MAKALAH
ALAT-ALAT UKUR
“JEMBATAN ARUS
SEARAH
DAN PEMAKAIANNYA”
DISUSUN OLEH :
NAMA : RAME NELVIANA MANUNGKALIT
NIM :
RRA1C315004
PRODI PENDIDIKAN FISIKA
2015
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU
PENDIDIKAN
UNIVERSITAS JAMBI
2016
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum wr.wb
Rasa syukur yang dalam
kami ucapkan kepada kehadirat Tuhan Yang Maha Pemurah, karena berkat
kemurahanNya kami bisa menyelesaikan makalah ini sesuai yang kami harapkan.
Dalam makalah kami yang berjudul “Jembatan Arus Searah Dan Pemakaiannya“ akan
dibahas tentang itu jembatan arus searah
dan pemakaiannya serta pembagiannya yaitu jembatan wheatstone, jembatan kelvin
dan uji simpal dengan perangkat uji portabel dengan baik yang selama ini tidak
diketahui oleh mahasiswa.
Makalah ini dibuat untuk
menambah wawasan mahasiswa sekaligus membantu mahasiswa dalam memahami jembatan
arus searah dan pemakaiannya. Untuk itu kami sebagai penyusun makalah ini
apabila banyak kekurangan mohon kritik dan sarannya sehingga akan menumbuhkan
ucapan terima kasih kami kepada pembaca.
Demikian makalah ini kami
buat semoga dapat bermanfaat.
Jambi,
April 2016
Penyusun
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
LATAR BELAKANG
Rangkaian-rangkaian jembatan
dipakai secara luas untuk pengukuran nilai-nilai komponen seperti tahanan,
indukstansi atau kapasitansi, dan parameter rangkaian lainnya yang
diturunkan secara langsung dari nilai
nilai komponen, seperti frekuensi sudut, fasa dan temperatur. Karena rangkaian
jembatan hanya membandingkan nilai komponen yang tidak diketahui dengan komponen
yang besarnya diketahui secara tepat (sebuah
standar), ketelitian pengukurannya
tentu saja bisa tinggi sekali. Ini adalah demikian sebab pembacaan
pengukuran dengan cara perbandingan yang didasarkan pada penunjukan nol dari
kesetimbangan rangkaian jembatan, pada dasarnya tidak bergantung pada
karakteristik detektor nol. Jadi
ketelitian pengukuran adalah langsung sesuai dengan ketelitian
komponen-komponen jembatan, bukan dengan indikator nolnya sendiri.
Bab
ini membahas sebagian dari rangkaian
dari dasar arus searah.Dimulai dengan instrumen uji yang dapat
dipindahkan (portabel), kita mengenal jembatan wheatstone untuk pengukuran
tahanan dc, jembatan Kelvin untuk pengukuran tahanan rendah, dan perangkat uji
(test set) untuk pemeriksaan tahanan kabel. Dalam pengujian presisi tinggi dan
kalibrasi, kita mengemukakan prinsip jembatan Wheasstone dengan pengaman (guarded Wheatstone bridge)
serta pengukuran tahanan-tahanan yang sangat tinggi.
1.2
RUMUSAN MASALAH
Dari
latar belakang di atas dapat diambil rumusan masalah sebagai berikut :
1.
Bagaimana
yang dimaksud dengan Jembatan Wheatstone ?
2.
Bagaimana
yang dimaksud dengan Jembatan Kelvin ?
3.
Bagaimana
yang dimaksud dengan Uji Simpal Dengan Perangkat Uji Portabel ?
4.
Bagaimana
yang dimaksud dengan Jembatan Wheatstone Dengan Pengaman ?
1.3
TUJUAN PENULISAN
Dari rumusan masalah di atas
dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1.
Mengetahui
bagaimana yang dimaksud dengan Jembatan Wheatstone.
2.
Mengetahui
bagaimana yang dimaksud dengan Jembatan Kelvin.
3. Mengetahui bagaimana yang
dimaksud dengan Uji Simpal Dengan Perangkat Uji Portabel.
4. Mengetahui bagaimana yang
dimaksud dengan Jembatan Wheatstone Dengan Pengaman.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 JEMBATAN
WHEATSTONE
Jembatan
Wheatstone digunakan secara luas untuk pengukuran presisi tahanan dari sekitar
1 Ω sampai rangkuman mega ohm ( MΩ )
rendah.
2.1.1 Prinsip Dasar
Prinsip
dasar dari jembatan Wheatstone
didasarkan pada rangkaian yang ditunjukkan pada gambar 1, dimana
rangkaian terdiri dari :
-
sumber tegangan baterai ( E )
-
empat lengan tahanan, yaitu tahanan R1 dan R2, disebut lengan pemban-ding, tahanan R3, disebut lengan standar,
dan tahanan R4 adalah tahanan yang besarnya tidak diketahui.
