Cara Kerja Ampere Meter dan Voltmeter: Gerak D'Arsonval, Shunt, dan Resistor Seri

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 05: Arus, Hambatan, dan Beda Potensial (artikel 5 dari 8)

Ampere meter dan voltmeter analog sama-sama memakai satu alat inti yang disebut gerak D'Arsonval, yaitu kumparan kecil di dalam medan magnet yang berputar melawan pegas. Keduanya berbeda hanya pada rangkaian yang dipasang di sekeliling kumparan itu. Ampere meter diberi shunt, yaitu hambatan yang sangat kecil dan dipasang paralel supaya sebagian besar arus lewat di luar kumparan. Voltmeter diberi resistor seri bernilai besar supaya hanya arus yang sangat kecil masuk ke kumparannya.

Arus di kumparan menghasilkan gaya yang berlawanan di kedua sisinya, dan pegas menahan putaran itu sampai seimbang.

Meter Digital dan Meter Analog

Modul menyebut meter digital sebagai yang paling mudah dibaca, dan itu masih benar sampai hari ini.

Alasannya sederhana. Meter digital menampilkan angka, jadi tidak ada jarum yang harus ditebak posisinya di antara dua garis skala, dan tidak ada pula kesalahan sudut pandang yang muncul saat mata pembaca tidak tepat lurus di depan jarumnya.

Tetapi meter analog belum punah di bengkel, dan ada alasannya.

Jarum memperlihatkan perubahan lebih baik daripada angka. Saat Anda mencari sambungan yang kadang menyambung kadang tidak, getaran jarum lebih mudah ditangkap mata.

Jadi keduanya masih terpakai. Yang digital untuk angka, yang analog untuk gejala.

Gerak D'Arsonval

Inti semua meter analog adalah satu susunan yang sama.

Ada magnet tetap berbentuk sepatu kuda yang menghasilkan medan magnet di celah antara kedua kutubnya. Di dalam celah itu dipasang kumparan kawat halus yang bisa berputar pada porosnya, dan pada poros yang sama menempel jarum penunjuk beserta sebuah pegas spiral yang sangat halus dan menahan putarannya.

Saat arus masuk ke kumparan, kumparan itu jadi elektromagnet kecil yang berada di dalam medan magnet tetap.

Di sinilah hukum yang sudah dibahas di artikel kaidah tangan kiri dan kanan bekerja. Kawat berarus di dalam medan magnet mendapat gaya, dan karena kedua sisi kumparan mengalirkan arus ke arah yang berlawanan, gaya pada sisi kiri mengarah ke atas sementara gaya pada sisi kanan mengarah ke bawah.

Dua gaya berlawanan arah itu menghasilkan putaran.

Yang menahan putaran adalah pegasnya. Kumparan berputar sampai gaya putar dari arus seimbang dengan gaya balik pegas, lalu jarum berhenti di posisi itu, sehingga posisi jarum sebanding dengan besar arus yang mengalir di kumparan.

Prinsip ini sama persis dengan prinsip motor listrik. Bedanya, pada motor kumparannya dibiarkan berputar terus, sedangkan pada meter putarannya sengaja dibatasi pegas supaya posisinya bisa dibaca.

Shunt pada Ampere Meter

Kumparan gerak D'Arsonval sangat halus. Arus yang sanggup dilewatkannya biasanya hanya di kisaran mikroampere sampai beberapa miliampere, jauh di bawah arus yang ingin kita ukur di bengkel.

Jalan keluarnya shunt.

Shunt adalah hambatan presisi bernilai sangat kecil yang dipasang paralel dengan kumparan meter. Karena nilainya jauh lebih kecil daripada hambatan kumparan, hampir seluruh arus memilih lewat shunt, dan hanya sepotong kecil yang masuk ke kumparan untuk menggerakkan jarumnya.

