cara pembuatan multi meter voltmeter & ammeter analog multirange serta efek pembebanannya

 

   1.EFEKPEMBEBANAN
Efek pembebanan adalah tegangan drop dalam rangkaian listrik yang disebabkan oleh tahanan dalam meter. Suatu ammeter ideal akan mengukur arus listrik tanpa penghantar setiap tegangan drop yang dapat dipertimbangkan. Dalam praktek efek pembebanan akan dapat diabaikan pada saat tahanan rangkaian besar disbanding tahanan dalam meter.
Level arus yang besar diukur pada sumber jaringan industri dan perumhan, komunikasi dan jaringan tingggi lainya. Ukuran arus rendah dibuat untuk radio penerima,tape recorder dan peralatan llistrik lainya. Efek pembebanan ammeter bias menjadi kritis bila tahanan dalam meter menunjukkan substansi dari komponen tahanan suatu rangkaian.
2. Efek Pembebanan Pada Amperemeter dan Voltmeter
A. Amperemeter
Kontruksi sederhana dari amperemeter DC adalah jenis PMMC. Karena kumparan PMMC kecil dan kemampuan hantar arusnya tebatas, maka hanya dapat dilalui oleh arus kecil saja. Jika I yang besar akan diukur, maka sebagian arus dilewatkan pada tahanan yang di pasang parallel dengan kumparan PMMC seperti pada gambar:

Rm = tahanan kumparan
Rs = tahanan yang dipasang parallel dengan kumparan
Im = arus maksimum yang boleh lewat kumparan
I = arus total yang diukur atau arus skala penuh
Vshunt = Vkumparan
Is Rs = Im Rm
Karena I = Is + Im
Maka : Rs = (Im x Rm) / I – Im
Sebuah amperemeter yang mempunyai beberapa range pengukuran, maka beberapa tahanan shunt dapat dipasang dengan konfigurasi berikut:
1. Amperemeter rangkuman ganda (Multirange Ammeter )
Rangkaian ini memiliki empat shunt yang dihubungkan parallel terhadap alat ukur agar menghasilkan empat batas ukur yang berbeda.

2. Shunt Ayrton ( shunt Universal )
   Rangkaian ini dapat mencegah kemungkinan penggunaan alat ukur tanpa tahanan shunt sehingga memiliki keuntungan yaitu nilai tahanan total yang lebih besar.

Hal – hal yang harus diperhatikan dalam penggunaan amperemeter DC:
• Amperemeter selalu dihubungkan seri dengan beban atau dengan rangkaian yang akan diukur arusnya.
• Polaritas amperemeter harus sesuai dengan rangkaian.
• Bila menggunakan multirange, pertama kali gunakan range yang tertinggi kemudian diturunkan sampai mendekati skala penuh pada range tersebut.
B. Voltmeter

Kontruksi voltmeter dasar atau sederhana dari voltmeter DC adalah jenis PMMC. Voltmeter digunakan untuk mengukur beda potensial antara 2 titik pada rangkaian. Untuk membatasi arus yang melalui kumparan PMMC agar tidak melampaui harga I maksimumnya, maka dipasang tahanan yang seri dengan kumparan dan disebut tahanan multiplier seperti pada gambar:

Im = arus maksimum yang boleh melewati kumparan
Rm = tahanan kumparan
Rs = tahanan seri / multiplier
V = tegangan total yang diukur atau tegangan skala penuh sesuai dengan range voltmeter.
V= Im (Rs + Rm )
Rs = (V/Im) – Rm
C. EfekPembebanan

1. Voltmeter
   

Untuk mengukur ujung –ujung tahanan 50 kOhm untuk pengukuran ini tersedia dua voltmeter
V1 mempunyai S = 1000 Ohm/V
V2 mempunyai S = 20000 Ohm/V
a.Pembacaan voltmeter
b.Kesalahan tiap pembacaan
Voltmeter 1 memiliki tahanan 50 V x 1000 Ohm/V = 50 KOhm, pada rangkuman 50 V
V1 = 25 Kohm/125 Kohm x 150 V = 30 V
Voltmeter 2 meliki tahanan 50 V x 20 Kohm/V = 1 Mohm, pada rangkuman 50 V
V2 = 47,6 KOhm/147,6 Kohm x 150 V = 48,36 V
Kesalahan pembacaan
V1 = (50 V – 30 V)/50 V x 100 % = 40 %
V2 = ( 50 V – 48,36 V)/50 V x 100 % = 3,28 %
Dari contoh dapat dilihat bahwa voltmeter yang dipasang memberikan penunjukan harga tegangan yang lebih rendah dari harga tegangan yang sebenarnya karena dengan adanya voltmeter ini dihasilkan tahanan ekivalen yang lebih kecil dari pada tahanan rangkaian sesungguhnya, efek ini disebut efek pembebanan.
2.Amperemeter
Efek pembebanan terjadi juga jika kita mengunakan amperemeter.

