Voltmeter dan Ammeter AC

Gerakan meteran elektromekanis AC datang dalam dua pengaturan dasar:yang didasarkan pada desain gerakan DC, dan yang direkayasa khusus untuk penggunaan AC.

Pergerakan meteran permanent-magnet moving coil (PMMC) tidak akan bekerja dengan baik jika dihubungkan langsung dengan arus bolak-balik, karena arah pergerakan jarum akan berubah setiap setengah siklus AC. (Gambar di bawah)

Pergerakan meter magnet permanen, seperti motor magnet permanen, adalah perangkat yang gerakannya bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan (atau, Anda dapat menganggapnya dalam hal arah arus).

Melewati AC melalui gerakan meteran D'Arsonval ini menyebabkan kibasan jarum yang tidak berguna.

Untuk menggunakan gerakan pengukur gaya DC seperti desain D'Arsonval, arus bolak-balik harus diperbaiki ke DC.

Ini paling mudah dicapai melalui penggunaan perangkat yang disebut dioda . Kami melihat dioda yang digunakan dalam rangkaian contoh yang menunjukkan penciptaan frekuensi harmonik dari gelombang sinus yang terdistorsi (atau diperbaiki). Tanpa membahas detail yang rumit tentang bagaimana dan mengapa dioda bekerja seperti itu, ingatlah bahwa mereka masing-masing bertindak seperti katup satu arah agar arus mengalir.

Kepala panah di setiap simbol dioda menunjuk ke arah aliran arus yang diizinkan.

Diatur dalam sebuah jembatan, empat dioda akan berfungsi untuk mengarahkan AC melalui gerakan meteran dalam arah yang konstan di seluruh bagian siklus AC:

Melewati AC melalui gerakan meteran AC yang Diperbaiki ini akan mengarahkannya ke satu arah.

Strategi lain untuk gerakan meter AC praktis adalah mendesain ulang gerakan tanpa sensitivitas polaritas yang melekat pada jenis DC.

Ini berarti menghindari penggunaan magnet permanen. Mungkin desain yang paling sederhana adalah dengan menggunakan baling-baling besi nonmagnetized untuk menggerakkan jarum melawan tegangan pegas, baling-baling ditarik ke arah kumparan kawat stasioner yang diberi energi oleh besaran AC yang akan diukur seperti pada gambar di bawah ini.

Gerakan meteran elektromekanis baling-baling besi.

Daya tarik elektrostatik antara dua pelat logam yang dipisahkan oleh celah udara merupakan mekanisme alternatif untuk menghasilkan gaya gerak jarum yang sebanding dengan tegangan yang diberikan.

Ini bekerja dengan baik untuk AC seperti halnya untuk DC, atau harus saya katakan, sama buruknya! Gaya yang terlibat sangat kecil, jauh lebih kecil daripada gaya tarik magnet antara kumparan berenergi dan baling-baling besi, dan karena itu gerakan meteran “elektrostatis” ini cenderung rapuh dan mudah terganggu oleh gerakan fisik.

Namun, untuk beberapa aplikasi AC tegangan tinggi, gerakan elektrostatik adalah teknologi yang elegan.

Jika tidak ada yang lain, teknologi ini memiliki keunggulan impedansi masukan yang sangat tinggi, yang berarti bahwa tidak ada arus yang perlu ditarik dari rangkaian yang diuji. Selain itu, gerakan meter elektrostatik mampu mengukur tegangan yang sangat tinggi tanpa perlu resistor jangkauan atau peralatan eksternal lainnya.

Ketika gerakan meter sensitif perlu diatur ulang agar berfungsi sebagai voltmeter AC, resistor “pengganda” yang terhubung seri dan/atau pembagi tegangan resistif dapat digunakan seperti pada desain meteran DC:(Gambar di bawah)

Resistor pengali (a) atau pembagi resistif (b) menskalakan rentang gerakan meteran dasar.

Kapasitor dapat digunakan sebagai pengganti resistor, untuk membuat rangkaian pembagi voltmeter. Strategi ini memiliki keuntungan karena non-dissipative (tidak ada daya yang benar-benar dikonsumsi dan tidak ada panas yang dihasilkan):

Voltmeter AC dengan pembagi kapasitif.

Jika gerakan meteran adalah elektrostatik, dan dengan demikian secara inheren kapasitif di alam, kapasitor "pengganda" tunggal dapat dihubungkan secara seri untuk memberikan rentang pengukuran tegangan yang lebih besar, seperti resistor pengganda yang terhubung seri memberikan kumparan bergerak (inheren resistif). ) gerakan meteran rentang tegangan yang lebih besar:

Gerakan meteran elektrostatik dapat menggunakan pengganda kapasitif untuk mengalikan skala pergerakan meteran dasar.

