Apa itu Pengukur?

Sebuah meter adalah perangkat apa pun yang dibuat untuk mendeteksi dan menampilkan kuantitas listrik secara akurat dalam bentuk yang dapat dibaca oleh manusia. Biasanya, "bentuk yang dapat dibaca" ini adalah visual:gerakan penunjuk pada skala, serangkaian lampu yang diatur untuk membentuk "grafik batang", atau semacam tampilan yang terdiri dari angka numerik. Dalam analisis dan pengujian rangkaian, ada meteran yang dirancang untuk secara akurat mengukur besaran dasar tegangan, arus, dan hambatan. Ada banyak jenis meteran lainnya, tetapi bab ini terutama membahas desain dan pengoperasian tiga meteran dasar.

Kebanyakan meter modern memiliki desain “digital”, artinya tampilan yang dapat dibaca dalam bentuk angka numerik. Desain meteran yang lebih tua bersifat mekanis, menggunakan semacam alat penunjuk untuk menunjukkan kuantitas pengukuran. Dalam kedua kasus tersebut, prinsip yang diterapkan dalam mengadaptasi unit tampilan ke pengukuran (relatif) sejumlah besar tegangan, arus, atau hambatan adalah sama.

Apa itu Gerakan Meteran?

Mekanisme tampilan meter sering disebut sebagai gerakan , meminjam dari sifat mekanisnya untuk bergerak penunjuk sepanjang skala sehingga nilai terukur dapat dibaca. Meskipun meter digital modern tidak memiliki bagian yang bergerak, istilah "gerakan" dapat diterapkan pada perangkat dasar yang sama yang menjalankan fungsi tampilan.

Gerakan Meter Elektromagnetik

Desain "gerakan" digital berada di luar cakupan bab ini, tetapi desain gerakan meter mekanis sangat dapat dipahami. Sebagian besar gerakan mekanis didasarkan pada prinsip elektromagnetisme:bahwa arus listrik melalui konduktor menghasilkan medan magnet yang tegak lurus terhadap sumbu aliran arus. Semakin besar arus listrik, semakin kuat medan magnet yang dihasilkan.

Jika medan magnet yang dibentuk oleh konduktor dibiarkan berinteraksi dengan medan magnet lain, gaya fisik akan dihasilkan antara dua sumber medan. Jika salah satu dari sumber ini bebas bergerak terhadap sumber lainnya, hal itu akan terjadi saat arus dialirkan melalui kawat, gerakan (biasanya melawan hambatan pegas) sebanding dengan kekuatan arus.

Gerakan meteran pertama yang dibuat dikenal sebagai galvanometer , dan biasanya dirancang dengan kepekaan maksimum. Sebuah galvanometer yang sangat sederhana dapat dibuat dari jarum magnet (seperti jarum dari kompas magnetik) tergantung dari string, dan diposisikan dalam gulungan kawat. Arus yang melalui kumparan kawat akan menghasilkan medan magnet yang akan membelokkan jarum agar tidak menunjuk ke arah medan magnet bumi. Galvanometer tali antik ditunjukkan pada foto berikut:

Instrumen seperti itu berguna pada masanya, tetapi hanya memiliki sedikit tempat di dunia modern kecuali sebagai alat pembuktian konsep dan eksperimental dasar. Mereka sangat rentan terhadap gerakan apa pun, dan terhadap gangguan apa pun di medan magnet alami bumi. Sekarang, istilah "galvanometer" biasanya mengacu pada setiap desain gerakan meter elektromagnetik yang dibuat untuk sensitivitas luar biasa, dan belum tentu perangkat kasar seperti yang ditunjukkan dalam foto.

Gerakan meter elektromagnetik praktis dapat dilakukan sekarang di mana kumparan kawat berputar digantung dalam medan magnet yang kuat, terlindung dari sebagian besar pengaruh luar. Desain instrumen seperti itu umumnya dikenal sebagai magnet permanen, kumparan bergerak , atau PMMC gerakan:

Pada gambar di atas, "jarum" gerakan meter ditunjukkan menunjuk ke suatu tempat sekitar 35 persen dari skala penuh, nol penuh di sebelah kiri busur dan skala penuh sepenuhnya di sebelah kanan busur. Peningkatan arus terukur akan mendorong jarum untuk menunjuk lebih jauh ke kanan dan penurunan akan menyebabkan jarum turun kembali menuju titik istirahatnya di sebelah kiri. Busur pada tampilan meteran diberi label dengan angka untuk menunjukkan nilai besaran yang diukur, berapa pun besaran itu.

