Instrumentasi Penguji Elektronik

Alat ukur Instrumen merupakan peralatan yang diperlukan oleh manusia. Karena besaran listrik seperti : tegangan, arus, daya, frekuensi dan sebagainya tidak dapat secara langsung ditanggapi oleh panca indera. Untuk mengukur besaran listrik tersebut, diperlukan alat pengubah. Atau besaran ditransformasikan ke dalam besaran mekanis yang berupa gerak dengan menggunakan alat ukur. Perlu disadari bahwa untuk dapat menggunakan berbagai macam alat ukur listrik perlu pemahaman pengetahuan yang memadai tentang konsep – konsep teoritisnya.
Meter Digital
Semua jenis meter digital pada dasarnya diubah dalam bentuk voltmeter digital (DVM), terlepas dari kuantitas yang dirancang dalam mengukur. Multimeter digital juga merupakan voltmeter digital yang berisi beberapa sirkuit konversi, sehingga memungkinkan pengukuran tegangan, arus dan resistansi dalam satu instrumen.
Meter digital telah dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan untuk akurasi pengukuran tinggi dan kecepatan lebih cepat dari respon terhadap perubahan tegangan yang bisa dicapai dengan instrumen analog. secara teknis meter analog lebih unggul di hampir segala hal. Namun, memiliki biaya yang lebih besar karena biaya produksi lebih tinggi dibandingkan dengan meter analog. Sifat biner dalam output dari instrumen digital dapat segera diterapkan pada layar yang berupa angka diskrit. Di mana operator manusia diperlukan untuk mengukur dan sinyal rekor level tegangan, bentuk output membuat kontribusi penting untuk keandalan pengukuran dan akurasi.
Multimeter Digital
Multimeter merupakan alat ukur yang paling banyak dipergunakan oleh para praktisi, hobist dan orang yang bekerja berkaitan dengan rangkaian listrik dan elektronika. Multimeter dapat dipergunakan untuk mengukur besaran listrik, seperti : hambatan, arus, tegangan. Karena dirancang untuk mengukur tiga besaran tersebut, maka multimeter sering disebut AVO meter (Amper Volt Ohm). Ada beberapa fungsi multimeter, yaitu sebagai berikut :
Mengukur hambatan (Ohmmeter),
Mengukur arus (Ampermeter),
Mengukur tegangan (Voltmeter).
Adapun fungsi tambahan dari suatu multimeter adalah sebagai berikut :
Amperemeter AC
Penguji diode
Penguji transistor
Pengukur temperature
Pengukur kapasitansi
Bagian-bagian Multimeter Digital
Pencacah/peraga
Bagian ini terdiri pencacah 3 ½ digit, memory, decoder dan piranti peraga. Bagian ini memiliki input, count, transfer dan reset. Dari bagian pencacah juga memberikan keluaran untuk mengontrol fungsi pengukuran analog.
Control Logic
Bagian ini berfungsi membangkitkan pulse yang diperlukan oleh rangkaian untuk perputaran masukan, dihitung dan mengontrol fungsi pencacah.
Master Lock
Rangkaian ini terdiri Kristal osilator, pembagi frekuensi untuk pewaktuan semua pengukuran.
Pembentuk gelombang masukan (Input wave shaper)
Rangkaian ini difungsikan selama pengukuran frekuensi, perioda mengubah sinyal masukan ke dalam bentuk yang tepat untuk dihubungkan ke rangkaian logic.
Time Control
Fungsi bagian ini digunakan untuk memulai dan menghentikan pencacah pada saat pengukuran.
Voltmeter dan pengubah Analog ke Digital
Bagian ini berisi rangkaian impedansi masukan yang tinggi, penyearah, pengubah tegangan ke waktu dual-ramp digunakan untuk pengukuran tegangan dan resistansi.

Unit Resistansi dan Kapasitansi
Terdiri dari sumber arus digunakan untuk pengukuran resistansi dan kapasitansi, juga rangkaian yang diperlukan untuk mengubah kapasitansi ke dalam fungsi waktu. Hubungan pengawatan antar blok tergantung fungsi yang akan dibangun.Pengawatan tergantung fungsi yang diinginkan.