-
Sebuah galvanometer, yang merupakan detektor
nol.
Gambar 2.1.1 Skema rangkaian jembatan yang disederhanakan
Besar arus yang melalui
galvanometer tergantung pada beda potensial ( tegangan ) antara titik c dan
titik d. Jembatan dikatakan setimbang, jika beda potensial pada
galvanometer adalah nol, artinya tidak ada arus yang mengalir melalui
galvanometer ( kondisi ini terjadi, jika
Vca = Vda
atau Vcb = Vdb).
Jadi
jembatan dikatakan setimbang setimbang, jika
:
I1 R1
= I2 R2
E
I2 = I4 =
------------
R2 + R4
Subsitusikan harga-harga
pada persamaan diatas dapat diperoleh
:
E E
I1 R1
= I2 R2 -----------
R1 = ----------
R2
R1 + R3 R2 + R4
R1
R2
------------ = ------------
R1
+ R3 R2 + R4
atau R1 R2 + R1
R4 + R1 R2 + R2
R3
Jadi ;
R1 R4 = R2
R3
Persamaan diatas merupakan bentuk umum dalam kesetimbangan
jembatan Wheatstone. Dari persamaan tersebut, jika tiga dari tahanan tersebut
diketahui, maka tahanan keempat dapat dicari, misalnya tahanan R4 tidak diketahui (
tahanannya Rx ), dapat
dinyatakan dalam tahanan-tahanan lainnya, yaitu :
R2
Rx = R3 --------- R1
Tahanan R3 disebut lengan
standar dari jembatan, dan tahanan R2 dan R1
disebut lengan-lengan
pembanding
(ratio arms).
Pengukuran tahanan Rx tidak bergantung pada
karakteristik atau kalibrasi galvanometer defleksi nol, asalkan detektor nol
tersebut mempunyai sensitivitas yang cukup, untuk menghasilkan posisi setimbang
jembatan pada tingkat presisi yang diperlukan.
2.1.2 Kesalahan Pengukuran
Jembatan
Wheatstone dipakai secara luas pada pengukuran presisi tahapan dari sekitar 1 Ω
sampai rangkuman mega ohm rendah. Sumber kesalahan utama adalah pada kesalahan batas
dari ketiga tahanan yang diketahui, sedangkan kesalahan-kesalahan lainnya
adalah :
a) Sensitivitas detektor nol yang
tidak cukup ( dibahas lebih lanjut pada pembahasan rangkaian pengganti Thevenin
).
b)
Pengaruh
pemanasan ( I2 R ) dari arus-arus lengan jembatan, mengakibatkan
perubahan tahanan lengan-lengan jembatan, sehingga dapat mengubah tahanan yang
diukur,
c)
Arus
yang berlebihan dapat mengakibatkan perubahan permanen pada tahanan, kondisi
ini tidak boleh terjadi, karena akan terjadi kesalahan pada
pengukuran-pengukuran selanjutnya, dan karena itu untuk mengatasi masalah ini,
maka disipasi daya dalam lengan-lengan
jembatan harus dihitung sebelumnya, sehingga nilai arus dapat dibatasi pada
nilai yang aman.
d)
Dalam
pengukuran tahanan-tahanan rendah, ggl termal pada rangkaian jembatan atau
rangkaian galvanometer dapat menyebabkan masalah. Untuk mengatasinya diperlukan
galvanometer yang lebih sensitif dilengkapi dengan sistem suspensi tembaga,
sehingga kontak antara logam-logam yang tidak sama dan ggl termal dapat
dicegah.
e)
Kesalahan-kesalahan
tahanan kawat sambung dan kontak-kontak luar memegang peranan dalam pengukuran
nilai tahanan yang sangat rendah, dan kesalahan ini dapat dikurangi dengan
menggunakan jembatan Kelvin.
2.1.3 Rangkaian Pengganti Thevenin
Arus
galvanometer perlu ditentukan sebelumnya untuk mengetahui apakah galvanometer
mempunyai “Sensitivitas” yang diperlukan untuk mendeteksi keadaan tidak setimbang atau tidak, karena tanpa menghitung sebelumnya,
adalah merupakan suatu hal yang tidak mungkin untuk mengatakan galvanometer
mana yang akan membuat rangkaian jembatan lebih sensitif terhadap suatu kondisi
tidak setimbang. Galvanometer-galvanometer
yang berbeda tentu memerlukan arus persatuan defleksi yang berbeda dan juga
mempunyai tahanan dalam yang berbeda. Sensitivitas
ini dapat ditentukan melalui “penyelesaian persoalan“ rangkaian jembatan.