Dengan kata lain, jika dibutuhkan 50 A arus untuk menggerakkan jarum sepenuhnya ke kanan (membuat ini menjadi “50 A gerakan skala penuh”), skala akan memiliki 0 A tertulis di ujung paling kiri dan 50 A di ujung. sangat benar, 25 A ditandai di tengah skala. Kemungkinan besar, skala akan dibagi menjadi tanda kelulusan yang jauh lebih kecil, mungkin setiap 5 atau 1 A, untuk memungkinkan siapa pun yang melihat gerakan untuk menyimpulkan pembacaan yang lebih tepat dari posisi jarum.

Gerakan meteran akan memiliki sepasang terminal sambungan logam di bagian belakang untuk arus masuk dan keluar. Sebagian besar gerakan meteran sensitif terhadap polaritas, satu arah arus menggerakkan jarum ke kanan dan yang lain mengarahkannya ke kiri. Beberapa gerakan meteran memiliki jarum yang berpusat pada pegas di tengah sapuan skala alih-alih ke kiri, sehingga memungkinkan pengukuran kedua polaritas:

Gerakan sensitif polaritas yang umum termasuk desain D'Arsonval dan Weston, keduanya instrumen tipe PMMC. Arus dalam satu arah melalui kawat akan menghasilkan torsi searah jarum jam pada mekanisme jarum, sedangkan arus dalam arah lain akan menghasilkan torsi berlawanan arah jarum jam.

Beberapa gerakan meteran adalah polaritas-dalam sensitif, mengandalkan daya tarik baling-baling besi yang tidak bermagnet dan dapat digerakkan ke arah kawat pembawa arus yang stasioner untuk membelokkan jarum. Pengukur seperti itu idealnya cocok untuk pengukuran arus bolak-balik (AC). Gerakan sensitif polaritas hanya akan bergetar bolak-balik tanpa ada gunanya jika terhubung ke sumber AC.

Gerakan Meter Elektrostatik

Sementara sebagian besar gerakan meter mekanis didasarkan pada elektromagnetisme (aliran arus melalui konduktor yang menciptakan medan magnet tegak lurus), beberapa didasarkan pada elektrostatika:yaitu, gaya tarik menarik atau tolak menolak yang dihasilkan oleh muatan listrik melintasi ruang. Ini adalah fenomena yang sama yang ditunjukkan oleh bahan-bahan tertentu (seperti lilin dan wol) ketika digosok bersama. Jika tegangan diterapkan antara dua permukaan konduktif melintasi celah udara, akan ada gaya fisik yang menarik kedua permukaan bersama-sama yang mampu menggerakkan semacam mekanisme penunjuk.

Gaya fisik itu berbanding lurus dengan tegangan yang diterapkan antara pelat dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara pelat. Gaya juga terlepas dari polaritas, menjadikannya jenis pergerakan meter yang tidak sensitif terhadap polaritas:

Sayangnya, gaya yang dihasilkan oleh gaya tarik elektrostatik sangat kecil untuk tegangan umum. Faktanya, ukurannya sangat kecil sehingga desain gerakan meteran seperti itu tidak praktis untuk digunakan dalam instrumen uji umum. Biasanya, gerakan meteran elektrostatik digunakan untuk mengukur voltase yang sangat tinggi (ribuan volt).

Satu keuntungan besar dari gerakan meter elektrostatik, bagaimanapun, adalah kenyataan bahwa ia memiliki resistansi yang sangat tinggi, sedangkan gerakan elektromagnetik (yang bergantung pada aliran arus melalui kawat untuk menghasilkan medan magnet) jauh lebih rendah resistansinya. Seperti yang akan kita lihat secara lebih rinci yang akan datang, resistansi yang lebih besar (menghasilkan lebih sedikit arus yang ditarik dari rangkaian yang diuji) menghasilkan voltmeter yang lebih baik.

Tabung Sinar Katoda

Aplikasi pengukuran tegangan elektrostatik yang jauh lebih umum terlihat pada perangkat yang dikenal sebagai Tabung Sinar Katoda , atau CRT . Ini adalah tabung kaca khusus, sangat mirip dengan tabung layar tampilan televisi. Dalam tabung sinar katoda, berkas elektron yang bergerak dalam ruang hampa dibelokkan dari jalurnya oleh tegangan antara pasangan pelat logam di kedua sisi berkas.

