efek pembebanan & cara pembuatan voltmeter + ammeter DC multi range analog

EFEK PEMBEBANAN

Efek pembebanan  itu adalah akibat dari proses pengukuran oleh alat ukur Ammeter dan voltmeter yang menyebabkan berkurangnya nilai arus yag mengalir pada sebuah rangkaian tersebut.

            Karena arus yang mengalir pada rangkaian terbagi oleh nilai tahanan pada alat ukur tersebut sehingga energi atau arus pada tahanan digunakan untuk mengoperasikan alat ukur tersebut. Sehingga hasil pengukuran yang dilakukan berbeda dengan cara hasil perhitungan teoritisnya.

            Jika mengukur sebuah tegangan semakin besar nilai tahanan yang dimiliki alat ukur tesebut, semakin kecil energi yang diambil oleh alat ukur sehingga hasil pengukuran mendekati realnya. Jika terjadi kesalahan maka dapat melakukan kompensasi terhadap kesalahan itu, maka tingkat errornya semakin kecil. Jika mengukur arus yang mengalir , alat ukur yang digunakan adalah ampermeter. Pada pengukurannya ampermeter dipasang secara seri pada rangkaian sehingga bertambahnya nilai tahanan seri pada rangkaian tersebut. Untuk mendapatkan hasil pengukuran ampermeter yang baik yaitu ampermeter yang memiliki nilai tahanan yang kecil atau maksimal 0.

karna arus yang mengalir pada rangkaian resistancenya kecil atau nilai tahanannya kecil, maka pembacaaan pada ampermeter dapat mendekati realnya 2.Dalam hasil pengukuran kita perlu mengetahui berapa nilai arus, nilai tegangan dan berapa nilai tahanannya dari suatu rangkaian tersebut. Oleh karena itu ketika dalam pengukuran seharusnya dapat kita ketahui berapa nilai hambatan yang ada pada alat ukur tersebut. Jadi ketika energi yang digunakan pada alat ukur tersebut dapat diketahui dengan mengetahui besar efek pembebanan tersebut. Hasil pengukuran mendekati realnya dan dapat melakukan kompensasi terhadap kesalahan itu , maka error kesalahan yang dihasilkan semakin kecil. Sehingga dapat diketahui jenis multimeter yang baik untuk digunakan 3.Efek dari nilai resistansi dalam, untuk hasil pengukuran voltmeter adalah jika nilai resistansinya besar terhadap range yang digunakan maka persentase kesalahan yang dihasilkan akan kecil dan semakin besar tahanan dalam voltmeter arus yang masuk ke alat ukur semakin kecil. Sehingga efek pembebanan yang dihasilkan semakin kecil.

 Efek pembebanan pada ammeter semakin kecil nilai tahanan dalam ammeter atau maksimal nol pada suatu rangakaian yang terpasang seri . Maka persen kesalahan yang dihasilkan akan kecil karena nilai arus yang mengalir pada nilai tahanan kecil, maka pembacaan pada alat ukur ammeter dapat mendekati realnya

1.   Cara membuat Voltmeter

Seperti kondisi awalnya, semua meter pergerakan jarum adalah perangkat yang sangat peka. Beberapa penampil gerak D’Arsonval mempunyai arus penyimpangan skala penuh(FSD) serendah 50 �A, dengan (internal) resistansi gulungan kawat (internal) tidak lebih dari 1000 Ω. Dari itu hanya dapat dibuat sebuah voltmeter dengan jangkah skala penuh hanya 50 millivolt (50 �A X 1000 Ω)! Untuk memenuhi pembuatan voltmeter secara praktis (Tegangan lebih tinggi) dari skala pergerakan sensitif, kita mendapati cara agar terjadi penurunan kuantitas dari pengukuran tegangan yang dapat ditanganinya.

Mari kita mulai, contoh persoalan sebuah meter pergerakan D'Arsonval mempunyai penyimpangan skala penuh 1 mA dan resistansi coil 500 Ω:

Gunakan hukum Ohm (E=IR), kita dapat menentukan seberapa besar tegangan dibutuhkan untuk pengemudi pergerakan sampai mencapai skala penuh :

E = I R

E = (1 mA)(500 Ω)

E = 0.5 volts

jika kita menginginkan dapat mengukur tidak melampaui 1/2 dari satu volt, pergerakan dasar meter ini telah mencukupi Tetapi untuk mengukur besar tegangan yang lebih besar, sesuatu yang lebih diperlukan . untuk mendapatkan jangkah ukur volt meter lebih dari 1/2 volt, kita akan merancang hanya dengan memperhatikan perbandingan yang teliti dengan tegangan jatuh pada pengukur gerakan. ini akan mengembangkan jangkah pergerakan meter untuk mengukur tegangan yang lebih tinggi dari sebelumnya. Untuk keterkaitannya, kita akan menandai lagi pada muka tampilan meter untuk menampilkan tanda baru jangkah ukur ini sebanding dengan hubungan rangkaianya .

