BAB 3. PENGUKURAN ARUS DAN VOLTAN AU
3.0 PENGENALAN
3.1 PENGIRAAN NILAI RMS DAN PURATA
3.1.1 GELOMBANG SINUS
3.1.2 GELOMBANG PENUH
3.1.3 GELOMBANG SEPARUH
3.2 INSTRUMENT PENGUKURAN A.U.
3.2.1 METER MKGB DAN PENERUS
3.2.2 METER VOLTAN A.U. GELOMBANG SEPARUH
3.2.3 METER VOLTAN A.U. GELOMBANG PENUH
3. PENGUKURAN ARUS DAN VOLTAN A.U.
3.0 Pengenalan
Arus dan voltan a.u. (arus-ulangalik) berbeza dari arus dan voltan a.t. (arus-terus) kerana nilainya sentiasa berubah terhadap masa pada setiap ketika. Oleh kerana itu nilai a.u. dinyatakan dalam 3 bentuk iaitu:
(i)- Nilai puncak
(ii)- Nilai purata
(iii)-Nilai r.m.s./nilai efektif
Ketiga-tiga nilai ini membawa pengertian yang berbeza. Yang dimaksudkan dengan nilai purata ialah nilai pertengahan. Nilai puncak pula ialah nilai yang paling positif yang dicapai sementara nilai r.m.s. ialah nilai yang sama dengan pemanasan satu rintangan. Gelombang yang berbeza mempunyai nilai-nilai (i), (ii) dan (iii) yang berbeza. Oleh kerana arus dan voltan a.u. boleh dinyatakan dalam pelbagai cara maka pengukuran a.u. memerlukan kepada pengetahuan ketiga-tiga nilai dan cara mengiranya.
3.1 Pengiraan nilai rms dan purata
Perbincangan bagi pengertian r.m.s. dan purata akan ditumpukan kepada gelombang sinus kerana arus dan voltan AU menyerupai gelombang sinus iaitu:
i- Gelombang sinus
ii- Gelombang penuh
iii- Gelombang separuh
3.1.1 Gelombang sinus
Rajah 3.1: Gelombang sinus
, f: isyarat gelombang sinus
jika f = Vp sin a , Vp: Amplitud voltan
maka berpandukan Rajah 1:
Vpurata = 0 (bahagian positif = bahagian negatif)
3.1.2 Gelombang penuh
Rajah 3.2: Gelombang penuh
3.1.3 Gelombang separuh
Rajah 3.3: Gelombang separuh
Jadual 1 di bawah menunjukkan perkaitan rajah-rajah di atas untuk perbandingan:
-----------------------------------------------------------------
Jenis gelombang Vpurata Vrms
-----------------------------------------------------------------
Sinus 0.0 0.707 Vp
Penuh 0.636 Vp 0.707 Vp
Separuh 0.318 Vp 0.5 Vp
-----------------------------------------------------------------
Jadual 1
3.2 Instruments pengukuran a.u.
Pengukuran a.u. dapat dilakukan dengan beberapa cara:
i- Meter MKGB dan penerus
ii- Elektrodinamometer
iii- Meter elektrostatik
iv- Thermocouple
3.2.1 Meter MKGB dan penerus
Kita telah mengkaji bagaimana meter MKGB digunakan bagi pengukuran arus dan voltan a.t. Persoalannya bolehkah kita gunakan meter MKGB bagi pengukuran arus ulang alik (a.u.).? Sememangnya boleh tetapi dengan sedikit perubahan.
Bayangkan apa yang akan berlaku jika kita sambungkan meter MKGB bagi pengukuran a.u.? Sekiranya frekuensi isyarat yang digunakan adalah berfrekuensi rendah maka penunjuk akan menurut perubahan bacaan ( ini adalah kerana arus/voltan a.u. tidak tetap yakni sentiasa berubah). Apa yang akan kita lihat ialah penunjuk akan sentiasa bergerak dari nilai yang negatif ke nilai yang paling positif. Sementara sekiranya frekuensi yang terlibat ialah frekuensi tinggi maka penunjuk akan hanya bergetar pada nilai sifar kerana penunjuk tidak dapat/tidak sempat mengekor bacaan.
Bagi mengatasi masalah ini penerus digunakan. Terdapat dua jenis penerus iaitu penerus gelombang separuh dan penerus gelombang penuh. Rajah 3.4 di bawah menunjukkan rupa bentuk gelombang penuh dan gelombang separuh.
Rajah 3.4: Rupa bentuk gelombang separuh dan penuh
Dengan hanya membenarkan arus mengalir dalam kitar positif sahaja meter MKGB dapat memberi bacaan arus yang diukur. Perlu diingat meter MKGB hanya membaca arus dalam bentuk arus terus sahaja. Maka bacaan yang ditunjukkan oleh meter semasa pengukuran arus a.u adalah sebenarnya bacaan arus purata (a.t.) bagi arus au tersebut.
