Lp.percobaan Jembatan Wheat Stone

Puji raharjo bsb papua

BAB I PENDAHULUAN

I.I. Judul Percobaan Pengukuran Temperatur dan Hambatan pada Rangkaian Jembatan Wheatstone I.II.a. Tujuan Percobaan jembatan wheatstone Setelah melakukan percobaan ini mahasiswa diharapkan mampu : 1. Memahami prinsip kerja Jembatan Wheatstone dan termistor. 2. Menyusun sendiri rangkaian Jembatan Wheatstone dengan amplifier. 3. Menentukan besarnya hambatan yang belum diketahui dengan Jembatan Wheatstone. 4. Mengetahui pengaruh suhu terhadap tegangan keluaran

I.II.b. tujuan percobaan catu daya 1. 2. 3. 4. Mengetahui rangkaian regulator catu daya menggunakan IC regulator 7812 dan 7912 Mampu merancang regulator catu daya Mengetahui cara kerja regulator catu daya Mampu menganalisis regulator catu daya


BAB II TINJAUAN PUSTAKAA. Jembatan Wheatstone Hambatan listrik merupakan karakteristik suatu bahan pengantar listrik/ konduktor,yang dapat di gunakan untuk mengatur besarnya arus listrik yang melewati suatu rangkaian. Hambatan sebuah konduktor di antara dua titik diukur dengan memasang sebuah beda potensial diantara titik-titik tersebut dan membandingkannya dengan arus listrik yang terukur. ( R=V/ I ). Cara pengukuran hambatan listrik dengan voltmeter dan ampermeter dapat menggunakan rangkain sperti gambar (1) dan gambar (2).

VR a IR Gambar 1. Pengukuran Hambatan cara pertama 1. Buktikan pengukuran gambar 1 menghasilkan harga R dalam persamaan (1) b

A

c IR

R

Vac RA I acIV

(1)

V Aa R IR b IA

Gambar 2. Pengukuran hambatan cara kedua 2. Buktikan pengukuran gambar 2 menghasilkan harga R dalam persamaan (2) !

R

V AB V I A AB RV

(2)

Metode jembatan Wheatstone dapat di gunakan untuk mengukur hambatan listrik. Cara ini tidak memerlukan alat ukur voltmeter dan amperemater,cukup satu Galvanometer untuk melihat apakah ada arus listrik yang melalui suatu rangkaian. Prinsip dari rangkaian jembatan Wheatstone di perlihatkan pada gambar (3).


C

RX Ra

GRS

S

Gambar 3. Rangkaian Jembatan Wheatstone Keterangan Gambar : S: Saklar penghubung G:Galvanometer E: Sumber tegangan arus Rs:Hambatan geser Ra dan Rb:Hambatan yang sudah di ketahui nilainya. Rx: Hambatan yang akan di tentukan nilainya. Saat saklar S di tutup,maka arus akan melewati rangkaian.Jika jarum Galvanometer menyimpang artinya ada arus yang melewatinya,yaitu antara titik C dan D ada beda potensial.Dengan mengatur besarnya Ra dan Rb juga hambatan geser Rs akan dapat di capai galvanometer G tak teraliri arus,artinya tak ada beda potensial antara titik C dan D. Dengan demikian akan berlaku persamaan :

Rx

Ra RS RB

(3)

Untuk menyederhanakan rangkaian dan untuk menghubungkan besarnya R bergantung pada panjang penghantar, maka rangkaian jembatan Wheatstone dapat di ubah menggunakan kawat penghantar seperti gambar (4 ) di bawah ini:

RaA L1

GL2

RXB

E

S

Gambar 4. Rangkaian Jembatan Wheatstone menggunakan kontak geser di atas kawat penghantar


Pada kawat penghantar AB di berikan suatu kontak geser yang berasl dari ujung Galvanometer. Gunanya untuk mengatur agar tercapai pengukuran panjang L1dan L2 yang akan menghasilkan arus di Galvanometer sama dengan NOL. Oleh karena itu pada kawat AB perlu di lengkapi skala ukuran panjang. Dengan menghubungkan persamaan (3) dengan persamaan (4) diperoleh hasil sebagai berikut:Rx L2 Ra (5) L1