Prinsip Dasar Pengukur Multimeter Digital
Voltmeter
Digital voltmeter (DVM) menggunakan sebuah pengubah tegangan analog ke digital (ADC) kemudian tegangan masukan DC diolah menjadi bentuk biner yang dikodekan dalam decimal (BCD). Kebanyakan voltmeter digital atau digital multimeter menerapkan integrator dual-slope sebagai rangkaian ADC, karena DVM dualslope atau DMM relative lebih tahan terhadap nois tegangan masukan, juga kesalahan kecil. Dalam sistem DMM dengan pengubah analog ke digital dual ramp (atau dual slope) yang banyak digunakan ditunjukkan pada gambar 3. Penguat Op Amp A1, R1 dan C1 merupakan kombinasi rangkaian integrator. Pada saat siklus pengukuran dimulai kapasitor C1 melakukan pengosongan muatan. Tegangan masukan integrator dihubungkan ke masukan tegangan negatip (- V1), sehingga kapasitor C1 mulai mengisi dengan arus – (V1/R1). Sementara itu keluaran integrator V01 mulai naik meninggalkan nol dan pencacah mulai menghitung pulsa clock dari pembangkit sinyal clock 100 KHz. Pengisian muatan C1 berlangsung sampai perhitungan pencacah mencapai 2000 ( misal untuk 2K/100K atau 20ms). Pada akhir perioda ini beda tegangan kapasitor C1 akan menjadi sama dengan ;

Jadi, V1T1 = Vref T2 atau Vi = (T1/T2) Vref.

Ohmmeter
Sistem pengukuran resistansi ditunjukkan pada gambar 5. Metode yang digunakan dengan melewatkan arus pada R yang tidak diketahui besarnya, kemudian diukur besarnya tegangan drop pada R tersebut. Oleh karena itu sistem ini hanya dapat digunakan untuk mengukur R dalam cakupan 100? Sampai 100K? dengan tingkat ketelitian yang cukup.

Pengukuran Frekuensi
Sinyal yang akan diukur frekuensinya kita hubungkan ke rangkaian input wave shaper, dalam bagian ini sinyal diperkuat atau dibatasi tergantung besarnya amplitude sinyal masukan. Kemudian sinyal diubah ke dalam bentuk (A) gelombang kotak dengan tegangan 5 Vp-p. Frekuensi mater clock (B) mempunyai perioda yang sama dengan durasi perhitungan yang dipilih. Misalnya jika durasi penguuran dipilih 10 ms, dipilih frekuensi 100Hz. Gerbang penghitung akan terbuka untuk waktu benar, frekuensi clock dibagi dua (C) sebelum diterapkan ke gerbang penghitung dan juga untuk mengontrol rangkaian pembangkit pulsa untuk membangkitkan komando store atau reset.
Asumsikan bahwa pencacah telah diatur nol, urutan operasinya sebagai berikut. Gerbang pencacah dilumpuhkan untuk satu perioda clock dengan keluaran dibagi dua. Shaped input waveform dihubungkan ke pencacah sehingga menghitung jumlah siklus selama satu perioda clock. Pada akhir perioda sinyal pewaktu berada pada ujung menuju negatip (C) menyebabkan generator pulsa membangkitkan dua pulsa berturut turut. Pulsa pertama mengkomando (E) pencacah untuk menyimpan dan memperagaan keadaan bagian penghitung. Pulsa kedua (F) mereset bagian penghitung sehingga keadaan nol untuk operasi pada siklus berikutnya. Proses ini akan restart bila sinyal pewaktu ( C) kembali berayun ke positip. Dengan demikian maka peraga hasil hitungan akan selalu diupdate sengan frekuensi masukan yang konstan dihasilkan pembacaan yang stabil.

Meter  Analog
Alat Ukur Kumparan Putar
Alat ukur kumparan putar adalah alat ukur yang bekerja atas dasar prinsip kumparan listrik yang ditempatkan dalam medan magnet yang berasal dari magnet permanen. Alat ukur jenis ini tidak terpengaruh magnet luar, karena telah memiliki medan magnet yang kuat terbuat dari logam alniko yang berbentuk U.
Prinsip kerja alat ukur kumparan putar menggunakan dasar percobaan Lorentz. Percobaan Lorentz dikatakan, jika sebatang penghantar dialiri arus listrik berada dalam medan magnet, maka pada kawat penghantar tersebut akan timbul gaya. Gaya yang timbul disebut dengan gaya Lorentz.