Tetapi bagaimana kita menciptakan pentingnya rangkaian yang sebanding? Baik, jika anda memperhatikan mengikuti gerakan meter untuk mengukur tegangan yg lebih besar sampai saat ini, yang anda butuhkan adalah rangkaian  pembagi tegangan  untuk menyetarakan keseluruhan pengukuran tegangan pada bentangan melalui titik pergerakan meter pada titik-titik hubung . diketahui bahwa rangkaian pembagi tegangan tersusun dari hubungan resistansi seri (deret) , selanjutnya menghubungkan seri resistor dengan penunjuk meter pergerakan (mengunakan resistansi dalam meter penunjuk pergerakan sebagai resistansi kedua pembagi tegangan):

s

Sebuah resistor seri disebut sebagai resistor”pengali”  sebab dia akan mengalikan jangkah kerja dari meter penunjuk pergerakan dalam pembagian yang sebanding melintasi pengukuran tegangan. Kebutuhan penentuan nilai resistansi pengali adalah pekerjan mudah jika anda biasa dengan analisa rangkaian seri.

Sebagai contoh, mari tentukan kebutuhan nilai pengali untuk membuat 1 mA, 500 Ω pergerakan pembacaan skala penuh dikenakan pada tegangan sebesar 10 volts. mengerjakannya, pertama meletakan pada tabel E/I/R untuk kedua komponen serinya:

Diketahui bahwa simpangan akan mencapai skala penuh dengan arus yang mengenainya 1 mA , dan kita ingin memasang apanya (rangkaian seri keseluruhan) tegangan pada 10 volt, kita dapat masukan pada tabel:

Merupakan sepasang cara untuk menentukan nilai resistor dari pengalinya. pertama cara untuk menentukan resistansi total rangkaian menggunakan hukum Ohm pada kolom "total" (R=E/I), dan menjumlahkan 500 Ω dari pergerakan sampai pada nilai pengalinya:

Cara lain untuk mengambarkan nilai yang sama dari resistansi digunakan untuk menentukan tegangan jatuh melalui penyimpangan skala penuh (E=IR), dan dijumlahkan dengan tegangan jatuh keseluruhan selanjutnya tegangan yang melintasi resistor pengali. Akhirnya, hukum Ohm dapat menentukan resistansi (R=E/I) untuk pengalinya:

Cara lain untuk mendapatkan jawaban yang sama (9.5 kΩ), dan satu metoda digunakan untuk membuktikan yang lainya, untuk mengetahui keakuratan cara kerjanya.

Secara pasti pemasangan 10 volt diantara ujung pengukuran meter ( dari beberapa batteray atau catu daya presisi), arus yang melalui meter pergerakan secara pasti sebesar 1 mA, sebagai kekuatiran oleh sebuah resistor "pengali" dan resistansi dalam meter pergerakan. Secara pasti 1/2 volt akan jatuh melintasi resistansi dari gulungan kawat meter pergerakan, dan jarum penunjuk berapa pada skala penuh. mempunyai penandan kembali skala pembacaan dari 0 ke 10 V (malahan dari 0 ke 1 mA), setiap orang melihat akan mengejawantahkan penunjukan seakan sepuluh volt. Mohon dicatat bahwa setiap penguna meter tidak harus menyadari gerakan ini semua secara nyata hanya sebuah pengembangan bahwa sepuluh volt dari sumber luar yang nyata. segala sesuatunya bagi pengguna telah berfungsi secara akurat keseluruhan penampilannya, pengenaan tegangan.

Ini adalah bagaimana merancang dan menggunakan meter listrik praktis : sensitivitas adalah pergerakan meter yang dibangun pengoperasian dengan arus dan tegangan terkecil yang mungkin untuk mencapai sensitivitas maksimum, ini adalah "pelipatan" oleh beberapa penyederhanaan rangkaian pembagi dibangun oleh resistor presisi sehingga menunjukan skala penuh arus atau tegangan sangat besar telah terkesan pada rangkaian yang nyata. Disini Kita telah menyelesaikan perancang dari sebuah volt meter sederhana . Ampere meter juga mengikuti aturan umum , kecuali dihubungkan secara paralel "shunt" resistor digunakan untuk pembagi arus sebagai rangkaian kebalikan dengan hubungan seri  pembagi tegangan resistor "pengali" yang digunakan pada perancangan voltmeter .

