Efek Pembebanan dan Cara Pembuatan Voltmeter + Ammeter DC Multirange Analog

Ketidakseimbangan beban pada suatu sistem distribusi tenaga listrik selalu terjadi dan penyebab ketidakseimbangan tersebut  adalah pada beban-beban satu fasa pada pelanggan jaringan tegangan rendah. Akibat ketidakseimbangan beban tersebut  muncullah arus di netral trafo. Arus yang mengalir di netral trafo ini menyebabkan terjadinya losses (rugi-rugi), yaitu losses akibat adanya arus netral pada penghantar netral trafo dan losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah.

Ketidakseimbangan Beban

Yang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah
suatu keadaan di mana :

-Ketiga vektor arus / tegangan sama besar.

-Ketiga vektor saling membentuk sudut 120º satu sama lain.

Sedangkan yang dimaksud dengan keadaan tidak seimbang adalah keadaan di mana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak terpenuhi.  Kemungkinan keadaan tidak seimbang ada 3 yaitu:

- Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut 120º satu sama lain.

- Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut 120º satu sama lain.

- Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 120º satu sama lain.

Gambar (a) menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan seimbang. Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS , IT) adalah sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral (I). Sedangkan pada Gambar (b) menunjukkan Nvektor diagram arus yang tidak seimbang. Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, IT ) tidak sama dengan nol sehingga muncul sebuah besaran yaitu arus netral (IN) yang besarnya bergantung dari seberapa besar faktor ketidakseimbangannya.

Akibat Ketidakseimbangan Pembebanan Trafo Distribusi

Sebagai akibat dari pembebanan yang tidak seimbang pada trafo maka akan menimbulkan rugi-rugi (losses) energi diantaranya

         1. Losses (rugi-rugi) Akibat Adanya Arus Netral
Rugi ini terjadi karena ada arus yang lumayan cukup besar mengalir penghantar netral sebagai akibat dari ketidakseimbangan beban antara tiap-tiap fasa pada sisi sekunder trafo (fasa R, fasa S, fasa T). Arus yang mengalir pada penghantar netral trafo ini menyebabkan losses (rugi-rugi). Losses pada penghantar netral trafo ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

        2. Losses (rugi-rugi) Akibat Adanya Arus Grounding

Ketidakseimbangan beban juga mengakibatkan adanya arus yang mengalir pada penghantar grounding (pentanahan), Besarnya daya yang hilang akibat arus grounding ini adalah sebagai berikut:

Menentukan Besaran Ketidakseimbangan Beban pada tiap Fasa (Analisa Pembebanan)

Referensi : “Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral dan Losses pada Trafo Distribusi” Julius S, Tabrani Machmudsyah, Yanuar Isnanto

Konstruksi Ammeter

Suatu alat yang digunakan untuk mengukur arus disebut ammeter karena menggunakan satuan pengukuran yaitu ampere.

Dalam konstruksi ammeter, resistor eksternal ditambahkan untuk menambah range dari jarum penggerak yang dihubungkan paralel, sedangkan kalau pada voltmeter dihubungkan seri. Hal ini karena kita ingin membagi arus yang akan diukur, bukan mengukur tegangannya,  sehingga rangkaian paralel digunakan untuk membagi arus.

Misalkan pada voltmeter, kita lihat bahwa arus yang mengalir pada voltmeter terbatas, simpangan skala penuh terjadi pada saat arusnya hanya 1 mA.

Gambar 1 Konstruksi sederhana amperemeter

Karena itulah voltmeter ini harus dilebarkan range pengukurannya, dengan cara menera ulang skala pengukurannya sehingga pembacaannya dapat dipakai untuk mengukur arus yang besar. Contoh, bila kita ingin mendisain sebuah ammeter yang memiliki range skala penuhnya sebesar 5 Ampere menggunakan meteran ini (Voltmeter dengan skala penuh saat dialiri arus 1 mA), kita harus menera ulang skala pembacaannya yaitu mencetak tulisan 0 A pojok sebelah kiri kemudian 5 A di pojok sebelah kanan (bukan 0 mA hingga 1 mA). Berapapun range pengukuran yang ingin kita dapatkan, kita hanya merangkai resistor paralel dengan ammeter, kemudian mencetak range skala pembacaannya.

Gambar 2 Range pengukuran amperemeter dapat ditingkatkan deengan menambah resistor yang diparalel dengan amperemeter

Misalkan kita ingin melebarkan range pengukuran hingga 5 A, maka kita dapat menghitung resistansi paralel yang dibutuhkan ( atau di rangkai shunt), sehingga hanya arus 1 mA yang mengalir pada ammeter saat digunakan untuk mengukur arus 5 A bila diketahui resistansi internal ammeter sebesar 500 Ω.

Dari spesifikasi tersebut, kita dapat mengukur tegangan pada resistansi internal (resistansi jarum penunjuk) ammeter dengan hukum Ohm yaitu

E = I_R = (1 mA) (500 Ω) = 0.5 V

Karena jarum penunjuk dirangkai paralel dengan resistor shunt, maka tegangan dari resistor shunt dan tegangan terminal ukurnya juga harus sama dengan tegangan resistansi internalnya (jarum penunjuk) yaitu sebesar 0.5 V.

Karena kita ingin mengukur arus input 5 A, maka dengan menggunakan hukum arus Kirchhoff, arus ini akan bercabang ada yang masuk ke ammeter, dan akan ada yang melewati  resistor shunt nya. Karena yang diinginkan arus yang mengalir sebesar 1 mA pada jarum penunjuk, maka seharusnya arus yang mengalir pada resistor shunt adalah sebesar

5 A = 1 mA + I_Rshunt

I_Rshunt = 5 A – 1 mA = 4.999 A.

