EFEK PEMBEBANAN DAN KONSTRUKSI AMMETER DAN VOLTMETER

EFEK PEMBEBANAN

Efek pembebanan adalah tegangan drop dalam rangkaian listrik yang disebabkan oleh tahanan dalam meter. Suatu ammeter ideal akan mengukur arus listrik tanpa penghantar setiap tegangan drop yang dapat dipertimbangkan. Dalam praktek efek pembebanan akan dapat diabaikan pada saat tahanan rangkaian besar disbanding tahanan dalam meter.

Level arus yang besar diukur pada sumber jaringan industri dan perumhan, komunikasi dan jaringan tingggi lainya. Ukuran arus rendah dibuat untuk radio penerima,tape recorder dan peralatan llistrik lainya. Efek pembebanan ammeter bias menjadi kritis bila tahanan dalam meter menunjukkan substansi dari komponen tahanan suatu rangkaian.

Efek Pembebanan Pada Amperemeter dan Voltmeter

A.    

1.      Voltmeter

Perhatikan rangkaian berikut:

gambar.1

Untuk mengukur ujung –ujung tahanan  50 kOhm untuk pengukuran ini tersedia dua voltmeter

 V1 mempunyai S = 1000 Ohm/V

V2 mempunyai S = 20000 Ohm/V

a.       Pembacaan voltmeter

b.      Kesalahan tiap pembacaan

Voltmeter 1 memiliki tahanan 50 V x 1000 Ohm/V = 50 KOhm, pada rangkuman 50 V

V1 = 25 Kohm/125 Kohm x 150 V = 30 V

Voltmeter 2 meliki tahanan 50 V x 20 Kohm/V =  1 Mohm, pada rangkuman 50 V

V2 = 47,6 KOhm/147,6 Kohm x 150 V = 48,36 V

Kesalahan pembacaan

V1 = (50 V – 30 V)/50 V  x 100 % = 40 %

V2 = ( 50 V – 48,36 V)/50 V x 100 % = 3,28 % 

Dari contoh dapat dilihat bahwa voltmeter yang dipasang memberikan penunjukan harga tegangan yang lebih rendah dari harga tegangan yang sebenarnya karena dengan adanya voltmeter ini dihasilkan tahanan ekivalen yang lebih kecil dari pada tahanan rangkaian sesungguhnya, efek ini disebut efek pembebanan.

Sensitivitas voltmeter           

Sensitivitas S, adalah kebalikan dari defleksi skala penuh alat ukur yaitu : S = 1 / IdpSensitivitas S dapat digunakan pada metode sensitivitas untuk menentukan tahanan pengali voltmeter arus searah . R = (S x V) - Rm
Dimana : S          = sensitivitas voltmeter,ohm/volt

                 V         = rangkuman tegangan yang ditentukan oleh posisi sakelar

                 Rs        = tahanan pengali

                 Rm      = tahanan-dalam alat ukur (ditambah  tahanan seri)

Tindakan pencegahan yang umum bila menggunakan sebuah voltmeter adalah :

• Periksa polaritas yang benar. Polaritas yang salah (terbalik) menyebabkan voltmeter menyimpang  kesumbat mekanis dan ini dapat merusak jarum. 
• Hubungkan voltmeter paralel terhadap rangkaian atau komponen yang akan diukur tegangannya. 
• Bila menggunakan rangkuman ganda, gunakan selalu rangkuman tertinggi dan kemudian turunkan sampai diperoleh pembacaan naik yang baik.
•  Selalu hati-hati terhadap efek pembebanan. Efek ini dapat diperkecil dengan menggunakan rangkuman setinggi mungkin (dan sensitivitas paling tinggi). Ketepatan pengukuran berkurang bila penunjukan berada pada skala yang lebih rendah

2.      Amperemeter

Efek pembebanan terjadi juga jika kita mengunakan amperemeter.

gambar.2

Dari rangkaian diatas dapat dilihat bahwa tanpa amperemeter arus yang mengalir kebeban adalah:

I₀ = E₀ + R₀

Bila kita pasang amperemeter, maka impedansi rangkaian bertambah dan arus yang mengalir menjadi:

I_L = Eo /(Ro+Rm)=( IoRo ) / (Ro+Rm)=Io /(1+Rm/Ro)

Dari persamaan ini amperemeter yang dipasang memberikan penunjukan harga arus yang lebih kecil dari harga arus yang sesungguhnya. Efek pembebanan ini dapat diperkecil bila Rm <<Ro artinya tahanan amperemeter harus sekecil mungkin.