Dari rangkaian diatas dapat dilihat bahwa tanpa amperemeter arus yang mengalir kebeban adalah:
I0 = E0 + R0
Bila kita pasang amperemeter, maka impedansi rangkaian bertambah dan arus yang mengalir menjadi:
IL = E0 / (R0 + Rm) = I0 x R0 / (R0 + Rm) = I0 / (Rm / R0)
Dari persamaan ini amperemeter yang dipasang memberikan penunjukan harga arus yang lebih kecil dari harga arus yang sesungguhnya. Efek pembebanan ini dapat diperkecil bila Rm <<Ro artinya tahanan amperemeter harus sekecil mungkin.
Bagaimana Konstruksi Ammeter dan Voltmeter?
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 = IR = (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 + IRshunt
IRshunt = 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
Rshunt = VRshunt / IRshunt = 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 Ifsd = 1 mA dan resistansi penunjuknya Rm = 2 kΩ. Berapa resistansi shunt yang diperlukan?
Solusi: Ketika ammeter mengukur arus yang maksimum, tegangan pada penunjuk meterannya (dan resistansi shunt nya) adalah
Vm = Ifsd Rm = (1 mA) (2 kΩ) = 2 V
Arus yang melewati resistansi shunt adalah
Ishunt = Irange – Ifsd = 100 mA – 1 mA = 99 mA
Sehingga resistansi shuntnya haruslah bernilai
Rshunt = 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 tombol selektor 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
PR1 = E2 / R1 = (0.5 V)2 / 5.000005 mΩ ≈ 50 W
PR2 = E2 / R2 = (0.5 V)2 / 50.00005 mΩ ≈ 5 W
PR3 = E2 / R3 = (0.5 V)2 / 500.0005 mΩ ≈ 0.5 W
PR4 = 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 ½ watt 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.

Gambar 6 Nilai-nilai resistansi pada berbagai range pengukuran
Terkadang, resistor shunt digunakan bersama voltmeter (yang memiliki resistansi internal sangat besar sekali) seperti tampak pada gambar di bawah untuk mengukur arus. Pada kasus ini, arus yang melewati voltmeter adalah sangat kecil sekali (atau dapat diabaikan), dan ukuran resistansi shunt dapat ditentukan tergantung seberapa besar volt/milivolt drop tegangan yang akan dihasilkan per ampere arus:

Gambar 7 Mengukur arus juga dapat menggunakan sebuah resistor dan voltmeter (ingat hukum Ohm)
Misal, resistor shunt pada gambar di atas berukuran tepat 1 Ω, maka akan terjadi drop tegangan sebesar 1 volt pada resistor itu saat arus yang melewatinya sebesar 1 A. Pembacaan pada voltmeter dapat menunjukkan nilai arus yang melewati resistor shunt tersebut. Untuk mengukur arus yang kecil, nilai resistansi shunt nya diperbesar untuk menghasilkan drop tegangan yang lebih per satuan arus, jadi dengan menaikkan range pengukuran voltmeter,maka bisa digunakan untuk mengukur arus yang kecil. Penggunaan voltmeter dengan resistor shunt dengan resistansi yang kecil biasanya sering digunakan pada dunia industri.

 

Gambar 8 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, seperti ini:
Bila kita memiliki suatu rangkaian dimana arusnya sering untuk diukur, atau bila kita sekedar ingin mepermudah 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:

Gambar 9 Mengukur arus menggunakan resistor dan voltmeter lebih praktis, karena kita tidak perlu memotong rangkaian setiap kali ingin mengukur arus
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.
Pengaruh voltmeter pada rangkaian
Setiap alat ukur listrik selalu mempengaruhi rangkaian yang diukur. Walaupun pengaruh ini tidak dapat dielakkan, tapi pengaruh ini bisa diminimalisir dengan mendisain alat ukur dengan baik.