Tabung Sinar Katoda (CRT) yang disebutkan dalam bab pengukuran DC sangat cocok untuk mengukur tegangan AC, terutama jika berkas elektron disapu dari sisi ke sisi melintasi layar tabung sementara tegangan AC yang diukur menggerakkan berkas ke atas dan ke bawah. .

Representasi grafis dari bentuk gelombang AC dan bukan hanya pengukuran besarnya dapat dengan mudah didapat dengan perangkat semacam itu. Namun, CRT memiliki kelemahan dalam hal berat, ukuran, konsumsi daya yang signifikan, dan kerapuhan (terbuat dari kaca yang dievakuasi) yang bekerja melawannya.

Untuk alasan ini, gerakan meteran AC elektromekanis masih memiliki tempat dalam penggunaan praktis.

Dengan beberapa keuntungan dan kerugian dari teknologi gerakan meteran ini telah dibahas, ada faktor lain yang sangat penting untuk diperhatikan oleh perancang dan pengguna instrumen pengukuran AC. Ini adalah masalah pengukuran RMS.

Seperti yang telah kita ketahui, pengukuran AC sering kali dibuat dalam skala ekivalensi daya DC, yang disebut RMS (B oot-M ean-S quare) demi perbandingan yang berarti dengan DC dan dengan bentuk gelombang AC lainnya dari berbagai bentuk. Tak satu pun dari teknologi pergerakan meteran yang sejauh ini dibahas secara inheren mengukur nilai RMS dari kuantitas AC.

Gerakan meteran yang mengandalkan gerakan jarum mekanis ("diperbaiki" D'Arsonval, baling-baling besi, dan elektrostatik) semuanya cenderung rata-rata secara mekanis nilai sesaat menjadi nilai rata-rata keseluruhan untuk bentuk gelombang.

Nilai rata-rata ini belum tentu sama dengan RMS, meski seringkali keliru seperti itu. Nilai rata-rata dan nilai RMS saling bersaing untuk ketiga bentuk gelombang umum berikut:

Nilai RMS, Average, dan Peak-to-Peak untuk gelombang sinus, persegi, dan segitiga.

Karena RMS tampaknya menjadi jenis pengukuran yang kebanyakan orang ingin dapatkan dengan instrumen, dan gerakan meteran elektromekanis secara alami menghasilkan rata-rata pengukuran daripada RMS, apa yang harus dilakukan oleh perancang meteran AC? Curang, tentu saja!

Biasanya dibuat asumsi bahwa bentuk gelombang yang akan diukur akan menjadi sinus (sejauh ini yang paling umum, terutama untuk sistem tenaga), dan kemudian skala pergerakan meter diubah dengan faktor perkalian yang sesuai.

Untuk gelombang sinus kita melihat bahwa RMS sama dengan 0,707 kali nilai puncak sedangkan Rata-rata adalah 0,637 kali puncak, sehingga kita dapat membagi satu angka dengan yang lain untuk mendapatkan faktor konversi rata-rata ke RMS 1,109:

Dengan kata lain, gerakan meteran akan dikalibrasi untuk menunjukkan kira-kira 1,11 kali lebih tinggi daripada biasanya (secara alami) menunjukkan tanpa akomodasi khusus. Harus ditekankan bahwa "curang" ini hanya berfungsi dengan baik ketika meteran digunakan untuk mengukur sumber gelombang sinus murni.

Perhatikan bahwa untuk gelombang segitiga, rasio antara RMS dan Rata-rata tidak sama dengan gelombang sinus:

Dengan gelombang persegi, nilai RMS dan Rata-rata identik! Pengukur AC yang dikalibrasi untuk secara akurat membaca tegangan atau arus RMS pada gelombang sinus murni tidak berikan nilai yang tepat sambil menunjukkan besarnya apa pun selain gelombang sinus yang sempurna.

Ini termasuk gelombang segitiga, gelombang persegi, atau segala jenis gelombang sinus terdistorsi. Dengan harmonik menjadi fenomena yang selalu ada dalam sistem daya AC besar, masalah pengukuran RMS yang akurat ini bukanlah masalah kecil.

Pembaca yang cerdik akan mencatat bahwa saya telah menghilangkan "gerakan" CRT dari diskusi RMS/Rata-rata. Ini karena CRT dengan "gerakan" berkas elektronnya yang praktis tanpa bobot menampilkan Puncak (atau Puncak-ke-Puncak jika Anda mau) dari bentuk gelombang AC daripada Rata-rata atau RMS.

Namun, masalah serupa muncul:bagaimana Anda menentukan nilai RMS bentuk gelombang darinya? Faktor konversi antara Puncak dan RMS hanya berlaku selama bentuk gelombang masuk dengan rapi ke dalam kategori bentuk yang diketahui (sinus, segitiga, dan bujur sangkar adalah satu-satunya contoh dengan faktor konversi Puncak/RMS/Rata-rata yang diberikan di sini!).

