Desain Meter Tegangan dan Arus AC: Dari Rectifikasi hingga Pengukuran True-RMS

Gerakan meter elektromekanis untuk arus bolak-balik umumnya dibagi menjadi dua kelompok: adaptasi desain arus bolak-balik (DC) dan unit yang secara khusus dirancang untuk pengukuran AC.

Gerakan moving-coil magnet permanen (PMMC) tidak dapat dihubungkan langsung ke AC. Jarum akan berosilasi dengan setiap setengah siklus, menghasilkan getir yang tidak berguna (lihat gambar di bawah ini).

Perangkat magnet permanen, seperti motor, bergantung pada polaritas tegangan yang diterapkan atau arah arus. Saat AC diterapkan, polaritas berbalik setiap setengah siklus, menyebabkan jarum bergerak maju mundur.

Melewatkan AC melalui gerakan meter D'Arsonval menghasilkan getir jarum yang cepat dan tidak efektif.

Untuk menggunakan gerakan gaya DC seperti desain D'Arsonval, sinyal AC harus pertama kali di-rectify menjadi DC. Metode paling umum menggunakan dioda, yang bertindak sebagai klep satu arah untuk aliran arus. Empat dioda yang disusun dalam konfigurasi jembatan memastikan arus melalui gerakan meter selalu mengalir dalam satu arah, terlepas dari siklus AC.

AC yang di-rectify diterapkan pada gerakan meter yang di-rectify jembatan menggerakkan jarum secara konsisten dalam satu arah.

Alternatifnya, gerakan meter khusus AC dapat dirancang untuk menghindari sensitivitas polaritas yang inherent dalam tipe DC. Pendekatan umum menggunakan van besi yang tidak terinduksi yang tertarik terhadap kunci stasioner yang dienergikan oleh kuantitas AC yang diukur, seperti diilustrasikan di bawah ini.

Gerakan meter elektromekanis van besi.

Tarikan elektrostatis di antara dua logam dipisahkan oleh celah udara menawarkan mekanisme lain untuk menghasilkan gaya yang menggerakkan jarum yang proporsional dengan tegangan yang diterapkan. Sementara metode ini bekerja sama baik untuk AC dan DC, gaya biasanya sangat kecil, membuat gerakan seperti ini rapuh dan rentan terhadap gangguan. Meskipun demikian, meter elektrostatis menarik untuk aplikasi tegangan tinggi AC karena impedansi input yang sangat tinggi dan kemampuan untuk mengukur tegangan besar tanpa resistor rentang eksternal.

Saat gerakan meter elektrostatis atau gerakan dasar lainnya perlu dikalibrasi untuk penggunaan AC, resistor “multiplier” seri atau pembagi tegangan resistif digunakan, sama seperti dalam desain meter DC:

Resistor multiplier (a) atau pembagi resistif (b) menskala rentang gerakan meter dasar.

Menggunakan kapasitor alih-alih resistor untuk pembagi menawarkan solusi non-dissipatif, menghilangkan generasi panas. Teknik ini sangat menguntungkan untuk pengukuran tegangan tinggi AC.

Voltmeter AC yang menggunakan pembagi kapasitif.

Untuk gerakan meter elektrostatis—which are inherently capacitive—a single “multiplier” capacitor can be added in series to extend the measurable voltage range, analogous to a resistor multiplier for moving-coil meters.

Gerakan meter elektrostatis dapat menggunakan multiplier kapasitif untuk meningkatkan rentangnya.

Pendekatan metering tabung sinar katoda (CRT), yang dijelaskan dalam bab DC, juga cocok untuk pengukuran tegangan AC. Dengan memindai sinar elektron dari kiri ke kanan di layar sementara sinyal AC mendorong defleksi vertikal, perangkat dapat menampilkan bentuk gelombang, bukan hanya bacaan magnitudo. Namun, CRT besar, mengonsumsi daya yang signifikan, dan rapuh karena konstruksi kaca evakuasinya, membatasi penggunaan praktisnya.

Gerakan meter elektromekanis AC masih memerankan peran penting dalam banyak aplikasi. Pertimbangan kritis bagi desainer dan pengguna adalah pengukuran nilai RMS (root-mean-square), yang memberikan perbandingan yang bermakna antara daya AC dan DC.