Karena kita tertarik pada
arus melalui galvanometer, rangkaian pengganti Thevenin ditentukan dengan
memeriksa terminal galvanometer c dan
d dalam gambar 2.1.1. Untuk memperoleh
pengganti, Thevenin, dilakukan dua langkah yaitu :
Langkah
pertama : Penentuan tegangan Ekivalen / tegangan
Thevenin (pengganti ) pada terminal c
dan d, dimana galvanometer dilepas dari rangkaian.
Langkah
kedua : Penentuan tahanan pengganti dengan memperhatikan terminal c dan
d, dan mengganti baterai dengan tahanan dalamnya.
Untuk
melakukan kedua langkah diatas
gambar 2.1.1 digambarkan
kembali pada gambar 2.1.3.
GAMBAR 2.1.3 Pemakaian teorema
Thevenin terhadap jembatan Wheatstone (a) Konfigurasi jembatan Wheatstone; (b)
Tahanan Thevenin dengan memeriksa terminal c
dan d ; (c) Rangkaian lengkap
Thevenin dengan galvanometer tersambungketerminal c dan d.
Tegangan
Thevenin atau
tegangan rangkaian terbuka diperoleh dengan menunjukkan
kembali ke gambar 2.1.3(a) dan menuliskan :
Ecd = Eda + Eac = Eac - Ead = I1
R1 - I2 R2
Dimana
: E E
I1 =
------------ dan I2 =
----------
R1 + R3 R2 + R4
Subsitusikan
harga I1 dan I2 kedalam
persamaan ( * ) diperoleh :
E E
Ecd =
------------ R1 -
---------- R2
R1 + R3 R2 + R4
R1 R2
Ecd =
E [ ------------ -
---------- ] R1 + R3 R2 + R4
Persamaan
diatas disebut Tegangan Generator Thevenin.
Tahanan
pengganti Thevenin diperoleh dengan memperhatikan terminal c dan d, dan baterai
diganti dengan tahanan dalamnya. Rangkaian
pada gambar 2.1.3(b)
menyatakan tahanan Thevenin dan
pengubahan rangkaian ini menjadi bentuk sederhana memerlukan teorema delta-wye
( Δ-Y ), akan tetapi karena tahanan baterai sangat rendah maka dapat diabaikan sehingga mempermudah
penurunan rangkaian pada gambar 2.1.3(a) menjadi rangkaian penggantinya.
Dari gambar
2.1.3(b)
dapat dilihat bahwa, jika tahanan dalam baterai diabaikan ( dianggap nol ),
maka akan ada rangkaian hubung singkat antara titik a dan b.
Jadi, tahanan Thevenin ditinjau
dari terminal c dan d adalah :
R1
R3 R2 R4
Rth =
------------ + ------------
R1 + R3 R2 + R4
Rangkaian
penganti Thevenin dari rangkaian jembatan Wheatstone ditunjukkan pada gambar 2.1.3(c) terdiri dari
: sebuah generator Thevenin ( Eth
) yang diberikan pada persamaan diatas yang dihubung seri dengan tahanan Thevenin ( Rth ) yang diberikan pada
persamaan Rth. Jika
detektor nol dihubungkan ke terminal keluaran rangkaian pengganti Thevenin,
maka besar arus
galvanometer adalah:
Eth
Ig =
-------------
Rth
+ Rg
Dimana : Ig = arus galvanometer.
Rg = tahanan
dalam galvanometer.
Rth = tahanan
Thevenin.
Contoh
1 :
Sebuah
rangkaian jembatan Wheatstone, nilai-nilai elemennya diketahui. Tegangan
baterai 5 V dan tahanan dalam-nya diabaikan, sensitivitas arus galvanometer 10
mm / μA dan tahanan dalam 100 Ω. Tentukan besar defleksi yang diakibatkan oleh
ketidak setimbangan tahanan 5 Ω dalam lengan BC.
Penyelesaian
:
|
Kesetimbangan
jembatan tercapai jika lengan BC mempunyai tahanan 2000 Ω. Diagram yang menunjukkan lengan BC
sebagai tahanan 2005 Ω menyatakan ketidaksetimbangan yang kecil (<< 2000 Ω). Langkah pertama dalam pemecahan adalah mengubah rangkaian jembatan ke
rangkaian pengganti Thevenin. Karena kita tertarik untuk memperoleh arus di
dalam galvanometer, pengganti Thevenin ditentukan dengan mengacu pada
terminal-terminal galvanometer dari rangkaian B dan D dengan melepas
galvanometer dari rangkaian adalah tegangan Thevenin. Dengan menggunakan
persamaan di atas, diperoleh :
100 1000
ETH = EAD - EAB = 5
V x
{ --------------- -
------------------ } = 2,77 mV
100 + 200 1000 + 2005
Langkah kedua pemecahan berikutnya penentuan tahanan pengganti
yang ditinjau dari terminal BD, dan mengganti baterai dengan tahanan dalamnya.
