeter dengan notasi terminal 1, 2, 3, dan 5. Terminal 1-3 terhubung ke belitan arus Wattmeter, terhubung seri dengan beban. Terminal 2-5 terhubung ke belitan tegangan Wattmeter. Terminal 1-2 dikopel untuk mendapatkan catu tegangan suplai tegangan (Gambar 4-2).
Gambar 4-1 Prinsip elektrodinamik
Gambar 4 - 2 Pemasangan wattmeter Gambar 8.16 Pengawatan wattmeter dengan
beban satu phasa
32
Pemasangan terminal meter tidak boleh tertukar, karena akibatnya meter tidak berfungsi. Untuk pengukuran daya besar, di mana arus beban besar dapat digunakan trafo CT untuk menurunkan arus yang mengalir belitan arus wattmeter.
Misalkan daya motor 3 phasa 55 kW dengan tegangan 400 V akan menarik arus jala- jala 100 A. Kemampuan kWH meter maksimal dilalui arus hanya 10 A, maka digunakan trafo arus CT dengan rating 100/5 A agar pengukuran daya motor dapat dilaksanakan.
Wattmeter portabel pengawatan dengan beban (Gambar 4-2). Ada tiga buah selektor switch, untuk pengaturan amper, pengaturan tegangan, dan pemilihan skala batas ukur.
Untuk keamanan tempatkan selektor amper dan selektor tegangan pada batas ukur tertinggi. Jika jarum penunjuk sudut simpangannya masih kecil baru selektor switch arus atau tegangan diturunkan satu tahap.
33
5. Osiloskop
Osiloskop termasuk alat ukur elektronik, digunakan untuk melihat bentuk gelombang,
menganalisis gelombang, dan fenomena lain dalam rangkaian elektronika ( Gambar 5-1 ).
Dengan osiloskop dapat melihat amplitudo tegangan dan gelombang, oleh karena itu harga rata-
rata, puncak, RMS (root mean square), maupun harga puncak kepuncak atau Vp-p dari tegangan
dapat diukur. Selain itu, juga hubungan antara frekuensi dan phasa antara dua gelombang juga dapat
dibandingkan. Ada dua jenis osiloskop, yaitu osiloskop analog dan osiloskop digital.
Gambar 5-1 Bentuk fisik osiloskop
5.1. Data Teknik Osiloskop• Arah Vertikal
Menampilkan Kanal-1 (K-1) atau Kanal-2 (K-2), Kanal-1 dan Kanal-2 AC atau chopMenjumlah atau Mengurangkan nilai Kanal-1 dan Kanal-2Tampilan X-Y : Melalui K-1 dan K-2 (K-2 dapat dibalik/ diinvers) Lebar-Pita : 2 x 0 . . . . 40 MHz (-3dB)Kenaikan waktu : 7 ns, simpangan: < 1%Koefisien : di set 1 mV/cm . . . 20V/cm ± 3% Impedansi Input : 1 M II 20 pFKopel Input : DC-AC-GND (Ground) Tegangan Input maks : 400 V
• Arah Horisontal:Koefisien waktu : 21 × 0,5 s sampai 100 ns/cm ± 3% (1-2-5 bagian), Lebar-pita penguat-X : 0……2,5 MHz (-3dB)
• PembedaUkuran layar : 8 × 10 cm, raster dalamTegangan akselarasi : 2000 VKalibrator : generator kotak 1 kHz atau 1 MHzOutput : 0,2 V ± 1%
34
5.2. Osiloskop Analog
Blok diagram dasar osiloskop yang terdiri dari pemancar elektron (Electron Beam), pembelok vertikal (Penguat-Y), pembelok horizontal (penguat-X), generator basis waktu (Sweep Generator), catu daya, dan tabung hampa (CRT) lihat Gambar 5.2.
Gambar 5-2 Blok diagram sistem osiloskop
5.3. Pemancar Elektron
Merupakan bagian terpenting sebuah osiloskop. Katode di dalam CRT (Cathode Ray Tube) akan
mengemisikan elektron-elektron ke layar CRT melalui elektrode-elektrode pemfokus intensitas
pancaran elektron ditentukan oleh banyaknya elektron yang diemisikan oleh katode Gambar 5-4.
Bahan yang memantulkan cahaya pada layar CRT dapat diperoleh dari sulfid, oksid atau
silikat dari kadmium, yang diaktifkan melalui bahan tambahan dari perak, emas atau tembaga. Pada
umumnya dipilih warna hijau untuk tampilan cahaya pada layar CRT, karena mata manusia pada
umumnya peka terhadap warna ini.
Gambar 5-3 Pancaran elektron ke layar pendar CRT
5.4. Penguat Vertikal:
35
Penguat ini dapat memberikan tegangan hingga 100 V. Penguat ini harus dapat
menguatkan tegangan DC maupun AC dengan penguatan yang sama. Pengukuran sinyal dapat
diatur melalui tombol POS (position).
