Instrumen Penunjuk Arus Searah (DC) oleh Kelompok 4 Mata kuliah: Pengukuran Listrik Dosen Pengampu: Dr. Arum Setyowati, S.Pd., MT.

1. INSTRUMEN PENUNJUK ARUS SEARAH (DC)
M Al Fariz K
Kelompok 4
M Ramadhan
Disusun oleh :

2. GALVANOMETER SUSPENSI
Pengukuran-pengukuran arus searah sebelumnya menggunakan galvanometer dengan system
gantungan (suspension galvanometer). Instrumen ini mempakan pelopor instrumen kumparan putar,
dasar bagi kebanyakan alat-alat penunjuk arus searah yang dipakai secara umum. Gambar ini
menunjukkan konstruksi sebuah galvanometer suspensi.

3. Sebuah kumparan (coil) kawat halus digantung di dalam medan magnet yang dihasilkan oleh sebuah
magnet permanen. Menurut hukum dasar gaya elektro maknetik kumparan tersebut akan berputar di
dalarn medan magnet bila dialiri oleh arus listrik. Gantungan kumparan yang terbuat dari serabut
halus berfungsi sebagai pembawa arus dari dan ke kumparan, dan keelastisan serabut tersebut
membangkitkan suatu torsi yang melawan perputaran kumparan. Kumparan akan terus berdefleksi
sampai gaya elektromaknetiknya mengimbangi torsi mekanis lawan dari gantungan.

4. Defleksi dalam keadaan stabil
(steady state deflection)
Walaupun galvanometer suspensi bukan instrumen yang praktis ataupun portabel (mudah
dipindahkan), prinsip-prinsip yang mengatur cara kerjanya diterapkan secara lama terhadap jenis yang
lebih baru yakni mekanisme kumparan putar magnet permanen (PMMC, permanent magnet moving-
coil mechanism). Gambar ini menunjukkan konstruksi dan bagian-bagian dari mekanisme PMMC ini.

5. Terdapat sebuah kumparan digantung di dalam medan magnet, sebuah magnet permanen berbentuk sepatu
kuda sehingga ia dapat berputar bebas di dalam medan magnet. Jika arus mengalir di dalam kumparan torsi
elektromaknetik yang dibangkitkan akan menyebabkan perputaran kumparan tersebut. Torsi ini diimbangi oleh
torsi mekanis pegas-pegas pengatur. Kesetimbangan torsi-torsi dan juga posisi sudut kumparan putar,
dinyatakan olch jarum penunjuk terhadap referensi tertentu yang disebut skala.
Persamaan untuk pengembangan torsi yang diturunkan dari hukum dasar elektromaknetik adalah,
T = B x A x I x N (4-1)
Dimana: T =torsi dalam newton-meter (N-M)
B = kerapatan fluksi di dalam senjang udara , Wb/m2
A = luas efektif kumparan, m2
I = arus dalam kumparan putar, amper (A)
A = jumlah lilitan kumparan

6. Sifat dinamik (dynamic behavior)
Sifat dinamik galvanometer dapat diamati dengan secara tiba-tiba memutuskan arus yang dimasukkan,
sehingga kumparan berayun kembali dari posisi penyimpangan menuju posisi nol.
Gerakan sebuah kumparan putar di dalam medan magnet dikenali dari tiga kuantitas :
a. Momen inersia (kelembaman) kumparan putar terhadap sumbu putarnya (J)
b. Torsi lawan yang dihasilkan oleh gantungan kumparan (S)
c. Konstanta redaman (D)
Solusi persamaan differensial yang memperhubungkan ketiga faktor ini memberikan tiga
kemungkinan yang masing-masing menjelaskan sifat dinamik kumparan dalam sudut defleksinya.
Ketiga jenis sifat tersebut ditunjukkan oleh kurva-kurva pada gambar di samping dan disebut teredam
lebih (overdamped), kurang teredam (underdamped) dan teredam kritis (critically damped).

7. Kurva I pada gambar di atas menunjukkan keadaan teredam lebih di mana kumparan kembali secara
perlahan ke posisi diam tanpa lonjakan atau osilasi. Kurva II menunjukkan kurang teredam di mana
gerakan kumparan dipengaruhi oleh osilasi sinusoida teredam. Kurva III menunjukkan redaman kritis
dalam mana jarum kembali dengan cepat ke keadaan stabil tanpa osilasi.

