Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik A. PENDAHULUAN Pokok Bahasan : Elektrodinamometer Instrumen Besi Putar Instrumen Jenis Penyearah Termo Instrumen Elektrodinamometer dalam Pengukuran Daya Alat Ukur Watt / Jam Alat Ukur Faktor Daya Alat Ukur Frekuensi Tujuan Belajar : Setelah mempelajari materi dalam bab ini, mahasiswa diharapkan mampu: Menjelaskan tentang elektrodinamometer Menjelaskan tentang instrumen besi putar Menjelaskan tentang instrumen jenis penyearah Menjelaskan tentang termo instrumen Menjelaskan tentang elektrodinamometer dalam pengukuran daya Menjelaskan tentang alat ukur Watt / jam Menjelaskan tentang alat ukur faktor daya Menjelaskan tentang alat ukur frekuensi B. PEMBAHASAN MATERI AJAR 4.1 Elektrodinamometer Penggerak jenis elektrodinamometer adalah penggerak meter dasar yang paling banyak dipakai saat ini. Seperti halnya penggerak d'Arsonval yang telah dibahas sebelumnya, elektrodinamometer adalah peralatan yang peka terhadap arus; dimana, penyimpangan penunjuk skala akan naik karena ada arus yang melewati kumparan putar. Sekalipun penggerak meter ini lebih mendasar dalam penggunaannya, alat ini juga memiliki banyak kemampuan. Penggerak berkumparan tunggal dapat digunakan untuk mengukur tegangan atau arus baik searah maupun bolak-balik, atau wattmeter satu fasa atau Varmeter. Penggerak Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik berkumparan ganda dapat digunakan dalam wattmeter atau varmeter berfasa banyak, penggerak jenis kumparan menyilang dapat digunakan sebagai meter faktor daya atau sebagai sebuah frekwensi meter, disamping semua hal tersebut diatas, barangkali penerapan yang paling penting dari penggerak elektrodinamometer adalah sebagai voltmeter dan ammeter standar dan sebagai instrumen pengubah. Karena sifat akurasi dari penggerak elektrodinamometer, yang memberikan kebaikan pada alat tersebut untuk digunakan dalam meter standar untuk mengkalibrasi meter lainnya). Yang dimaksud dengan istilah instrumen pengubah adalah instrumen yang dapat dikalibrasi dengan sumber DC, kemudian digunakan tanpa modifikasi untuk raengukur arus bolak-balik, Hal ini memberi kita makna langsung tentang menyamakan pengukuran AC dan DC dari arus atau tegangan. Penggerak elektrodinamometer kumparan tunggal terdiri dari sebuah kumparan tetap, yang dibagi menjadi dua bagian yang sama besar, yang dipisahkan dengan kumparan yang dapat bergerak, seperti pada gambar 14. Kedua bagian dari belahan kumparan tetap dan kumparan putar dihubungkan secara serie, dan arus dari rangkaian yang diukur lewat melalui semua kumparan tersebut yang menyebabkan suatu medan magnetik disekitar kumparan tetap. Kumparan yang dapat bergerak berputar dalam medan magnet tersebut. Penggerak elektrodinamometer dasar mampu untuk menerima arus yang lebih banyak daripada penggerak d'Arsonval yang tidak dapat menerima arus tanpa shunt. Suatu aliran arus 100 mA adalah perkiraan harga arus maksimum yang tanpa resistansi shunt. Penambahan kemampuan menerima arus diperoleh melalui rancangan dasar dari penggerak meter. Gambar 14. Penggerak Elektrodinamometer Kopel magnetik antara kumparan tetap dan kumparan putar terdapat celahcelah udara yang menyebabkan terjadinya medan magnet yang lemah. Untuk memperoleh kopel magnet yang cukup besar, arus yang lebih banyak harus dialirkan ke kumparan, yang berarti harus menggunakan diameter kawat yang lebih besar, Akan tetapi, kawat yang berdiameter besar memiliki resistansi yang kecil Jika dibandingkan dengan kawat yang berdiameter kecil, Hal ini menyebabkan penggerak elektrodinamometer mempunyai sensitifitas yang sangat rendah, yaitu sekitar 20 sampai 100 ohm/V. Saat menggunakan resistor shunt dengan penggerak elektrodinamometer untuk memperlebar kemampuan pengukuran arus, maka resistor shunt dihubung 50 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik paralel hanya dengan kumparan putar seperti yang ditunjukkan pada gambar 15. Selama hanya kumparan putar yang dihubung shunt, resistansi kumparan putar harus diketahui untuk mengukur harga shunt. Gambar 15. Penggunaan penggerak Elektronamometer Selama arus yang sama mengalir melewati kumparan medan dan kumparan putar, saat penggerak elektrodinamometer digunakan sebagai ammeter atau voltmeter lain, maka penyimpangan penunjuk sebagai kuadrat dari arus. Sebagai hasilnya adalah hukum kuadrat skala meter sepert ditunjukkan pada gambar 16. Gambar 16. Skala meter yang menggunakan hukum kuadrat Kemungkinan penerapan yang lebih luas dari penggerak elektrodinamometer adalah dalam wattmeter. Wattmeter daapt digunakan untuk mengukur daya DC maupun AC. Sinyal AC tidak terbatas pada bentuk gelombang sinusoidal saja, sehingga daya diperoleh dari beberapa bentuk gelombang AC yang diukur. Saat digunakan sebagai wattmeter elektrodinamometer dihubungkan seperti pada gambar 17. Saat digunakan sebagai wattmeter kumaparan tetap yang disebut dengan kuraparan "medan (field)" dihubung serie dengan beban dan dengan demikian mengonduksi arus yang sama seperti pada beban (ditambah arus kecil yang melalui kumparan putar). Kumparan putar dihubungkan sebagai voltmeterpada beban dimana resistor Rs adalah pengali untuk meter yang peka terhadap tegangan. 