Karena tahanan dalam baterai 0 Ω, maka
rangkaian ditunjukkan oleh konfigurasi pada gambar 2.1.3 (b), dan besar tahanan
pengganti dapat ditentukan dari persamaan, yaitu :
100 x 200
1000 x 2005
RTH
= -------------- +
------------------ = 730 Ω
100 + 200
1000 + 2005
Rangkaian pengganti Thevenin
ditunjukkan pada gambar 2.1.3(c), terdiri dari ETH
yang seri dengan RTH. Jika galvanometer dihubungkan ke
terminal keluaran rangkaian pengganti Thevenin, maka arus galvanometer Ig adalah :
ETH 2,77
Ig
= ----------- =
-------------- = 3,34 μA
RTH + Rg 730 + 100
Jadi defleksi galvanometer
:
d = 3,34 μA
x ( 10 mm / μA ) =
33,4 mm.
Catatan :
Dari contoh diatas dapat disimpulkan
:
a.
Rangkaian pengganti Thevenin manfaatnya sa ngat
jelas, dalam menyele-saikan ketidaksetimbangan rangkaian jembatan.
b.
Perhitungan defleksi sangat sederhana ( gambar
3c ) untuk galvanometer dengan sensitivitas arus dan tahanan dalam berbeda.
c.
Tegangan tidak setimbang yang diperlukan untuk
menghasilkan satu satuan defleksi dapat
dihitung, jika sensitivitas galvanometer diketahui.
Nilai ini penting, jika ingin
menentukan sensitivitas jembatan terhadap ketidaksetimbangan atau dalam
menghadapi pertanyaan “ apakah galvanometer yang dipilih mampu mendeteksi suatu
ketidak setimbangan yang kecil “ ?.
Contoh 2 :
Galvanometer pada contoh 1,
diganti dengan yang lain dengan tahanan dalam 500 Ω dan sesitivitas arus 1 mm /
μA. Dengan menganggap
skala 1 mm dapat diamati pada skala galvanometer, tentukan apakah galvanometer
dapat mendeteksi ketidaksetimbangan sebesar 5 Ω dalam lengan BC ( gambar 3a ).
Penyelesaian :
Disebabkan konstanta-konstanta jembatan masih sama, maka
rangkain peng-ganti Thevenin tetap dinyatakan oleh generator Thevenin ( ETH
) sebesar 2,77 mV seri dengan tahanan
Thevenin 730 Ω, seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
 |
Jika galvanometer dihubungkan ke
terminal keluaran dari rangkaian pengganti, maka akan diperoleh arus
galvanometer Ig :
ETH
2,77
Ig
= ----------- =
-------------- = 2,25
μA
RTH + Rg 730 + 500
Jadi, defleksi dari
galvanometer :
d = 2,25
μA x
( 1 mm / μA ) = 2,25
mm.
Dari hasil diatas,
menunjukkan bahwa galvanometer menghasilkan defleksi yang mudah diamati.
2.2 JEMBATAN KELVIN
Jembatan Kelvin, merupakan
modifikasi dari jembatan Wheatstone dan mengha-silkan ketelitian yang jauh
lebih besar untuk pengukuran tahanan-tahanan yang sangat rendah, yaitu sekitar
1 Ω sampai 0,00001 Ω.
2.2.1 Efek
kawat-kawat penghubung
Jembatan Kelvin merupakan modifikasi
dari jembatan Wheatstone dan menghasilkan ketelitian yang jauh lebis besar
dalam pengukuran tahanan-tahanan rendah (lowvalues
resistance), umumnya dibawah 1 Ω. Perhatikan ranglkaian jembatan yang
ditunjukkan dalam gambar 2.2.1 di mana Ry menyatakan tahanan kawat penghubung dari
R3 ke Rx. Dua jenis hubungan galvanometer adalah
mungkin, yaitu ke titik m atau ke titik n. Bila galvanometer dihubungkan ke
titik m, tahanan Ry dari kawat penghubung dijumlahkan
ketahanan Rx yang tidak diketahui, dan menghasilkan
indikasi Rx yang terlalu tinggi. Bila hubungan
dibuat ke titik n, Ry dijumlahkan ke lengan jembatan R3 dan hasil pengukuran Rx akan lebih rendah dari yang
seharusnya, sebab sekarang nilai aktual R3 menjadi lebih
besar dari nilai nominalnya sebesar Ry. Jika
galvanometer dihubungkan kesebuah titik p diantara titik m dan n sedemikian
rupa sehingga perbandingan tahanan dari n ke p dan dari m ke p sama dengan
perbandingan tahanan-tahanan R1 dan R2 dapat dituliskan :
Rnp R1
----- =
-----
Rmp R2
Persamaan kesetimbangan
untuk jembatan menghasilkan :
( Rx + Rnp
) R2 = R1
( R3 + Rmp )
Rx + Rnp = R1 / R2
( R3 + Rmp )
GAMBAR 2.2.1 Rangkaian
jembatan Wheatstone, menunjukkan tahanan Ry dari kawat titi m ke titik n.