8. Mekanisme redaman
Redaman galvanometer terjadi dalam dua mekanisme, yaitu mekanis dan elektromaknetik. Redaman
mekanis terutama disebabkan oleh perputaran kumparan terhadap udara sekehlingnya, tidak
bergantung pada arus listrik melalui kumparan. Redaman elektromaknetik disebabkan oleh efek
induksi di dalam kumparan putar bila dia berputar di dalam medan magnet, dengan syarat bahwa
kumparan tersebut merupakan bagian dari sebuah rangkaian listrik tertutup. Beberapa instrumen
menggunakan prinsip redaman elektromaknetik (hukum Lenz), di mana kumparan putar digulungkan
pada sebuah rangka aluminium ringan.

9. MEKANISME KUMPARAN-PUTAR MAGNET
PERMANEN
• Gerak d'Arsonval (D'Arsonval movement)
Gerakan dasar kumparan putar magnet permanen (permanent magnet moving
coil, PMMC) yang ditunjukkan pada Gambar 4-2 sering disebut gerak d'Arsonval.
Desain ini memungkinkan magnet besar di dalam suatu ruang tertentu dan
digunakan bila diinginkan fluksi paling besar di dalam senjang udara. Dia adalah
instrumen dengan kebutuhan daya yang sangat rendah dan arus yang kecil untuk
penyimpangan skala penuh (full scale deflection).

10. • Pengamatan terhadap gambar di atas menunjukkan sebuah magnet permanen
berbentuk sepatu kuda dengan potongan-potongan kutub besi lunak yang
menempel kepadanya. Antara potongan-potongan tersebut terdapat sebuah
silinder besi lunak yang berfungsi untuk menghasilkan medan magnet yang
serba sama (homogen) di dalam senjang udara antara kutub-kutub dan silinder.
Kumparan dililitkan pada sebuah kerangka logam ringan dan dipasang
sedemikian hingga dapat berputar secara beban di dalam senjang udara. Jarum
penunjuk yang dipasang di bagian alas kumparan bergerak sepanjang skala
yang telah terbagibagi dan menunjukkan defleksi sudut kumparan dan berarti
menunjukkan arus melalui kumparan tersebut

11. • Keseluruhan sistem yang berputar dibuat setimbang statis oleh tiga buah beban
keseimbangan (balance wight) untuk semua posisi penyimpangan (defleksi)
seperti ditunjukkan pada gambar di atas. Jarum, pegas dan titik putar (pivot)
dirakit ke peralatan kumparan dengan menggunakan alas titik putar dan
seluruh elemen kumparan yang dapat berputar disangga oleh "jewel bearings".

12. • "Jewel" berbentuk V seperti ditunjukkan pada gambar di atas dipakai secara umum dalam
bantalan-bantalan instrumen. Titik putar, bantalan dalam lubang di dalam jewel mempunyai
jari-jari dari 0,01 mm - 0,02 mm pada ujungnya, bergantung pada beban mekanis dan getaran
yang akan dialami oleh instrumen. Jari-jari lubang di dalam "jewel" sedikit lebih besar dari jari-
jari titik putar, sehingga permukaan yang mengalami kontak berbentuk lingkaran hanya
beberapa mikron jauhnya. Desain jewel V dalam gambar di atas mempunyai gesekan yang
paling kecil di antara semua bantalan praktis. Walaupun elemen instrumen yang berputar
dirancang seringan mungkin, luas permukaan kontak antara titik putar dan jewel
menghasilkan regangan dalam orde 10 kg/mm2 . Jika berat elemen yang berputar masih
bertambah lagi, permukaan yang kontak tidak akan bertambah secara sebanding sehingga
reganganpun lebih besar

13. Konstruksi magnet inti (core-magnet construction)
• Dalam tahun-tahun belakangan ini, dengan perkembangan Alnico dan
bahanbahan maknetik yang disempurnakan lainnya, telah menjadi laik untuk
merancang sebuah sistem maknetik di dalam mana magnetnya sendiri berfungsi
sebagai inti (core). Magnet-magnet ini memiliki keuntungan yang nyata yaitu
relatif tidak terpengaruh oleh medan-medan magnet luar, meniadakan efek
shunt maknetik dalam konstruksi panel baja di mana beberapa alat ukur yang
bekerja berdekatan dapat saling mempengaruhi pembacaan masing-masing.
Kebutuhan akan pelindung maknetik (shielding) dalam bentuk selubung-
selubung besi, juga ditiadakan pada konstruksi magnet inti.

14. Suspensi "taut-band" (taut-band suspension)
• Mekanisme galvanometer jenis suspensi telah dikenal selama beberapa tahun.
Sampai belakangan ini alat tersebut hanya digunakan di dalam laborato-rium di
mana dinginkan sensitivitas tinggi dan torsi yang sangat rendah (sebab arus
yang kecil). Juga dalam instrurumen seperti ini, diinginkan untuk meniadakan
gesekan rendah yang dihasilkan oleh titik putar (pivot) dan jewel.