Gambar 7. Menggambarkan magnet permanen yang berbentuk seperti tapal kuda yang dilengkapi dengan sepatu kutub. Diantara sepatu kutub ditempatkan sebuah inti dengan lilitan kawat yang dapat bergerak dan berputar dengan bebas melalui poros. Pada waktu melakukan pengukuran, arus mengalir pada kumparan dan menyebabkan adanya magnet. Magnet tersebut ditolak oleh medan magnet tetap. Berdasarkan hukum tangan kiri Fleming, kumparan tersebut akan berputar sehingga jarum penunjuk akan bergerak atau menyimpang dari angka nol. Semakin besar arus yang mengalir dalam kumparan, makin kuatlah gaya tolak yang mengenai kumparan dan menyebabkan penyimpangan jarum bergerak semakin jauh. Jika arus yang mengalir pada kumparan adalah I amper, maka besarnya gaya pada tiap sisi kumparan adalah :
F = B .I . l Newton
Dengan pengertian :
B = kerapatan fluks dalam Wb/m2
l = panjang kumparan dalam meter

Alat Ukur Besi Putar

Alat ukur tipe besi putar adalah sederhana dan kuat dalam konstruksi. Alat ukur ini digunakan sebagai alat ukur arus dan tegangan pada frekuensi – frekuensi yang dipakai pada jaringan distribusi. Instrumen ini pada dasarnya ada dua buah bentuk yaitu tipe tarikan (attraction) dan tipe tolakan (repulsion). Cara kerja tipe tarikan tergantung pada gerakan dari sebuah besi lunak di dalam medan magnit, sedang tipe tolakan tergantung pada gaya tolak antara dua buah lembaran besi lunak yang telah termagnetisasi oleh medan magnet yang sama.
Apabila digunakan sebagai ampermeter, kumparan dibuat dari beberapa gulungan kawat tebal sehingga ampermeter mempunyai tahanan yang rendah terhubung seri dengan rangkaian. Jika digunakan sebagai voltmeter, maka kumparan harus mempunyai tahanan yang tinggi agar arus yang melewatinya sekecil mungkin, dihubungkan paralel terhadap rangkaian. Kalau arus yang mengalir pada kumparan harus kecil, maka jumlah kumparan harus banyak agar mendapatkan amper penggerak yang dibutuhkan.

Untuk tipe tarikan, terlihat bahwa jika lempengan besi yang belum termagnetisasi digerakkan mendekatai sisi kumparan yang dialiri arus, lempengan besi akan tertarik di dalam kumparan. Hal ini merupakan dasar dalam pembuatan suatu pelat dari besi lunak yang berbentuk bulat telur, bila dipasangkan pada batang yang berada diantara "bearings" dan dekat pada kumparan, maka pelat besi tersebut akan terayun ke dalam kumparan yang dialiri arus. Kuat medan terbesar berada ditengah - tengah kumparan, maka pelat besi bulat telur harus dipasang sedemikian rupa sehingga lebar gerakannya yang terbesar berada di tengah kumparan.
Untuk tipe tolakan, Apabila arus yang akan diukur dilewatkan melalui kumparan, maka akan membangkitkan medan magnit memagnetisir kedua batang besi. Pada titik yang berdekatan sepanjang batang besi mempunyai polaritas magnit yang sama. Dengan demikian akan terjadi gaya tolak menolak sehingga penunjuk akan menyimpang melawan momen pengontrol yang diberikan oleh pegas. Gaya tolak ini hamper sebanding dengan kuadrat arus yang melalui kumparan; kemanapun arah arus yang melalui kumparan, kedua batang besi tersebut akan selalu sama – sama termagnetisasi dan akan saling tolak-menolak.

Alat Ukur Elektrodinamis
Alat ukur elektrodinamis adalah sebuah alat ukur kumparan putar, medan magnit yang dihasilkan bukan dari magnit permanen, tetapi oleh kumparan tetap/berupa kumparan diam didalamnya. Alat ukur elektrodinamis dapat dipergunakan untuk arus bolakbalik maupun arus searah, kelemahannya alat ukur tersebut menggunakan daya yang cukup tinggi sebagai akibat langsung dari konstruksinya. Karena arus yang diukur tidak hanya arus yang mengalir melalui kumparan putar, tetapi juga menghasilkan fluksi medan. Untuk menghasilkan suatu medan magnit yang cukup kuat diperlukan gaya gerak magnit yang tinggi, dengan demikian diperlukan sumber yang mengalirkan arus dan daya yang besar pula. Prinsip kerja dari alat ukur elektrodinamis diperlihatkan pada gambar 10, kumparan putar M ditempatkan diantara kumparankumparan tetap (fixed coil) F1 dan F2 yang sama dan saling sejajar. Kedua kumparan tetap mempunyai inti udara untuk menghindari efek histerisis, bila instrumen tersebut digunakan untuk sirkuit ac. Jika arus yang melalui kumparan tetap I1 dan arus yang melalui kumparan putar I2. Karena tidak mengandung besi, maka kuat medan dan rapat flux akan sebanding terhadap I1.
Jadi : B = k . I1