Salah satu jawabannya adalah merancang pergerakan meter di sekitar definisi RMS:nilai kalor efektif dari tegangan/arus AC karena memberi daya pada beban resistif. Misalkan sumber AC yang akan diukur dihubungkan melalui resistor yang nilainya diketahui, dan keluaran panas dari resistor tersebut diukur dengan perangkat seperti termokopel.

Ini akan memberikan cara pengukuran RMS yang jauh lebih langsung daripada yang dapat dilakukan oleh faktor konversi apa pun, karena ia akan bekerja dengan bentuk gelombang APAPUN apa pun:

Pembacaan langsung voltmeter RMS termal mengakomodasi segala bentuk gelombang.

Meskipun perangkat yang ditunjukkan di atas agak kasar dan akan mengalami masalah teknis tersendiri, konsep yang diilustrasikan sangat bagus. Resistor mengubah tegangan AC atau kuantitas arus menjadi kuantitas termal (panas), secara efektif mengkuadratkan nilai-nilai secara real-time.

Massa sistem bekerja rata-rata nilai-nilai ini dengan prinsip inersia termal, dan kemudian skala meteran itu sendiri dikalibrasi untuk memberikan indikasi berdasarkan akar kuadrat dari pengukuran termal:indikasi Root-Mean-Square sempurna semua dalam satu perangkat!

Faktanya, salah satu produsen instrumen besar telah menerapkan teknik ini ke dalam jajaran multimeter elektronik genggam kelas atas untuk kemampuan “true-RMS”.

Mengkalibrasi voltmeter AC dan amperemeter untuk rentang operasi skala penuh yang berbeda hampir sama dengan instrumen DC:resistor "pengganda" seri digunakan untuk memberikan gerakan voltmeter rentang yang lebih tinggi, dan resistor "shunt" paralel digunakan untuk memungkinkan gerakan ammeter untuk mengukur arus di luar jangkauan alaminya.

Namun, kami tidak terbatas pada teknik ini seperti yang kami lakukan dengan DC:karena kami dapat menggunakan transformator dengan AC, rentang meter dapat secara elektromagnetik daripada "ditingkatkan" atau "diturunkan" secara resistif, kadang-kadang jauh melampaui apa yang secara praktis diizinkan oleh resistor. untuk.

Transformator Potensial (PT) dan Transformator Arus (CT) adalah perangkat instrumen presisi yang diproduksi untuk menghasilkan rasio transformasi yang sangat presisi antara belitan primer dan sekunder.

Mereka dapat memungkinkan gerakan meteran AC yang kecil dan sederhana untuk menunjukkan tegangan dan arus yang sangat tinggi dalam sistem tenaga dengan akurasi dan isolasi listrik yang lengkap (sesuatu yang tidak dapat dilakukan oleh pengganda dan resistor shunt):

(CT) Trafo arus menurunkan arus. (PT) Trafo potensial menurunkan tegangan.

Ditampilkan di sini adalah panel pengukur tegangan dan arus dari sistem AC tiga fase. Tiga transformator arus "donat" (CT) dapat dilihat di bagian belakang panel. Tiga amperemeter AC (masing-masing diberi nilai defleksi skala penuh 5 amp) di bagian depan panel menunjukkan arus yang melalui setiap konduktor melalui CT.

Karena panel ini telah dihapus dari layanan, tidak ada lagi konduktor pembawa arus yang melalui bagian tengah "donat" CT:

Transformator arus toroidal menurunkan tingkat arus tinggi untuk aplikasi hingga 5 A ammeter AC skala penuh.

Karena biaya (dan seringkali ukuran besar) dari transformator instrumen, mereka tidak digunakan untuk mengukur meter AC untuk aplikasi apa pun selain tegangan tinggi dan arus tinggi. Untuk menskalakan gerakan milliamp atau microamp ke kisaran 120 volt atau 5 amp, resistor presisi normal (pengganda dan shunt) digunakan, sama seperti DC.

TINJAUAN:

• Gerakan meteran terpolarisasi (DC) harus menggunakan perangkat yang disebut dioda untuk dapat menunjukkan besaran AC.
• Gerakan meteran elektromekanis, baik elektromagnetik maupun elektrostatik, secara alami memberikan rata-rata nilai kuantitas AC yang diukur. Instrumen ini dapat direntang untuk menunjukkan nilai RMS, tetapi hanya jika bentuk gelombang AC diketahui dengan tepat sebelumnya!
• Yang disebut RMS sejati meter menggunakan teknologi yang berbeda untuk memberikan indikasi yang mewakili RMS aktual (bukan rata-rata miring atau puncak) dari bentuk gelombang AC.