15. Kompensasi temperatur (temperature
compensation)
• Gerak dasar PMMC bukannya memiliki sifat bawaan yang tidak sensitif terhadap temperatur,
tetapi temperaturnya bisa dikompensir dengan menggunakan tahanan shunt dan tahanan seri
yang sesuai dari bahan tembaga dan manganin. Keduanya, kuat Medan magnet dan regangan
pegas berkurang terhadap kenaikan temperatur. Perubahan-perubahan ini cenderung
membuat jarum membaca rendah pada suatu arus yang diberikan berkenan dengan kuat
Medan magnet dan tahanan kumparan. Sebaliknya, perubahan pegas cenderung membuat
jarum membaca tinggi dengan suatu kenaikan temperatur. Tetapi efeknya tidak identik;
sehingga alat ukur yang tidak terkompensir cenderung menghasilkan pembacaan rendah
sebesar sekitar 0,2 persen setiap kenaikan temperatur dalam °C. Untuk pencirian instrumen,
gerak dianggap terkompensasi bila perubahan ketelitian karena perubahan temperatur sebesar
10°C tidak melebihi seperempat kesalahan total yang diijinkan.* (*PMMC Data-sheets, Weston
Instrument Inc. Newark, N.J)

16. SENSITIVITAS GALVANOMETER
Untuk menyatakan sensitivitas sebuah galvanometer, umumnya digunakan tiga definisi, yaitu :

17. Sensitivitas arus (current sensitivity)
Sensitivitas arus didefinisikan sebagai perbandingan penyimpangan (defleksi)
galvanometer terhadap arus yang menghasilkan defleksi tersebut. Sensitivitas arus
adalah:
Dimana : d = defleksi galvanometer dalam bagian skala atau mm
i = arus galvanometer dalam μA

18. Sensitivitas tegangan (voltage sensitivity)
Sensitivitas tegangan (voltage sensitivity) didefinisikan sebagai
perbandingan defleksi galvanometer terhadap tegangan yang
menghasilkannya. Oleh karena itu sensitivas tegangan adalah:
Dimana : d = defleksi galvanometer dalam bagian skala atau mm
V = tegangan yang diberikan ke galvanometer dalam mV

19. Sensitivitas mega-ohm (megohm sensitivity)
Sensitivitas megaohm (megohm sensitivity) didefinisikan sebagai tahanan
(dalam mega-ohm) yang dihubungkan secara seri dengan galvanometer agar
menghasilkan defleksi sebesar satu bagian skala bila tegangan 1 V
dimasukkan ke rangkaian tersebut. Secara numerik, sensitivitas mega ohm
sama dengan sensitivitas arus, sehingga:
Dimana : d = defleksi galvanometer dalam bagian skala atau mm
I = arus galvanometer dalam μA

20. Contoh Soal
• Sebuah galvanometer diuji dalam rangkaian gambar di atas. Dimana E = 1.5 V
R1 = 1.0 Ω R2 = 2500 Ω R3 adalah variabel Dengan membuat R3 pada 450 Ω,
defleksi galvanometer adalah 150 mm, dan untuk R3 = 950 Ω, defleksi berkurang
menjadi 75 mm. Tentukan : (a) tahanan galvanometer, (b) sensitivitas arus
galvanometer tersebut.

21. Penyelesaian
• Bagian dari arus total IT yang diambil oleh galvanometer adalah
• Karena defleksi untuk R3= 450 Ω adalah 150 mm dan untuk R3 = 950 Ω adalah 75
mm, arus galvanometer IG dalam hal kedua ini adalah separuh dari arus
galvanometer dalam kasus pertama. Karena itu dapat dituliskan,

22. • dan dengan menyelesaikannya untuk RG diperoleh RG = 40'Ω. (b). Dengan
melihat rangkaian di atas diperoleh bahwa tahanan total rangkaian, RT adalah
• Sehingga
• Untuk R3 = 450 Ω, arus galvanometer IG adalah :

23. Tahanan shunt (shunt resistor)
• Gerakan dasar dari sebuah ampermeter arus searah (dc ammeter) adalah
galvanometer PMMC. Karena gulungan kumparan dari sebuah gerakan dasar
adalah kecil dan ringan dia hanya dapat mengalirkan arus yang keeil. Bila yang
akan diukur adalah arus besar, sebagian besar dari arus tersebut perlu dialirkan
ke sebuah tahanan yang disebut shunt seperti ditunjukkan pada gambar di atas.