Sementara gerakan D'Arsonval yang di-rectify, van besi, dan elektrostatis secara alami memberikan nilai rata-rata dari sinyal instan, rata-rata ini tidak setara dengan RMS. Tabel di bawah ini mengilustrasikan hubungan antara RMS, rata-rata, dan nilai peak-to-peak untuk gelombang sinus, persegi, dan segitiga:

Nilai RMS, rata-rata, dan peak-to-peak untuk gelombang sinus, persegi, dan segitiga.

Karena meter elektromekanis secara inheren melaporkan nilai rata-rata, desainer sering “menipu” dengan mengasumsikan gelombang adalah sinus murni. Untuk gelombang sinus, RMS sama dengan 0.707 kali nilai peak, sedangkan rata-rata sama dengan 0.637 kali nilai peak. Membagi keduanya menghasilkan faktor konversi rata-rata-ke-RMS sebesar 1.109:

Oleh karena itu, gerakan meter dikalibrasi untuk menunjukkan sekitar 1.11 kali pembacaan alami, yang sesuai dengan nilai RMS sebenarnya untuk gelombang sinus. Pendekatan ini gagal untuk gelombang non-sinus seperti segitiga atau persegi, di mana rasio RMS-ke-rata-rata bervariasi secara signifikan.

Untuk gelombang persegi, RMS sama dengan rata-rata, tetapi untuk gelombang segitiga faktor konversi berbeda. Ketidaksesuaian ini menjadi kritis dalam sistem daya modern di mana distorsi harmoni umum.

Meter CRT, yang menampilkan peak atau peak-to-peak dari gelombang, juga menghadapi keterbatasan ini; menentukan RMS dari pengukuran peak memerlukan pengetahuan tentang bentuk gelombang.

Solusi yang lebih kuat adalah merancang meter yang mengukur RMS secara langsung dengan memanfaatkan definisi RMS sebagai nilai pemanasan sinyal AC pada beban resistif. Dengan menghubungkan sumber AC melalui resistor dengan nilai yang diketahui dan mengukur panas yang dihasilkan dengan termokopel, meter dapat memberikan pembacaan true-RMS yang independen dari bentuk gelombang:

Voltmeter thermal true-RMS langsung dapat mencakup bentuk gelombang apa pun.

Meskipun konsepnya sederhana, implementasi praktis menantang tantangan teknik. Namun, prinsip—mengubah daya listrik menjadi panas dan mengukur panas tersebut—telah diadopsi dalam multimeter handheld high-end untuk kemampuan true-RMS.

Mengkalibrasi voltmeter dan ammeter AC di berbagai rentang mengikuti prinsip yang sama yang digunakan untuk instrumen DC: resistor multiplier seri (atau kapasitor) memperpanjang rentang tegangan, sementara resistor shunt paralel mengakomodasi arus yang lebih tinggi. Selain itu, transformator—terutama transformator potensial (PT) dan transformator arus (CT)—memungkinkan stepping rentang elektromagnetik, memungkinkan gerakan meter kecil untuk mengukur tegangan atau arus besar dengan isolasi listrik.

CT menskala arus ke bawah; PT menskala tegangan ke bawah.

Dalam panel AC tiga fasa tipis, CT toroidal ditempatkan di balik casing meter, sementara tiga ammeter AC skala penuh 5-A menunjukkan arus dalam setiap konduktor melalui CT. Saat panel dicabut, CT tetap, tetapi konduktor tidak lagi hadir:

CT toroidal menskala level arus tinggi ke bawah untuk ammeter AC 5-A.

Karena transformator instrumen mahal dan sering besar, mereka disimpan untuk aplikasi tegangan atau arus tinggi. Untuk pengukuran rentang rendah—seperti menskala meter miliamper ke 120 V atau 5 A—resistor presisi (multiplier dan shunt) digunakan, sama seperti meter DC.

REVIEW:

• Gerakan meter terpolarisasi (DC) membutuhkan dioda untuk mengukur kuantitas AC.
• Gerakan meter elektromekanis—baik elektromagnetik maupun elektrostatis—secara alami memberikan nilai rata-rata; mereka dapat dikalibrasi untuk menunjukkan RMS hanya jika bentuk gelombang diketahui sebelumnya.
• Meter true-RMS menggunakan teknologi khusus untuk memberikan indikasi RMS yang akurat terlepas dari bentuk gelombang.