Karena elektron bermuatan negatif, mereka cenderung ditolak oleh pelat negatif dan tertarik ke pelat positif. Pembalikan polaritas tegangan melintasi dua pelat akan menghasilkan defleksi berkas elektron ke arah yang berlawanan, membuat jenis meteran ini peka terhadap polaritas “gerakan”:

Elektron, yang massanya jauh lebih kecil daripada pelat logam, digerakkan oleh gaya elektrostatik ini dengan sangat cepat dan mudah. Jalur mereka yang dibelokkan dapat dilacak saat elektron menumbuk ujung kaca tabung di mana mereka menabrak lapisan bahan kimia fosfor, memancarkan cahaya yang terlihat di luar tabung. Semakin besar tegangan antara pelat defleksi, semakin jauh berkas elektron akan “dibelokkan” dari jalur lurusnya, dan semakin jauh titik pijar akan terlihat dari pusat di ujung tabung.

Foto CRT ditampilkan di sini:

Dalam CRT nyata, seperti yang ditunjukkan pada foto di atas, ada dua pasang pelat defleksi, bukan hanya satu. Agar dapat menyapu berkas elektron di seluruh area layar dan bukan hanya dalam garis lurus, berkas harus dibelokkan lebih dari satu dimensi.

Meskipun tabung ini mampu mencatat tegangan kecil secara akurat, tabung ini besar dan membutuhkan daya listrik untuk beroperasi (tidak seperti gerakan meter elektromagnetik, yang lebih kompak dan digerakkan oleh kekuatan arus sinyal terukur yang melewatinya). Mereka juga jauh lebih rapuh daripada jenis perangkat pengukuran listrik lainnya. Biasanya, tabung sinar katoda digunakan bersama dengan sirkuit eksternal yang presisi untuk membentuk peralatan uji yang lebih besar yang dikenal sebagai osiloskop , yang memiliki kemampuan untuk menampilkan grafik tegangan dari waktu ke waktu, alat yang sangat berguna untuk jenis sirkuit tertentu yang tingkat tegangan dan/atau arusnya berubah secara dinamis.

Indikasi Skala Penuh

Apapun jenis meteran atau ukuran pergerakan meter, akan ada nilai tegangan atau arus yang diperlukan untuk memberikan indikasi skala penuh. Dalam gerakan elektromagnetik, ini akan menjadi "arus defleksi skala penuh" yang diperlukan untuk memutar jarum sehingga menunjuk ke ujung yang tepat dari skala penunjuk. Dalam gerakan elektrostatik, rating skala penuh akan dinyatakan sebagai nilai tegangan yang mengakibatkan defleksi maksimum jarum yang digerakkan oleh pelat, atau nilai tegangan dalam tabung sinar katoda yang membelokkan berkas elektron ke tepi layar penunjuk. Dalam "gerakan" digital, ini adalah jumlah tegangan yang menghasilkan indikasi "hitungan penuh" pada tampilan numerik:ketika angka tidak dapat menampilkan jumlah yang lebih besar.

Tugas perancang meteran adalah untuk mengambil gerakan meteran tertentu dan merancang sirkuit eksternal yang diperlukan untuk indikasi skala penuh pada sejumlah tegangan atau arus tertentu. Sebagian besar gerakan meteran (kecuali gerakan elektrostatik) cukup sensitif, memberikan indikasi skala penuh hanya pada sebagian kecil volt atau amp. Ini tidak praktis untuk sebagian besar tugas pengukuran tegangan dan arus. Yang sering dibutuhkan teknisi adalah meteran yang mampu mengukur tegangan dan arus tinggi.

Dengan menjadikan gerakan meter sensitif sebagai bagian dari rangkaian pembagi tegangan atau arus, rentang pengukuran yang berguna dari gerakan dapat diperluas untuk mengukur tingkat yang jauh lebih besar daripada yang dapat ditunjukkan oleh gerakan itu sendiri. Resistor presisi digunakan untuk membuat rangkaian pembagi yang diperlukan untuk membagi tegangan atau arus dengan tepat. Salah satu pelajaran yang akan Anda pelajari dalam bab ini adalah bagaimana merancang rangkaian pembagi ini.

TINJAUAN:

• Sebuah “gerakan ” adalah mekanisme tampilan meter.
• Gerakan elektromagnetik bekerja berdasarkan prinsip medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik melalui kawat. Contoh gerakan meter elektromagnetik termasuk desain D'Arsonval, Weston, dan baling-baling besi.
• Gerakan elektrostatik bekerja berdasarkan prinsip gaya fisik yang dihasilkan oleh medan listrik antara dua pelat.
• Tabung Sinar Katoda (CRT) menggunakan medan elektrostatis untuk membengkokkan jalur berkas elektron, memberikan indikasi posisi berkas melalui cahaya yang dibuat saat berkas membentur ujung tabung kaca.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Desain Amperemeter
• Lembar Kerja Desain Voltmeter