24. • Tahanan shunt dapat ditentukan dengan menerapkan analisa rangkaian
konvensional terhadap gambar sebelumnya, di mana:
• Rm = tahanan dalam alat ukur
• Rs = tahanan shunt
• Im = arus defleksi skaha penuh dari alat ukur
• Is = arus shunt
• I = arus skala penuh ampermeter termasuk arus shunt.

25. Contoh Soal
• Sebuah alat ukur 1 mA dengan tahanan dalam 100 Ω akan diubah menjadi 0 -100
mA. Tentukan nilai tahanan shunt yang diperlukan.

26. Shunt Aytron
• Batas ukur sebuah ampermeter arus searah (dc) masih dapat diperbesar dengan
menggunakan sejumlah tahanan shunt yang dipilih melalui sakelar rangkuman
(range switch). Alat ukur seperti ini disebut ampermeter rangkuman ganda
(multirange ammeter). Rangkaian ini memiliki empat shunt Ra, Rb, Rc dan Rd
yang dihubungkan paralel terhadap alat-ukur agar menghasilkan empat alat
ukur (rangkuman) yang berbeda. Sakelar S adalah sebuah sakelar posisi ganda
dari jenis menyambung sebelum memutuskan (make-before-break), sehingga
alat pencatat tidak akan rusak, tidak terlindung dalam rangkaian tanpa sebuah
shunt sewaktu penguibahan batas ukur.

27. Contoh Soal
• Rancang sebuah shunt Ayrton yang menghasilkan ampermeter dengan batas
ukur (rangkuman) IA, 5A, dan 10A. Gerakan d'Arsonval yang digunakan pada
konfigurasi gambar di atas mempunyai tahanan dalam Rm = 50 Ω dan defleksi
penuh 1 mA.

28. Langkah Penyelesaian

29. Tahanan pengali
Penambahan sebuah tahanan seri atau pengali (multiplier), mengubah gerakan d'Arsnoval
menjadi sebuah voltmeter arus searah, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Tahanan pengali membatasi arus ke alat ukur agar tidak melebihi arus skala penuh.
Nilai tahanan pengali yang diperlukan untuk memperbesar batas ukur tegangan
ditentukan dari gambar di atas , di mana:
Im = arus defleksi dari alat ukur
Rm = tahanan-dalam alat ukur
Rs= tahanan pengali
V = tegangan rangkuman maksimum dari instrumen

30. Voltmeter rangkuman ganda
Penambahan sejumlah pengali beserta sebuah sakelar rangkuman (range switch) membuat instrumen
mampu digunakan bagi sejumlah rangkuman tegangan. Dalam gambar di bawah ini
ditunjukkan sebuah voltmeter rangkuman ganda (multirange) yang menggunakan sebuah sakelar
empat posisi (V1, V2, V3, dan V4) dan empat pengali (RI , R2, R3 dan R4).
Sistem ini memiliki keuntungan yaitu semua pengali kecuali yang pertama memiliki nilai tahanan
standar dan dapat diperoleh di pasaran dengan toleransi yang tepat.

31. SENSITIVITAS VOLTMETER
Sensitivitas S dapat digunakan pada metoda sensitivitas untuk menentukan
tahanan pengali voltmeter arus searah, dimana :
S = sensitivitas voltmeter, Ω/V
V = rangkuman tegangan yang ditentukan oleh posisi sekelar
Rm = tahanan-dalam alat ukur (ditambah tahanan-tahanan seri)
Rs = tahanan pengali.
RT = tahanan total.
Idp = arus defleksi penuh.

32. METODA VOLTMETER — AMPERMETER
Suatu cara populer untuk pengukuran tahanan menggunakan metoda voltmeter
ampermeter (voltmeter ammeter method), karena instrumen-instrumen ini biasanya
tersedia di laboratorium. Jika tegangan V antara ujung-ujung tahanan dan arus I melalui
tahanan tersebut diukur, tahanan Rx yang tidak diketahui dapat ditentukan
berdasarkan hukum ohm :
berarti bahwa tahanan ampermeter adalah not dan tahanan voltmeter IA berhingga,
sehingga kondisi rangkaian tidak terganggu.

