PERCOBAAN II APLIKASI RANGKAIAN JEMBATAN WHEATSTONE DAN PENGUKURAN “NULL BALANCE” (KESETIMBANGAN NOL) KE PENGUKURAN RESISTANSI DAN TEGANGAN
A.
TUJUAN 1.
Mengetahui prinsip dasar rangkaian Jembatan Wheatstone untuk pengukuran resistansi.
2.
Mengetahui maksud dari “Null Balance “.
3.
Mengetahui ekspresi untuk menghitung resistansi yang tidak diketahui dari nilai rangkaian pada kondisi seimbang (balance).
4.
Mengetahui bahwa ketepatan pengukuran tidak tergantung pada ketepatan meter atau besar tegangan sumber.
5.
Mengetahui aplikasi dari rangkaian resistansi tiga kawat.
6.
Mengetahui aplikasi dari metode null ke pengukuran tegangan .
7.
Mengetahui fasilitas yang dimiliki digiac 1750 dan aplikasinya ke pengukuran dari resistansi dan tegangan
B.
TEORI DASAR 1.
Rangkaian Jembatan Wheatstone Gambar 2.1 menunjukkan rangkaian dasar dari jembatan wheatstone, terdiri dari empat resistor dan sebuah meter tengah nol yang sensitive dihubungkan ke sumber DC.
R2
R1 D.C Supply
G R3
R4
Gambar 2.1 Rangkaian Jembatan Wheatstone
34
R1, R2 dan R4 adalah resistor tetap, R3 adalah resistor variable dan dikalibrasi maskimal dan R4 adalah resistor yang tidak diketahui harganya dan akan diukur. Selama pengukuran R3 diatur sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rangkaian galvanometer, yaitu arus galvanometer adalah nol atau “null”. Pada kondisi ini, jembatan dikatakan diseimbangkan atau “balanced“. Inilah maksud dari “null balance”. Dari nilai yang telah diketahui dari R1,R2 dan R3 pada kodisi seimbang, nilai R4 dapat dihitung dengan : R4
R2 XR3 R1
Pernyataan diatas didapatkan sebagai berikut : Tidak adanya arus pada rangkaian galvanometer, tegangan pada kedua hubungan pada galvanometer harus pada harga yang sama. Ini berarti bahwa tegangan melewati R1 dan R2 harus pada harga yang sama dan sama pada tegangan R3 dan R4 harus pada harga yang sama. Tidak adanya arus pada galvanometer, arus pada R1 harus sama dengan arus dari R3 dan arus pada R2 harus sama dengan arus di R4. Bila arus I1 melewati R1 dan R3 dan arus I2 mengalir R2 dan R4 I1R1 = I2R2 …….(1) I1R3 = I2R4 …….(2) Bagi pernyataan (1) dengan pernyataan (2) I1R1 I 2 R 2 R1 R 2 = & = I1R3 I 2 R 4 R3 R 4
R4 =
R2 x R3 R1
Resistansi tak diketahui R4 tergantung pada harga dari ratio R2 : R1 dan harga dari R3 pada kodisi seimbang.
35
Resistor R1 dan R2 normalnya menunjukkan “ratio arms” dari jembatan. Catatan : Harga dari tegangan sumber atau besarnya arus yang mengalir pada resistor tidak mempengaruhi hasil. Artinya tegangan sumber tidak perlu distabilkan dan arus pada rangkaian dapat ditetapkan pada harga rendah untuk komponen yang mana efek pemanasan sendiri dari arus yang mengalir data mempengaruhi hasil. Akurasi galvanometer arus tidaklah penting, sejak dalam keadaan diseimbangkan
dan
arus
pada
galvanometer
adalah
nol.
Karakteristik utama yang diperlukan untuk galvanometer adalah resistansi rendah dari sensitivitas tinggi sehingga pembiasan kecil tegangan dari nol menghasilkan pembacaan dengan skala yang benar. 2.
Rangkaian Pengukuran Resistansi Tiga Kawat Beberapa rangkaian transduser
resistansi,
transduser dapat
disituasikan relative jarak besar dari rangkaian jembatan dan karenanya resistansi dari kabel penghubung mungkin penting dan dapat mempengaruhi hasil. Untuk situasi ini hubungan tiga kawat digunakan.
