7. Meter AC_1_d_Arsonval

Meter AC -1
• Beberapa tipe meter d‘Arsonval bisa
digunakan untuk mengukur arus/teg. AC.
• Lima macam mekanisme meter yg
digunakan dlm instrumen ac disajikan pd
Tabel berikut:
No. Mekanisme Meter
DC
AC
Aplikasi
1.
Elektrodynamometer
Ya
Ya
Meter standar,
wattmeter, dll..
2.
Iron-vane
Ya
Ya
Indikator, etc.
3.
Electro-static
Ya
Ya
Pengukuran
tegangan tinggi
4.
Thermocouple
Ya
Ya
Pengukur Radio
frekuensi
5.
D’Arsonval
Ya
Ya,
Tegangan, Arus,
berpenye Resistans, dll.
arah
Bentuk Gel. AC
d’Arsonval dg. Penyearah ½ gelombang
• Dlm bab sebelumnya, kita telah membicarakan
detail d’Arsonval (PMMC) dan aplikasinya dlm
Ammeter, Voltmeter dan Ohmmeter.
• Sekarang, mempelajari aplikasinya mengukur
arus/ tegangan ac.
• Untuk mengukur besaran ac dg d’Arsonval,
pertama-tama
kita
harus
menyearahkan
arus/tegangan ac dg menggunakan penyearah
dioda.
• Proses ini akan menghasilkan aliran arus satu
arah (Unidireksional).
• Beberapa tipe penyerah-dioda yg dpt digunakan:
oksida-tembaga (copper oxide), dioda vakum,
dioda semikonduktor dst.
Masih ingat Voltmeter DC, menggunakan meter
d’Arsonval?
Sensitivitas= 1/Ifs
Gbr. 1: Meter d’Arsonval yg digunakan dalam voltmeter DC
• Meter PMMC tdk akan bekerja dg benar
jika dihubungkan langsung ke besaran
AC, karena arah pointer akan berubah
setiap setengah siklus besaran AC tsb.
• Meter PMMC, sebagaimana motor
magnet permanen, ad. divais yg mana
arah gerakannya bergantung pd polaritas
dr tegangan yg diterapkan.
Jika kita memasang sbh dioda ke Voltmeter DC,
maka kita mendapatkan rangkaian meter yg mampu
mengukur tegangan AC.
• Dioda tdk akan merusak operasi rangkaian (dioda
ideal)
• Sekarang, misalkan kita mengganti 10-Vdc dg
10Vrms, apa yg akan terjadi?
• Tegangan pd MM ad. hanya ½ siklus
positif dari gelombang sinus karena aksi
penyearahan oleh dioda.
• Nilai puncak dari gelombang sinus ac ad:
Ep= Erms X 1,414
• MM akan merespon ke nilai rerata gel.
sinus yg mana rerata atau nilai DC = 0,318
kali nilai puncak.
• Nilai rerata gel. sinus AC ad.: Eave= Ep/π =
0,45x Erms
• Aksi dioda secara pendekatan menghasilkan
separuh gel. sinus pada resistor beban.
• Nilai rerata dr tegangan ini adalah dikenal
sebagai tegangan DC, yg mana akan direspons
oleh voltmeter DC .
• Karena itu, kita dpt melihat bahwa pointer yg
terdefleksi-skala-penuh ketika sinyal 10-V DC
diterapkan, akan terdefleksi ke hanya 4,5V
ketika kita menerapkan 10-Vrms AC.
• Jadi, Voltmeter AC yg menggunakan penyearah
gelombang-paruh (½ wave rectification) hanya
mendekati 45% sensitivitas Voltmeter DC.
• Untuk memperoleh meter yg terdefleksi
skala-penuh ketika 10-Vrms diterapkan, kita
harus mendesain meter dg Rs yg setara
45% Rs Voltmeter DC.
• Karena ekivalen tegangan DC ad. 45%
nilai RMS, kita dpt menulis seperti ini: Rs=
(Edc/Idc)-Rm = (0,45Erms/Idc) -Rm
Contoh 1
Pada penyearah ½ gelombang di bawah, D1 dan D2
mempunyai resistans-maju 400Ω dan resistans-balik
takhingga. Carilah :
(a) Rs
(b) S
Mis.: Ein = 10-Vrms, Rsh = 100Ω, Ifs = 1mA, Rm = 100Ω
(a) Karena Rm = Rsh =100Ω, arus total dari sumber
untuk defleksi penuh ad. It = 2mA. Untuk
penyearahan setengah gel., nilai DC ekivalen dr
teg. AC yg disearahkan ad.:
Maka resistans total instrumen:
2 mA
Tahanan total terdiri atas beberapa komponen.
Perhatian kita harus hanya tertuju pd tahanan
rangkaian selama setengah perioda di mana
d’Arsonval menerima arus (resistans-balik D2
ditiadakan).
Sehingga,
(b) Sensitivitas voltmeter pd 10VAC,
Meter AC-2
d’Arsonval dg penyearah gel.-penuh
• Biasanya, lebih diinginkan menggunakan
penyearah gelombang-penuh dlm voltmeter AC
karena ia akan memberikan sensitivitas yg lebih
tinggi dibanding dg yg menggunakan penyearah
gelombang-paruh (½ gelombang).
• Tipe penyearah gelombang-penuh yg terbanyak
digunakan adalah penyerah tipe jembatan
(bridgetype rectifier), seperti terlihat pd gambar
berikut.