Di mana :
B : Rapat flux
k : kontanta

Alat Ukur Elektrostatis
Alat ukur elektrostatis banyak dipergunakan sebagai alat ukur tegangan (volt meter) untuk arus bolak-balik maupun arus searah, khususnya dipergunakan pada alat ukur tegangan tinggi. Pada dasarnya kerja alat ukur ini adalah gaya tarik antara muatan-muatan listrik dari dua buah pelat dengan beda tegangan yang tetap. Gaya ini akan menimbulkan Momen penyimpang, bila beda tegangan ini kecil, maka gaya ini akan kecil sekali. Mekanisme dari alat ukur elektrostatis ini mirip dengan sebuah capasitor variabel; yang mana tingkah lakunya bergantung pada reaksi antara dua benda bemuatan listrik (hukum coulomb).

Gaya yang merupakan hasil interaksi tersebut, pada alat ukur ini dimanfaatkan untuk penggerak jarum penunjuk. Salah satu konfigurasi dasar alat ukur elektrostatis diperlihatkan gambar 11. Pelat X dan Y membentuk sebuah kapasitor varibel. Jika X dan Y dihubungkan dengan titik-titik yang potensialnya berlawanan (Vab), maka antara X dan Y akan terjadi gaya tarik-menarik; karena X dan Y mempunyai muatan yang sama besarnya, tetapi berlawanan (hukum coulomb).
Gaya yang terjadi ini dibuat sedemikian rupa hingga bisa menimbulkan Momen (momen putar) yang digunakan untuk menggerakkan jarum pada pelat X ke kanan. Jika harga Vab semakin besar, maka muatan kapasitor semakin bertambah; dengan bertambahnya muatan ini akan menyebabkan gaya tarik menarik menjadi besar pula, sehingga jarum akan bergerak ke kanan. Momen putar yang disebabkan oleh gaya tersebut akan dilawan oleh gaya reaksi dari pegas.
Apabila Momen dari kedua gaya ini sudah sama/seimbang, maka jarum yang berada pada pelat X akan berhenti pada skala yang menunjukkan harga Vab. Untuk menentukan Momen (momen putar) yang dibangkitkan oleh tegangan yang masuk adalah sebagai berikut : misal simpangan jarum adalah 2, jika C adalah kapasitansi pada posisi tersimpang, maka muatan instrumen akan menjadi CV coulomb. Dimisalkan tegangannya berubah dari V menjadi V + dV, maka akibatnya 2, C, dan Q akan berubah menjadi 2+ d2; C + dC dan Q+ dQ. Sekarang energi yang tersimpan dalam medan elektrostatis akan bertambah dengan :
dE = d (1/2 CV2) = 1/2 V2 . dC + CV . dV joule
Keterangan :
dE : Energi yang tersimpan
CV : Muatan instrument

Multimeter Analog
Dasar multimeter elektronik analog dapat dikelompokkan ke dalam tiga bagian utama yaitu jaringan pengukuran, rangkaian penguat dan penggerak meter analog (seperti jenis PM-MC). Dalam kasus pengukuran arus dan tegangan jaringan kerja berupapembagi tegangan yang membatasi tegangan yang diberikan pada penguat terutama berkaitan dengan pengaturan cakupan instrumen.

Multimeter Elektronik Fungsi Tegangan DC
Voltmeter elektronik menggunakan penggerak meter analog yang dikendalikan oleh suatu rangkaian elektronik seimbang seperti ditunjukkan pada gambar 13 di bawah ini.

Multimeter Elektronik Fungsi Tegangan AC
Rangkaian dasar voltmeter elektronik seperti di atas hanya digunakan untuk tegangan DC. Untuk memenuhi kebutuhan pengukuran tegangan AC beberapa bagian harus ditambahkan pengubah tegangan AC ke DC.

Rangkaian penyearah ditunjukkan pada gambar 14. Menggunakan rangkaian Op-Amp sebagai penyearah presisi. Karakteristik non linier dari dioda PN-junction D1 dan D2 dalam arah maju memberi umpan balik negatip. Low pass filter mengeluarkan pulsa DC diumpankan ke rangkaian analog penyeimbang atau Voltmeter ke digital. Kebanyakan voltmeter AC dikalibrasi dalam rms, ini tidak akan terbaca harga rms sebenarnya, tanpa sinyal masukan berbentuk gelombang sinus murni.

