Konstruksi Ammeter
Suatu alat yang digunakan untuk mengukur arus disebut ammeter karena menggunakan satuan pengukuran yaitu ampere.
Dalam konstruksi ammeter, resistor eksternal ditambahkan untuk menambah range dari jarum penggerak yang dihubungkan paralel, sedangkan kalau pada voltmeter dihubungkan seri. Hal ini karena kita ingin membagi arus yang akan diukur, bukan mengukur tegangannya, sehingga rangkaian paralel digunakan untuk membagi arus.
Misalkan pada voltmeter, kita lihat bahwa arus yang mengalir pada voltmeter terbatas, simpangan skala penuh terjadi pada saat arusnya hanya 1 mA.
Karena itulah voltmeter ini harus
dilebarkan range pengukurannya, dengan cara menera ulang skala
pengukurannya sehingga pembacaannya dapat dipakai untuk mengukur arus
yang besar. Contoh, bila kita ingin mendisain sebuah ammeter yang
memiliki range skala penuhnya sebesar 5 Ampere menggunakan meteran ini
(Voltmeter dengan skala penuh saat dialiri arus 1 mA), kita harus menera
ulang skala pembacaannya yaitu mencetak tulisan 0 A pojok sebelah kiri
kemudian 5 A di pojok sebelah kanan (bukan 0 mA hingga 1
mA). Berapapun range pengukuran yang ingin kita dapatkan, kita hanya
merangkai resistor paralel dengan ammeter, kemudian mencetak range skala
pembacaannya.
Misalkan kita ingin
melebarkan range pengukuran hingga 5 A, maka kita dapat menghitung
resistansi paralel yang dibutuhkan ( atau di rangkai shunt), sehingga
hanya arus 1 mA yang mengalir pada ammeter saat digunakan untuk mengukur arus 5 A bila diketahui resistansi internal ammeter sebesar 500 Ω.
Dari spesifikasi tersebut, kita dapat mengukur tegangan pada resistansi internal (resistansi jarum penunjuk) ammeter dengan hukum Ohm yaitu
E = IR = (1 mA) (500 Ω) = 0.5 V
Karena jarum penunjuk dirangkai paralel dengan resistor shunt, maka tegangan dari resistor shunt dan tegangan terminal ukurnya juga harus sama dengan tegangan resistansi internalnya (jarum penunjuk) yaitu sebesar 0.5 V.
Karena kita ingin mengukur arus input 5 A, maka dengan menggunakan hukum arus Kirchhoff, arus ini akan bercabang ada yang masuk ke ammeter,
dan akan ada yang melewati resistor shunt nya. Karena yang diinginkan
arus yang mengalir sebesar 1 mA pada jarum penunjuk, maka seharusnya
arus yang mengalir pada resistor shunt adalah sebesar
5 A = 1 mA + IRshunt
IRshunt = 5 A – 1 mA = 4.999 A.
Tegangan pada resistor shunt adalah 0.5 V
dan arus yang melewatinya adalah 4.999 A. Maka resistansi dari resistor
shunt yang diperlukan adalah
Rshunt = VRshunt / IRshunt = 0.5 V / 4.999 A = 100.02 mΩ
Pada kenyataannya, resistor shunt
“tambahan” ini biasanya dikemas dalam tempat berpelindung logam pada
ammeter tersebut, dan tidak terlihat. Perhatikan konstruksi ammeter dari
gambar berikut ini.
Untuk ammeter yang terintegrasi dengan AVOmeter, biasanya disediakan terminal khusus untuk pengukuran arus 5 A. Terminal inilah yang dihubungkan dengan resistansi shunt yang nilainya sangat kecil itu.
Contoh:
Misalkan kita ingin mendisain sebuah
ammeter yang digunakan untuk mengukur arus hingga 100 mA, apabila
ammeter itu menggunakan penunjuk yang memiliki arus maksimum Ifsd = 1 mA dan resistansi penunjuknya Rm = 2 kΩ. Berapa resistansi shunt yang diperlukan?