Umumnya, sangat berguna mempunyai berbagai jangkah tetap untuk sebuah meter elektromekanik seperti ini, untuk dapat membaca jahkah yang luas dari tegangan dengan mekanis pergerakan tunggal. Ini adalah pengunaan yang seharusnya sebuah sakelar banyak kutub dan beberapa resistor pengali, setiap satu ukuran untuk jangkah tersendiri:

Sakelar lima posisi hanya membuat sambungan dengan sebuah resistor pada setiap saat . Pada posisi bawah (penuh kekanan) , ini membuat sambungan tanpa resistor seluruhnya, memenuhi sebuah keadaan mati "off" . setiap ukuran resistornya merupakan jangkah ukur penuh mandiri untuk sebuah voltmeter, semua berdasar pergerakan meter mandiri (1 mA, 500 Ω). Sebuah hasil akhir adalah volt meter dengan empat jangkah skala penuh pengukuran yang berbeda . tentu, untuk pantasnya, skala meter pergerakan harus dilengkapi penandaan untuk setiap jangkah ukurnya yang bersambungan.

Perancangan secara pasti meter, setiap nilai resistor ditentukan dengan cara yang sama, dengan diketahuinya tegangan keseluruhannya, kemampuan pergerakan skala penuh, dan resistansi pergerakan. Untuk sebuah volt meter dengan jangkah ukur 1 volt, 10 volt, 100 volt, dan 1000 volt, resistor pengali mengikutinya:

catatan resistor pengali yang digunakan pada jangkah ini, dan seberapa ganjilnya ini. sangat tinggi seperti sebuah 999.5 kΩ resistor presisi tidak didapat untuk komponen ini, perancangan dibawah akan banyak mengunakan nilai resistor yang lebih umum:

dengan beberapa pendekatan berturut jangkah tegangan lebih tinggi, banyak resistor pengali ditekankan oleh sakelar pemilih, untuk keperluan keseluruhan nilainya. sebagai contoh, saat jangkah ukur sakelar pada posisi 1000 volt, kita menginginkan nilai keseluruhan resistor pengali adalah 999.5 kΩ. dengan rancangan meter ini, secara pasti dapat kita dapatkan:

R_Total = R₄ + R₃ + R₂ + R₁

R_Total = 900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω

R_Total = 999.5 kΩ

Pengembangan, oh tentu, banyak masing-masing resistor pengali biasanya adalah (900k, 90k, 9k) dan beberapa nilai ganjil pada perancangan pertama (999.5k, 99.5k, 9.5k). dari pandangan penggunaan meter, dimana, tidak akan membedakan dalam kegunaannya .

• PENGULANGAN:
• Penambahan jangkah ukur volt meter di kreasi untuk meter pergerakan sensitive dengan penambahan resistor seri "pengali" pada rangkaian pengerak, memenuhi perbandingan teganagn presisi.

2.CARA PEMBUATAN AMMETER DC

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.

Gambar 1 Konstruksi sederhana amperemeter

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.

Gambar 2 Range pengukuran amperemeter dapat ditingkatkan deengan menambah resistor yang diparalel dengan amperemeter

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 = I_R = (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 + I_Rshunt

I_Rshunt = 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

R_shunt = V_Rshunt / I_Rshunt = 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.

Gambar 3 Memperbesar range pengukuran amperemeter

Contoh:

Misalkan kita ingin mendisain sebuah ammeter yang digunakan untuk mengukur arus hingga 100 mA, apabila ammeter itu menggunakan penunjuk yang memiliki arus maksimum I_fsd = 1 mA dan resistansi penunjuknya R_m = 2 kΩ. Berapa resistansi shunt yang diperlukan?

Solusi: Ketika ammeter mengukur arus yang maksimum, tegangan pada penunjuk meterannya (dan resistansi shunt nya) adalah

V_m = I_fsd R_m = (1 mA) (2 kΩ) = 2 V

Arus yang melewati resistansi shunt adalah

I_shunt = I_range – I_fsd = 100 mA – 1 mA = 99 mA

Sehingga resistansi shuntnya haruslah bernilai

R_shunt = 2 V / 99 mA = 20.2 Ω

Konstruksi ammeter ditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 4 Amperemeter untuk keperluan otomotif mampu mengukur arus hingga 60 A

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 tombolselektor 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.

Gambar 5 Desain amperemeter multirange meningkatkan range pengukuran amperemeter

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

P_R1 = E₂ / R₁ = (0.5 V)² / 5.000005 mΩ ≈ 50 W

P_R2 = E₂ / R₂ = (0.5 V)² / 50.00005 mΩ ≈ 5 W

P_R3 = E₂ / R₃ = (0.5 V)² / 500.0005 mΩ ≈ 0.5 W

P_R4 = 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 ½watt 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.