R2
R1 D.C Supply
G
Long Leads
R3
R2
R1
2 - Wire
D.C Supply
G
Long Leads
R3
3 - Wire
R4 (a)
R4 (b)
Gambar 2.2 Rangkaian Pengukuran Resistansi Ttiga Kawat
36
Gambar 2.2(a) menunjukkan rangkaian transduser R4 disituasikan diatur dari jembatan dan dihubungkan lewat dua kawat. Resistansi dari dua kawat ini akan dimasukan dalam pengukuran dari R4. Gambar 2.2(b) menunjukkan susunan dari tiga kawat. Salah satu kawat transduser sekarang diikutkan dalam rangkaian R2 dan yang lainnya dalam rangkaian R4. Kedua rangkaian oleh karenanya akan dipengaruhi secara sama dan kondisi seimbang tidak akan dipengaruhi. Kawat tambahan dalam rangkaian galvanometer tidak mempunyai pengaruh pada keadaan seimbang, sejak tidak ada arus yang mengalir pada galvanometer pada kondisi ini 3.
Pengukuran Tegangan Menggunakan Metode “Null Balance” a. Metode I Resistor variable dikalibrasi, sumber tegangan dikalibrasi dan galvanometer diperlukan, serta dihubungkan seperti gambar 3. + R1 Unknow Voltage
Rt
G R2
Standar Voltage
+ -
-
Gambar 2.3 Pengukuran Tegangan Menggunakan Metode “Null Balance” Posisi penggeser dari resistor variable diatur sampai rangkaian seimbang (tidak ada arus pada rangkaian galvanometer) .Pada kondisi ini, tegangan mengalir dibagian R2 dari resistansi variable adalah sama dengan harga standar dari tegangan standard dan tegangan tak diketahui dapat dihitung dengan : Tegangan tak diketahui =
Rt R2
x tegangan standar
Kekurangan metode ini adalah :
37
1.
Sumber tegangan yang tak diketahui dibebankan dengan resistor variable dan karenanya tegangan dapat terpengaruhi.
2.
Metode ini hanya memungkinkan pengukuran tegangan melebihi harga standar yang diketahui
b. Metode II Metode ini membutuhkan penambahan sumber DC dari jarak tegangan melampaui harga maksimum dari tegangan tak diketahui yang akan diukur dan resistansi variable Rs, rangkaian ditunjukkan pada gambar 2.4 Rs
+
R1 Rt
-
G R2
Unknow Voltage Standar Voltage
+ -
Gambar 2.4 Pengukuran Tegangan Menggunakan Metode “Null Balance”
untuk pengukuran tegangan naik ke harga tegangan standar, penggeser resistor variable diatur ke posisi maksimumnya dan galvanometer dihubungkan ke sumber tegangan standar, harga dari Rs diatur sampai tidak ada arus pada galvanometer (rangkaian diseimbangkan). Resistansi maksimum (Rt) kemudian dikalibrasikan untuk mendapatkan harga tegangan standar. Untuk mengukur tegangan tak diketahui, galvanometer dihubungkan ke tegangan tak diketahui dan posisi penggeser diatur lagi untuk rangkaian seimbang. Bagian R2 pada kondisi seimbang menampilkan jarak dari tegangan tak diketahui. Tegangan tak diketahui =
Rt x Tegangan Standar R2
38
untuk pengukuran tegangan yang lebih tinggi dari tegangan sumber, resistor variable dapat dikalibrasikan terhadap tegangan standar dengan penggeser diatur pada posisi yang lebih rendah dari maksimum. Pengaturan ini akan menampilkan besar yang sama dengan tegangan standar. Keseimbangan dengan tegangan tak diketahui menghasilkan seperti yang sebelumnya tegangan yang tak diketahui dihitung dari : Teg. tak diketahui =
R 2(dihubungkan ke tak diketahui )
x Teg.Standar.