Subsitusi dari persamaan kedua diatas, diperoleh :
R1
R1 R2
Rx
+ ( ----------- ) Ry =
------ [ R3 + (
----------- ) Ry ]
R1 + R2 R2 R1 +
R2
R1 Ry R1 R1 Ry
Rx
+ ----------- =
---- R3 + ----------- atau
R1 + R2 R2 R1 + R2
R1 R1 Ry R1 Ry
Rx
= ----- R3
+ ----------- -
--------- atau
R2 R1 + R2 R1 + R2
R1
Rx =
----- R3
R2
Persamaan diatas, merupakan persamaan dalam kesetimbangan
jembatan Wheatstone, dan menunjukkan bahwa pengaruh tahanan kawat penghubung
dari titik m ke titik n, dihilangkan dengan menghubungkan galvanometer ke titik
p. Penambahan kawat penghubung ini membentuk dasar-dasar konstruksi jembatan
ganda Kelvin, yang umumnya dikenal sebagai jembatan Kelvin.
2.2.2 Jembatan
Ganda Kelvin
Istilah jembatan ganda (dobel) digunakan sebab rangkaian memiliki pembanding lengan kedua,
seperti ditunjukkan dalam diagram skema Gambar 2.2.2 (b).
.
Kedua
lengan ini diberi nama a dan b, yang menghubungkan galvanometer ke titik p pada
potensial yang sesuai antara antara titik m dan n, dan ber-fungsi menghilangkan
pengaruh ta-hanan Ry.
Pada jembatan ini ditetapkan suatu
persyaratan awal, dimana perbandi-ngan antara tahanan a dan b sama dengan perbandingan
antara R1 dan R2
( a / b = R1
/ R2 ).
Galvanometer akan menunjukkan angka nol, jika potensial
pada titik k sama dengan potensial pada titik p atau jika : Ekl = Elmp,
dimana :
R2 R2 ( a + b ) Ry
Ekl
= ---------- E
= ----------- I
[ R3 + Rx +
------------------ ]
R1 +
R2 R1 + R2 ( a + b + Ry
)
dan
b ( a + b ) Ry
Elmp
= I [ R3 +
---------- { --------------- }
]
( a + b ) ( a + b + Ry )
Kita dapat
menentukan Rx dengan menggunakan Ek1 dan Elmp dalam cara
berikut :
R2 ( a + b ) Ry b
( a + b ) Ry
-----------
I [ R3
+ Rx +
------------------ ] = I [ R3 +
---------- { --------------- }]
R1
+ R2
( a + b + Ry ) ( a + b ) ( a + b +
Ry )
Disederhanakan, menjadi :
( a + b ) Ry R1 + R2 b Ry
R3 + Rx +
------------------ = -----------
[ R3 +
----------------- ]
( a + b + Ry
) R2 ( a + b + Ry
)
Dan menghilangkan
tanda kurung pada ruas sebelah kanan memberikan :
( a + b ) Ry R1 R3 R1 + R2 b Ry
R3 + Rx +
------------------ = -----------
+ R3 + ------------- • ----------------
( a + b + Ry ) R2 R2 ( a + b + Ry )
Penyelesaian untuk Rx memberikan
R1 R3 R1 b
Ry b Ry ( a + b ) Ry
Rx =
-------- + ----- .
---------------- + --------------- -
-----------------
R2
R2 ( a + b + Ry ) ( a + b + Ry
) ( a + b + Ry )
sehingga
R1 R3 b
Ry R1
a
Rx =
-------- + ------------------ [
----- - ----
]
R2 ( a + b + Ry
) R2
b
Gunakan
syarat awal yang telah
ditetapkan yaitu: a / b = R1
/ R2 kedalam persamaan diatas, diperoleh hubungan yang sudah dikenal
yaitu:
R1 R3
Rx = --------
R2
Persamaan Rx, merupakan persamaan kerja dari
jembatan Kelvin, yang menunjukkan bahwa tahanan gandar tidak mempunyai pengaruh
pada pengukuran, dengan syarat kedua pasangan lengan-lengan pembanding,
mempunyai perbandingan tahanan yang sama ( a / b = R1
/ R2 ).