Figure 1.
Full wave rectifier
circuit diagram
Vout
Gbr. 2: Penyearah jembatan gel.-penuh yg digunakan dlm
voltmeter AC
• ½ Siklus Positif
– Arus mengalir dari Vin melalui D2, melalui MM
(d’Arsonval) dari positif ke negatif, lalu melalui
D3.
• ½ Siklus Negatif
– Arus mengalir dari Vin melalui D4, melalui MM
dari positif ke negatif, lalu melalui D1.
• Walaupun polaritas Vin berubah setiap ½ siklus,
arah arus yg mengalir melalui MM tidak berubah.
• Karena arus mengalir melalui MM pd kedua ½
siklus, maka defleksi MM akan lebih besar
dibanding dg penyearah gelombang paruh.
Meter movement
needle will always be
driven in the proper
direction.
Contoh:
RS
Rm
Sebuah voltmeter AC seperti gbr di atas dg
resistans PMMC 50 Ω dan memerlukan arus 1
mA untuk dsp. Dg menganggap dioda-dioda
ideal (resistans-maju 0 dan resistans-balik ~),
tentukan nilai pengali Rs yg menghasilkan dsp
jika diberi input tegangan 10 V rms.
Jwb.
• Untuk penyerah di atas,
Edc = (2/π) Em = 2(√2)Erms/ π = 0,9 Erms
Sehingga,
Edc = 0,9 * 10 = 9 V
Resistans total rangkaian adalah:
RT = Edc / Idsp = 9 / 1mA = 9 k Ω
RT = Rs + Rm
Rs = RT – Rm = 9000-50 = 8950 Ω
Elektro-Dinamometer
• Elektro-Dinamometer ad. Meter dasar yg
terbanyak digunakan dewasa ini.
• Ia, ad. divais sensitif-arus: serupa dg
D’Arsonval MM, menggunakan prinsip
kerja yg secara esensial sama.
• Ingat bahwa D’Arsonval ad. divais DC dan
hanya dpt mengukur arus DC atau AC yg
telah disearahkan.
Koil
medan
(posisi
tetap)
Gambar 3. Komponen dasar meter elektrodinamometer
Gambar 4.
Komponen
meter
elektrodinamo
meter
• Elektro-Dinamometer mempunyai prinsip dasar yg
sama dg meter D’Arsonval, kecuali bahwa magnet
permanen diganti dg koil/ elektromagnet (posisi
tetap).
• Koil bergerak dan pointer (tertempel di koil),
tergantung di antara dan terhubung seri dg dua koil
medan.
• Kedua koil medan dan koil bergerak, terhubung
seri sedemikian hingga arus yg sama, mengalir
melalui setiap koil.
• Aliran arus yg melalui ketiga koil menghasilkan
medan magnet di antara koil medan.
• Arus yg sama, mengalir melalui koil bergerak yg
menyebkannya berfungsi sbg magnet yg akan
melawan gaya pegas.
• Jika arah arus berbalik, polaritas medan
dan koil bergerak juga berbalik,
sementara gaya berlanjut dg arah yg
sama.
• Karena karakteristinya ini, ia dpt
digunakan untuk mengukur arus baik dlm
sistem AC maupun DC.
• Sejumlah
voltmeter
dan
ammeter
menggunakan elektrodinamometer.
• Akan tetapi, penggunaan terpentingnya
ad. Dlm wattmeter.
Meter besi putar
• Ia dapat digunakan untuk mengukur, baik besaran
AC maupun DC.
• Berbeda dengan meter D’Arsonval, yang
menggunakan magnet permanen, ia beroperasi
bergantung pada induksi magnet.
• Ia menggunakan prinsip repulsi/tolakan antara
dua baling-baling besi yang konsentris, yang
salah satunya berposisi tetap, sementara satu
yang lain “dapatgerak” (movable), yang bertempat
di dalam solenoid.
• Suatu “penunjuk” (pointer) berada pada balingbaling dapat-geraknya.
• Saat arus mengalir melalui koil, kedua vane
menjadi termagnetisasi dengan kutub utara
pada ujung atas, sementara kutub selatan di
ujung bawah untuk menyatuarahkan arus
yang melalui koil.
• Karena
sebagaimana
tolakan
kutub,
komponen
ketakseimbangan
gaya,
menyentuh elemen dapat-gerak sehingga
menyebabkan ia berbalik melawan kelebihan
gaya pegas.
• Vane dapat-gerak berbentuk persegi empat,
sementara
vane
tetap
berbentuk
lonjong/runcing.
• Saat tidak ada arus yang melalui koil, vane
dapat-gerak berposisi sedemikian hingga
berlawanan dengan porsii terbesar dari vane
tetap, dan pembacaan skala adalah nol.
• Karena repulsi selalu dalam arah sama (menuju
ujung kecil dari vane tetap), maka tanpa
memandang arah aliran arus yang melalui koil,
instrumen ini akan beroperasi baik pada
rangkaian dc atau ac.
• Ketika meter vane ini didesain untuk
digunakan sebagai amperemeter, koilnya
akan berupa belitan dengan relatif sedikit
lilitan kawat besar agar membawa arus
nominal.
• Sementara ketika meter ini didesain untuk
digunakan sebagai voltmeter, maka
koilnya akan berupa belitan yang terdiri
dari banyak lilitan dari kawat kecil.