51 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Gambar 17. Penggerak Elektrodinamometer yang digunakan pada Wattmeter Torsi magnetik yang menyebabkan Penunjuk untuk menyimpang pada skala penuh dapat dinyatakan dalam persamaan jumlah penyimpangan sebagai : dimana : ϕm = K m E I cos ϕ φm Km E I cos φ = sudut penyimpangan dari penunjuk = konstantc instrumen, darajat/watt = harga rms dari tegangan sumber = harga rms dari arus sumber = faktor daya Karena tegangan kali arus sama dengan watt, maka semua satuan dapat dibagi kecuali derajat yang merupakan satuan untuk penyimpangan sudut. 4.2 Instrumen Besi Putar Instrumen-instrumen besi putar dapat dikelompokkan dalam dua jenis, yaitu instrumen tarikan (attraction) dan tolakan (repulsion). Yang terakhir ini lebih umum di-gunakan. Sebuah gerak tolakan daun radial (radial vane) ditunjukkan dalam bentuk diagram pada Gambar 18 Gerak ini terdiri dari sebuah kumparan stasioner (diam) yang mempunyai banyak gulungan dan membawa arus yang akan diukur. Dua daun besi lunak (ironvane) ditem-patkan di bagian dalam kumparan. Salah satu daun diikatkan tetap ke kerangka kumparan sedang daun lainnya dihubungkan ke poros instrumen sehingga dapat berputar secara bebas. Arus melalui kumparan memaknetisasi kedua daun dengan polaritas yang sama tanpa memperhatikan arah arus sesaat. Kedua daun yang termaknetisasi ini meng-hasilkan gaya tolakan, dan karena hanya satu daun yang bisa berputar, defleksi (penyim-pangannya) adalah analogi dari besarnya arus kumparan. Gaya tolak sebanding dengan kuadrat arus, tetapi efek frekuensi dan histeresis cenderung menghasilkan defleksi jarum yang tidak linear dan akibatnya tidak mempunyai hubungan kuadrat yang sempurna. 52 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Instrumen daun radial jenis tolakan adalah gerak besi putar yang paling sensitif dan mempunyai skala paling linear. Perencanaan yang baik dan bermutu tinggi diperlukanbagi instrumen-instrumen tingkat tinggi. Perhatikan bahwa daun aluminium yang diikat ke poros tepat di bawah jarum berputar di dalam sebuah rongga yang besarnya hampir pas yang membawa jarum untuk berhenti dengan cepat Gambar 18. Instrumen Besi Putar . Sebuah variasi instrumen daun radial adalah gerak tolakan daun konsentrik (concentric-vane. Instrumen ini memiliki dua daun konsentrik. Salah satu daun diikat tetap ke kerangka kumparan sedang yang lain dapat berputar secara koaksial di bagian dalam daun yang diam. Kedua daun ini dimaknetisasi oleh arus di dalam kumparan ke polaritas yang sama dan menyebabkannya bergeser ke sisi sewaktu mengalami gaya tolakan. Karena daun yang dapat berputar terikat ke sebuah poros ber-engsel, gaya tolak ini menghasilkan gaya rotasi yang merupakan fungsi arus di dalam kumparan. Dikontrol oleh pegas seperti mekanisme lainnya, posisi akhir jarum merupakan ukuran arus kumparan. Karena gerak ini seperti halnya semua instrumen daun berputar tidak membedakan polaritas, dia dapat digunakan untuk dc atau ac, tetapi lebih lazim digunakan untuk pengukuran bolak-balik (ac). Redaman instrumen ini diperoleh dari sebuah daun redaman (damping vane) dari bahan aluminium ringan yang dipegang oleh flens pada semua sisi dan berputar dengan ruang main yang kecil di dalam rongga udara tertutup. Bila digunakan untuk arus bolak-balik, torsi aktual akan bergetar dan dapat mengakibatkan getaran ujung jarum. Konstruksi jarum yang kokoh terbungkus, secara efektif menghilangkan getaran tersebut pada suatu daerah frekuensi yang lebar dan berfungsi untuk mencegah pelengkungan jarum bila mengalami beban lebih. Instrumen konsentrik memiliki sensitivitas yang sedang dan mempunyai karakteris-tik skala kuadratis. Adalah mungkin untuk mengubah bentuk daun-daun agar memiliki karakteristik skala yang khusus, yaitu dengan "membuka skala" bila diinginkan. 53 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Ketelitian instrumen-instrumen besi putar terutama dibatasi oleh ketidaklinearan kurva magnetisasi daun-daun besi. Untuk nilai arus yang rendah, puncak arus bolak-balik menghasilkan penyimpangan persatuan arus yang lebih besar dari nilai rata-rata, meng-akibatkan pembacaan bolak-balik yang lebih tinggi dari pembacaan arus searah ekivalen pada skala rendah. Dengan cara sama, pada skala tinggi lutut kurva maknetisasi didekati, dan nilai puncak arus bolak-balik akan menghasilkan defleksi persatuan arus yang lebih kecil dari nilai rata-rata, sehingga pembacaan arus bolak-balik akan lebih rendah dari nilai arus searah ekivalen. Histeris di dalam besi dan arus pusar (eddy-cureni) di dalam daun-daun dan bagian logam lainnya di dalam instrumen, juga mempengaruhi ketelitian pembacaan. Rapat fluksi, termasuk pada nilai arus skala penuh sangat kecil, sehingga instrumen mempunyai sensitivitas arus yang agak rendah. Di dalam sistem yang berputar ini tidak ada bagian yang membawa arus sehingga alat ukur daun besi sangat kokoh dan terpercaya. Dia tidak mudah rusak walaupun kelebihan beban sering terjadi. Penambahan sebuah tahanan pengali yang sesuai akan mengubah gerak daunbesi menjadi voltmeter; dengan cara sama, penambahan sebuah shunt akan menghasilkan rangkuman arus (current ranges) yang berbeda. Bila gerak daun besi digunakan sebagai voltmeter arus bolak-balik, frekuensi memperbesar impedansi rangkaian instrumen dan karena itu cenderung memberikan pembacaan tegangan yang lebih rendah. Karena itu voltmeter daun besi sebaiknya selalu dikalibrasi untuk setiap frekuensi yang digunakan. Instrumen komersil yang biasa dapat digunakan dalam batas-batas ketelitiannya dari 25 sampai 125 Hz. Rangkaian kompensasi khusus dapat memperbaiki prestasi alat ukur pada frekuensi-frekuensi y$ng lebih tinggi walaupun batas frekuensi atas tidak mudah diperluas melebihi sekitar 2500 Hz. Walaupun instrumen-instrumen ini akan memberi tanggapan terhadap arus searah, mereka tidak dapat digunakan sebagai instrumen alih. Namun demikian, alat ini sangat populer sebab murah dan kokoh, dan berprestasi sesuai dengan batas-batas yang telah ditetapkan. 