PENGUAT JEMBATAN UNTUK SENSOR RESISTANSI Termistor adalah alat atau komponen atau sensor elektronika yang dipakai untuk mengukur suhu. Prinsip dasar dari termistor adalah perubahan nilai tahanan/resistance jika suhu atau temperatur yang mengenai termistor ini berubah. Ada dua macam termistor secara umum: Posistor atau PTC (Positive Temperature Coefficient), dan NTC (Negative Temperature Coefficien). Nilai tahanan pada NTC akan turun jika suhunya naik, sementara PTC justru kebalikannya.

Prinsip Kerja Termistor Sebuah termistor (RT) dipasang pada permukaan yang diam guna memberikan kompensasi temperatur. Setiap perubahan dalam daya hantar termal medium ini akan mengubah laju dimana panas didisipasi dari termistor pengindera, yang berarti mengubah temperaturnya. Ini menghasilkan ketidakseimbangan jembatan yang dapat dikalibrasi dalam satuan-satuan yang sesuai. Rangkaian khas jembatan dengan thermometer tahanan RT pada lengan jembatan yang tidak diketahui ditunjukkan pada gambar yang dieksitasi oleh arus bolak-balik. Tegangan sumber (suplai) bagi jembatan adalah cukup tinggi yang merupakan tegangan hasil output dari penguat untuk menaikkan termistor tersebut diatas temperatur sekelilingnya. Tegangan tidak setimbang pada rangkaian jembatan diumpankan ke sebuah penguat AC yang keluarannya mengahasilkan tegangan setimbang.


Potensiometer menghubungkan tiga tahanan yang berlainan didalam rangkaian kemudian nilainya diubah-ubah sampai indikator jembatan menunjukkan nol. Bila karakteristik temperatur tahanan dari elemen termometer adalah linear, penunjukkan galvanometer dapat di interpolasi secara linier antara nilai-nilai temperatur referensi yang distel dan temperatur skala penuh. B. Catu Daya Perangkat elektronika mestinya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar dapat dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber catu daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. Pada tulisan kali ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power supply) linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling sederhana sampai pada catu daya yang ter-regulasi. PENYEARAH (RECTIFIER) Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar-1 berikut ini. Transformator diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala listrik pada kumparan primernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya.

gambar 1 : rangkaian penyearah sederhana Pada rangkaian ini, dioda berperan untuk hanya meneruskan tegangan positif ke beban RL. Ini yang disebut dengan penyearah setengah gelombang (half wave). Untuk mendapatkan penyearah gelombang penuh (full wave) diperlukan transformator dengan center tap (CT) seperti pada gambar-2.

gambar 2 : rangkaian penyearah gelombang penuh


Tegangan positif phasa yang pertama diteruskan oleh D1 sedangkan phasa yang berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT transformator sebagai common ground.. Dengan demikian beban R1 mendapat suplai tegangan gelombang penuh seperti gambar di atas. Untuk beberapa aplikasi seperti misalnya untuk men-catu motor dc yang kecil atau lampu pijar dc, bentuk tegangan seperti ini sudah cukup memadai. Walaupun terlihat di sini tegangan ripple dari kedua rangkaian di atas masih sangat besar.

gambar 3 : rangkaian penyearah setengah gelombang dengah filter C Gambar 3 adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor C yang paralel terhadap beban R. Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa menjadi rata. Gambar-4 menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Garis b-c kira-kira adalah garis lurus dengan kemiringan tertentu, dimana pada keadaan ini arus untuk beban R1 dicatu oleh tegangan kapasitor. Sebenarnya garis b-c bukanlah garis lurus tetapi eksponensial sesuai dengan sifat pengosongan kapasitor.