R 2(dihubungkan ke s tan dar
Metode ini, tidak ada arus yang diambil dari tegangan sumber tak diketahui pada kondisi yang seimbang dan karenanya rangkaian tidak terbebani. Tegangan yang dihasilkan haruslah akurat dengan batas keakurasian dari resistor variable 4.
Fasilitas DIGIAC 1750 Gambar 2.5 menunjukkan jembatan wheatstone yang disediakan DIGIAC 1750. Potensiometer 10 putaran berkualitas tinggi disediakan untuk memenuhi fungsi dari resistor R1 dan R3 dalam rangkaian jembatan wheatstone yang telah dibahas sebelumnya Wheatstone Bridge Fine Reading
D 12 kOhm
A
C
3 B
Coarse
10 Turn Resistor
0V 1V
Out In Rx
Gambar 2.5 Fasilitas DIGIAC Menggunakan Jembatan Wheatstone Resistor sebesar 12 K Ohm dan resistor tak diketahui disediakan oleh R2 dan R4 dari rangkaian sebelumnya. Saklar disediakan untuk mengaktifkan rangkaian resistor tak diketahui dan memungkinkan pengukuran untuk resistor tak diketahui yang lain yang dihubungkan antara soket C dan hubungan 0V
39
Tegangan standar 1 V terdapat pada soket B. Potensiometer berharga 10 K Ohm dengan ketidak linearan maksimum adalah 1,25 %. Tombol “fine” dikalibrasikan 0 – 100 dalam langkah 2, dan pembacaan “coarse” dikalibrasikan 0 – 10 sehingga memungkinkan pembacaan dihasilkan dari putaran dengan resolusi 1, ini mewakili resolusi dari 10 ohm Meter kumparan putar dapat digunakan sebagai instrument penunjuk tengah nol, tapi sejak diatur sebagai voltmeter 10 V, sensivitasnya tidak mampu berfungsi langsung sebagai sebuah galvanometer. Kita dapat mengatasi masalah ini dengan menggunakan sebuah amplifier differensial diikuti dengan amplifier penguatan tinggi DC, amplifier no.1 atau 2, untuk menjalankan voltmeter.
C.
GAMBAR PERCOBAAN 1. Pengukuran
Resistansi
dengan
Menggunakan
Sebuah
Rangkaian Jembatan Wheatstone
+5V
Amp #1
D
12 kOhm
+
B Diff.Amp
C
A
-
3
0V
Rx
A
1 100 Offset 10
0V
0,1Fine1,0
Gambar 2.6 Pengukuran Resistansi dengan Rangkaian Jembatan Wheatstone
40
2. Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara “Null Balance” (Metode I): +5V C
Amp #1
D 12 kOhm
10 kOhm
A
3
1 100 Offset 10
B
B
0V
B Diff. Amp
A
0,1Fine1,0
+
V
0V
A
Gambar 2.7 Pengukuran Tegangan dengan Cara “Null Balance” dengan Menggunakan 10 Resistor Wirewound 3. Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Metode “Null Balance” (Metoda II) +5V C 100 kOhm B
Amp #1
C D
10 kOhm B
12 kOhm
1 100 Offset 10
A
3
B
0,1Fine1,0
0V
A
B Diff. Amp
A
V
+ 0V
A
Gambar 2.8 Pengukuran Tegangan Menggunakan Metode “Null Balance” dengan Jembatan Wheatstone
41
D.
ALAT DAN BAHAN 1. Alat dan Bahan Percobaan 1 : Pengukuran Resistansi dengan Menggunakan Sebuah Rangkaian Jembatan Wheatstone. a. Jembatan Wheatstone
1 buah
b. Amplifier diferensial
1 buah
c. Amplifier # 1
1 buah
d. Voltmeter kumparan putar 10 - 0 - 10 V
1 buah
e. Resistor kawat gulung 10 kΩ
1 buah
f. Jumper/Kabel Penghubung secukupnya 2. Alat dan Bahan Percobaan 2 : Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara “null balance” (Metode 1) a. Resistor kawat gulung 10 k
1 buah
b. Jembatan Wheatstone dengan sumber tegangan 1 V
1 buah
c. Amplifier diferensial
1 buah
d. Amplifier #1
1 buah
e. Kumparan putar
1 buah
f. Voltmeter digital 20 V
1 buah
g. Jumper/Kabel Penghubung
secukupnya
3. Alat dan Bahan Percobaan 3 : Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara “null balance” (Metode 2) a. Jembatan wheatstonedengan sumber tegangan 1 V
1 buah
b. Amplifier diferensial
1 buah
c. Amplifier #1
1 buah
d. Kumparan putar
1 buah
e. Voltmeter digital 20 V
1 buah
f. Resistor kawat gulung 10 k
1 buah
g. Resistor putaran 100 k/ resistor geser karbon 10 k
1 buah
h.