Jembatan Kelvin digunakan untuk
mengukur tahanan yang sangat rendah yakni dari sekitar 1 Ω sampai serendah
0.00001 Ω. Gambar 2.2.2 (b) menunjukkan diagram rangkaian yang disederhanakan
bagi sebuah jembatan Kelvin komersial yang mampu mengukur tahanan dari 10 Ω
sampai 0,00001 Ω. Dalam jembatan ini, tahanan R3 dari persamaan sebelumnya dinyatakan
oleh tahanan variabel standar dalam
gambar 2.2.2 (b). Lengan-lengan pembanding (R1 dan R2) biasanya dapat dipilih dalam sejumlah
langkah kelipatan sepuluh.
Penurunan tegangan kontak dalam
rangkaian pengukuran dapat mengakibatkan kesalahan besar, dan untuk menurunkan
efek ini tahanan standar dilengkapi dengan sembilan langkah masing-masing 0,001
Ω ditambahkan sebuah batang manganin 0,0011 Ω yang telah dikalibrasi beserta
kontak geser. Dengan demikian Tahanan total lengan R3 adalah 0,0101 Ω dan dapat diubah dalam
langkah 0,001 Ω ditambahkan bilangan pecahan 0,0011 Ω oleh kontak geser. Bila
kedua kontak dipindahakan untuk memilih nilai tahanan standar yang sesuai,
penurunan tegangan antara titik-titik sambungan lengan-lengan pembanding akan
berubah, tetapi tahanan total sekeliling rangkaian batere tidak berubah.
Susunan ini menempatkan setiap tahanan kontak secara seri dengan lengan-lengan
pembanding yang nilai tahanannya relatif tinggi, dan tahanan kontak mempunyai
efek yang diabaikan.
Perbandingan R1/R2 sebaiknya dipilih sedemikian sehingga
yang digunakan dalam rangkaian pengukuran adalah bagian standar tahanan yang
relatif besar. Dengan cara ini nilai tahanan Rx yang tidak diketahui ditentukan berdasarkan kemungkinan jumlah
angka-angka berarti yang paling besar, sehingga ketelitian pengukuran lebih
baik.
|
2.3 UJI SIMPAL DENGAN PERANGKAT UJI PORTABEL
Jembatan Wheatstone portabel sering
digunakan untuk menemukan lokasi kerusakan pada kabel-kabel kawat banyak, kawat
telepon dan saluran transmisi daya. Kerusakan-kerusakan tersebut antara
lain : kerusakan karena hubungan singkat, kerusakan karena tahanan rendah
antara sebuah konduktor dengan bumi.
Untuk tujuan tersebut digunakan dua jenis pengujian, yaitu
:
1.
Uji simpal Murray
2.
uji simpal Varley
2.3.1 Uji Simpal Murray
Uji simpal Murray paling dikenal dan
sederhana, yang digunakan untuk menemukan kerusakan kerusakan
pentanahan-pentanahan di dalam kabel-kabel terbungkus. Rangkaian dasar dari dari
uji simpal ini, ditunjukkan pada gambar 7, dimana :Konduktor yang rusak dengan
panjang I2, dan jembatan disetimbangkan melalui lengan pembanding
A yang dapat diatur.
Jika keadaan setimbang dicapai, maka diperoleh :
A RL - Rx
--- =
----------- A Rx =
B RL -
B Rx
B Rx
B
( A + B ) Rx =
B RL atau Rx =
--------- RL
A + B
Jadi : A RL
- Rx B
---
= ----------- atau Rx =
--------- RL ………………( 8-18 )
B Rx A + B
Dimana : RL = tahanan konduktor yang
baik ditambah tahanan konduktor yang rusak ( tahanan total simpal ).
Rx = tahanan konduktor dari
terminal jembatan ke lokasi tanah yang rusak.
Karena tahanan kawat sebanding dengan panjang dan luas
penampang, maka tahanan dapat diganti dengan panjang, sehingga persamaan diatas menjadi :
B
lx =
--------- ( l1 + l2
)
A + B
Pada kabel kawat banyak, konduktor l1 mempunyai
panjang dan penampang yang sama dengan kawat yang rusak, sehingga l1
= I2 = I, dan karenanya :
B
lx
= 2l
---------
A + B
Dimana : l = panjang kabel kawat banyak, diukur dari terminal-terminal jembatan
ke titik ujung.
Catatan :
- Jika konduktor balik tidak
mempunyai karakteristik yang sama dengan kawat yang rusak, kelonggaran harus
diberikan untuk perbedaan tahanan per satuan panjang yang dihasilkan.
- Perangkat uji ini, dapat
mengukur lokasi kerusakan kabel sampai ketelitian yang layak, untuk tahanan kerusakan tanah rendah ( hubung
singkat ), sedangkan untuk tahanan kerusakan tanah yang tinggi, perangkat uji
ini tidak sesuai dan diperlukan suatu pengukuran tegangan tinggi.