4.3 Instrumen Jenis Penyearah a. Penggerak Meter d’Arsonval dengan penyearah Setengah Gelombang Dalam sebelumnya telah didiskusikan tentang pengukuran arus dan tegangan searah, serta pengukuran resistansi, dengan menggunakan meter penggerak d'Arsonval; merupakan peralatan yang tanggap terhadap arus searah (DC). Dalam bab ini kita akan mengungkapkan tentang penggunaan meter penggerak d'Arsonval untuk mengukur arus dan tegangan bolak-balik. Untuk mengukur arus bolak-balik dengan penggerak meter d'Arsonval, pertama-tama kita harus menyearahkan arus bolak-balik dengan menggunakan sebuah dioda penyearah untuk menghasilkan aliran arus searah. Beberapa jenis dari penyearah menggunakan sebuah penyearah oksida tembaga (CuO), dioda tabung hampa, suatu semikonduktor atau dioda "kristal". 54 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Jika kita tambahkan sebuah dioda pada rangkaian voltmeter yang telah didiskusikan pada sebelumnya, seperti yang ditunjukkan pada gambar 19, kita akan memiliki kemampuan pengukuran tegangan AC. Dimana sensitifitas dari voltmeter adalah : S= 1 1 = =1kΩ / V Ifs 1mA Suatu pengali yang melipatkan 10 kali dari harga ini adalah 10V, input DC akan menyebabkan penyimpangan skala penuh dengan tepat saat dihubungkan dengan polaritas yang ditunjukkan pada gambar . Bias maju dioda akan tidak berpengaruh pada operasi rangkaian jika kita anggap sebagai dioda ideal. Sekarang andaikata kita memberi input DC 10 volt dengan input gelombang sinus 10 V rms. Tegangan pada penggerak meter hanya setengah siklus positip dari gelombang sinus yang disebabkan oleh penyerahan dari dioda. Harga puncak 10 V rms gelombang sinus adalah : Ep = 10 Vrms x 1 .414 = 14.14 Vpuncak Penggerak meter DC akan tanggap pada harga rata-rata dari gelombang sinus AC dimana harga rata-rata sama dengan 0,636 kali harga puncak. Harga rata-rata untuk input tersebut diatas adalah : Eav = Epx 0 . 6 3 6 =1 4 . 1 4 Vx 0 . 6 3 6 =8 . 9 9 V Keseluruhannya, harga rata-rata yang melampaui seluruh siklus adalah setengah harga rata-rata dari 8,99 V atau sekitar 4,5 V. Dengan demikian, dapat kita lihat bahwa penunjuk pengukuran menyimpang skala penuh pada sinyal 10 V DC diberikan hanya menyimpang pada 4,5 V, saat diberikan sinya AC sinusoidal 10 V rms. Gambar19 . Perubahan voltmeter AC untuk mengukur tegangan DC 55 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Selama setengah siklus negatip tidak konduk. Hal ini berarti bahwa pada kenyataannya voltmeter AC tidak sesensitif voltmeter DC, suatu voltmeter AC yang menggunakan penyearahan setengah gelombang kira-kira sensitifitasnya hanya 45% dari voltmeter DC. Sebenarnya, rangkaian akan memungkinkan untuk dirancang pada penyimpangan skala penuh dengan memberikan tegangan AC 10 V rms, yang berarti bahwa resistor pengali akan hanya 45% dari harga resistor pengali untuk voltmeter DC 10 V. Selama kita lihat bahwa tegangan DC ekivalen sama dengan 45% dari harga RMS pada tegangan AC, kita dapat menyatakannya dalam bentuk suatu persamaan untuk menghitung harga resistor pengali sebagai : Rs = 0,45 E rms Edc − Rm = − Rm Idc I dc Kita dapat mengambil kesimpulan dari persamaan di atas, untuk penyearah setengah gelombang, bahwa Senac =0,45 Sendc Secara komersial, memproduksi voltmeter AC yang menggunakan penyearahan setengah gelombang menjadikan kita untuk menambahkan dioda dan sebuah shunt seperti yang ditunjukkan pada gambar 20 Gambar 20 Penyearah setengah gelombang menggunakan penyearah dan shunt resistor Dioda ganda ini dibuat dalam kemasan tunggal yang secara umum disebut dengan suatu penyearah instrumen. Penambahan dioda D dibias mundur pada setengah siklus positip dan sebenarnya tidak mempunyai pengaruh terhadap kerja rangkaian. Pada setengah siklus negatip, D di bias maju dan memberikan lintasan yang bergantian pada kebocoran arus saat dibias oundur yang pada keadaan normal mengalir melewati penggerak meter dan dioda D1 Tujuan dari resistor shunt R adalah untuk menaikkan arus yang melewati D selama setengaa siklus positip sehingga dioda beroperasi pada ukuran yang lebih linier dari kurva karakteristiknya. Dengan demikian resistor shunt ini memperbaiki kelinieran meter pada batas tegangan rendah AC, yang juga menghasilkan sensitifitas yang lebih baik. 56 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik b. Penggerak Meter d’Arsonval dengan penyearah Gelombang Penuh Gambar 21 Penyearah jembatan gelombang penuh digunakan voltmeter AC Pada voltmeter AC lebih sering yang berkeinginan untuk menggunakan penyearah gelombang penuh dari pada penyearah setengah gelombang, karena