Pembagiannya tetap dan bisa dihitung sejak perancangan, jadi jarum tetap menunjukkan arus total dengan benar walaupun yang benar-benar lewat kumparan hanya sebagian kecil yang sangat kecil dari seluruh arus itu.

Dari sini datang dua hal yang disebut modul. Pertama, nilai shunt menentukan rentang ukurnya. Kedua, saklar putar pada ampere meter sebenarnya bekerja dengan memilih shunt yang berbeda untuk tiap rentang, bukan dengan mengubah kumparannya.

Ambil contoh gerak meter 1 mA dengan hambatan kumparan 100 Ω. Untuk rentang 1 ampere, shunt harus membawa 0,999 A sementara kumparan membawa 0,001 A, dan nilai shunt yang dibutuhkan sekitar 0,1 Ω. Untuk rentang 10 ampere, nilainya turun lagi menjadi sekitar 0,01 Ω.

Angka sekecil itu menjelaskan kenapa shunt dibuat dari bahan khusus. Nilainya tidak boleh berubah saat panas.

Resistor Seri pada Voltmeter

Voltmeter memakai gerak yang sama. Masalahnya kebalikan.

Kumparan meter hanya butuh arus sangat kecil untuk defleksi penuh. Kalau kumparan itu langsung dipasang ke tegangan yang hendak diukur, arus yang masuk akan jauh melebihi kemampuannya, dan kawat halus di dalamnya rusak dalam sekejap tanpa peringatan apa pun.

Jadi yang ditambahkan bukan hambatan kecil, melainkan hambatan besar yang dipasang seri. Modul menyebutnya resistor seri, dan tugasnya membatasi arus yang masuk ke kumparan sampai pada nilai yang tepat untuk tegangan yang ingin diukur.

Contoh Hitungan Resistor Seri

Bagian ini perluasan di luar modul. Hitungannya pendek.

Misalkan gerak meternya 1 mA defleksi penuh dengan hambatan kumparan 100 Ω, dan kita ingin memakainya sebagai voltmeter dengan rentang 10 volt.

Pada 10 volt, arus yang boleh mengalir cuma 1 mA, jadi hambatan total rangkaian harus:

R total = 10 V ÷ 0,001 A = 10.000 Ω

Kumparannya sendiri sudah menyumbang 100 Ω, jadi resistor serinya:

R seri = 10.000 − 100 = 9.900 Ω

Dengan cara yang sama, rentang yang lain memerlukan resistor seri seperti ini.

Rentang	Hambatan total	Resistor seri
1 V	1.000 Ω	900 Ω
10 V	10.000 Ω	9.900 Ω
50 V	50.000 Ω	49.900 Ω
250 V	250.000 Ω	249.900 Ω

Perhatikan polanya. Hambatan total selalu 1.000 Ω untuk setiap volt rentangnya, dan angka itulah yang dulu dicantumkan di muka multimeter analog sebagai sensitivitas dalam ohm per volt.

Makin besar angka ohm per volt, makin sedikit arus yang dicuri meter dari rangkaian yang diukur, sehingga makin kecil pula kemungkinan hasil ukurnya menyimpang hanya karena kehadiran alat ukur itu sendiri di dalam rangkaian.

Gerak meternya sama, yang berbeda hanya hambatan di sekelilingnya dan cara memasangnya.

Kenapa Ampere Meter Dipasang Seri dan Voltmeter Paralel

Perluasan di luar modul. Ini kesalahan pemasangan yang paling mahal.

Ampere meter mengukur arus yang lewat, jadi ia harus disisipkan ke dalam jalur arusnya. Rangkaian dibuka, lalu meternya dipasang tepat di celah itu.

Karena harus dilewati arus beban, ampere meter dirancang berhambatan sangat kecil.

Voltmeter mengukur selisih tegangan antara dua titik, jadi ia dipasang menyeberang, paralel dengan bagian yang ingin diukur. Rangkaian tidak perlu dibuka sama sekali.