Tegangan pada resistor shunt adalah 0.5 V dan arus yang melewatinya adalah 4.999 A. Maka resistansi dari resistor shunt yang diperlukan adalah

R_shunt = V_Rshunt / I_Rshunt = 0.5 V / 4.999 A = 100.02 mΩ

Pada kenyataannya, resistor shunt “tambahan” ini biasanya dikemas dalam tempat berpelindung logam pada ammeter tersebut, dan tidak terlihat. Perhatikan konstruksi ammeter dari gambar berikut ini.

Untuk ammeter yang terintegrasi dengan AVOmeter, biasanya disediakan terminal khusus untuk pengukuran arus 5 A. Terminal inilah yang dihubungkan dengan resistansi shunt yang nilainya sangat kecil itu.

Gambar 3 Memperbesar range pengukuran amperemeter

Contoh:

Misalkan kita ingin mendisain sebuah ammeter yang digunakan untuk mengukur arus hingga 100 mA, apabila ammeter itu menggunakan penunjuk yang memiliki arus maksimum I_fsd = 1 mA dan resistansi penunjuknya R_m = 2 kΩ. Berapa resistansi shunt yang diperlukan?

Solusi: Ketika ammeter mengukur arus yang maksimum, tegangan pada penunjuk meterannya (dan resistansi shunt nya) adalah

V_m = I_fsd R_m = (1 mA) (2 kΩ) = 2 V

Arus yang melewati resistansi shunt adalah

I_shunt = I_range – I_fsd = 100 mA – 1 mA = 99 mA

Sehingga resistansi shuntnya haruslah bernilai

R_shunt = 2 V / 99 mA = 20.2 Ω

Konstruksi ammeter ditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 4 Amperemeter untuk keperluan otomotif mampu mengukur arus hingga 60 A

Ammeter yang ditunjukkan pada gambar 4 adalah ammeter otomotif yang diproduksi Stewart-Warner. Walaupun ammeter biasanya mempunyai rating skala beberapa miliampere, namun ammeter pada gambar memiliki range +/-  60 A. Resistor shunt yang membuat ammeter ini hingga mampu mengukur arus yang besar. Perhatikan pula meteran tersebut mempunyai jarum penunjuk yang berada di tengah-tengah menandakan nilai nol ampere. Yang sebelah kanan bernilai positif, sebelah kirinya bernilai negatif.  Bila dihubungkan ke aki mobil yang sedang dicharge, meteran ini dapat menunjukkan kondisi bahwa aki sedang di-charge (elektron mengalir dari sumber ke aki) atau aki dalam kondisi men-discharge (elektron mengalir dari aki ke beban mobil).

Seperti voltmeter yang memiliki pengukuran multirange, ammeter juga memiliki beberapa range pengukuran dengan cara menyambungkan beberapa resistor yang disusun shunt dengan tombol selektor dan mempunyai multi pengkutub-an.

Perhatikan bahwa resistor-resistor yang terhubung ke selektor disusun paralel dengan jarum penunjuk, sedangkan pada voltmeter disusun seri. Selektor hanya bisa digunakan untuk memilih salah satu resistor shunt. Masing-masing resistor mempunyai ukuran sendiri-sendiri tergantung dari range skala pengukuran.

Nilai-nilai resistor ini bisa dihitung seperti pada pembahasan contoh di atas. Untuk sebuah ammeter yang memiliki range 100 mA, 1 A, 10 A, dan 100 A, resistansi shunt nya adalah seperti tampak pada gambar.

Gambar 5 Desain amperemeter multirange meningkatkan range pengukuran amperemeter

Perhatikan bahwa resistor shunt bernilai sangat rendah sekali. Yaitu 5.000005 mΩ (5.000005 mili ohm), atau sebesar 0.005000005 ohm. Untuk mendapatkan resistansi yang rendah ini, resistor shunt pada ammeter sering kali dibuat dengan mengubah-ubah diameter kawat logam.

Satu hal yang harus diwaspadai ketika membuat resistor shunt pada ammeter yaitu faktor penyerapan (dissipasi) daya. Tidak seperti pada voltmeter, resistor shunt pada ammeter harus dilalui oleh arus yang besar. Bila resistor shunt tersebut tidak dibuat dengan benar, maka kemungkinan akan terjadi kelebihan panas (over heat) dan bisa rusak, atau paling tidak resistor tersebut kehilangan kepresisiannya karena efek kelebihan panas.  Untuk contoh meteran di atas, penyerapan dayanya pada saat skala penuh masing-masing resistor shunt adalah

P_R1 = E₂ / R₁ = (0.5 V)² / 5.000005 mΩ ≈ 50 W

P_R2 = E₂ / R₂ = (0.5 V)² / 50.00005 mΩ ≈ 5 W

P_R3 = E₂ / R₃ = (0.5 V)² / 500.0005 mΩ ≈ 0.5 W

P_R4 = E₂ / R₄ = (0.5 V)² / 5.05 Ω ≈ 49.5  mW

Sebuah resistor dengan rating daya sebesar 1/8 W hanya dapat bekerja baik untuk R₄, resistor ½ watt akan cukup untuk R₃ dan resistor yang 5 watt untuk R₂ (biasanya resistor cenderung memiliki nilai yang rating daya yang kurang dari spek paraktisnya, sehingga lebih baik kita tidak mengoperasikannya dekat dengan rating dayanya, anda harus menaikkan rating daya R₂ dan R₃), resistor 50 W yang presisi adalah jarang dan komponen yang sangat mahal. Resistor tertentu terbuat dari logam dan kawat yang tebal mungkin bisa menjadi R₁ sehingga nilai resistansi yang rendah dengan rating daya yang dibutuhkan R₁ terpenuhi.

Gambar 6 Nilai-nilai resistansi pada berbagai range pengukuran