Solusi: Ketika ammeter mengukur arus yang maksimum, tegangan pada penunjuk meterannya (dan resistansi shunt nya) adalah
Vm = Ifsd Rm = (1 mA) (2 kΩ) = 2 V
Arus yang melewati resistansi shunt adalah
Ishunt = Irange – Ifsd = 100 mA – 1 mA = 99 mA
Sehingga resistansi shuntnya haruslah bernilai
Rshunt = 2 V / 99 mA = 20.2 Ω
Konstruksi ammeter ditunjukkan pada gambar 3.
Ammeter yang ditunjukkan pada gambar 4
adalah ammeter otomotif yang diproduksi Stewart-Warner. Walaupun ammeter
biasanya mempunyai rating skala beberapa miliampere, namun ammeter pada
gambar memiliki range +/- 60 A. Resistor shunt yang membuat ammeter
ini hingga mampu mengukur arus yang besar. Perhatikan
pula meteran tersebut mempunyai jarum penunjuk yang berada di
tengah-tengah menandakan nilai nol ampere. Yang sebelah kanan bernilai
positif, sebelah kirinya bernilai negatif. Bila dihubungkan ke aki
mobil yang sedang dicharge, meteran ini dapat menunjukkan kondisi bahwa
aki sedang di-charge (elektron mengalir dari sumber ke aki) atau aki dalam kondisi men-discharge (elektron mengalir dari aki ke beban mobil).
Seperti voltmeter yang memiliki
pengukuran multirange, ammeter juga memiliki beberapa range pengukuran
dengan cara menyambungkan beberapa resistor yang disusun shunt dengan
tombol selektor dan mempunyai multi pengkutub-an.
Perhatikan bahwa resistor-resistor yang
terhubung ke selektor disusun paralel dengan jarum penunjuk, sedangkan
pada voltmeter disusun seri. Selektor hanya bisa digunakan untuk memilih
salah satu resistor shunt. Masing-masing resistor mempunyai ukuran
sendiri-sendiri tergantung dari range skala pengukuran.
Nilai-nilai resistor ini bisa dihitung
seperti pada pembahasan contoh di atas. Untuk sebuah ammeter yang
memiliki range 100 mA, 1 A, 10 A, dan 100 A, resistansi shunt nya adalah seperti tampak pada gambar.
Perhatikan bahwa resistor shunt bernilai sangat rendah sekali. Yaitu
5.000005 mΩ (5.000005 mili ohm), atau sebesar 0.005000005 ohm. Untuk
mendapatkan resistansi yang rendah ini, resistor shunt pada ammeter
sering kali dibuat dengan mengubah-ubah diameter kawat logam.
Satu hal yang harus diwaspadai ketika
membuat resistor shunt pada ammeter yaitu faktor penyerapan (dissipasi)
daya. Tidak seperti pada voltmeter, resistor shunt
pada ammeter harus dilalui oleh arus yang besar. Bila resistor shunt
tersebut tidak dibuat dengan benar, maka kemungkinan akan terjadi
kelebihan panas (over heat) dan bisa rusak, atau
paling tidak resistor tersebut kehilangan kepresisiannya karena efek
kelebihan panas. Untuk contoh meteran di atas, penyerapan dayanya pada
saat skala penuh masing-masing resistor shunt adalah
PR1 = E2 / R1 = (0.5 V)2 / 5.000005 mΩ ≈ 50 W
PR2 = E2 / R2 = (0.5 V)2 / 50.00005 mΩ ≈ 5 W
PR3 = E2 / R3 = (0.5 V)2 / 500.0005 mΩ ≈ 0.5 W
PR4 = E2 / R4 = (0.5 V)2 / 5.05 Ω ≈ 49.5 mW
Sebuah resistor dengan rating daya sebesar 1/8 W hanya dapat bekerja baik untuk R4, resistor ½ watt akan cukup untuk R3 dan resistor yang 5 watt untuk R2 (biasanya resistor cenderung memiliki nilai yang rating daya yang kurang dari spek paraktisnya, sehingga lebih baik kita tidak mengoperasikannya dekat dengan rating dayanya, anda harus menaikkan rating daya R2 dan R3), resistor 50 W yang presisi
adalah jarang dan komponen yang sangat mahal. Resistor tertentu terbuat
dari logam dan kawat yang tebal mungkin bisa menjadi R1 sehingga nilai resistansi yang rendah dengan rating daya yang dibutuhkan R1 terpenuhi.