memiliki sensitifitas yang lebih tinggi. Jenis rangkaian yang paling banyak digunakan penyearah gelombang penuh adalah penyearah jenis jembatan. Selama setengah siklus positip, arus mengalir melalui dioda D2, melewati penggerak meter dari positip menuju negatip, dan melewati D3. Polaritas dalam rangkaian pada transformer sekunder adalah untuk setengah siklus positip. Selama arus mengalir melalui penggerak meter pada kedua siklus setengah, kita mengharapkan penyimpangan penunjuk menjadi lebih besar dari pada dengan penyearah setengah gelombang saat arus dialirkan hanya pada setiap setengah siklus lainnya, atau jika penyimpangan tetap sama maka instrumen yang menggunakan penyearahan gelombang penuh akan memiliki sensitifitas yang lebih besar Gambar 22 Voltmeter AC menggunakan penyearah gelombang penuh Berdasarkan rangkaian yang ditunjukkan pada gambar di atas. Hargapuncak dari sinyal 10 Vrms dihitung dengan penyearah setengah gelombang sebagai : 57 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Ep = 1,414 x E rms = 14,14 V peak Rata-rata, atau DC, harga dari pulsa gelombang sinus adalah : E ave = 0,636 Ep = 9 V Dengan demikian kita dapat melihat bahwa tegangan 10 y adalah sama dengan 9Vdc. Saat menggunakan penyearahan gelombarig penuh. Hal ini berarti bahwa sebuah voltmeter AC yang menggunakan penyearahan gelombang penuh mempunyai sensitifitas yang sama dengan 90% dari sensitifitas DC, atau mempunyai dua kali sensitifitas dari rangkaian yang menggunakan penyearahan setengah gelombang. Seperti halnya pada penyearah setengah gelombang, yang berarti bahwa harga resistor pengali akan hanya 90% dari harga voltmeter DC 10 V. Kit*, dapat menulisnya untuk penyearah gelombang penuh sebagai : Sac = 0,9 Sdc Sebagai catatan bahwa voltmeter yang menggunakan penyearahan setengah gelombang atau gelombang penuh hanya cocok untuk pengukuran gelombang AC sinusoidal. Juga, persamaan yang ditunjukkan menjadi tidak berlaku lagi untuk bentuk gelombang non sinusoidal misal: gelombang persegi, gelombang segitiga dan gelombang gigi gergaji. 4.4 Termo Instrumen Mekanisme Kawat Panas (Hot Wire Mechanism) Gambar 23 Skema Ampermeter Kawat Panas 58 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Sejarah awal dari instrumen-instrumen yang bekerja berdasarkan pemanasan (termo-instrumen) adalah mekanisme kawat-panas, yang ditunjukkan secara skematis dalam Gambar 23. Arus yang akan diukur dilewatkan melalui sebuah kawat halus yang dire-gang kencang antara dua terminal. Kawat kedua diikat ke kawat halus tersebut pada satu ujung dan pada ujung lainnya ke sebuah pegas yang berusaha menarik kawat halus ke bawah. Kawat kedua ini dilewatkan melalui sebuah canai (roller) pada mana jarum dihu-bungkan. Arus yang akan diukur menyebabkan pemanasan kawat halus dan memuai sebanding dengan kuadfat arus pemanasan. Perubahan panjang kawat menggerakkan jarum dan menunjukkan besarnya arus. Ketidakstabilan karenaregangan kawat, lambatnya tanggapan (respons), dan kurangnya kompensasi terhadap temperatur sekeliling mem-buat mekanisme ini tidak memuaskan secara komersil. Sekarang ini mekanisme kawat panas tidak dipakai lagi dan diganti dengan yang lebih sensitif, lebih teliti dan memiliki kombinasi kompensasi yang lebih baik bagi elemen termolistrik dan gerak PMMC Instrumen Termokopel Gambar 24 Skema Instrumen termokopel dasar Gambar 24 menunjukkan gabungan sebuah termokopel dan gerak PMMC yang dapat digunakan untuk mengukur arus bolak-baKk (ac) dan arus searah (dc). Gabungan ini disebut instrumen termokopel karena bekerjanya didasarkan pada tindakan elemen termokopel Bila dua logam yang berbeda disambungkan bersamasama, suatu tegangan dibangkitkan pada sambungan kedua logam tersebut. Tegangan ini bertambah sebanding dengan temperatur sambungan. Dalam Gambar 24, CE dan DE menyatakan kedua logam yang tidak sama tersebut, disambungkan pada titik E dan digambarkan dengan garis tipis dan garis tebal untuk menunjukkan ketidaksamaannya. Beda potensial antara C dan D bergantung pada temperatur yang disebut ujung dingin (cold junction), E. Suatu ke-naikan temperatur mengakibatkan pertambahan tegangan dan ini merupakan suatu keuntungan yang diperoleh dari termokopel. Elemen panas AB yang mengalami kontak mekanis dengan sambungan kedua logam pada titik E membentuk sebagian rangkaian pengukuran arus. AEB disebut ujung panas (hot junction). Energi panas yang dibangkitkan oleh arus di dalam elemen panas menaikkan temperatur ujung dingin, dan menyebabkan pertambahan tegangan yang dibangkitkan antara C dan D. Beda potensial ini menghasilkan. suatu arus searah melalui instrumen PMMC. Panas yang ditimbulkan oleh arus berbanding langsung dengan kuadrat arus (I2R)f dan 59 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik kenaikan temperatur (yang berarti tegangan d'c yang dibangkitkan) sebanding dengan kuadrat arus rms. Berarti defleksi alat penunjuk akan memenuhi hubungan aturan kuadratis, menyebabkan pe-numpukan tanda-tanda skala pada skala rendah dan menyebar pada skala tinggi. Susunan Gambar 24 tidak memberikan kompensasi terhadap perubahan-perubahan temperatur sekeliling. Gambar 25 Termokopel Terkompensasi Termoelemen yang terkompensasi ditunjukkan secara skematis dalam Gambar 25, menghasilkan suatu tegangan termolistrik