gambar 4 : bentuk gelombang dengan filter kapasitor Kemiringan kurva b-c tergantung dari besar arus I yang mengalir ke beban R. Jika arus I = 0 (tidak ada beban) maka kurva b-c akan membentuk garis horizontal. Namun jika beban arus semakin besar, kemiringan kurva b-c akan semakin tajam. Tegangan yang keluar akan berbentuk gigi gergaji dengan tegangan ripple yang besarnya adalah : Vr = VM -VL ....... (1) dan tegangan dc ke beban adalah Vdc = VM + Vr/2 ..... (2) Rangkaian penyearah yang baik adalah rangkaian yang memiliki tegangan ripple paling kecil. VL adalah tegangan discharge atau pengosongan kapasitor C, sehingga dapat ditulis : VL = VM e -T/RC .......... (3) Jika persamaan (3) disubsitusi ke rumus (1), maka diperoleh : Vr = VM (1 - e -T/RC) ...... (4)


Jika T sehingga jika ini disubsitusi ke rumus (4) dapat diperoleh persamaan yang lebih sederhana : Vr = VM(T/RC) .... (6) VM/R tidak lain adalah beban I, sehingga dengan ini terlihat hubungan antara beban arus I dan nilai kapasitor C terhadap tegangan ripple Vr. Perhitungan ini efektif untuk mendapatkan nilai tengangan ripple yang diinginkan. Vr = I T/C ... (7) Rumus ini mengatakan, jika arus beban I semakin besar, maka tegangan ripple akan semakin besar. Sebaliknya jika kapasitansi C semakin besar, tegangan ripple akan semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya dianggap T=Tp, yaitu periode satu gelombang sinus dari jala-jala listrik yang frekuensinya 50Hz atau 60Hz. Jika frekuensi jala-jala listrik 50Hz, maka T = Tp = 1/f = 1/50 = 0.02 det. Ini berlaku untuk penyearah setengah gelombang. Untuk penyearah gelombang penuh, tentu saja fekuensi gelombangnya dua kali lipat, sehingga T = 1/2 Tp = 0.01 det. Penyearah gelombang penuh dengan filter C dapat dibuat dengan menambahkan kapasitor pada rangkaian gambar 2. Bisa juga dengan menggunakan transformator yang tanpa CT, tetapi dengan merangkai 4 dioda seperti pada gambar-5 berikut ini.

gambar 5 : rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter C Sebagai contoh, anda mendisain rangkaian penyearah gelombang penuh dari catu jala-jala listrik 220V/50Hz untuk mensuplai beban sebesar 0.5 A. Berapa nilai kapasitor yang diperlukan sehingga rangkaian ini memiliki tegangan ripple yang tidak lebih dari 0.75 Vpp. Jika rumus (7) dibolak-balik maka diperoleh. C = I.T/Vr = (0.5) (0.01)/0.75 = 6600 uF. Untuk kapasitor yang sebesar ini banyak tersedia tipe elco yang memiliki polaritas dan tegangan kerja maksimum tertentu. Tegangan kerja kapasitor yang digunakan harus lebih besar dari tegangan keluaran catu daya. Anda barangkalai sekarang paham mengapa rangkaian audio yang anda buat mendengung, coba periksa kembali rangkaian penyearah catu daya yang anda buat, apakah tegangan ripple ini cukup mengganggu. Jika dipasaran tidak tersedia kapasitor yang demikian besar, tentu bisa dengan memparalel dua atau tiga buah kapasitor. REGULATOR Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple-nya kecil, namun ada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus semakin besar ternyata tegangan dc keluarnya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.


Rangkaian regulator yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 6. Pada rangkaian ini, zener bekerja pada daerah breakdown, sehingga menghasilkan tegangan output yang sama dengan tegangan zener atau Vout = Vz. Namun rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebih dari 50mA.