Terkadang, resistor shunt digunakan bersama voltmeter (yang memiliki resistansi internal sangat
besar sekali) seperti tampak pada gambar di bawah untuk mengukur arus.
Pada kasus ini, arus yang melewati voltmeter adalah sangat kecil sekali
(atau dapat diabaikan), dan ukuran resistansi shunt dapat ditentukan
tergantung seberapa besar volt/milivolt drop tegangan yang akan dihasilkan per ampere arus:
Misal, resistor shunt pada gambar di atas berukuran tepat 1 Ω, maka akan terjadi drop tegangan sebesar 1 volt
pada resistor itu saat arus yang melewatinya sebesar 1 A. Pembacaan
pada voltmeter dapat menunjukkan nilai arus yang melewati resistor shunt
tersebut. Untuk mengukur arus yang kecil, nilai resistansi shunt nya
diperbesar untuk menghasilkan drop tegangan yang lebih per satuan arus,
jadi dengan menaikkan range pengukuran voltmeter,maka
bisa digunakan untuk mengukur arus yang kecil. Penggunaan voltmeter
dengan resistor shunt dengan resistansi yang kecil biasanya sering
digunakan pada dunia industri.
a
Penggunaan resistor shunt dengan sebuah
voltmeter untuk mengukur arus adalah suatu “trik” yang bermanfaat untuk
menggantikan peranan ammeter sebagai pengukur arus. Normalnya, untuk
mengukur arus pada rangkaian dengan menggunakan ammeter, rangkaian
tersebut harus diputus terlebih dahulu lalu ammeter dimasukkan (disusun
seri) diantara dua kebel yang diputus tadi, seperti ini:
Bila kita memiliki suatu rangkaian
dimana arusnya sering untuk diukur, atau bila kita sekedar ingin
mepermudah pengukuran arus, maka sebuah resistor shunt bisa diletakkan
pada rangkaian itu dan dipasang permanen, sehingga apabila kita ingin
mengukur arus, kita bisa memakai voltmeter yang dipasang paralel dengan
resistor shunt (tanpa memotong rangkaian seperti saat kita menggunakan
ammeter). Seperti rangkaian pada gambar di bawah ini:
Tentu saja ukuran dari resistor shunt
ini haruslah sangat kecil sehingga tidak mempengaruhi dan mengganggu
operasional dari rangkaian tersebut, tetapi hal ini sangatlah sulit
untuk dilakukan. Biasanya teknik ini digunakan pada analisa rangkaian yang memakai program komputer, dimana arus yang ingin diukur pada rangkaian ditampilkan dalam besaran tegangan.
Pengaruh voltmeter pada rangkaian
Setiap alat ukur listrik selalu
mempengaruhi rangkaian yang diukur. Walaupun pengaruh ini tidak dapat
dielakkan, tapi pengaruh ini bisa diminimalisir dengan mendisain alat ukur dengan baik.
a
Karena saat kita mengukur tegangan
menggunakan voltmeter, kita harus merangkaikan voltmeter tersebut
paralel dengan komponen yang diukur. Tetapi akan ada arus yang mengalir
pada voltmeter yang akan mempengaruhi nilai arus (yang sebenarnya) pada
rangkaian itu, sehingga nilai tegangan yang terukurpun juga terpengaruh.
Sebuah voltmeter yang sempurna memiliki resistansi yang sangat besar
sekali (secara teoritis
resistansi internal voltmeter = ∞ Ω), sehingga voltmeter tersebut tidak
“mengambil” arus dari rangkaian yang diukur. Namun, voltmeter yang
sempurna ini hanya ada dalam buku, secara praktek tidak ada voltmeter
yangg seperti demikian. Perhatikanlah rangkaian pembagi tegangan
berikut, rangkaian ini akan mencontohkan bagaimana pengaruh voltmeter
sangatlah ekstrim.