Gambar 10 Mengukur tegangan menggunakan voltmeter
Karena saat kita mengukur tegangan menggunakan voltmeter, kita harus merangkaikan voltmeter tersebut paralel dengan komponen yang diukur. Tetapi akan ada arus yang mengalir pada voltmeter yang akan mempengaruhi nilai arus (yang sebenarnya) pada rangkaian itu, sehingga nilai tegangan yang terukurpun juga terpengaruh. Sebuah voltmeter yang sempurna memiliki resistansi yang sangat besar sekali (secara teoritis resistansi internal voltmeter = ∞ Ω), sehingga voltmeter tersebut tidak “mengambil” arus dari rangkaian yang diukur. Namun, voltmeter yang sempurna ini hanya ada dalam buku, secara praktek tidak ada voltmeter yangg seperti demikian. Perhatikanlah rangkaian pembagi tegangan berikut, rangkaian ini akan mencontohkan bagaimana pengaruh voltmeter sangatlah ekstrim.

 

Gambar 11 Loading effect saat mengukur tegangan menggunakan voltmeter
Saat voltmeter belum dipasangkan ke rangkaian, seharusnya nilai tegangan masing- masing resistor adalah
V = (24 V) × 250 MΩ / (250 MΩ + 250 MΩ) = 12 V
Seharusnya adalah 12 V. Namun, bila voltmeter yang memiliki resistansi internal sebesar 10 MΩ (nilai resistansi internal yang umum pada voltmeter digital), resistansi internal ini akan menciptakan sambungan paralel dengan resistor 250 MΩ yang bawah bila voltmeter disambungkan ke rangkaian.

Gambar 12 Loading effect menyebabkan error pembacaan
Sehingga akan menyebabkan resistor 250 MΩ ini akan berkurang menjadi
RP = (250 MΩ) (10 MΩ) / (250 MΩ + 10 MΩ) = 9.615 MΩ
Jadi resistor yang memiliki nilai 250 MΩ akan berkurang menjadi 9.615 MΩ (rangkaian pengganti paralelnya), secara drastis akan mempengaruhi pengukuran tegangan. Berarti voltmeter akan menghasilkan pembacaan
V = (24 V) × (9.615 MΩ) / (9.615 MΩ + 250 MΩ) = 0.8889 V
Jadi, nilai tegangan yang seharusnya sebesar 12 V, namun karena pengaruh resistansi internal ini, hasil pembacaan voltmeter adalah hanya 0.8889 V.
Efek ini disebut efek pembebanan (loading effect), dan nilainya mempunyai derajat tertentu tergantung rangkaian yang diukur. Efek ini akan menjadi sangat buruk, apabila resistansi internal dari voltmeter lebih kecil dari pada resistansi dari resistor yang akan diukur tegangannya (seperti contoh di atas). Jadi, kesalahan pembacaan dari voltmeter ini bergantung dari resistansi internal voltmeter dengan resistansi komponen yang akan diukur tegangnnya. Singkatnya, semakin besar resistansi internal dari voltmeter, maka efek pembebannya juga semakin berkurang terhadap rangkaian yang diukur. Maka dari itu, voltmeter yang ideal adalah voltmeter yang memiliki resistansi internal yang tak terbatas (Rinternal = ∞ Ω).
Voltmeter yang konstruksinya menggunakan penunjuk elektromekanis (seperti PMMC) biasanya mempunyai rating range ohm per volt untuk menunjukkan seberapa besar efek yang ditimbulkan dari voltmeter ini karena arus “bocor” akan mengalir pada voltmeter ini. Meteran yang nilai resistansi internalnya bisa diubah-ubah berarti merupakan voltmeter multirange. Nilai ohm per volt berarti seberapa besar nilai resistansi dari terminal voltmeter per volt dari tombol selektor yang dipilih. Contohnya adalah berikut ini:

Gambar 13 Sensitivitas pada voltmeter multirange
Pada skala range 1000 V, total resistansinya adalah 1 MΩ (999.5 kΩ + 500 Ω), sehingga nilainya 1 MΩ per range 1000 V, atau 1000 ohm per volt (1 kΩ/V).Ohm per volt ini adalah sensitivitas dari voltmeter.
Berdasarkan gambar di atas
Untuk range 100 V, sensitivitasnya adalah 100 kΩ/100 V = 1000 Ω/V
Untuk range 10 V, sensitivitasnya adalah 10 kΩ/10 V = 1000 Ω/V
Untuk range 1 V, sensitivitasnya adalah 1 kΩ/ 1 V = 1000 Ω/V
Dari hasil perhitungan di atas, disimpulkan bahwa range tegangan manapun yang kita pilih, sensitivitas dari voltmeter tersebut adalah tetap