Tetapi biasanya skala meter voltan a.u ditandakan dengan nilai Vrms voltan au.Hubungan antara voltan a.u., voltan purata(a.t.) dan voltan Vrms bagi gelombang sinus, gelombang separuh dan gelombang penuh boleh dirujuk pada Jadual 1
Terdapat dua jenis meter voltan au iaitu meter voltan au gelombang separuh dan meter voltan au gelombang penuh. Penerus yang digunakan ialah diod. Diod hanya membenarkan arus mengalir satu arah sahaja. Semasa kitar positif berkeadaan litar pintas dan pada kitar negatif berkeadaan litar buka. Bagi penerus/diod jenis silikon ia memerlukan voltan sekurangnya sebanyak 0.7V sementara penerus jenis germanium memerlukan 0.3V untuk berada dalam keadaan litar pintas
3.2.2 Meter voltan a.u. gelombang separuh
Rajah 3.5 adalah binaan meter voltan a.u dengan penerus gelombang separuh, dimana diod berfungsi menapis kitar negatif ketika pincang belakang.
Rajah 3.5
Dari jadual 1 hubungan Vp, Vrms dan Vpurata:
Vpurata = Va.t. = 0.318Vp = 0.45 Vrms
Dengan ini bermaksud jika masukan voltan 10Vrms maka meter akan memberikan bacaan 4.5Va.t. sahaja, kerana meter hanya membaca bacaan purata(a.t.) sahaja.
Nilai Rs yang diperlukan dalam litar Rajah 3.5 dengan menganggap diod adalah unggul dimana rintangannya tidak diambil kira ialah:
Dari rumus ini boleh dilihat bahawa kepekaan meter voltan au gelombang separuh ialah
Sa.u. = 0.45 Sa.t.
Contoh 3.1
Rajah 3.6
Kirakan nilai perintang pekali (Rs) bagi meter voltan gelombang separuh berjulat 10Vrms seperti Rajah 3.6
Penyelesaian: (Penyelesaian boleh dilakukan dengan beberapa cara seperti di bawah)
Cara 1:
Dapatkan kepekaan meter MKGB
Maka:
Cara 2:
Dapatkan kepekaan meter a.u.
Cara 3:
Tanpa mencari kepekaan meter
Rekabentuk meter voltan au gelombang separuh yang biasa didapati dipasaran adalah seperti ditunjukkan di Rajah 3.7 dimana terdapat penambahan Rsh yang selari dengan Rm dan diod D2. Fungsi Rsh adalah untuk meninggikan arus melalui D1 semasa kitar positif masukan, dengan itu diod akan beroperasi dalam bahagian julat linearnya. Dengan ini akan memperbaiki lagi kelinearan meter au ketika pengukuran voltan pada nilai rendah.
Sementara penambahan D2 tiada kesan semasa kitar positif masukan kerana ia berkeadaan pincang belakang. Tetapi pada kitar negatif masukan D2 akan pincang hadapan dan akan menyediakan jalan altenatif kepada arus bocor dari melalui meter MKGB dan D1.
Rajah 3.7: Meter voltan a.u. gelombang separuh dengan Rsh dan D2
Contoh 2.
Berpandukan Rajah 3.7 , kirakan nilai rintangan Rs, kepekaan meter Sa.u. dan Sa.t. yang setara jika nilai Rm = 200W, Ifsd = 100µA, Rsh = 200W, purata rintangan pincang hadapan diod 50W dan pincang belakang infiniti. Julat meter 10Vrms
3.2.3 Meter voltan gelombang penuh
Meter voltan gelombang penuh menukarkan kemasukan yang mempunyai nilai positif dan negatif menjadi positif sahaja (Lihat Rajah 3.4, bahagian 3.2.1). Rajah 3.8 menunjukkan satu contoh meter voltan a.u. gelombang penuh menggunakan meter MKGB dan penerus
Rajah 3.8: Meter voltan a.u. gelombang penuh
Operasi litar:
Pada ½ positif , arus melalui D2
meterD3 (drp terminal +ve ke -ve)
Pada ½ negatif , arus melalui D4meterD1 (drp terminal +ve ke -ve)
Hubungan antara Vpurata atau Va.t., Vrms dan Vp bagi gelombang penuh boleh dilihat di Jadual 1.
Vpurata = Va.t. = 0.707Vp = 0.9 Vrms
Dengan ini bermaksud jika masukan voltan 10Vrms maka meter akan memberikan bacaan 9.0 Va.t. sahaja, kerana meter hanya membaca bacaan purata (a.t.) sahaja.
Nilai Rs yang diperlukan dalam litar Rajah 3.7 dengan menganggap diod adalah unggul dimana rintangannya tidak diambil kira ialah:
= 
Dari rumus ini boleh dilihat bahawa kepekaan meter voltan a.u. gelombang penuh ialah
Sa.u. = 0.9 Sa.t.
Contoh 3.
Meter MKGB dengan Ipsp = 100 m A dan Rm = 1 kW digunakan sebagai meter voltan a.u. dengan Vpsp = 100 V (r.m.s.). Diod/penerus jenis silikon digunakan dalam tetimbang (0.7 V rintangan hadapan).
a) Kirakan nilai rintangan pekali (Rs).
b) Dimanakah penunjuk berada jika voltan kemasukan ialah
i- 75 V
ii- 50 V
Contoh 4.
Rajah 3.9 adalah meter voltan a.u. gelombang penuh dengan penambahan perintang pirau. Meter MKGB yang digunakan mempunyai Rm = 500W dan Ifsd = 1mA . Jika Rsh yang digunakan bernilai 500W, kirakan nilai perintang pekali Rs yang diperlukan supaya meter mempunyai julat 10Vrms. Setiap diod mempunyai rintangan purata rintangan hadapan 50W dan rintangan pincang belakang infiniti.
Rajah 3.9