2.3.2 Uji Simpal Varley
Uji simpal ini adalah modifikasi dari uji simpal Murray dan
merupakan salah satu metoda yang paling teliti untuk menemukan kerusakan tanah,
persimpangan atau hubungan-hubungan singkat dalam sebuah kabel kawat banyak. Rangkaian dasar dari uji
simpal Varley, ditunjukkan pada gambar 2.3.2(a) sampai 2.3.2(c), berturut-turut merupakan
uji simpal Varley no.1 sampai dengan no.3. Pada masing-masing
pengujian / pengukuran, perbandingan perkalian dari lengan A dan B dibuat
tetap, dan jembatan dibuat setimbang ke defleksi nol galvanometer, oleh tahanan
variabel dalam lengan standar.
Gambar 2.3.2 Uji simpal Varley, digunakan untuk menemukan tanah, persilangan atau
hubungan tingkat di dalam kabel kawat banyak.
A
X1
= --------- ( R2 - R1 )
A + B
A
X2
= --------- ( R3 + R2 )
A + B
Dimana ; X1 dan
X2 adalah tahanan-tahanan bagian kabel pada tiap sisi kawat yang
rusak.
Karena tahanan sebanding dengan panjang dan luas penampang,
maka jarak ke lokasi kerusakan dapat ditentukan dengan menggunakan satu hasil
sebagai pembanding terhadap yang lain. Jika sebuah rangkaian terdiri dari
konduktor dengan ukuran berbeda pada berbagai penampang, maka tahanan setiap
penampang harus diperhitungkan. Sebagai contoh : kabel udara dihubungkan dengan
kabel tanah dengan ukuran yang berbeda, maka selisih tahanan, disamping harus
memperhitungkan ukuran konduktor yang berbeda, juga harus memperhitungkan selisih temperatur
antara kabel udara dan kabel bawah tanah.
Pada gambar 8b, ditunjukkan rangkaian pengujian simpal
Varley yang lebih sederhana tetapi kurang teliti, dan pengujian ini dapat
dilakukan asalkan lengan-lengan pembanding A dan B sama dan rasio perkalian
sama dengan satu.
Persamaan kesetimbangan jembatan, memberikan :
A
X2 + 2 X1
--- =
--------------
B
R2 + X2
Disebabkan lengan-lengan pembanding
adalah sama, dimana A / B = 1, persamaan di atas berubah menjadi :
X2
+ 2 X1
1 =
------------- R2
+ X2 = X2 + 2 X1
R2 + X2
R2
X1 =
-----
2
harga X1 pada
persamaan ( 8-24 ), selanjutnya akan mengarahkan ke lokasi kerusakan.
2.4 JEMBATAN WHEATSTONE DENGAN PENGAMAN
Jembatan Wheatstone dengan
pengaman digunakan untuk pengukuran tahanan yang sangat tinggi, seperti :
tahanan isolasi kabel atau tahanan kebocoran kapasitor ( umumnya dalam orde
beberapa ribu mega ohm ). Salah satu masalah utama dalam
pengukuran tahanan tinggi, terjadinya
kebocoran arus, yaitu :
o disekitar dan sekeliling
komponen atau bahan yang diukur.
o sekeliling jepitan kutub
pada titik mana komponen dihubungkan ke instrumen
o di dalam instrumen
sendiri.
Arus kebocoran ini tentu tidak diinginkan, karena dapat
memasuki rangkaian pengukuran dan mempengaruhi ketelitian pengukuran yang
sangat besar sekali. Arus kebocoran ini, jelas kelihatan pada pengukuran tahanan
tinggi, karena tegangan tinggi diperlukan untuk memperoleh
sensitivitas defleksi yang cukup.
Dalam pengukuran, pengaruh dari arus bocor ini, umumnya
dihilangkan dengan suatu rangkaian pengaman.
2.4.1 Rangkaian Pengaman
Dari gambar 9, dapat dijelaskan prinsip sebuah rangkaian
pengaman sederhana di dalam lengan Rx dari sebuah jembatan
Wheatstone, sebagai berikut :
Jika rangkaian pengaman tidak ada, maka arus kebocoran Il
sepanjang permu-kaan jepitan kutub yang terisolasi akan bergabung dengan arus Ix
melalui komponen yang diukur, sehingga menghasilkan arus total rangkaian yang
lebih besar daripada arus peralatan yang sebenarnya.
Jika kawat pengaman dipasang mengelilingi permukaan kutub
yang terisolasi, maka kawat pengaman akan menahan arus kebocoran dan
mengembalikan ke baterai. ( agar arus kebocoran selalu menuju
sebagian dari kawat pengaman dan mencegah-nya masuk ke rangkaian jembatan, maka
pengaman harus ditempat-kan secara cermat. ). Pada rangkaian jembatan dalam gambar 2.4.1 (b), pengaman sekeliling
jepitan kutub di lengan Rx, ditunjukkan oleh sebuah lingkaran kecil
disekitar terminal, dan tidak me-nyentuh
satu bagianpun dari rangkaian jembatan dan langsung dihu-bungkan ke
baterai.