Karena hanya menempel menyeberang, voltmeter dirancang berhambatan sangat besar supaya hampir tidak menarik arus.

Sekarang tukar keduanya dan lihat akibatnya.

Voltmeter yang dipasang seri akan membuat arus beban hampir tidak bisa mengalir, karena hambatannya ratusan ribu ohm, sehingga bebannya tidak bekerja. Itu merepotkan tapi tidak merusak.

Ampere meter yang dipasang paralel pada sumber tegangan adalah hubung singkat. Hambatannya sepersepuluh ohm, dipasang langsung menyeberang sumber, dan yang terjadi berikutnya adalah ledakan kecil di dalam alat, sekring putus, atau alatnya rusak permanen.

Itu sebabnya terminal arus pada multimeter yang baik selalu punya sekring sendiri, dan itu juga sebabnya kabel probe harus dipindahkan secara sadar saat berganti dari mengukur tegangan ke mengukur arus.

Sudut Pandang Workshop

Di bengkel saya, ampere meter yang paling sering dipakai justru bukan yang dipasang seri.

Yang dipakai setiap hari tang ampere. Alat ini mengukur arus tanpa membuka rangkaian, cukup dengan menjepit satu penghantar, sehingga mesinnya tidak perlu dimatikan lebih dulu dan tidak ada satu pun kabel yang perlu dilepas dari terminalnya.

Ada satu aturan pemakaian yang sering dilanggar pemula. Jepitan tang ampere hanya boleh memuat satu penghantar.

Kalau yang dijepit sepasang kabel yang arusnya pergi dan pulang, kedua arus itu saling menghapuskan dan angkanya akan mendekati nol, padahal mesinnya jelas sedang bekerja. Saya pernah dilapori teknisi bahwa sebuah pompa tidak menarik arus sama sekali, dan setelah dicek ternyata yang dijepit adalah kabel bersama kedua penghantarnya di dalam satu selubung.

Untuk arus searah ada tambahannya. Tang ampere biasa hanya bisa mengukur arus bolak-balik, karena cara kerjanya mengandalkan medan yang berubah.

Untuk mengukur arus pengisian atau arus pengosongan paket baterai, yang dibutuhkan tang ampere berjenis hall effect yang memang bisa membaca arus searah. Ini penting diketahui sebelum membeli, karena dua jenis itu bentuknya nyaris sama dan harganya jauh berbeda.

Satu kebiasaan terakhir yang saya tegakkan. Setelah selesai mengukur arus, kabel probe langsung dipindahkan kembali ke terminal tegangan.

Alasannya bukan soal kerapian. Multimeter yang ditinggal pada posisi ukur arus adalah kecelakaan yang menunggu pemakai berikutnya, karena orang berikutnya hampir selalu mengira alat itu siap mengukur tegangan.

Cek Pemahaman

1. Meter listrik yang paling mudah dibaca adalah meter jenis apa?
   Jawaban: digital, karena menampilkan angka langsung.
2. Pada ampere meter, sebagian besar arus melewati apa?
   Jawaban: shunt.
3. Voltmeter memiliki resistor khusus yang disebut apa?
   Jawaban: resistor seri.
4. Gerak meter 1 mA dengan kumparan 100 Ω dipakai untuk rentang 10 V. Berapa resistor serinya?
   Jawaban: 9.900 Ω, dari 10.000 dikurangi 100.
5. Apa yang terjadi kalau ampere meter dipasang paralel pada sumber tegangan?
   Jawaban: itu sama dengan hubung singkat, dan alatnya bisa rusak atau sekringnya putus.