B.   Konstruksi ammeter dan voltmeter

1.      Amperemeter

Kontruksi sederhana dari amperemeter DC adalah jenis PMMC. Karena kumparan PMMC kecil dan kemampuan hantar arusnya tebatas, maka hanya dapat dilalui oleh arus kecil saja. Jika I yang besar akan diukur, maka sebagian arus dilewatkan pada tahanan yang di pasang parallel dengan kumparan PMMC seperti pada gambar:

 

gambar.3

Rm = tahanan kumparan

Rs = tahanan yang dipasang parallel dengan kumparan

Im = arus maksimum yang boleh lewat kumparan

I = arus total yang diukur atau arus skala penuh

Vshunt = Vkumparan

Is Rs = Im Rm

Karena I = Is + Im

Maka : Rs =(Im.Rm)/(I - Im)

Sebuah amperemeter yang mempunyai beberapa range pengukuran, maka beberapa tahanan shunt dapat dipasang dengan konfigurasi berikut:

1.      Amperemeter rangkuman ganda (Multirange Ammeter )

Rangkaian ini memiliki empat shunt yang dihubungkan parallel terhadap alat ukur agar menghasilkan empat batas ukur yang berbeda.

 

gambar.4

2.      Shunt Ayrton ( shunt Universal )

Rangkaian ini dapat mencegah kemungkinan penggunaan alat ukur tanpa tahanan shunt sehingga memiliki keuntungan yaitu nilai tahanan total yang lebih besar.

 gambar.5

Hal – hal yang harus diperhatikan dalam penggunaan amperemeter DC:

-          Amperemeter selalu dihubungkan seri dengan beban atau dengan rangkaian yang akan diukur arusnya.

-          Polaritas amperemeter harus sesuai dengan rangkaian.

-          Bila menggunakan multirange, pertama kali gunakan range yang tertinggi kemudian diturunkan sampai mendekati skala penuh pada range tersebut.

2.      Voltmeter

gambar.6 alat ukur jenis permanent magnet moving coil

Voltmeter yang umum terdiri dari sebuah jarum meteran yang dapat bergerak disusun seri dengan sebuah resistansi yang berfungsi sebagai pembatas arus. Meteran ini disebut dengan kumparan bergerak magnet permanen (dalam bahasa inggris : permanent-magnet moving coil disingkat PMMC) seperti tampak pada gambar , atau yang digital disebut digital panel meter (DPM). PMMC terdiri dari sebuah elektromagnet yang dilitkan ke sebuag batang. Ketika ada tegangan yang dipasangkan ke terminalnya (voltmeter), arus yang kecil akan mengaliri voltmeter. Karena muatan mengalir melewati kumparan elektromagnet, dihasilkan medan magnet. Karena kumparan yang bisa bergerak ini diletakkan di dalam magnet permanen, magnet tersebut akan berinteraksi dengan medan magnet yang dihasilkan kumparan tadi hingga menyebabkan gaya tolakan yang proporsional dengan arus yang mengaliri voltmeter (pada bagian lain akan dipelajari bahwa medan magnet bisa dihasilkan oleh arus listrik) . Nilai arus yang menyebabkan jarum bergerak menuju posisi maksimumnya disebut arus skala simpangan penuh (full scale deflection current) dan biasanya dilambangkan dengan Ifsd. Ifsd pada suatu voltmeter analog dapat dihitung dari sensitivitasnya, S, yang biasanya tertera pada voltmeter dinyatakan dalam volt per ohm. Sensitivitas didefiniskan sebagai

S = 1/I_fsd

Bila arus yang mengalir pada rangkaian kurang dari Ifsd, maka pembacaannya proporsional dengan nilai arus yang mengalir, dihitung:

Simpangan  = 100 %  × (I / I_fsd)

Bila arus berlebih mengaliri voltmeter, jarum penahan bisa rusak atau jarum penunjuk itu sendiri dapat rusak. Karena medan magnet yang ditimbulkan oleh arus nilainya ekstrim, maka nilai resistansi PMMC biasanya dibuat dalam orde  beberapa ribu ohm. Resistansi dari meteran, disingkat Rm. Untuk membatasi arus yang melalui kumparan PMMC agar tidak melampaui harga I maksimumnya, maka dipasang tahanan yang seri dengan kumparan dan disebut tahanan multiplier seperti pada gambar 7:

gambar.7 contoh PMMC

Im = arus maksimum yang boleh melewati kumparan

Rm = tahanan kumparan

Rs = tahanan seri / multiplier

V = tegangan total yang diukur atau tegangan skala penuh sesuai dengan range voltmeter.

V= Im (Rs + Rm )

Rs=(V/Im) - Rm

gambar.8  skematik voltmeter sederhana

Dengan menyusun PMMC seri dengan sebuah resistor seperti tampak pada gambar 5, ini sudah memungkinkan membuat suatu rangkaian sederhana yang mampu mengukur tegangan.