5.5. Input-Y (Vert. Input):
Bagian ini terhubung dengan tombol pembagi tegangan, untuk membagi tegangan yang
akan diukur, dengan perbandingan 10 : 1 atau 100 : 1. Gambar di bawah. Tombol ini harus
dibantu dengan sinyal kotak untuk kompensasi.
5.6. Penguat Horisontal:
Penguat ini memiliki dua input, satu dari sweep generator, menghasilkan trace (sapuan)
horizontal lewat CRT dan input yang lain menguatkan sinyal eksternal dan ditampilkan pada
CRT hanya pada sumbu horizontal. Skala pada sumbu Horisontal CRT Osiloskop, digunakan
untuk mengukur waktu (periode) dari sinyal yang diukur, misalnya 2 ms/ divisi.
5.7. Generator-Waktu
Generator waktu menghasilkan sinyal gigi gergaji,
yang frekuensinya dapat diatur, dengan cara mengatur
periodenya melalui tombol TIME BASE. CRT akan
menampilkan sinyal yang diukur (sinyal input) hanya jika
periode sinyal tersebut persis sama dengan periode sinyal
gigi gergaji ini atau merupakan kelipatan periodenya.
5.8. Triggering dan bias waktu
Sinyal gigi gergaji akan mulai muncul jika ada sinyal
trigger (Gambar 5-5). Pada saat sinyal input melewati
level trigger, maka sinyal gigi gergaji mulai muncul.
5.9. Catu Daya
Kinerja catu daya ini sangat mempengaruhi kinerja bagian lainnya di dalam osiloskop. Catu
36
daya yang tidak terregulasi dengan baik akan menyebabkan kesalahan pengukuran dan tampilan
yang tidak baik pada CRT (fokus, kecerahan/ brightness, sensitifitas, dan sebagainya).
5.10. Osiloskop Dua Kanal
Seringkali orang perlu melakukan pengukuran dua sinyal AC yang berbeda dalam waktu yang
sama. Misalnya kanal-1 mengukur sinyal input dan kanal-2 mengukur sinyal output secara
bersamaan, maka osiloskop dua kanal mampu menampilkan dua sinyal dalam waktu bersamaan
dalam satu layar.
Gambar 5-6 Blok diagram Osiloskop dua kanal
Blok diagram osiloskop dua kanal Gambar 5-6 mempunyai sebuah sistem pembangkit sinar
(electron gun). Dua sinyal input dapat dimasukkan melalui kanal-1 dan kanal-2 (masing- masing
penguat-Y). Pengaktifan kedua penguat-Y tersebut dipilih secara elektronik, melalui frekuensi
yang berbeda untuk tiap kanal. Kedua sinyal input tersebut akan masuk melalui satu elektron-
gun secara bergantian lalu ditampilkan pada CRT.
Jika sinyal input mempunyai frekuensi rendah, maka sakelar elektronik akan mengaturnya pada
frekuensi tinggi. Sebaliknya, jika input sinyal mempunyai frekuensi tinggi, maka sakelar
elektronik akan mengaturnya pada frekuensi yang lebih rendah.
Tampilan sapuan ganda (dual-trace) dari electron beam tunggal dapat dilakukan dengan 2 cara,
yaitu chop time sharing dan alternate time sharing. Pemilihan kanal dilakukan oleh multivibrator
yang akan mengoperasikan sakelar elektronik secara otomatis.
8.20 Osiloskop Digital
Blok diagram osiloskop digital (Gambar 5-7) semua sinyal analog akan digitalisasi.
Osiloskop digital, misalnya storage osciloscope terdiri dari:
• ADC (Analog-to-Digital Converter)
• DAC (Digital-to-Analog Converter)
• Penyimpan Elektronik
37
Gambar 5-7 Blok diagram osiloskop digital
Gambar 5-8 Sampling sinyal analog oleh ADC
Pada osiloskop jenis ini, semua data yang akan ditampilkan disimpan di dalam RAM. Sinyal analog akan dicuplik (sampling), lalu dikuantisasi oleh ADC, yaitu diberi nilai (biner) sesuai dengan besarnya amplitudo tersampling (Gambar 5-8). Nilai ini dapat ditampilkan kembali secara langsung pada layar CRT atau monitor PC melalui kabel penghubung RS-232.
Perbedaan antara osiloskop analog dan digi- tal hanya pada pemproses sinyal ADC. Pengarah pancaran elektron pada osiloskop ini sama dengan pengarah pancaran elektron pada osiloskop analog. Osiloskop digital ada yang dilengkapi dengan perangkat lunak matematik untuk analisis sinyal atau printer.
38
8.21 Pengukuran dengan Osiloskop
Berikut ini diberikan ilustrasi pengukuran dengan menggunakan osiloskop meliputi:
1. pengukuran tegangan DC,
2. mengukur tegangan AC, periode, dan frekuensi,
3. mengukur arus listrik AC,
4. pengukuran beda phasa tegangan dengan arus listrik AC, dan
5. pengukuran sudut penyalaan thyristor.