Saat voltmeter belum dipasangkan ke rangkaian, seharusnya nilai tegangan masing- masing resistor adalah
V = (24 V) × 250 MΩ / (250 MΩ + 250 MΩ) = 12 V
Seharusnya adalah 12 V.
Namun, bila voltmeter yang memiliki resistansi internal sebesar 10 MΩ
(nilai resistansi internal yang umum pada voltmeter digital), resistansi
internal ini akan menciptakan sambungan paralel dengan resistor 250 MΩ
yang bawah bila voltmeter disambungkan ke rangkaian.
a
Sehingga akan menyebabkan resistor 250 MΩ ini akan berkurang menjadi
RP = (250 MΩ) (10 MΩ) / (250 MΩ + 10 MΩ) = 9.615 MΩ
Jadi resistor yang memiliki nilai 250 MΩ
akan berkurang menjadi 9.615 MΩ (rangkaian pengganti paralelnya),
secara drastis akan mempengaruhi pengukuran tegangan. Berarti voltmeter
akan menghasilkan pembacaan
V = (24 V) × (9.615 MΩ) / (9.615 MΩ + 250 MΩ) = 0.8889 V
Jadi, nilai tegangan yang seharusnya
sebesar 12 V, namun karena pengaruh resistansi internal ini, hasil
pembacaan voltmeter adalah hanya 0.8889 V.
Efek ini disebut efek pembebanan
(loading effect), dan nilainya mempunyai derajat tertentu tergantung
rangkaian yang diukur. Efek ini akan menjadi sangat buruk, apabila
resistansi internal dari voltmeter lebih kecil dari pada resistansi dari
resistor yang akan diukur tegangannya (seperti contoh di atas). Jadi, kesalahan pembacaan dari voltmeter ini bergantung dari
resistansi internal voltmeter dengan resistansi komponen yang akan
diukur tegangnnya. Singkatnya, semakin besar resistansi internal dari
voltmeter, maka efek pembebannya juga semakin berkurang terhadap
rangkaian yang diukur. Maka dari itu, voltmeter yang ideal adalah
voltmeter yang memiliki resistansi internal yang tak terbatas (Rinternal
= ∞ Ω).
Voltmeter yang konstruksinya menggunakan
penunjuk elektromekanis (seperti PMMC) biasanya mempunyai rating range
ohm per volt untuk menunjukkan seberapa besar efek yang ditimbulkan
dari voltmeter ini karena arus “bocor” akan mengalir pada voltmeter ini.
Meteran yang nilai resistansi internalnya bisa diubah-ubah berarti
merupakan voltmeter multirange. Nilai ohm
per volt berarti seberapa besar nilai resistansi dari terminal
voltmeter per volt dari tombol selektor yang dipilih. Contohnya adalah
berikut ini:
Pada skala range 1000 V, total
resistansinya adalah 1 MΩ (999.5 kΩ + 500 Ω), sehingga nilainya 1 MΩ per
range 1000 V, atau 1000 ohm per volt (1 kΩ/V).Ohm per volt ini adalah sensitivitas dari voltmeter.
Berdasarkan gambar di atas
Untuk range 100 V, sensitivitasnya adalah 100 kΩ/100 V = 1000 Ω/V
Untuk range 10 V, sensitivitasnya adalah 10 kΩ/10 V = 1000 Ω/V
Untuk range 1 V, sensitivitasnya adalah 1 kΩ/ 1 V = 1000 Ω/V
Dari hasil perhitungan di atas,
disimpulkan bahwa range tegangan manapun yang kita pilih, sensitivitas
dari voltmeter tersebut adalah tetap.
http://elkaasik.com/resistansi-internal-amperemeter-dan-loading-effect-voltmeter/
Tidak ada komentar:
Posting Komentar