Instrumen*instrumen Elektronik untuk Pengukuran Tegangan, Arus
advertisement
Voltmeter, ampermeter dan ohmeter elektronik menggunakan penguat, penyearah, dan rangkaian lain untuk membangkitkan suatu arus yang sebanding dengan besaran yang diukur. Selanjutnya arus ini menggerakkan sebuah mekanisme alat ukur konvensional dari jenis yang telah dibicarakan pada sebelumnya. Instrumen-instrumen yang menggunakan mekanisme alat ukur untuk menunjukkan kebesaran dari kuantitas yang akan diukur pada sebuah skala yang kontinyu disebut instrumen-instrumen analog. Bila hasil pengukuran diperagakan dalam selang waktu yang diskrit atau dalam bentuk angka (sebagai pengganti defleksi jarum penunjuk pada sebuah skala kontinu), kita membicarakan sebuah penunjukan digital. Ciri tambahan dalam instrumen digital modern seperti halnya fasilitas polaritas otomatis dan pengubahan rangkuman, selanjutnya mengurangi kesalahan pengukuran dan kemungkinan kerusakan instrumen karena pembebanan lebih yang tidak disengaja. Instrumen digital tersedia untuk mengukur tegangan, arus search (dc) dan bolakbalik (ac), dan tahanan. Variabel finis lainnya dapat diukur dengan menggunakan transducer yang sesuai. Banyak instrumen digital mempunyai ketentuan tambahan bagi keluaran guna membuat pencatatan permanen dari hasil-hasil pengukuran yang menggunakan unit cetakan (printer), pelobang karat dan pita (card and tape punches) atau peralatan pita maknetik. Dengan data yang sudah dalam bentuk digital, mereka kemudian dapat diolah tanpa kehilangan ketelitiannya. A. Voltmeter arus searah (dc) dengan penguat tergandeng langsung Voltmeter elektronik dc memperlihatkan suatu pemakaian langsung dari elektronika terhadap instrumen-instrumen ukur. Instrumen ini biasanya terdiri dari sebuah alat ukur dc yang lazim, didahului oleh sebuah penguat dc dari satu tingkatan atau lebih. Penguat-penguat dc yang digunakan dalam voltmeter elektronik dapat digolongkan dalam dua kelompok yaitu : (a) penguat dc tergandeng langsung (direct coupled cd amplifier); (b) penguat de jenis pencincang (chopper type dc amplifier). Penguat dc tergandeng langsung adalah menarik sebab ekonomis; biasanya ditemukan dalam voltmeter dc yang harganya lebih murah. Gambar 10-1 menunjukkan diagram skema sebuah penguat dc tergandeng langsung dengan masukan FET bersama sebuah alat pencatat. Tegangan masukan dc: dihubungkan ke pelemah masukan yakni alat kontrol terkalibrasi pada panel depan yang ditandai oleh RANGE. Pembagi tegangan masukan memungkinkan pemasukan tegangan maksimal sebesar 0,5 V ke gerbang FET n salur-an tanpa mengakibatkan carat (distorsi) gelombang. FET dihubungkan sebagai sebuah "source follower" dan digandengkan langsung ke transistor npn Q2 yaitu sebuah "emitter follower". Q2 merupakan salah satu lengan sebuah rangkaian jembatan yang lengan-lengan lainnya terdiri dari tahanan emitter Q2 sebesar 10 KΩ dan potensiometer 2,5 kΩ yang serf dengan tahanan 2,2 kΩ. B. Voltmeter arus searah dengan penguat pencincang (chopper type dc voltmeter) jenis Diagram balok Gambar 10-2 menggambarkan bekerjanya penguat jenis pencincang. Dioda-dioda cahaya (photodiodes) digunakan sebagai pencincang yang bukan mekanis untuk memodulasi (pengubahan dari dc ke ac) dan demodulasi (pengubahan kembali dari ac ke dc). Sebuah fotokonduktor, bila diterangi oleh lampu neon atau lampu pijar mempunyai suatu tahanan yang rendah yakni dari beberapa ratus sampai beberapa ribu ohm. Bala tidak diterangi, tahanan foto konduktor