Baca Juga

• Cara Kerja Ohmmeter dan Multimeter Analog
• Kaidah Tangan Kiri dan Kanan untuk Listrik dan Magnet
• Cara Menggunakan Multimeter Langkah demi Langkah
• Hukum Ohm: Rumus V = I × R dan Contoh Soalnya

Ringkasan

• Meter analog memakai gerak D'Arsonval, yaitu kumparan berputar di dalam medan magnet tetap.
• Gaya berlawanan pada dua sisi kumparan menghasilkan putaran yang ditahan pegas.
• Posisi jarum sebanding dengan besar arus yang lewat kumparan.
• Ampere meter diberi shunt, hambatan sangat kecil yang dipasang paralel.
• Saklar rentang pada ampere meter bekerja dengan memilih shunt yang berbeda.
• Voltmeter diberi resistor seri bernilai besar untuk membatasi arus ke kumparan.
• Gerak 1 mA berkumparan 100 Ω butuh resistor seri 9.900 Ω untuk rentang 10 V.
• Sensitivitas voltmeter dinyatakan dalam ohm per volt, dan pada contoh itu nilainya 1.000.
• Ampere meter dipasang seri, voltmeter dipasang paralel.
• Tang ampere hanya boleh menjepit satu penghantar, dan arus searah butuh jenis hall effect.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Bagaimana ampere meter bekerja?

Ampere meter analog memakai gerak D'Arsonval, yaitu kumparan kawat halus yang dipasang di dalam medan magnet tetap dan bisa berputar melawan sebuah pegas. Arus yang lewat kumparan menghasilkan gaya yang memutarnya sampai seimbang dengan pegas, dan posisi jarum pada saat seimbang itulah yang menunjukkan besar arusnya.

Apa fungsi shunt pada ampere meter?

Shunt adalah hambatan presisi bernilai sangat kecil yang dipasang paralel dengan kumparan meter, sehingga hampir seluruh arus lewat melalui shunt dan hanya sebagian kecil yang masuk ke kumparan. Fungsinya membuat meter yang kumparannya hanya tahan beberapa miliampere bisa dipakai mengukur arus sampai puluhan ampere, dan nilai shunt itulah yang menentukan rentang ukurnya.

Kenapa voltmeter punya hambatan besar?

Karena kumparan meter hanya butuh arus sangat kecil, sehingga harus ada resistor seri bernilai besar yang membatasi arus masuk agar kumparannya tidak rusak. Hambatan besar itu sekaligus membuat voltmeter hampir tidak menarik arus dari rangkaian yang diukur, sehingga hasil ukurnya tidak banyak mengganggu keadaan rangkaian tersebut.

Apa itu gerak D'Arsonval?

Gerak D'Arsonval adalah susunan kumparan kawat yang dipasang pada poros di dalam celah magnet tetap, lengkap dengan jarum penunjuk dan pegas spiral halus. Susunan ini menjadi inti hampir semua meter analog, dan prinsipnya sama dengan prinsip motor listrik hanya saja putarannya sengaja dibatasi pegas supaya bisa dibaca.

Mana yang lebih mudah dibaca, meter analog atau digital?

Meter digital lebih mudah dibaca karena menampilkan angka langsung tanpa risiko salah menafsirkan posisi jarum di antara dua garis skala. Meter analog tetap berguna untuk mengamati perubahan, misalnya saat mencari sambungan yang kadang menyambung kadang tidak, karena getaran jarum lebih mudah ditangkap mata daripada angka yang melompat.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 5, bagian Measuring Current dan Measuring Potential Difference (modul internal Motor Academy).
• Kunci kuis modul nomor 8 sampai 10: meter digital paling mudah dibaca, sebagian besar arus lewat shunt, dan voltmeter memakai resistor seri.
• Contoh hitungan resistor seri 9.900 Ω untuk gerak 1 mA berkumparan 100 Ω pada rentang 10 V, dihitung ulang dan cocok.
• Nilai shunt sekitar 0,1 Ω untuk rentang 1 A dan 0,01 Ω untuk 10 A pada gerak yang sama adalah perluasan di luar modul.
• Catatan tang ampere satu penghantar dan kebutuhan jenis hall effect untuk arus searah berasal dari praktik bengkel servis motor listrik.