dalam termokopel CED yang berbanding langsung dengan arus melalui rangkaian AB. Karena tegangan termokopel yang dibangkitkan adalah fungsi dari beda temperatur antara ujung panas dan ujung dingin, beda temperatur ini harus disebabkan oleh arus yang diukur saja. Berarti untuk pengukuran-pengukuran yang teliti, temperatur titik C dan D haruslah rata-rata temperatur titik A dan B. Ini diperoleh dengan menempatkan ujung termokopel CdanZ) di tengah-tengah potongan tembaga (copper strip) yang terpisah, yang ujungujungnya mengalami kontak termal dengan A. dan B, tetapi secara elektris#terisolasi dari A dan B. Instrumen-instrumen termolistrik yang terpasang-di dalam dari jenis terkompensasi, 'tersedia dalam batas ukur 0,5 — 20 A. Rahgkuman yang lebih tinggi juga tersedia, tetapi dalam hal ini elemen pemanas merupakan bagian luar indikator. Elemen-elemen termokopel yang digunakan untuk rangkuman di atas 60 A umumnya dilengkapi dengan sirip-sirip pehdingin udara. 4.5 Elektrodinamometer dalam Pengukuran Daya Wattmeter Satu Fasa Gambar 26 Diagram sebuah Wattmeter elektrodinamometer 60 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Elektrodinamometer dipakai secara luas dalam pengukuran daya. Dia dapat digunakan untuk menunjukkan daya searah (dc) maupun bolak-balik (ac) untuk setiap bentuk gelombang tegangan dan arus dan tidak terbatas pada gelombang sinus saja, elektrodinamometer yang digunakan sebagai voltmeter atau ampermeter terdiri dari kumparan-kumparan yang diam dan yang berputar dihubungkan secara seri, karena itu bereaksi terhadap efek kuadrat arus. Bila digunakan sebagai alat ukur daya satu fasa, kumparan-kumparan dihubungkan dalam cara yang berbeda. Lihat gambar 26. Kumparan-kumparan yang diam atau kumparan-kumparan medan ditunjukkan di sini sebagai dua elemen terpisah yang dihubungkan secara seri dan membawa arus jala-jala total (zc). Kumparan yang berputar yang ditempatkan di dalam medan maknit kumparan-kumparan yang diam, dihubungkan seri dengan tahanan pembatas arus dan membawa arus kecil (ip). Arus sesaat di dalam kumparan yang berputar adalah ip = e/Rp, di mana e adalah tegangan sesaat pada jala-jala, dani Rp adalah tahanan total kumparan berputar beserta tahanan serinya. Defleksi kumparan putar sebanding dengan perkalian ic dan ip dan untuk defleksi rata-rata selama satu periode dapat dituliskan : T 1 θ rata − rata = K ∫ ic i p dt T 0 di mana Q rata-rata K Ic Ip = = = = defleksi sudut rata-rata dari kumparan konstanta instrumen arus sesaat di dalam kumparan-kumparan medan arus sesaat di dalam kumparan potensial. Wattmeter mempunyai satu terminal tegangan dan satu terminal arus yang ditandai dengan "+". Bila terminal arus yang ditandai ini dihubungkan ke jala-jala masuk dan terminal tegangan ke sisi jala-jala dalam mana kumparan arus dihubungkan, alat ukur selalu akan membaca naik bila daya dihubungkan ke beban. Jika untuk suatu alasan (se-perti dalam metoda dua wattmeter untuk mengukur daya tiga fasa) jarum membaca mundur, sambungan arus (bukan sambungan tegangan) harus dipertukarkan. Wattmeter elektrodinamometer membutuhkan sejumlah daya untuk mempertahan-kan medan maknitnya, tetapi ini biasanya begitu kecil dibandingkan terhadap daya beban sehingga dapat diabaikan. Jika diperlukan pembacaan daya yang tepat, kumparan arus harus persis membawa arus beban, dan kumparan potensial harus dihubungkan di antara terminal-terminal beban. Dengan menghubungkan kumparan potensial ke titikA seperti dalam Gambar 26, tegangan beban terukur dengan tepat, tetapi arus melalui kumparan-kumparan medan lebih besar sebanyak Ip. Berarti wattmeter membaca lebih tinggi sebesar kehilangan daya tambahan di dalam rangkaian potensial. Tetapi, jika kumparan potensial dihubungkan ke titiki? dalam Gambar 26, kumparan medan mencatat arus beban yang tepat, tetapi tegangan pada kumparan potensial akan lebih besar sebanyak penurunan tegangan pada kumparankumparan medan. Juga wattmeter akan mencatat lebih tinggi, tetapi dengan kehilangan sebesar I2R di dalam kumparan-kumparan medan. Cara penyambungan 61 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik yang tepat bergantung pada situasi. Umumnya, sambungan kumparan potensial pada titik A lebih diinginkan untuk beban-beban arus tinggi, tegangan rendah; sedang sambungan kumparan potensial pada titik B lebih diinginkan untuk beban-beban arus rendah, tegangan tinggi. Kesulitan dalam menempatkan sambungan kumparan potensial diatasi dalam wattmeter yang terkompensasi seperti ditunjukkan pada Gambar 27. Kumparan arus ter-diri dari dua kumparan, masing-masing mempunyai jumlah lilitan yang sama. Salah satu kumparan menggunakan kawat besar yang membawa arus beban ditambah arus untuk kumparan potensial. Gulungan lain menggunakan kawat kecil (tipis) dan hanya membawa arus ke kumparan tegangan. Tetapi arus ini berlawanan arah dengan arus di dalam gulungan besar, menyebabkan fluksi yang berlawanan dengan fluksi utama. Berarti efekip dihilangkan dan wattmeter menunjukkan daya yang sesuai. Gambar 27 Diagram Wattmeter Terkonpensasi Wattmeter Fasa banyak Pengukuran daya dalam suatu sistem fasa banyak memerlukan pemakaian dua atau lebih wattmeter. Kemudian daya nyata total diperoleh dengan menjumlahkan pembaca-an masing-masing wattmeter secara