ini bertambah secara tajam, biasanya sampai beberapa mega ohm. Dalam rangkaian Gambar 10-2 sebuah osilator mengemudikan dua lampu neon agar bercahaya secara bergantian selang setengah periods osilasi. Masing-masing lampu neon menerangi satu foto konduktor dalam rangkaian masukan penguat dan satu dalam rangkaian keluaran. Kedua foto dioda dalam rangkaian masukan membentuk sebuah modulator atau chopper setengah gelombang Seri paralel. Secara bersama-sama mereka bekerja sebagai sebuah sakelar terhadap masukan penguat, yang secara bergantian membuka dan menutup pada, suatu laju kecepatan yang ditentukan oleh frekuensi osilator neon. Impedansi masukan dari voltmeter arus searah dengan penguat pencincang (chopper amplifier de voltmeter) biasanya adalah dalam orde 10 MΩ atau lebih, kecuali pada rangkuman-rangkuman masukan yang sangat rendah. Untuk menghflangkan kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh Impedansi sumber yang tinggi, kadang-kadang di dalam rangkaian alat ukur dicantumkan sebuah alat pembuat nol (nulling feature). Penambahan yang sangat bermanfaat ini menempatkan sebuah tegangan "bucking" yang seri dengan masukan. Sebuah alat kontrol di panel depan memungkinkan pemakai untuk me-nol-kan tegangan masukan melalui tegangan "bucking". C. Voltmeter ac dengan menggunakan penyearah Voltmeter elektronik arus bolak-balik (ac) pada dasarnya identik dengan voltmeter arus searah (dc) kecuali bahwa tegangan masukan harus disearahkan (diratakan) sebelum dimasukkan ke rangkaian alat pencatat arus searah. Dalam beberapa hal penyearahan terjadi sebelum penguatan; dalam hal mana sebuah rangkaian dioda sederhana mendahului penguat dan alat pencatat, seperti pada Gambar 10-3(a). Idealnya pendekatan ini membutultkan suatu karakteristik pergeseran nol dan penguatan tegangan sebesar satu, dan sebuah alat pencatat dc dengan sensitivitas yang sesuai. Dalam. pendekatan lain, sinyal ac disearahkan sesudah penguatan seperti pada Gambar 10-3(b); di mana penyearahan gelombang penuh terjadi di dalam rangkaian alat ukur yang 'dihubungkan ke terminalterminal keluaran dari penguat ac- Umumnya, pendekatan ini memerlukan sebuah penguat ac dengan penguatan lup terbuka yang tinggi dan umpan-balik negatif yang ketidaklinearan dioda-dioda penyearah. besar guna mengatasi Biasanya voltmeter ac adalah dari jenis yang memberi tanggapan terhadap nilai rata-rata (average responding type) dengan skala alat pencatat yang terkalibrasi dalam nilai rms sebuah gelombang sinus. Karena bentuk gelombang yang begitu banyak dalam elektronika adalah sinusoida, ini merupakan suatu solusi yang betul-betul memuaskan dan jelas jauh lebih murah dari sebuah voltmeter yang memberi tanggapan terhadap nilai rms sebenarnya. Akan tetapi, bentuk-bentuk gelombang yang bukan sinus akan menyebabkan alat pencatat jenis ini membaca tinggi atau rendah bergantung pada faktor bentuk gelombang. Nilai rms dari sebuah gelombang tegangan yang mempunyai peryirnpangan positif loii negatif yang sama dikaitkan ke nilai rata-rata oleh faktor bentuk. Faktor bentuk, obagai perbandingan nilai rms terhadap nilai rata-rata gelombang dapat dinyatakan sebagai Jika bentuk gelombang adalah sinusoida, faktor bentuk sama dengan A. Rangkaian dasar Salah satu instrumen bengkel untuk pemakaian umum yang paling terandalkan yang mampu untuk mengukur tegangan dc dan ac seperti halnya arus dan tahanan adalah multimeter semikonduktor atau VOM. Walaupun detail rangkaian ini bervariasi dari satu instrumen ke yang lain, umumnya sebuah multimeter elektronik mengandung elemen-elemen berikut : 1. Penguat dc jembatan setimbang (balanced bridge dc amplifier) dan alat pencatat. 