gambar 6 : regulator zener Prinsip rangkaian catu daya yang seperti ini disebut shunt regulator, salah satu ciri khasnya adalah komponen regulator yang paralel dengan beban. Ciri lain dari shunt regulator adalah, rentan terhadap short-circuit. Perhatikan jika Vout terhubung singkat (short-circuit) maka arusnya tetap I = Vin/R1. Disamping regulator shunt, ada juga yang disebut dengan regulator seri. Prinsip utama regulator seri seperti rangkaian pada gambar 7 berikut ini. Pada rangkaian ini tegangan keluarannya adalah : Vout = VZ + VBE ........... (8) VBE adalah tegangan base-emitor dari transistor Q1 yang besarnya antara 0.2 - 0.7 volt tergantung dari jenis transistor yang digunakan. Dengan mengabaikan arus IB yang mengalir pada base transistor, dapat dihitung besar tahanan R2 yang diperlukan adalah : R2 = (Vin - Vz)/Iz .........(9) Iz adalah arus minimum yang diperlukan oleh dioda zener untuk mencapai tegangan breakdown zener tersebut. Besar arus ini dapat diketahui dari datasheet yang besarnya lebih kurang 20 mA.

gambar 7 : regulator zener follower


Jika diperlukan catu arus yang lebih besar, tentu perhitungan arus base IB pada rangkaian di atas tidak bisa diabaikan lagi. Dimana seperti yang diketahui, besar arus IC akan berbanding lurus terhadap arus IB. Untuk keperluan itu, transistor Q1 yangIB atau dirumskan dengan IC = dipakai bisa diganti dengan tansistor darlington yang biasanya memiliki nilai yang cukup besar. Dengan transistor darlington, arus base yang kecil bisa menghasilkan arus IC yang lebih besar. Teknik regulasi yang lebih baik lagi adalah dengan menggunakan Op-Amp untuk men-drive transistor Q, seperti pada rangkaian gambar 8. Dioda zener disini tidak langsung memberi umpan ke transistor Q, melainkan sebagai tegangan referensi bagi Op-Amp IC1. Umpan balik pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan dari tegangan keluar regulator, yaitu : Vin(-) = (R2/(R1+R2)) Vout ....... (10) Jika tegangan keluar Vout menaik, maka tegangan Vin(-) juga akan menaik sampai tegangan ini sama dengan tegangan referensi Vz. Demikian sebaliknya jika tegangan keluar Vout menurun, misalnya karena suplai arus ke beban meningkat, Op-amp akan menjaga kestabilan di titik referensi Vz dengan memberi arus IB ke transistor Q1. Sehingga pada setiap saat Opamp menjaga kestabilan : Vin(-) = Vz ......... (11)

gambar 8 : regulator dengan Op-amp Dengan mengabaikan tegangan VBE transistor Q1 dan mensubsitusi rumus (11) ke dalam rumus (10) maka diperoleh hubungan matematis : Vout = ( (R1+R2)/R2) Vz........... (12) Pada rangkaian ini tegangan output dapat diatur dengan mengatur besar R1 dan R2. Sekarang mestinya tidak perlu susah payah lagi mencari op-amp, transistor dan komponen lainnya untuk merealisasikan rangkaian regulator seperti di atas. Karena rangkaian semacam ini sudah dikemas menjadi satu IC regulator tegangan tetap. Saat ini sudah banyak dikenal komponen seri 78XX sebagai regulator tegangan tetap positif dan seri 79XX yang merupakan regulator untuk tegangan tetap negatif. Bahkan komponen ini biasanya sudah dilengkapi dengan pembatas arus (current limiter) dan juga pembatas suhu (thermal shutdown). Komponen ini hanya tiga pin dan dengan menambah beberapa komponen saja sudah dapat menjadi rangkaian catu daya yang ter-regulasi dengan baik.


gambar 9 : regulator dengan IC 78XX / 79XX Misalnya 7805 adalah regulator untuk mendapat tegangan 5 volt, 7812 regulator tegangan 12 volt dan seterusnya. Sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912 yang berturutturut adalah regulator tegangan negatif 5 dan 12 volt. Selain dari regulator tegangan tetap ada juga IC regulator yang tegangannya dapat diatur. Prinsipnya sama dengan regulator OP-amp yang dikemas dalam satu IC misalnya LM317 untuk regulator variable positif dan LM337 untuk regulator variable negatif. Bedanya resistor R1 dan R2 ada di luar IC, sehingga tegangan keluaran dapat diatur melalui resistor eksternal tersebut. Hanya saja perlu diketahui supaya rangkaian regulator dengan IC tersebut bisa bekerja, tengangan input harus lebih besar dari tegangan output regulatornya. Biasanya perbedaan tegangan Vin terhadap Vout yang direkomendasikan ada di dalam datasheet komponen tersebut. Pemakaian heatshink (aluminium pendingin) dianjurkan jika komponen ini dipakai untuk men-catu arus yang besar. Di dalam datasheet, komponen seperti ini maksimum bisa dilewati arus mencapai 1 A.