33. OHMMETER TIPE SERI
• Ohmmeter tipe seri (series-type ohmmeter) sesungguhnya mengandung sebuah gerak d'Arsonval
yang dihubungkan seri dengan sebuah tahanan dan batere ke sepasang terminal untuk hubungan ke
tahanan yang tidak diketahui. Berarti arus melalui alat ukur bergantung pada tahanan yang tidak
diketahui, dan indikasi alat ukur sebanding dengan nilai yang tidak diketahui, dengan syarat bahwa
masalah kalibrasi diperhitungkan.
R1 = tahanan pembatas arus
R2 = tahanan pengatur nol
E = batere di dalam alat ukur
Rm = tahanan dalam d'Arsonval
Rx = tahanan yang tidak diketahui

34. OHMMETER TIPE SHUNT
Diagram rangkaian sebuah ohmmeter tipe shunt ditunjukkan pada Gambar diatas. Alat ini terdiri dari sebuah
batere yang dihubungkan seri dengan sebuah tahanan pengatur R1, dan gerak d'Arsonval. Tahanan yang akan
diukur dihubungkan ke terminal-terminal A dan B. Di dalam rangkaian ini diperlukan sebuah sakelar
menghidupkanmematikan (off-on switch) untuk memutuskan hubungan batere ke rangkaian bila instrumen
tidak digunakan. Bila tahanan yang tidak diketahui Rx = 0 Ω (A dan B terhubung singkat), arus melalui "gerakan"
adalah nol. Jika Rx = ∞ (A dan B terbuka) arus hanya mengalir ke "gerakan", dan melalui pengaturan R, jarum
dapat dibuat membaca skala penuh. Berarti ohmmeter ini mempunyai tanda "nol" di sebelah kiri (tanpa arus)
dan "tak berhingga" di sebelah kanan skala (defleksi paling besar).

35. MULTIMETER ATAU VOM
Ampermeter, voltmeter dan ohmmeter, semuanya menggunakan gerak d'Arsonval. Perbedaan qntara
instrumen-instrumen ini adalah rangkaian di dalam mana gerak dasar tersebut digunakan. Berarti
adalah jelas bahwa sebuah instrumen tunggal dapat direncanakan untuk melakukan ketiga fungsi
pengukuran tersebut. Instrumen ini dilengkapi dengan sebuah sakelar posisi (function-switch) untuk
menghubungkan rangkaian-rangkaian yang sesuai ke gerak d'Arsonval, disebut multimeter atau volt-
ohm miliampermeter (VOM).

36. Sebuah Contoh multimeter komersil ditunjukkan pada gambar diatas.
Diagram rangkaian alat ukur ini diberikan pada gambar dibawah. Alat
ukur ini merupakan kombinasi dari sebuah miliampermeter arus searah
(dc), voltmeter arus searah, voltmeter arus bolak-balik (ac), ohmmeter
rangkuman ganda, dan unit penunjuk.

37. KALIBRASI INSTRUMEN-INSTRUMEN ARUS SEARAH
Walaupun teknik-teknik kalibrasi yang lengkap adalah di luar lingkup bab ini, diberikan beberapa
prosedur umum kalibrasi instrumen dasar untuk arus searah
Kalibrasi sebuah ampermeter arus searah (dc) paling mudah dilakukan dengan rangkaian gambar
diatas. Nilai arus melalui ampermeter yang akan dikalibrasi, ditentukan dengan mengukur beda
potensial antara ujung-ujung tahanan standar, berdasarkan metoda Potensiometer dan kemudian
menentukan arus menurut hukum ohm. Hasil perhitungan ini dibandingkan terhadap pembacaan
nyata ampermeter yang akan dikalibrasi dan dihubungkan ke rangkaian. Sebuah sumber arus konstan
dibutuhkan, dan biasanya nu dihasilkan oleh elemen akumulator (storage cells) atau sumber daya
presisi. Sebuah lahanan geser dihubungkan di dalam rangkaian untuk mengontrol arus pada harga
yang diinginkan sehingga titik-titik yang berbeda pada skala dapat dikalibrasi.

38. Suatu cara sederhana untuk mengalibrasi sebuah voltmeter arus searah (dc)
ditampilkan pada gambar diatas, di mana tegangan pada tahanan R (dropping
resistor) diukur secara seksama dengan sebuah potensiometer. Voltmeter yang
akan dikalibrasi dihubngkan ke ke titik-titik yang sama pada potensiometer
dan berarti akan menunjukkan tegangan yang sama. Sebuah tahanan geser
dihubungkan di dalam rangkaian untuk mengontrol banyaknya arus dan
dengan demikian mengontrol penurunan tegangan pada tahanan R, sehingga
beberapa titik pada skala dapat dikalibrasi. Voltmeter-voltmeter yang diuji
berdasarkan metoda gambar diatas dapat dikahbrasi dengan ketelitian 0,01%,
yang melebihi ketelitian sebuah gerak d'arsonval yang biasa.

39. "Belajar dari hari kemarin, hidup untuk hari ini, berharap untuk besok.“