1. Mengukur Tegangan DC,
Tahanan R1 dan R2 berfungsi sebagai pembagi
tegangan. Ground osiloskop dihubung kan ke negatip catu
daya DC. Probe kanal-1 dihubungkan ujung sambungan
R1 dengan R2. Tegangan searah diukur pada mode DC.
Misalnya:
VDC = 5V/div. 3div = 15 V
Bentuk tegangan DC merupakan garis tebal lurus pada layar
CRT. Tegangan terukur diukur dari garis nol ke garis
horizontal DC.
Gambar 5-9 Mengukur tegangan DC dengan osiloskop
2. Mengukur Tegangan AC, periode T, dan frekuensi FTrafo digunakan untuk mengisolasi antara listrik yang
diukur dengan listrik pada osiloskop. Jika menggunakan
listrik PLN maka frekuensinya 50 Hz.
Misalnya:
Tegangan AC berbentuk sinusoida dengan tinggi U dan
39
lebar periodenya T. Besarnya tegangan 6 V dan periodenya
20 milidetik dan frekuensinya 50 Hz.
Gambar 5-10 Mengukur tegangan ACdengan osiloskop
3. Mengukur Arus Listrik AC
Pada dasarnya osiloskop hanya mengukur tegangan untuk mengukur arus dilakukan secara
tidak langsung dengan R = 1 untuk mengukur drop tegangan.
Gambar 5-11 Mengukur arus AC dengan osiloskop
Misalnya:
Bentuk sinyal arus yang melalui resistor R adalah sinusoida menyerupai tegangan. Pada
beban resistor sinyal tegangan dan sinyal arus akan sephasa.
4. Mengukur Beda Phasa Tegangan dengan Arus Listrik AC.
Beda phasa dapat diukur dengan rangkaian C1 dan R1. Tegangan U1 menampakkan tegangan
catu dari generator AC. Tegangan U2 dibagi dengan nilai resis- tor R1 representasi dari arus listrik
AC. Pergeseran phasa U1 dengan U2 sebesar Dx.
40
Gambar 5-12 Mengukur beda phasa dengan osiloskop
Misalnya: = x · 360°/XT= 2 div 360°/8 div = 90°
Tampilan sinyal sinusoida tegangan U1 (tegangan catu daya) dan tegangan U2 (jika dibagi
dengan R1, representasi dari arus AC). Pergeseran phasa antara tegangan dan arus sebesar
=900
5. Mengukur Sudut Penyalaan TRIACTriac merupakan komponen elektronika daya yang dapat memotong sinyal sinusoida pada sisi
positip dan negatip. Trafo digunakan untuk isolasi tegangan Triac dengan tegangan catu daya
osiloskop. Dengan mengatur sudut penyalaan triger maka nyala lampu dimmer dapat diatur dari
paling terang menjadi redup.
Gambar 5-13 Mengukur sudut penyalaan TRIAC dengan osiloskop
Misalnya:
= x · 360°/XT= (1 div. 360%) : 7= 5 V
41
8.22 Metode Lissajous
Dua sinyal dapat diukur beda phasanya dengan memanfaatkan input vertikal (kanal Y) dan horizontal (kanal-X). Dengan menggunakan osiloskop dua kanal dapat ditampilkan beda phasa yang dikenal dengan metode Lissajous.
a. Beda phasa 0° atau 360°.Dua sinyal yang berbeda, dalam hal ini sinyal input dan
sinyal output jika dipadukan akan menghasilkan konfigurasi bentuk yang sama sekali berbeda.Sinyal input dimasukkan ke kanal Y (vertikal) dan sinyal output dimasukkan ke kanal X (horizontal) berbeda 0°, dipadukan akan menghasilkan sinyal paduan berupa garis lurus yang membentuk sudut 45° (Gambar 5-14). Gambar 5-14 Mengukur sudut penyalaan
TRIAC dengan Osiloskopb. Beda phasa 90° atau 270°.
Sinyal vertikal berupa sinyal sinusoida. Sinyal horizontal yang berbeda phasa 90° atau 270°
dimasukkan. Hasil paduan yang tampil pada layar CRT adalah garis bulat (Gambar 5-15).
Gambar 5-15 Sinyal input berbeda phasa 90° Gambar 4-16 Lissajous untuk menentukan
dengan output frekuensi
Pengukuran X-Y juga dapat digunakan untuk mengukur frekuensi yang tidak diketahui. Misalnya sinyal referensi dimasukkan ke input horizontal dan sinyal lainnya ke input vertikal.
f v = frekuensi yang tidak diketahuif R = frekuensi referensiNv = jumlah lup frekuensi yang tidak diketahuiNR = jumlah lup frekuensi referensiContoh Gambar 5-16 (c). Misalnya frekuensi referensi = 3 kHz, maka fV = 3. (2/3) kHz = 2 kHz
42
SEKIAN TERIMAKASIH
43