aljabar. Teorema Blondel menyatakan bahwa daya nyata dapat diukur dengan mengurangi satu elemen wattmeter dari sejumlah kawat-kawat dalam setiap sistem fasa banyak, dengan persyaratan bahwa satu kawat dapat di-buat "common" terhadap semua rangkaian potensial. Gambar 28 menunjukkan sambungan dua wattmeter untuk pengukuran konsumsi daya oleh sebuah beban tiga fasa yang setimbang yang dihubungkan secara delta. Kumparan arus wattmeter 1 dihubungkan dalam jaringan; dan kumparan tegang-annya dihubungkan antara antaran (jala-jala, line) A dan C Kumparan arus wattmeter 2 dihubungkan dalam antaran B, dan kumparan tegangannya antara antaran B dan C. Daya total yang dipakai oleh beban setimbang tiga fasa sama dengan penjumlahan aljabar dari kedua pembacaan wattmeter. Diagram fasor Gambar 29 menunjukkan tegangan tiga fasa VAC, VCB, dan VBA dan arus tiga fasa IA c, ICB dan IBA. Beban yang dihubungkan secara delta dianggap in62 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik duktif, dan arus fasa ketinggalan dari tegangan fasa sebesar sudut 6. Kumparan arus Gambar 28 Diagram Pengukuran daya 3 fase dengan 2 wattmeter Gambar 29. Diagram fasor dan tegangan dan arus daya 3 fase tiga kawat Wattmeter 1 membawa arus antara IA'A, Yang merupakan penjumlahan vektor dari arus-arus fasa IAC dan IAB. Kumparan potensial wattmeter 1 dihubungkan ke tegangan antaran VAC. Dengan cara sama kumparan arus wattmeter 2 membawa arus antaran IB.B yang merupakan penjumlahan vektor dari arus-arus fasa IBA danIBC sedang tegangan pada kumparan potensialnya adalah tegangan antaran VBC. Karena beban adalah setimbang, tegangan-tegangan fasa dan arus-arus fasa sama besarnya dan dituliskan V AC =V BC =V dan I AC = I CB = I BA = I Daya, dinyatakan oleh arus dan tegangan masing-masing wattmeter adalah : 63 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik 4.6 Alat Ukur Watt / Jam Alat ukur wattjam (watthourmeter) tidak sering digunakan di laboratorium tetapi banyak digunakan untuk pengukuran energi listrik komersil. Kenyataannya adalah jelas bahwa di semua tempat di manapun, perusahaan listrik menyalurkan energi listrik ke industri dan pemakai setempat (domestik). Gambar 30 menunjukkan elemen alat ukur wattjam satu fasa dalam bentuk skema. Kumparan arus dihubungkan sen dengan antaran, dan kumparan tegangail dihu-bungkan paralel. Kedua kumparan yang dililitkan pada sebuah kerangka logam dengan desain khusus melengkapi dua rangkaian maknit. Sebuah piringan aluminium ringan digantung di dalam senjang udara medan kumparan arus yang menyebabkan arus pusar mengalir di dalam piringan. Reaksi arus pusar dan medan kumparan tegangan membang-kitkan sebuah torsi (aksi motor) terhadap piringan dan menyebabkannya berputar. Gambar 30. Elemen alat ukur wattjam satu fase Torsi yang dibangkitkan sebanding dengan kuat medan kumparan tegangan dan arus pusar di dalam piringan yang. berturut-turut adalah fungsikuat medan kumparan arus. Berarti jumlah putaran piringan sebanding dengan energi yang telah dipakai oleh beban dalam selang waktu tertentu, dan diukur dalam kilowatt-jam (kWh, kilowatt-hour). Poros yang menopang piringan aluminium dihubungkan melalui susunan roda gigi ke mekanisme jam dipanel alat ukur, melengkapi suatu pembacaan kWh yang terkalibrasi dalam desimal. v Redaman piringan diberikan oleh dua maknit permanen kecil yang ditempatkan saling berhadapan pada sisi piringan. Bila piringan berputar, maknitmaknit permanen mengindusir arus pusat di dalamnya. Arus-arus pusar ini bereaksi dengan medan maknit dari maknit-maknit permanen kecil dan meredam gerakan piringan. Kalibrasi alat ukur watt-jam dilakukan pada kondisi beban penuh yang diijinkan dan pada kondisi 10% dari beban yang diijinkan. Pada beban penuh, kalibrasi terdiri dari pengaturan posisi maknit-maknit perniai^gjcec^ agar alat ukur membaca dengan tegat. Pada beban-beban yang sangat ringan, komponen tegangan dari medan menghasUkan suatu torsi yang tidak berbanding langsung dengan beban. 64 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Kompensasi kesalahan diper-oleh dengan menyisipkan sebuah kumparan pelindung atau pelat di atas sebagian kumparan tegangan dengan membuat alat ukur bekerja pada 10%beban yang diijinkan. Kalibrasi alat-ukur pada kedua posisi ini biasanya menghasilkan pembacaan yang inemuas kan untuk semua beban-beban lainnya. Alat ukur watt-jam tipe poros tempting (floating shaft) menggunakan sebuah desain yang unik untuk menggantungkan piringan. Poros berputar mempunyai sebuah maknit kecil pada masing-masing ujung. Maknit poros bagian atas ditarik ke sebuah maknit dalam bantalan atas, sedang maknit bawah ditarik ke sebuah maknit dalam bantalan bawah. Berarti gerakan pelampung tidak akan menyentuh kedua permukaan bantalan, dan satu-satunya kontak terhadap gerakan adalah melalui roda gigi yang menghubung-kan poros ke kelengkapan roda gigi. 4.7 Alat Ukur Faktor Daya Menurut definisi, faktor daya adalah kosinus sudut fasa antara tegangan dan arus, dan pengukuran faktor daya biasanya menyangkut penentuan sudut fasa ini. Ini di-tunjukkan dalam kerja alat ukur faktor daya kumparan bersilang (crossed-coil power factor meter). Pada dasarnya instrumen ini adalah gerak elektrodinamometer di mana elemen yang berputar terdiri dari dua kumparan yang