Efek Pembebanan dan Cara Pembuatan Multimeter Voltmeter dan Amperemeter Analog Multirange

Efek Pembebanan

1. Efek Pembebanan Pada Voltmeter

Pada saat sebuah voltmeter dipergunakan untuk mengukur tegangan suatu rangkaian. Voltmeter terhubung paralel dengan komponen rangkaian.

Contoh :

Terdapat 2 meter dengan dua Sensitivitas beda.

Meter A :

  S = 1 KW./Volt, Rm=0,2K,

  Range =10 V

Meter B :

  S = 20 KW/Volt, Rm=1,5K,

  Range =10 V 

Penyelesaian :

Pertama akan dihitung jika tanpa menggunakan meter :

 

Kemudian jika menggunakan meter yang pertama

Meter 1

Resistansi total dari rangkaian :

 

     

Kombinasi paralel dari RB :

Sehingga pembacaan meter 1 adalah :

Kemudian jika menggunakan meter yang pertama

Meter 2

Resistansi total dari rangkaian :

Kombinasi paralel dari RB :

Sehingga pembacaan meter 2 adalah :

Dari ketiga perhitungan di atas

Kesalahan Voltmeter A adalah =

Kesalahan Voltmeter B adalah =

Kesimpulan yang bisa diambil dari efek pembebanan pada voltmeter adalah :

• Pada pengukuran suatu tegangan dengan menggunakan voltmeter tidak bisa dihindarkan akan terjadinya efek pembebanan pada voltmeter.
• Efek pembebanan yang diakibatkan tentunya mengakibatkan terjadi perbedaan hasil pengukuran dengan meter dan hasil secara perhitungan.
• Efek pembebanan dapat diminimalkan dengan pemilihan Sensitivitas meter yang mempunyai nilai S yang tinggi.

2. Efek Pembebanan Pada Amperemeter

Efek pembebanan terjadi juga jika kita mengunakan amperemeter.

Rangkaian tanpa amperemeter :

      

Rangkaian menggunakan amperemeter :

1.Penempatan meter seri dengan R1 menyebabkan

Arus berkurang karena pada meter terdapat hambatan

2.Perbandingan arus pada rangkaian dengan adanya meter dan tanpa adanya meter seperti pada persamaan di bawah :

Rumus diatas dapat dipergunakan untuk menentukan kesalahan yang terjadi  pada suatu rangkaian terhadap pembebanan ammeter.

Kesimpulan yang bisa diambil dari efek pembebanan pada amperemeter :

• Pemasangan ammeter seri dengan beban yang diukur
• Menaikkan resistansi
• Menurunkan arus  pada rangkaian
•  Efek pembebanan ammeter untuk pengukuran yang akurat adalah tegangan drop dalam rangkaian listrik yang disebabkan tahanan dalam meter.

Cara Pembuatan Multimeter

1.Voltmeter Analog Multirange














 






Gambar 1 Alat ukur permanen jenis magnet moving coil (PMMC)

Suatu alat yang digunakan untuk mengukur tegangan disebut voltmeter karena menggunakan satuan pengukuran yaitu ampere.Sekarang kita menggunakan konsep rangkaian seri untuk menganalisa suatu alat yang bernama voltmeter. Walaupun para pakar teknologi masih harus mendesain sebuah voltmeter, prinsip ini akan membantu anda memahami keterbatasan instrumen.

Voltmeter yang umum terdiri dari sebuah jarum meteran yang dapat bergerak disusun ser dengan sebuah resistansi yang berfungsi sebagai pembatas arus. Meteran ini disebut dengan kumparan bergerak magnet permanen (dalam bahasa inggris : permanent-magnet moving coil disingkat PMMC) seperti tampak pada gambar 1, atau yang digital disebut digital panel meter (DPM).

Walaupun meter digital adalah yang lebih umum dipakai, tetapi kita akan membahas rangkaian yang digunakan PMMC karena tampilannya yang sederhana dan mudah dipahami prinsip kerjanya. PMMC terdiri dari sebuah elektromagnet yang dilitkan ke sebuag batang. Ketika ada tegangan yang dipasangkan ke terminalnya (voltmeter), arus yang kecil akan mengaliri voltmeter. Karena muatan mengalir melewati kumparan elektromagnet, dihasilkan medan magnet. Karena kumparan yang bisa bergerak ini diletakkan di dalam magnet permanen, magnet tersebut akan berinteraksi dengan medan magnet yang dihasilkan kumparan tadi hingga menyebabkan gaya tolakan yang proporsional dengan arus yang mengaliri voltmeter (pada bagian lain akan dipelajari bahwa medan magnet bisa dihasilkan oleh arus listrik) .

 
Gambar 2 Skematik voltmeter sederhana

Dengan menyusun PMMC seri dengan sebuah resistor seperti tampak pada gambar 2, ini sudah memungkinkan membuat suatu rangkaian sederhana yang mampu mengukur tegangan.

Dengan menambahkan tombol selektor, hal ini memungkinkan untuk mendisain voltmeter yang memiliki range pengukuran yang berbeda-beda  (multi range), seperti ditunjukkan gambar 3, adalah voltmeter yang memiliki pengukuran multirange.

 
Gambar 3 Skematik voltmeter dengan desain multirange

Untuk voltmeter yang memiliki pengukuran multirange, umumnya peneyekalaan disetel untuk menyederhanakan pembacaan. Contoh berikut ini akan mengilustrasikan bagaimana sebuah voltmeter multirange didesain dan bagaimana skala yang dibuat bisa dibaca.

Contoh

Disain sebuah voltmeter yang memiliki range pengukuran sebesar 20-V, 50-V, dan 100-V dan gunakan meteran yang mempunyai I_fsd = 1 mA dan R_m = 2 kΩ.

Solusi :
 Range 20-V
R₁ = (20 V/ 1 mA) – 2 kΩ = 18 kΩ

Range 50-V :
R₂ = (50 V / 1 mA) – 2 kΩ = 48 kΩ

Range 100-V :
R₃ = (50 V / 1 mA) – 2 kΩ = 98 kΩ

 
Gambar 4 Contoh soal voltmeter dengan multirange




2.Amperemeter Analog Multirange

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 ini (Vmenggunakan meteran oltmeter 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 dengan 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

Gambar 4 Amperemeter harus dirangkai seri sehingga harus memotong rangkaian yang akan diukur arusnya

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 .


Bila kita memiliki suatu rangkaian dimana arusnya sering untuk diukur, atau bila kita sekedar ingin mempermudah 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.

TERIMAKASIH