2. Pelemah masukan atau sakelar rangkuman (RANGE), guna membatasi besarnya tegangan masukan pada nilai yang diinginkan. 3. Rangkaian penyearah, untuk mengubah tegangan masukan ac ke nilai dc yang se-banding. 4. Batere internal dan rangkaian tambahan, guna melengkapi kemampuan pengukuran tahanan. 5. Sakelar fungsi (FUNCTION), untuk pengukuran dari instrumen tersebut. memilih berbagai fungsi Bila sebuah tegangan positif dimasukkan ke gerbang transistor masukan Q1, arus "drain" bertambah dan menyebabkan kenaikan tegangan pada terminal sumber. Hasil ketidaksetimbangan antara tegangan sumber Q1 dan Q2 ditunjukkan oleh penyimpangan jarum alat ukur yang skalanya dikalibrasi agar sesuai dengan besarnya tegangan masukan yang diketahui. B. Rangkuman tahanan Bila sakelar fungsi dari multimeter ditempatkan pada posisi OHM, tahanan yang tidak diketahui terhubung seri dengan sebuah batere internal, dan alat pencatat semata-mata mengukur penurunan tegangan pada tahanan yang tidak diketahui tersebut. Sebuah rangkaian khas ditunjukkan pada Gambar 10-9, di mana sebuah jaringan pemhagi tegangan terpisah, yang hanya digunakan untuk pengukuran tahanan, menyediakan sejumlah rangkuman yang berlainan. Bila Rx yang tidak diketahui dihubungkan ke terminal-terminal OHM dari multimeter, batere 1,5 V menyalurkan arus melalui salah satu tahanan rangkuman dan tahanan yang tidak diketahui menuju tanah. Penurunan tahanan V, pada R, dimasukkan ke masukan penguat jembatan dan menyebabkan suatu penyimpangan pada alat pencatat. Karen penurunan tegangan pada R, berbanding langsung dengan tahanannya, skala alat pencatat dapat dikalibrasi dalam tahanan. Contoh Soal: Pada voltmeter tergandeng langsung tegangan yang digunakan untuk mendepleksikan jarum pada posisi maksimum sebesar 1 volt, bagaimana caranya agar voltmeter tersebut dapat digunakan untuk mengukur tegangan sebesar 10V, 25V, 50V, 250V, dan 1000V dengan rangkuman tahanan total sebesar 2M? jawab: R1 R2 + R3 JFET Vin - R4 R5 R6 R6 Vout Vin6 Rtotal R6 1 1000 2M 2 M 1000R6 2M R6 2000 1000 R5 R6 Rtotal R5 R6 1 250 2M 2 M 250R5 250 R6 Vout Vin5 2 M 250R5 250 2000 250 R5 500000 250 R5 2 M 500000 R5 1500000 250 7000 R4 R5 R6 Rtotal R4 R5 R6 1 50 2M 2 M 50R4 50R5 50R6 Vout Vin4 2 M 50R4 50 7000 50 2000 2 M 50R4 50 7000 50 2000 50 R 4 2 M 400000 1600000 50 32000 R4 R3 R4 R5 R6 Rtotal R3 R4 R5 R6 1 25 2M 2 M 25R3 25R4 25R5 25R6 Vout Vin3 2 M 25R3 25 32000 25 7000 25 2000 25 R3 2 M 1025000 R3 39000 R2 R3 R4 R5 R6 Rtotal R2 R3 R4 R5 R6 1 10 2M 2M 10 R2 10R3 10R4 10R5 10R6 Vout Vin2 2M 10 R2 10 39000 10 32000 10 7000 10 2000 10 R 2 2M 800000 R 2 120000 2 M R1 R2 R3 R4 R5 R6 R1 2 M (120000 39000 32000 7000 2000) 2 M 200000 R1 1M 8 A. Karakteristik umum voltmeter digital (DVM) memperagakan pengukuran tegangan dc atau ac dalam bentuk angka diskrit sebagai pengganti defleksi jarum penunjuk pada sebuah skala kontinu seperti dalam alat-alat analog. Dalam banyak pemakaian penunjukan dengan angka adalah menguntungkan sebab mengurangi kesalahan pembacaan manusia dan kesalahan interpolasi, menghilangkan kesalahan paralaksis, memperbesar kecepatan pernbacaan, dan kerapkali melengkapi keluaran dalam bentuk digital yang sesuai bagi pengolahan dan pencatatan selanjutnya. Ciri pilihan biasa mencakup rangkaian tambahan untuk mengukur arus, tahanan dan