Cara membuat Multimeter Analog Sederhana

PARTS DAN BAHAN

    * Meter gerakan Sensitive (Radio Shack katalog # 22-410)
    * Beralih Selector, tiang tunggal, multi-melempar, istirahat-sebelum-membuat (Radio Shack # 275-1386 katalog merupakan unit 6-posisi 2-pole, yang bekerja dengan baik)
    * Multi-putar potensiometer, PCB mount (Radio Shack katalog # 271-342 dan 271-343 adalah 15-gilirannya, 1 kΩ dan 10 kΩ "pemangkas" unit, masing-masing)
    * Berbagai macam resistor, sebaiknya logam presisi tinggi-film atau kawat-luka jenis (Radio Shack katalog # 271-309 adalah bermacam-macam resistor film logam, + / - 1% toleransi)
    * Plastik atau logam mounting kotak
    * Tiga "pisang" jack posting mengikat gaya, atau perangkat keras terminal lain, untuk koneksi ke rangkaian potensiometer (Radio Shack # 274-662 katalog atau setara)
Komponen yang paling penting dan mahal dalam meter adalah gerakan: mekanisme jarum-dan-skala aktual yang tugasnya adalah untuk menerjemahkan sebuah arus listrik ke dalam perpindahan mekanik mana bisa ditafsirkan secara visual. Gerakan meter yang ideal secara fisik besar (untuk mempermudah melihat) dan sensitif mungkin (membutuhkan saat ini minimal untuk menghasilkan defleksi skala penuh jarum tersebut). gerakan meter yang berkualitas tinggi yang mahal, tapi Radio Shack membawa beberapa kualitas yang dapat diterima yang cukup murah. Model yang disarankan dalam daftar bagian dijual sebagai voltmeter dengan rentang 0-15 volt, tetapi sebenarnya adalah milliammeter dengan kisaran ("pengali") resistor disertakan secara terpisah.
Mungkin akan lebih murah untuk membeli meter analog murah dan membongkar untuk gerakan meter saja. Meskipun pikiran menghancurkan multimeter bekerja untuk memiliki bagian-bagian untuk membuat Anda sendiri mungkin terdengar kontra-produktif, tujuan di sini adalah belajar, bukan fungsi meter.
Saya tidak dapat menentukan nilai resistor untuk percobaan ini, karena ini bergantung pada pergerakan meter tertentu dan rentang pengukuran yang dipilih. Pastikan untuk menggunakan presisi tinggi resistor fixed-nilai daripada resistor komposisi karbon. Bahkan jika Anda kebetulan menemukan resistor komposisi karbon hanya nilai kanan (s), nilai-nilai tersebut akan berubah atau "drift" dari waktu ke waktu karena penuaan dan fluktuasi suhu. Tentu saja, jika Anda tidak peduli dengan stabilitas jangka panjang meter ini, tetapi sedang membangun itu hanya untuk pengalaman belajar, resistor presisi hal-hal kecil.
CROSS-DAFTAR PUSTAKA
Pelajaran Dalam Sirkuit Listrik, Volume 1, Bab 8: "DC Metering Circuits"
TUJUAN BELAJAR

    * Meter volt desain dan penggunaan
    * Ammeter desain dan penggunaan
    * Rheostat membatasi rentang
    * Kalibrasi teori dan praktek
    * Solder praktek

Skematis DIAGRAM 

Galvanometer

Galvanometer adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengukur kuat arus dan beda potensial listrik yang relatif kecil. Galvanometer tidak dapat digunakan untuk mengukur kuat arus maupun beda potensial listrik yang relatif besar, karena komponen-komponen internalnya yang tidak mendukung . Gambar dibawah ini memperlihatkan bahwa galvanometer hanya dapat mengukur arus maupun tegangan yang relative rendah.

Tegangan yang diukur sekitar 1 volt

Tegangan yang diukur sekitar 24 volt, dan galvanometer RUSAK!

Galvanometer bisa digunakan untuk mengukur kuat arus maupun beda potensial listrik yang besar, jika pada galvanometer tersebut dipasang hambatan eksternal (pada voltmeter disebut hambatan depan, sedangkan pada ampermeter disebut hambatan shunt).


GALVANOMETER dengan HAMBATAN SHUNT
Galvanometer dengan hambatan shunt adalah ampermeter. Dalam pemasangannya, ampermeter ini harus dihubungkan paralel dengan sebuah hambatan shunt Rsh. Pemasangan hambatan shunt ini tidak lain bertujuan untuk meningkatkan batas ukur galvanometer agar dapat mengukur kuat arus listrik yang lebih besar dari nilai standarnya.

Pemasangan Galvanometer dengan hambatan shunt

Ketika arus mengalir melalui kumparan yang dilingkupi oleh medan magnet akan timbul gaya lorentz yang menggerakkan jarum penunjuk hingga menyimpang. Apabila arus yang melewati kumparan agak besar, maka gaya yang timbul juga akan membesar sedemikian sehingga penyimpangan jarum penunjuk juga akan lebih besar. Demikian sebaliknya, ketika kuat arus tidak ada maka jarum penunjuk akan dikembalikan ke posisi semula oleh sebuah pegas.