Pada gambar rangkaian gambar 8, resistor R_s digunakan untuk membatasi nilai arus sehingga pergerakan dari jarum meteran tidak pernah melebihi I_fsd. Nilai resistor tidak hanya bergantung pada jenis meteran yang digunakan, tetapi juga dari range pengukuran yang dipilih. Kita ingin mendapatkan simpangan yang maksimum ketika meteran mengukur tegangan maksimum pada skala yang dipilih. Ketika kita telah memilih range pengukuran pada alat ukur, maka selanjutnya kita membuat angka penyekalaan dari beberapa hasil pengukuran untuk

Gambar 9 Penyekalaan umum sebuah voltmeter

membantu pengguna voltmeter membaca hasil pengukuran. Misal skala yang ditunjukkan pada gambar 9 dibuat untuk voltmeter yang memiliki range pengukuran 10-V. Pada meteran gambar 9, meteran akan menunjukkan pembacaan tegangan maksimum (10 V) ketika arus yang melewati meteran sama dengan I_fsd.

Dengan menggunakan hukumOhm, kita dapat menghitung resistansi total rangkaian :

R_T = V_range / I_fsd = S  x V_range

Karena jarum penunjuk meteran mempunyai resistansi Rm, kita dapat menghitung resistansi seri yang dibutuhkan sebesar

R_s = R_T – R_m atau R_s = (V_range / I_fsd )– R_m        

Dengan menambahkan tombol selektor, hal ini memungkinkan untuk mendisain voltmeter yang memiliki range pengukuran yang berbeda-beda  (multirange), seperti ditunjukkan gambar 10, adalah voltmeter yang memiliki pengukuran multirange.

Gambar 10Skematik voltmeter dengan disain multirange

Untuk voltmeter yang memiliki pengkuran multirange, umumnya peneyekalaan disetel untuk menyederhanakan pembacaan. Contoh berikut ini akan mengilustrasikan bagaimana sebuah voltmeter multirange didisain dan bagaimana skala yang dibuat bisa dibaca.

Contoh

Disain sebuah voltmeter yang memiliki range pengukuran sebesar 20-V, 50-V, dan 100-V dan gunakan meteran yang mempunyai I_fsd = 1 mA dan R_m = 2 kΩ.

Solusi : Range 20-V : Menggunakan persamaan 5-14, kita menghitung resistansi seri yang dibutuhkan yaitu

R₁ = (20 V/ 1 mA) – 2 kΩ = 18 kΩ

Cara yang sama untuk range yang lainnya,

Range 50-V :

R₂ = (50 V / 1 mA) – 2 kΩ = 48 kΩ

Range 100-V :

R₃ = (50 V / 1 mA) – 2 kΩ = 98 kΩ

Rangkaian dan skalanya ditunjukkan gambar 9. Sekarang, dengan memilih salah satu dari beberapa range pengukuran dan menggunakan skala, kita dapat mengukur tegangan hingga 100 V.

Gambar 11 Contoh soal voltmeter dengan multirange

Contoh

Bila voltmeter pada contoh diatas digunakan untuk mengukur tegangan pada sumber tegangan 40-V, hitunglah range pengukuran mana yang dipilih? Hitung arus yang melewati meteran dan hitung persentase simpangannya.

Solusi : Kita tidak bisa menggunakan range pengukuran yang 20-V, karena ini dapat menyebabkan arus melebihi nilai I_fsd. Namun, range pengukuran yang 50-V dan 100-V dapat dipakai.

Range 50-V : Bila range ini digunakan, maka arus yang mengalir pada rangkaian ditunjukkan pada gambar 10

Gambar 12 Penyekalaan dan rangkaian multirange voltmeter

Dengan menggunakan hukum Ohm, kita dapat menghitung arus yang mengalir pada rangkaian yaitu

I = 40 V / (48 kΩ + 2 kΩ) = 0. 8 mA

Presentase simpangannya adalah

Simpangan = 100%x (0.8 mA / 1 mA) = 80%

Range 100-V: Bila range ini yang kita pilih, maka arus yang mengalir pada rangkaian ditunjukkan pada gambar 10

Gambar 13 Range 100V

Dengan menggunakan hukum Ohm, kita dapat mengukur arus pada rangkaian adalah

I = 40 V / (98 kΩ + 2 kΩ) = 0.4 mA

Simpangan yang terjadi saat pengukuran menggunaka range ini adalah

Simpangan = 100% × (0.4 mA / 1mA) = 40%

Walaupun sebenarnya kita bisa mengukur tegangan menggunakan beberapa range pengukuran, namun secara umum hasil pengukuran yang bisa diterima adalah saat hasil pengukuran itu mempunyai simpangan yang maksimum. Pada contoh 5-14, lebih baik kita menggunakan range pengukuran yang 50-V (walaupun sebenarnya kita juga bisa memakai yang range 100-V) karena menghasilkan simpangan yang maksimum saat menggunakan range 50V.