perbandingan tegangan. Variabel-variabel fisis lainnya dapat diukur dengan menggunakan transducer yang sesuai. Voltmeter digital dapat dikelompokkan sesuai dengan kategori berikut a) Voltmeter digital jenis tanjak (ramp type DVM). b) Voltmeter digital jenis penggabungan/integrasi (integrating DVM). c) Voltmeter digital setimbang kontinu (continuous balance DVM). d) Voltmeter digital dengan pendekatan berturut-turut (successive approximation DVM) B. DVM tipe tanjak Prinsip operasi DVM tipe tanjak (ramp type) didasarkan pada pengukuran waktu yang diperkirakan oleh sebuah tegangan Lanjak linear agar naik dari level 0 V ke level tegangan masukan, atau agar berkurang dari level tegangan masukan ke nol. Selang waktu ini diukur dengan sebuah pencacah selang waktu elektronik, dan pencacahan diperagakan dalam sejumlah angka pada tabung penunjuk elektronik. Pengubahan dari sebuah tegangan ke suatu selang waktu digambarkan oleh diagram bentuk gelombang pada Gambar 10-16. Pada permulaan siklus pengukuran, sebuah tegangan tanjak dimulai; tegangan ini bisa menuju positif atau negatif. Tanjakan yang menuju negatif ditunjukkan pada Gambar 10-16, dibandingkan secara kontinu terhadap tegangan masukan yang tidak diketahui. Pada saat di mana tegangan tanjak sama dengan tegangan yang tidak diketahui, sebuah rangkaian pembanding atau komparator membangkitkan sebuah pulsa yang membuka sebuah gerbang. Gerbang ini ditunjukkan pada diagram balok di Gambar 10-17. Tegangan tanjak terus berkurang terhadap waktu sampai akhirnya mencapai 0 V (atau potensial tanah), dan sebuah pembanding lainnya membangkitkan sebuah pulsa keluaran yang menutup gerbang. Sebuah osilator membangkitkan pulsa-pulsa lonceng yang diijinkan lewat melalui gerbang menuju sejumlah unit pencacah kelipatan sepuluh (DCU-decade counting unit) yang menjumlahkan jumlah pulsa yang lewat melalui gerbang. Bilangan desimal, yang diperagakan oleh tabung indikator yang bergantung dengan DCU, merupakan suatu ukuran dari besarnya tegangan masukan C. DVM tanjak tipe anak tangga (staircase-ramp DVM) DVM ini melakukan pengukuran tegangan dengan membandingkan tegangan masukannya terhadap sebuah tegangan tanjak anak tangga yang dibangkitkan secara internal. Instrumen yang ditunjukkan pada Gambar 10-18 mengandung pelemah masukan 10 MΩ, memberikan lima rangkuman masukan dari 100 mV sampai 100 V skala penuh. Penguat arus searah, dengan penguatan tetap sebesar 100, memberikan 10 V ke pembanding pada setiap penyetelan tegangan skala penuh dari pembagi tegangan masukan. Pembanding mengindera ksamaan antara tegangan masukan yang diperkuat dan tegangan tanjak anak tangga yang dibangkitkan sebagai pengukuran yang berjalan meneruskan siklusnya. D. Multimeter digital tipe penggabungan (Integrating DVM) Diagram balok yang disederhanakan untuk sebuah voltmeter digital jenis integral, diberikan pada Gambar 10-19. Tegangan dc yang diuji dimasukkan ke tingkatan masukan yang memisahkan rangkaian voltmeter terhadap rangkaian uji dan menyediakan pelemahan masukan yang dibutuhkan. Sinyal masukan yang diperlemah ini dihubungkan ke pengubah V/F. Rangkaian ini terdiri dari penguat integrasi, pendeteksi level tegangan (rangkaian pembanding), dan generator pulsa. Penguat integrasi menghasilkan suatu tegangan keluaran yang sebanding dengan tegangan masukan yang dikaitkan ke elemen masukan dan elemen umpan balik oleh persamaan Jika tegangan masukan adalah konstan, keluaran adalah sebuah tegangan tanjak linear yang memenuhi