GALVANOMETER dengan HAMBATAN DEPAN (MULTIPLIER)
Galvanometer dengan hambatan depan adalah voltmeter. Sebuah galvanometer dan sebuah hambatan eksternal Rx yang dipasang seri. Adapun tujuan pemasangan hambatan Rx ini tidak lain adalah untuk meningkatkan batas ukur galvanometer, sehingga dapat digunakan untuk mengukur tegangan yang lebih besar dari nilai standarnya.

Pemasangan Galvanometer dengan hambatan depan (multiplier)

Fungsi multiplier adalah menahan arus agar tegangan yang terjadi pada galvanometer tidak melebihi kapasitas maksimum, sehingga sebagian tegangan akan berkumpul pada multiplier. Dengan demikian kemampuan mengukurnya menjadi lebih besar.

CARA KERJA GALVANOMETER
Galvanometer bekerja berdasarkan gaya Lorentz. Gaya dimana gerak partikel akan menyimpang searah dengan gaya lorentz yang mempengaruhi. Arah gaya Lorentz pada muatan yang bergerak dapat juga ditentukan dengan kaidah tangan kanan dari gaya Lorentz (F) akibat dari arus listrik, I dalam suatu medan magnet B. Ibu jari, menunjukan arah gaya Lorentz . Jari telunjuk, menunjukkan arah medan magnet (B). Jari tengah, menunjukkan arah arus listrik (I). Untuk muatan positif arah gerak searah dengan arah arus, sedang untuk muatan negatif arah gerak berlawanan dengan arah arus.

Cara kerjanya galvanometer sama dengan motor listrik, tapi karena dilengkapi pegas, maka kumparannya tidak berputar. Karena muatan dalam magnet dapat berubaha karena arus listrik yang mengalir ke dalamnya. Galvanometer pada umumnya dipakai untuk arus searah, tetapi prinsipnya menggunakan konstruksi kumparan putar. 

Cara kerja galvanometer, yaitu berputarnya kumparan karena munculnya dua gaya Lorents sama besar tetapi berlawanan arah, yang bekerja pada dua sisi kumparan yang saling berhadapan. Kawat tembaga dililitkan pada inti besi lunak berbentuk silinder membentuk statu kumparan, dan diletakkan diantara diantara kutub-kutub sebuah magnet hermanen. Arus listrik memasuki dan meninggalkan kumparan melalui pegas spiral yang terpasang di atas dan di bawah kumparan. Maka sisi kumparan yang dekat dengan kutub utara dan kutub selatan mengalami gaya Lorente yang sama tetapi berlawanan arah, yang akan menyebebkan kumparan berputar. Putaran kumparan ditahan oleh kedua pegas spiral, sehingga kumparan hanya akan berputar dengan sudut tertentu. Putaran dari kumparan diteruskan oleh sebuah jarum untuk menunjuk pada skala tertentu. Angka yang ditunjukkan oleh skala menyatakan besar arus listrik yang diukur.

Galvanometer dalam pembuatan Multimeter Analog

Galvanometer adalah alat pengukur kuat arus yang relatif lemah. Galvanometer tidak dapat digunakan untuk mengukur kuat arus ataupun beda potensial listrik yang relatif besar, karena komponen-komponen internalnya yang tidak mendukung. Cara kerjanya sama dengan Amperemeter, Voltmeter, dan Ohmmeter. Ketiga alat itu cara kerjanya sama dengan motor listrik, tapi karena dilengkapi pegas, maka kumparannya tidak berputar. Karena muatan dalam magnet dapat berubah karena arus listrik yang mengalir ke dalamnya.

Komponen dasar suatu amperemeter dan voltmeter adalah galvanometer alat yang mendeteksi arus kecil yang melaluinya. Galvanometer dirancang sehingga pembacaan skala sebanding dengan arus yang melaluinya. Ada dua sifat galvanometer yang penting dalam pemakaiannya sebagai amperemeter dan voltmeter. Sifat tersebut yaitu resistansi galvanometer Rg dan arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan simpangan skala Ig.”

Pada voltmeter, galvanometer dipasang hambatan multiplier atau eksternal (hambatan depan). Pemasangannya secara seri. Fungsinya menahan arus agar tegangan pada galvanometer tidak melebihi batas maksimum dan sebagian tegangan berkumpul pada multiplier. Sehingga dapat digunakan untuk mengukur tegangan yang lebih besar dari standarnya. Sedangkan pada amperemeter, galvanometer mempunyai hambatan shunt. Hambatan tersebut agar berkurangnya arus listrik dalam rangkaian juga sangat kecil. Pemasangannya secara paralel.