2.4.2 Tahanan Tiga
Terminal
Untuk maksud pencegahan arus
kebocoran keluar dari rangkaian jembatan, maka titik-titik sambungan
lengan-lengan pembanding RA dan RB umumnya digunakan
sebagai terminal pengaman yang terpisah pada panel depan instrumen.
Terminal pengaman ini digunakan untuk menghubungkan tahanan tiga terminal, seperti ditunjukkan
pada gambar 11a, dimana :
Tahanan tinggi dihubungkan pada dua kutub isolasi yang
terpasang pada sebuah plat logam, dan terminal ketiga dari tahanan adalah titik
bersama tahanan, dihubungkan ke terminal Rx menurut cara biasa.
Terminal ketiga dari tahanan ini, merupakan titik bersama
dari tahanan R1 dan R2, yang menyatakan lintasan
kebocoran terminal utama, sepanjang kutub-kutub isolasi ke plat logam atau pengaman.
Skema rangkaian pada gambar 2.4.1(b), menunjukkan bahwa pengaman
dihubung-kan ke terminal pengaman pada panel depan jembatan, dimana sambungan
ini membuat R1 paralel dengan
lengan pembanding RA, akan tetapi karena R1 jauh lebih besar dari RA
( R1 >>> RA ), maka pengaruhnya dapat diabaikan.
Tahanan kebocoran R2
paralel dengan galvanometer, akan tetapi tahanan R2 jauh lebih besar dari tahanan galvanometer Rg
( R2 >>> Rg ), maka pengaruhnya hanya penurunan
yang kecil pada sensitivitas galvanometer.
Jika rangkaian pengaman tidak terpasang, maka tahanan
kebocoran R1 dan R2 akan langsung berada pada Rx,
sehingga akan terjadi kesalahan pada pengukuran nilai Rx. Misalnya : tahanan yang
tidak diketahui 100 MΩ dan tahanan kebocoran masing-masing terminal ke pengaman
juga 100 MΩ, maka tahanan Rx yang akan diukur adalah sebesar 67 MΩ,
jadi terdapat kesalahan sebesar 33 %.
2.4.3 Jembatan Megaohm
Sebuah jembatan mega ohm komersial
tegangan tinggi ditunjukkan pada gambar 2.4.3, dimana berbagai alat kontrol dapat
dengan mudah dikenali.
Gambar 2.4.3 Tahanan tiga terminal dihubungkan ke jembatan mega ohm teganagn tinggi
berpengaman.
BAB III
PENUTUP
1.
Kesimpulan
Jembatan
Wheatstone digunakan secara luas untuk pengukuran presisi tahanan dari sekitar
1 Ω sampai rangkuman mega ohm ( MΩ )
rendah. Jembatan Kelvin, merupakan modifikasi dari jembatan
Wheatstone dan menghasilkan ketelitian yang jauh lebih besar untuk pengukuran
tahanan-tahanan yang sangat rendah, yaitu sekitar 1 Ω sampai 0,00001 Ω. Jembatan Wheatstone
portabel sering digunakan untuk menemukan lokasi kerusakan pada kabel-kabel
kawat banyak, kawat telepon dan saluran transmisi daya. Kerusakan-kerusakan tersebut
antara lain : kerusakan karena hubungan singkat, kerusakan karena tahanan
rendah antara sebuah konduktor dengan bumi. Jembatan Wheatstone dengan
pengaman digunakan untuk pengukuran tahanan yang sangat tinggi, seperti :
tahanan isolasi kabel atau tahanan kebocoran kapasitor ( umumnya dalam orde
beberapa ribu mega ohm ).
2.
Saran
Pada penulisan makalah alat-alat ukur ini ,kami
berharapkan kepada pembaca mampu mengetahui dan mempelajari apa yang dimaksud
dengan jembatan arus searah dan pemakaiannya.
Demikian makalah yang kami susun semoga pembaca
dapat memahami apa yang kami bahas dalam makalah ini. Jika ada kesalahan atau
pun tulisan yang kurang dipahami kami mohon maaf.
DAFTAR
PUSTAKA
Arifin, Dicky Arinanda. 2013. Pengukuran Besaran Listrik. Universitas
Mercu Buana: Pusat pengembangan Bahan Ajar.
Cooper, Wiliam D. 1994. Instrumentasi Elektronik
dan Teknik
Pengukuran. Erlangga:
Jakarta
Tidak ada komentar:
Posting Komentar