Multimeter Elektronik Fungsi Ohm
Jika arus konstan mengalir pada R yang tidak diketahui, nilai tegangan drop pada R akan memberikan data yang tidak diperlukan untuk dihitung nilai resistansinya dengan persamaan RX = V/I sesuai dengan rangkaian ohmmeter elektronik dapat dibentuk seperti dalam gambar 15. arus keluaran dari sumber arus konstan dan besarnya penguat tegangan dari penguat DC diatur dengan saklar pemilih sehingga dapat mengakomodasi pengukuran resistansi skala penuh dari milli ohm hingga mega ohm.
Ohmmeter menggunakan baterai 1,5V atau lebih akan memberi bias maju dioda bila instrument digunakan dalam rangkaian solid state, mengingat rangkaian 15. menggunakan level tegangan rendah tidak mampu memberi bias maju dioda. Bila demikian ohmmeter elektronik menjadi pilihan untuk digunakan menguji komponen yang membutuhkan tegangan bias seperti dioda, transistor. Beberapa Voltmeter elektronik yang diproduksi meliputi skala Ohmmeter daya tinggi sehingga dapat digunakan untuk pengetesan dioda dan transistor.

Tabung Sinar Katoda (CRT)
Komponen utama CRT untuk pemakaian pada umumnya berisi:
Senapan elektron yang terdiri dari katoda, filamen, kisi pengatur, anoda pemercepat
Perlengkapan pelat defleksi horisontal dan vertical
Layar flouresensi
Tabung gelas dan dasar tabung.
Senapan elektron menghasilkan suatu berkaselektron sempit dan terfokus secara tajam pada saat meninggalkan senapan pada kecepatan yang sangat tinggi dan bergerak menuju layar flourescent. Pada saat elektron membentur layar energi kinetic dari elektron-elektron berkecepatan tinggi diubah menjadi pancaran cahaya dan berkas menghasilkan suatu bintik cahaya kecil pada layar CRT. Dalam perjalanannya menuju layar, berkas elektron melalui diantara dua pelat defleksi elektrostatik sehingga berkas akan dibelokkan ke arah resultante defleksi horisontal dan vertikal sehingga membentuk jejak gambar pada layar sesuai dengan tegangan masukan.

Bila berkas elektron membentur layar CRT yang berlapiskan fosfor akan menghasikan bintik cahaya. Bahan dibagian dalam CRT berupa fosfor sehingga energy kinetik tumbukan elektron pada layar akan menyebabkan perpendaran cahaya. Fosformenyerap energi kinetik dari elektron-elektron pembombardir dan memancarkan kembali energy tersebut pada frekuensi yang lebih rendah dalam spektrum cahaya tampak. Bahan-bahan flourescen memiliki karakteristik fosforesensi yaitu memancarkan cahaya walaupun sumber eksitasi telah dihilangkan. Lama waktu cahaya yang tinggal setelah bahan yang bersinar hilang disebut ketahanan atau persistansi. Ketahanan  biasanya diukur berdasarkan waktu yang dibutuhkan oleh bayangan CRT agar berkurang ke suatu persistansi tertentu biasanya 10 persen dari keluaran cahaya semula.
Intensitas cahaya yang dipancarkan CRT disebut luminansi tergantung beberapa faktor. Pertama intensitas cahaya dikontrol oleh jumlah elektron pembombardir yang membentur layar setiap detik. Jika arus berkas diperbesar atau arus berkas dengan jumlah yang sama dipusatkan pada daerah yang lebih kecil dengan mengurangi ukuran bintik maka luminansi akan bertambah. Kedua luminansi bergantung pada energi benturan elektron pembombardir pada layar, energi benturan dapat ditingkatkan melalui penambahan tegangan pada anoda pemercepat.
Ketiga luminansi merupakan fungsi waktu benturan berkas pada permukaan lapisan fosfor ini berarti kecepatan penyapuan akan mempengaruhi luminansi. Akhirnya luminansi merupakan fungsi karakteristik fisik dan fosfor itu sendiri. Oleh karena itu hampir semua pabrik melengkapi pembeli dengan pilihan bahan fosfor, tabel di bawah ini menyajikan karakteristik beberapa fosfor yang lazim digunakan.