Galvanometer bekerja berdasarkan gaya Lorentz. Gaya dimana gerak partikel akan menyimpang searah dengan gaya lorentz yang mempengaruhi. Arah gaya Lorentz pada muatan yang bergerak dapat juga ditentukan dengan kaidah tangan kanan dari gaya Lorentz (F) akibat dari arus listrik, I dalam suatu medan magnet B. Ibu jari, menunjukan arah gaya Lorentz . Jari telunjuk, menunjukkan arah medan magnet (B). Jari tengah, menunjukkan arah arus listrik (I). Untuk muatan positif arah gerak searah dengan arah arus, sedang untuk muatan negatif arah gerak berlawanan dengan arah arus.

Cara kerja galvanometer ini, yaitu berputarnya jarum kompas karena munculnya dua gaya Lorentz sama besar tetapi berlawanan arah, yang bekerja pada dua sisi kumparan yang saling berhadapan. Arus listrik memasuki dan meninggalkan kumparan melalui lilitan tembaga yang terpasang di atas dan di bawah papan kayu. Maka sisi kumparan yang dekat dengan kutub utara dan kutub selatan mengalami gaya Lorente yang sama tetapi berlawanan arah, yang akan menyebebkan jarum kompas berputar.

Sebuah galvanometer singgung adalah awal alat ukur  yang digunakan untuk pengukuran arus listrik . Ia bekerja dengan menggunakan kompas jarum untuk membandingkan medan magnet yang dihasilkan oleh arus diketahui oleh medan magnet Bumi. Ia mendapat namanya dari prinsip operasi, hukum tangen dari magnet, yang menyatakan bahwa tangen dari sudut jarum kompas membuat sebanding dengan rasio kekuatan dari dua bidang magnetik tegak lurus. Hal ini pertama kali dijelaskan oleh Claude Pouillet pada tahun 1837.

Efek Pembebanan pada Voltmeter

1. Tahanan pengali

Penambahan sebuah tahanan seri atau pengali (multiplier), mengubah gerakan d'arsonval menjadi sebuah voltmeter arus searah. Tahanan pengali membatasi arus kealat ukur agar tidak melebihi arus sakala penuh (Idp). Sebuah voltmeter arus searah mengukur beda potensial antara dua titik dalam sebuah rangkaian arus searah dan dengan demikian dihubungkan paralel terhadap sebuah sumber tegangan atau komponen rangkaian. Biasanya terminal-termianal alat ukur ini diberi tanda positif dan negatif karena polaritas harus ditetapkan.

Nilai tahanan pengali yang diperlukan untuk memperbesar batas ukur tegangan ditentukan dari Gambar 1, dimana :

Im        = arus defleksi dari alat ukur

Rm      = tahanan dalam alat ukur 
            Rs       = tahanan pengali 
            V         = tegangan rangkuman maksimum dari instrumen

            = Im (Rs + Rm)

Gambar 1. Rangkaian dasar voltmeter DC

Biasanya untuk batas ukur sampai 500 V pengali dipasang didalam kotak voltmeter. Untuk tegangan yang lebih tinggi, pengali tersebut dipasang pada sepasang apitan kutub diluar kotak yakni untuk mencegah kelebihan panas dibagian dalam voltmeter.

2. Voltmeter rangkuman ganda

          Penambahan sejumlah pengali beserta sebuah saklar rangkuman membuat instrumen mampu digunakan bagi sejumlah rangkuman tegangan. Sebuah voltmeter rangkuman ganda yang menggunakan sebuah sakelar empat posisi (V1, V2, V3, dan V4 ) dan empat pengali (R1, R2, R3, dan R4). Nilai dari pada tahanan-tahanan pengali dapat ditentukan dengan metoda sebelumnya, atau dengan metoda sensitivitas.

Gambar 2. Voltmeter rangkuman ganda

a.  Sensitivitas voltmeter

          Sensitivitas S, adalah kebalikan dari defleksi skala penuh alat ukur yaitu : S = 1 / IdpSensitivitas S dapat digunakan pada metode sensitivitas untuk menentukan tahanan pengali voltmeter arus searah . R = (S x V) - Rm
Dimana : S          = sensitivitas voltmeter,ohm/volt

                 V         = rangkuman tegangan yang ditentukan oleh posisi sakelar

                 Rs        = tahanan pengali

                 Rm      = tahanan-dalam alat ukur (ditambah  tahanan seri)

b. Efek pembebanan

Bila sebuah voltmeter dihubungkan antara dua titik di dalam sebuah rangkaian tahanan tinggi, dia bertindak sebagai shunt bagi bagian rangkaian sehinga memperkecil tahanan ekivalen dalam bagian rangkaian tersebut. Berarti voltmeter akan menghasilkan penunjukan tegangan yang lebih rendah dari yang sebenarnya sebelum dihubungkan. Efek ini disebut efek pembebanan instrumen yang terutama disebabkan oleh sensitivitas rendah. Tindakan pencegahan yang umum bila menggunakan sebuah voltmeter adalah :

- Periksa polaritas yang benar. Polaritas yang salah (terbalik) menyebabkan voltmeter menyimpang kesumbat mekanis dan ini dapat merusak jarum.

Efek Pembebanan pada Amperemeter

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?