dipasang pada poros yang sama tetapi tegak lurus satu sama lain. Kumparan putar berputar di dalam medan maknetik yang dihasilkan oleh kumparan medan yang membawa arus jala-jala. Penyambungan alat ukur ini di dalam sebuah rangkaian satu fasa ditunjukkan pada diagram Gambar 31. Seperti biasanya kumparan medan dihubungkan seri dengan an-taran dan mengalirkan arus antaran. Salah satu kumparan dari elemen yang berputar dihubungkan seri dengan sebuah tahanan (R) pada antaran-antaran dan menerima arus dari beda potensial yang dimasukkan. Kumparan kedua elemen yang berputar tersebut Gambar 31. Rangkaian alat ukur faktor daya kumoran silang satu fasa dihubungkan seri dengan sebuah induktor (L) pada antaran. Karena di sini tidak diguna-kan pegas-pegas pengatur posisi setimbang, elemen yang berputar akan bergantung pada torsi yang diakibatkan oleh kedua kumparan yang saling bersilang. Bila elemen yang berputar dalam posisi setimbang, kontribusi masing-masing elemen terhadap torsi total harus sama tetapi berlawanan tanda. Torsi yang dibangkitkan di dalam masing-masing kumparan adalah fungsi arus melalui kumparan dan berarti bergantung pada im-pedansi rangkaian kumparan tersebut. 65 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Torsi juga bergantung pada induktansi bersama antara tiap bagian kumparan yang bersilang dan kumparan medan stasioner. Induktansi bersama ini bergantung pada posisi sudut elemen-elemen kumparan bersilang terhadap posisi kumparan medan stasioner. Bila elemen yang berputar dalam keadaan setimbang, dapat dilihat bahwa simpangan sudutnya merupakan fungsi dari sudut fasa antara arus antaran (kumparan medan) dan tegangan antaran (kumparan-kumparan yang bersilang). Penunjukan jarum yang dihubungkan ke elemen berputar dikalibrasi langsung dalam sudut fasa atau faktor daya. Alat ukur faktor daya dengan daun terpolarisasi (polarized vane powerfactor meter) ditunjukkan dalam sketsa konstruksi Gambar 5-26. Instrumen ini terutama diguna-kan dalam sistem daya tiga fasa sebab prinsip kerjanya bergantung pada pemakaian tegangan tiga fasa. Kumparan luar adalah kumparan potensial yang dihubungkan ke an-taran-antaran sistem tiga fasa. Penyambungan tegangan tiga fasa ke kumparan potensial menyebabkannya bertindak seperti stator motor induksi tiga fasa sewaktu membang-kitkan suatu fluksi maknit berputar. Kumparan di tengah atau kumparan arus dihubungkan seri dengan salah satu antaran fasa, dan ini mempolariser daun-daun besi. Daun-daun terpolarisasi ini bergerak di dalam medan maknit berputar dan mengambil suatu posisi di mana medan putar pada suatu saat mempunyai fluksi polarisasi paling besar (maksimal). Posisi ini merupakan indikasi sudut fasa dan berarti indikasi faktor daya. Instrumen ini dapat digunakan dalam sistem satu fasa dengan syarat bahwa sebuah rangkaian pemisah fasa (serupa dengan yang digunakan dalam motor satu fasa) ditambahkan untuk membangkitkan medan maknit putar yang diperlukan. Kedua jenis alat ukur faktor daya terbatas pada pengukuran frekuensi yang relatif Rndah dan khususnya digunakan pada frekuensi jala-jala (60 Hz). Pengukuran fasa pada frekuensi-frekuensi yang lebih tinggi sering lebih teliti dan ini secara memuaskan akan lihasilkan oleh instrumen-instrumen elektronik atau tehnik-tehnik tertentu. 4.8 Alat Ukur Frekuensi Frekuensi dapat ditentukan dengan berbagai cara, tetapi sementara kita membicarakan instrumen-instrumen penunjuk yang dalam kategori ini adalah alatalat ukur freiuensi yang memanfaatkan efek frekuensi terhadap faktor-faktor seperti : induktansi Ibersama, resonansi sirkuit penyetalaan (tuned circuit) dan resonansi mekanik Sebuah contoh pemakaian rangkaian penyetalaan ditemukan pada alatukur frekuansi tipe elektrodinamometer, yang ditunjukkan secara skematis dalam Gambar 32. Dalam alat ukur frekuensi ini, kumparan-kumparan medan membentuk sebagian dari dua rangkaian resonan terpisah. Kumparan medan 1 adalah seri dengan induktorLj dan kapasitor C\, dan membentuk sebuah rangkaian resonan yang disetel ke suatu frekuensi sedikit di bawah skala terendah dari instrumen. Kumparan medan 2 adalah sen dengan induktor L2 dan kapasitor C2, dan membentuk sebuah rangkaian resonan yang disetel ke frekuensi sedikit lebih tinggi dari skala tertinggi instrumen. Dalam hal frekuensi jala-jala, rangkaian harus disetel ke frekuensi berturut-turut 50 Hz dan 70 Hz, dengan 60 Hz pada pertengahan skala. 66 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik Gambar 32. Rangkaian alat ukur frekunsi tipe lektrodinamometer Kedua kumparan medan disusun seperti ditunjukkan pada diagram dan dikembalikan ke jala-jala melalui gulungan kumparan yang dapat berputar. Torsi pada elemen yang berputar sebanding dengan arus melalui kumparan berputar. Arus ini terdiri dari penjumlahan kedua arus kumparan medan. Untuk frekuensi yang dimasukkan dalam batas-batas rangkuman instrumen, rangkaian kumparan medan 1 bekerja di atas frekuensi resonan dengan arus ix ketinggalan dari tegangan yang dimasuikkan. Rangkaian kumparan medan 2 bekerja di bawah frekuensi resonannya dan dengan demikian adalah kapasitif dengan arus i2 yang mendahului tegangan yang dimasukkan. Karena itu torsi yang dihasilkan oleh kedua arus terhadap kumparan putar adalah lawanan, dan torsi yang dihasilkan