persamaan E. DVM setimbang kontinu Diagram balok dari sebuah DVM setimbang kontinu yang dikemudikan oleh servo ditunjukkan pada Gambar 10-20. Tegangan masukan dc dimasukkan ke sebuah pelemah masukan yang memberikan penyakelaran rangkuman yang tepat. Pelemah masukan berupa alai kontrol pada panel depan yang juga menyebabkan sebuah penunjuk titik decimal bergerak pada permukaan peraga sesuai dengan rangkuman masukan, yang dipilih. Setelah lewat melalui sebuah rangkaian proteksi kelebihan tegangan dan sebuah tapir pengapkiran arus,bolak-balik (ac rejection filter), tegangan masukan dihubungkan ke satu sisi pembanding pencincang mekanis. Sisi lain dari pembanding tersebut dihubungkan ke sebuah lengan geser (wiper) dari potensiometer presisi yang dikemudikan oleh motor, yang dihubungkan pada cumber tegangan referensi. Keluaran pembanding pencincang yang dikemudikan oleh tegangan jala-jala dan bergetar pada frekuensi jalajala, merupakan sebuah sinyal gelombang persegi. Amplitude geiombang persegi ini adalah ftingsi dari selisih antara besar dan polaritas tegangan dc yang dihubungkan ke sisi sisi pencincang yang soling berhadapan. Sinyal gelombang persegi diperkuat oleh sebuah prapenguat berimpedansi tinggi berderau rendah dan diumpankan ke sebuah penguat daya. Penguat ini mempunyai redaman khuslis guna memperkecil lonjakan (overshoot) dan ayunan (hunting) pada posisi nol. Adalah jelas bahwa instrumen ini tidak "mencuplik" tegangan dc yang tidak diketahui secara teratur seperti dalam halnya instrumen-instrumen yang lebih njelimet, tetapi secara kontinu mencari kesetimbangan tegangan masukan terhadap tegangan referensi yang dibangkitkan secara internal. F. Voltmeter digital dengan pendekatan secara berturutturut(successive approximation DVNI) Sekarang ini voltmeter digital dengan kemampuan 1000 pembacaan setiap sekon atau lebih tersedia secara komersial. Umumnya, instrumen ini menggunakan konvertor dari jenis pendekatan berturut-turut guna melakukan digitasi (digitization, pengubahan analog menjadi digital). Diagram yang disederhanakan untuk voltmeter ini ditunjukkan pada Gambar 10-21. A. Rangkaian dasar alai ukur Q Alat ukur Q adalah sebuah instrumen yang dirancang guna mengukur beberapa sifat listrik dari kumparan dan kapasitor. Bekerjanya instrumen laboratorium yang sangat bermanfaat ini didasarkan pada karakteristik sebuah rangkaian resonansi seri yang telah dikenal, yakni bahwa tegangan pada kumparan atau kapasitor sama dengan tegangan yang dimasukkan dikalikan dengan Q rangkaian. Jika sebuah tegangan yang nilainya tetap dimasukkan ke rangkaian, sebuah voltmeter yang dihubungkan ke kapasitor dapat dikalibrasi agar langsung menunjukkan Q. Hubungan tegangan dan arus dari sebuah rangkaian resonansi seri ditunjukkan pada Gambar 10-24. Pada resonansi, ersyaratanpersyaratan berikut adalah sah Di mana E = tegangan yang dimasukkan I = arus rangkaian Ec = tegangan pada kapasitor Xc=reaktansi kapasitif Xl=reaktansi induktif R=tahanan kumparan Menurut definisi, penguatan rangkaian adalah Q, di mana Berarti jika E dipertahankan konstan dan levelnya diketahui, sebuah voltmeter yang dihubungkan pada kapasitor dapat dikalibrasi langsung dalam Q rangkaian. Sebuah rangkaian praktis untuk mengukur Q ditunjukkan pada Gambar 10-25. Osilator rangkuman lebar dengan rangkuman frekuensi dari 10 kHz sampai 50 MHz menyalurkan arus ke sebuah tahanan shunt RSH yang nilainya rendah. Nilai shunt ini sangat rendah, khasnya dalam orde 0;02 &1. Dia