Jumper/Kabel Penghubungsecukupnya 42
E. LANGKAH KERJA 1. Langkah Kerja Percobaan 1 : Pengukuran Resistansi dengan Menggunakan Sebuah Rangkaian Jembatan Wheatstone. a. Pertama-tama atur konfigurasi amplifier dan meter yang membentuk sensifitas galvanometer sehingga nol menghasilkan output nol ketika pengukuran maksimum. b. Hubungkan meter dan amplifier seperti gambar percobaan18, tapi dengan input + dan - amplifier diferensial dihubung singkat dengan sebuah kabel sehingga input adalah nol. Atur kontrol penguatan “coarse” amplifier # 1 ke 10 dan "fine" ke 1.0. c. Nyalakan sumber tegangan dan atur kontrol "offset" sehingga meter kumparan putar menunjukkan sekitar nol. Lalu atur kontrol "coarse" ke 100 dan atur ulang kontrol "offset" agar output tepat nol. d. Sakelar rangkaian jembatan Wheatstone diset ke IN, hingga terhubung pada rangkaian resistor tak diketahui, atur kontrol "coarse" amplifier #1 ke 10 dan hubungkan rangkaian seperti gambar percobaan18. e. Atur kontrol resistor 10 putaran sehingga meter kumpatan putar membaca kira-kira nol, kemudian atur kontrol "coarse" ke 100 dan atur resistor 10 putaran sehingga tepat untuk pembacaan meter sama dengan nol (untuk jembatan pada kondisi seimbang). Pembacaan putaran Resistansi R3 = 10 x pembacaan putaran Resistansi R1 = 10,000 - R3
= =
Resistansi R2 Resistansi tak diketahui R4 =
= 12,000 Ohm R2 x R3 R1
f. Cobalah pengukuran resistansi yang lain agar anda lebih terbiasa dengan peralatan ini. Atur sakelar Jembatan Wheatstone ke OUT untuk memindahkan resistor tak diketahui yang berlabel Rx dari rangkaian dan
43
hubungkan resistor kawat gulung 10 kΩ di A dan B ke rangkaian Jembatan Wheatstone di C dan 0 V. g. Putar maksimum resistor 10 kΩ, pengaturan 10 ukur resistansi sebagai berikut. 1) Periksa bahwa offset amplifier telah diatur dengan tepat, atur bila perlu. 2) Dengan kontrol "coarse" amplifier no 1 ke 10, hasilkan kira-kira kondisi seimbang dengan mengatur resistor 10 putaran. 3) Atur kontrol "coarse" amplifier ke 100 dan hasilkan keseimbangan terakhir. Catat pernbacaan putaran dan masukkan harga, pada tabel 7. h. Ulangi langkah pengukuran resistansi resistor 10 kΩ untuk semua pengaturan dari 10 ke 1, masukkan pembacaan putaran pada tabel7. 2. Langkah Kerja Percobaan 2 : Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara “null balance” (Metode 1) a. Pertarna-tama atur kontrol "offset" Amplifier # 1, gunakan langkah yang sama seperti pada percobaan pertama, dengan input amplifier diferensial dihubungkan dan penguatan "fine" amplifier # 1 diatur 1.0, atur "offset" sekitar output nol dengan penguatan "coarse" diatur pada 10 dan terakhir atur untuk nol dengan penguatan diatur pada 100. b. Hubungkan rangkaian seperti garnbar percobaan19 dan pindahkan sakelar rangkaian Jembatan Wheatstone, ke OUT untuk tidak menghubungkan resistor 12 kΩ dan resistor tak diketahui dari rangkaian. c. Atur penguatan “coarse” amplifier # 1 ke 10 dan atur output dari resistor kawat gulung 10 kΩ ke 4V seperti ditunjukkan dengan multimeter digital yang menampilkan tegangan tak diketahui. d. Atur resistor 10 putaran sekitar kondisi seimbang dan hasilkan keseimbangan akhir dengan penguatan "coarse" amplifier # 1 diatur ke 100. Catat pembacaan putar pada keseimbangan, masukkan harga pada tabel8 dan hitung harga tegangan tak diketahui dari:
44
tegangan tak diketahui
1000 x standar pembacaan putar 1000 x 1 Volt pembacaan putar
e. Ulangi langkah ini dengan input tegangan "tak diketahui" diatur untuk tiap harga ditunjukkan pada tabel 8 masukkan harga pembacaan dan penghitungan tegangan untuk tiap harga. f. Set tegangan yang tak diketahui untuk 2.0V dan dalam
kondisi
seimbang. Dengan pembacaan putar kira-kira 0500, menandakan tegangan 2.0V. g. Sekarang pindahkan koneksi dari keluaran resistor wirewound (Soket B) dengan Jembatan Wheatstone (Soket D) dan catat nilai yang ditunjukkan kembali oleh tegangan yang tak diketahui dari voltmeter digital. 3. Langkah Kerja Percobaan 3 : Pengukuran Tegangan dengan Menggunakan Cara “null balance” (Metode 2) a. Lakukan langkah pengaturan ”offset” seperti pada percobaan sebelumnya, lalu hubungkan rangkaian seperti gambar 20tapi hanya yang bergaris tebal, gunakan resistor 100 kΩ. b. Atur resistor 10 putaran ke pengaturan maksimumnya (1000), dan atur resistor 100 kΩ untuk kondisi seimbang (meter kumparan putar menunjuk ke nol). Atur kontrol coarse gain amplifier # 1 ke 10 lalu ke 100 selama dilakukan penyeimbangan. Setelah selesai, resistor 10 putaran telah dikalibrasi sehingga pembacaan skala maksimal 1000 mewakili tegangan 1.000 V. c. Hubungkan soket A amplifier diferensial ke tegangan tak diketahui seperti garis terputus-putus pada gambar 20. d. Atur tegangan tak diketahui ke harga rendah, katakanlah 0,25 V. Atur resistor 10 putaran untuk kondisi seimbang. Pembacaan di resistor ini menampikan harga dan tegangan tak diketahui.
45
e. Masukkan harga ke tabel 9 dan bandingkan dengan pembacaan yang ditunjukkan oleh meter digital. f. Mengukur nilai-nilai urutan tegangan keluaran yang dapat diperoleh meskipun resistor 10KΩ ledih rendah dari pengaturan nol dan masukan nilai-nilai itu dalam Tabel 10. g. Ulangi langkah di atas untuk, input tegangan tak diketahui yang lain dengan range 0 – 1V. h. Ganti resistor 100kΩ yang telah dikalibrasi dengan 10kΩ slider dan ganti juga +12V masukannya dengan +5V. i. Set angka pengaturan kontrol dari 10 resistor dengan ketentuan 0100 dan hubungkan soket A penguat diferensial ke soket B Jembatan Wheatstone seperti yang ditunjukkan dalam gambar 20. j. Lakukan penyesuaian 10kΩ resistor slider dengan ketentuan dalam keadaan seimbang. Ketika selesai, putar resistansi ke 10 yang telah dikalibrasi sedemikian sehingga dengan skala pembacaan putar 0100. Dengan begitu tegangannya juga 1.00 V dan skala pembacaan maksimum 1000 akan menghasilkan tegangan 10V. k. Hubungkan soket A penguat diferensial ke soket B 10kΩ wirewound resistor seperti yang ditunjukkan dengan titik dalam gambar 8 dan tegangan " yang tak diketahui" pada posisi 0-10V dalam rangkaian itu. Catat hasil pembacaan putar dalam keadaan seimbang untuk masingmasing pengaturan tegangan dan masukan nilai-nilai itu dalam tabel 11.
.
46