tersebut merupakan fungsi dari frekuensi tegar.yang dimasukkan. Untuk setiap frekuensi yang dimasukkan dalam batas ukur instrumen torsi yang dibangkitkan pada elemen yang berputar menyebabkan jarum berada posisi yang dihasilkannya dan defleksi jarum dikalibrasi dalam frekuensi yang dibenka tersebut. Torsi pemulih dilengkapi oleh sebuah daun besi kecil yang dipasang pada irparan yang berputar. Daerah pengukuran instrumen ini biasanya terbatas pada frekuensi jala-jala dan pemakaian utama adalah dalam bidang ini yakni untuk memonitor frekuansi sebuah sistem day a Alat ukur frekuensi jenis batang atau lidah bergetar (tuned-reed frequency mechanism bekerja berdasarkan prinsip resonansi mekanis. Sederetan batang-batang dipasang bersama-sama pada sebuah alas fleksibel yang terpasang pada jangkar sebuah elektromakna Kumparan elektromaknit diberi energi listrik dari jala-jala arus bolakbalik yang frekuensinya akan ditentukan. Batang disetel ke suatu frekuensi dasar yang tepat berdasarkan pemilihan panjang dan massa yang sesuai. Batang yang frekuensi dasarnya sama frekuensi pada mana elektromaknit diberi energi, membentuk suatu getaran. Getaran ini dapat dilihat pada panel alat ukur di mana ujung getaran batang ditunjukimelalui sebuah jendela. Jika frekuensi yang diukur berada di antara frekuensi dua yang berdekatan, kedua batang akan hergetar dan frekuensi jala-jala akan paling ke batang yang bergetar paling tinggi. Interpolasi antara frekuensi-frekuensi dasar batang-batang ini dapat dilakukan dengan mudah dan teliti, sebab frekuensi-frekubatang adalah tepat. Instrumen ini mempunyai keuntungan 67 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik karena konstruksi sangat sederhana dan sangat kokoh. Dia mempertahankan kalibrasinya dengan baikngan syarat bahwa getaran batang-batang dipertahankan dalam batas-batas yang Walaupun operasinya tidak bergantung pada nilai tegangan yang tepat, pengubbatas ukur tegangan biasanya dilakukan dengan penambahan tahanan. Alat ukur frekuensi tipe inti jenuh (saturable-core frequency meter), yang menangani dan mengukur suatu rangkuman frekuensi dengan baik, ditunjukkan secaJ skematis pada Gambar 33. Transformator terdiri dari dua inti (core) dan satugarJOM (yoke). Satu inti adalah bahan non-maknit, sedang inti yang lain adalah bahan maijJ yang saturasi pada nilai ggl dan arus yang sangat kecil. Gandar terbuat dari bahan maiaJ dengan penampang yang cukup besar sehingga tidak mencapai saturasi. Kumparan pm mer transformator dililitkan pada kedua inti tersebut secara bersamaan (simultarn mm perti ditunjukkan pada Gambar 33. Kumparan sekunder terdiri dari dua bagian H paroh gulungan dililitkan pada inti maknit dan separoh lainnya pada inti non-makiiJ Gulungan-gulungan sekunder dihubungkan seri dalam cara sedemikian sehingga tegar yang diinduksi di dalam gulungan-gulungan tersebut berlawanan satu sama lain. Biladaya disalurkan ke kumparan primer, transformator akan mengindusir tegangan di ialam kumparan-kumparan sekunder. Karena nilai saturasi inti maknetik yang rendah, inti ini akan saturasi pada tegangan sekunder yang sangat kecil. Begitu inti ini saturasi, iaju pertambahan tegangan induksi di dalam kumparan tersebut akan sama dengan laju pertambahan tegangan induksi di dalam gulungan pada inti bukan maknit. Dengan de-mikian laju pertambahan tegangan-tegangan induksi saling meniadakan karena ggl di ialam gulungan-gulungan sekunder berlawanan satu sama lain. Karena itu tegangan sekunder bukan merupakan fungsi tegangan primer yang dimasukkan, tetapi hanya akan bergantung pada frekuensi tegangan tersebut. Tegangan keluaran sekunder disea-rahkan dan dimasukkan ke sebuah alat ukur arus searah yang defleksinya sebanding dengan frekuensi. Skala alat-ukur dikalibrasi dalam frekuensi. Gambar 33. Skema alat ukur frekunsi tipe inti jenuh 68 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik C. RANGKUMAN VAC V rm s V dc V V rms 10 V Rm = 100 ? Idp = 1 mA V dc 4,5 V = V x 1,414 rms V = V x 0 ,636 ave pp 1 V = V dc 2 ave = 0 ,45 V rms V pp dc Rs = 0 ,45 x V rms = 0 ,45 x 10 = 4 ,5 Volt V pp = Vrms × 1,44 Vave = V pp × 0,636 Vdc = Vave = 0,9 × Vrms D. LATIHAN SOAL 1. Yang mana dari alat-alat ukur berikut akan mengukur arus bolak-balik tanpa bergantung pada penggunaan penyerah: a. alat ukur besi putar daun radial b. elektrodinamometer c. mekanisme kumparan putar maknit inti d. instrumen termokopel tipe jembatan 2. Jelaskan mengapa nilai ohm per volt bagian rus bolak-balik (ac) dari sebuah multimeter komersial lebih rendah dari bagian arus DC 3. Sebuah alat ukur pada tegangan 25V mempunyai tahanan dalam 100Ω dan memerlukan 1mA DC untuk defleksi penuh. Tahanan shunt yang dihubungkan (Rsh) paralel terhadap alat ukur tersebut sebesar 200Ω Dioda D1 dan D2 masing-masing mempunyai tegangan maju rata-rata sebesar 400Ω dan dianggap mempunyai tahanan balik tek terhingga. Tentukanlah : 69 Bab 4 Instrumen Penunjuk Arus Bolak-Balik (a) Nilai tahanan pengali Rs (b) Sensitivitas voltmeter pada rangkuman Ac tersebut E. KASUS Sebuah instrumen termokopel membaca 10 A pada defleksi penuh. Tentukan arus yang menyebabkan defleksi setengah skala F. SUMBER BELAJAR Diktat Pengukuran Listrik I Instrumentasi Elektronik dan Pengukuran 70 Tsuneo Furuya, et.al William David Cooper