memberikan tahanan yang hampir sama dengan nol ke dalam rangkaian osilator dan berarti dia menyatakan sebuah sumber tegangan yang besarnya E dengan tahanan dalam yang sangat kecil (dalam kebanyakan hal diabaikan): Tegangan E pada shunt, berhubungan dengan E pada Gambar 10-24, diukur dengan alat ukur termokopel yang diberi tanda. "kalikan Q dengan" ("Multiply Q by"). Tegangan pada kapasitor variabel berkaitan dengan Ec pada gambar 10-24, diukur dengan sebuah lvoltmeter elektronik yang skalanya dikalibrasi langsung dalam nilai-nilai Q. Q yang ditunjukkan (yang merupakan pembacaan resonan pada alat ukur "Q” rangkaian) disebut Q rangkaian sebab kerugian kapasitor penggetar, voltmeter, dan tahanan sisipan semuanya termasuk di dalam rangkaian pengukuran. Q efektif dari kumparan yang diukur akan menjadi sedikit lebih besar dari Q yang ditunjukkan. Umumnya perbedaan ini dapat diabaikan, kecuali dalam hal-hal tertentu di mana tahanan kumparan relatif kecil dibandingkan terhadap nilai tahanan sisipan (masalah ini dibicarakan dalam Contoh 10-6). Induktansi kumparan dapat ditentukan dari nilai-nilai frekuensi (f) yang diketahui dan kapasitansi penggetar (C) karena B. Metoda pengukuran Untuk menghubungkan komponen-komponen yang tidak diketahui ke terminal-terminai uji sebuah alat ukur Q, terdapat tiga metoda yaitu : a) Hubungan langsung. b) Sambungan Seri c) Sambungan Paralel a) Hubungan langsung. Kebanyakan kumparan dapat dihubungkan langsung ke lerminai uji, persis seperti yang ditunjukkan dalam rangkaian dasar alat ukur Q pada t;ambar 10-25. Rangkaian dibuat beresonansi dengan mengatur salah satu frekuensi osilator atau kapasitor penggetar Q yang ditunjukkan, dibaca langsung pada alat ukur "Q rangkaian", dimodifikasi dengan menyetel "Kalikan Q dengan" pada alat ukur. Bila terakhir alat ukur disetel pada tanda kesatuan, alat ukur "Q rangkaian" membaca langsung nilai Q yang tepat. b) Sambungan seri Komponen-komponen impedansi rendah seperti tahanan bernilai rendah, kumparan kecil dan kapasitor besar, diukur secara seri dengan rangkaian pengukuran. Gambar 10-26 menunjukkan sambungan tersebut. Di sini, komponen yang akan diukur ditunjukkan oleh [Z] , dihubungkan seri dengan sebuah kumparan kerja vang stabil pada terminal uji (kumparan kerja biasanya disuplai bersama instrumen). Dua pengukuran dilakukan : Dalam pengukuran pertama, yang tidak diketahui dihuhungsingkatkan oleh sebuah sabuk hubung singkat (shorting strap) kecil dan rangkaian dibuat resonansi guna menetapkan suatu kondisi referensi. Nilai kapasitor penyetelan (C1) dan Q yang ditunjukkan (Q1) dicatat. dalam pengukuran kedua sabuk hubung singkat dilepas dan rangkaian disetalakar, kembali, memberikan suatu nilai baru bagi kapasitor penyetelan (C2) dan perubahan nilai Q dari Q1 menjadi Q2 c) Sambungan paralel Komponen-komponen berimpedansi tinggi seperti tahanan tahanan benilai tinggi, induktor tertentu, dan kapasitor kecil, diukur dengan menghubungkannya secara paralel terhadap rangkaian pengukuran. Gambar 10-27 menunjukkan sambungan tersebut. Sebelum dihubungkan ke komponen yang tidak diketahui rangkaian dibuat resonansi dengan menggunakan sebuah kumparan kerja yang sesuai, guna menetapkan nilai-nilai referensi bagi Q dan C (Q1 dan C1). Selanjutnya bila komponen yang diuji dihubungkan ke rangkaian, kapasitor diatur kembali agar ber-resonansi, sehingga diperoleh suatu nilai baru bagi kapasitor penyetalaan (C2) dan perubahan nilai Q rangkaian (∆Q) dari Q1 menjadi Q2.