BAB III METODOLOGIIII.I. Alat dan Bahan III.I.I. Alat 1. Solder 2. Penyedot Timah 3. Multimeter 4. Termometer 5. Hot plate III.I.II. Bahan jembatan wheatstone 1. Termistor PTC = 1 buah 2. Termistor NTC 1 k = 1 buah 3. Papan PCB = 1 buah 4. Resistor 1 k = 3 buah 5. Resistor 100 k = 2 buah 6. Resistor 2 k = 2 buah 7. OP AMP 741 = 3 buah 8. Kabel jumper 9. Timah 10. Kabel biasa 11. Cok = 1 buah 12. Es batu III.I.II. Bahan catu daya 1. Papan pcb 2. Travo 500 mA 3. Dioda 4011 = 4 buah 4. Elco 2200 f 5. Elco 1100 f 6. Ic 7812 = 1 buah 7. Ic 7912 = 1 buah 8. Jeft + kabel 3 buah 9. Kabel jamper 10. Box catu daya III. II. Prosedur Percobaan jembatan wheatstone 1. 2. 3. Uji komponen-komponen yang akan digunakan dengan menggunakan multimeter Susun dan solder rangkaian pada PCB seperti pada gambar kemudian hubungkan catu daya (gunakan termistor PTC) Sambungkan rangkaian serta catu daya pada arus listrik


4. 5. 6. 7.

Perhatikan perubahan resistansi saat temperature pada termistor bernilai tetap dan beruba Catat setiap perubahan temperature dan perubahan resistansi pada table Ulangi langkah 2 sampai 5 dengan mengunakan termistor NTC Bandingkan hasil dari langkah 4 sampai 6 dengan teori kemudian sertakan pada table

III.II.b. Prosedur percobaan catu daya 1. Uji komponen komponen dengan menggunakan multimeter 2. Susun dan solder rangkaian pada papan pcb seperti pada gambar dibawah ini

3. Sambungkan rangkaian pada arus listrik untuk mengetahuhi berapa tegangan yang keluar dengan menggunakan multimeter 4. Mengukur arus, hambatan luar, hambatan dalam dengan menggunakan multimeter 5. Catat nilai yang keluar

III. III.a. Gambar Rangkaian jembatan wheatstone


III.III.b. Gambar rangkaian catu daya


BAB IV HASILIV. I. Hasil Percobaan IV. I. a. Jembatan wheatstone Tabel perbandingan antara Teori dan Praktek I. No 1 2 3 4 5 4 29 64 78 90 Tabel pengukuran Termistor PTC (teori) Suhu (0c) Resistansi () R=12 R=kT ; R=3.29 ; R=87 R=192 234 270

II. No 1 2 3 4 5 4 29 64 78 90

Tabel pengukuran Termistor PTC (praktek) Suhu (oc) Resistansi () 11 80 195 229 271 1,95 1,4 1,25 0,85 0,5 VO (v)

IV.I. b. Catu daya Dari hasil pengukuran catu daya didapat hasil : a. Tengan 11 V atau Vtotal = 22 V b. Arus I= 25 A atau Itotal = 50 A c. Daya P = V.I P = 22.50 = 1100 Watt IV.II. pembahasan Didalam praktikum ini kita membuat penguat jembatan wheatstone dan catu daya atau power suplay. Dalam Penguat jembatan wheatstone ini kita membuat 2 penguat jembatan yaitu penguat differensial dan penguat instrumen. Dikatakan penguat differensial karena menggunakan satu kaki penguat OP AMP. Yang pertama dilakukan adalah menguji komponen-komponen dengan menggunakan multimeter sesudah itu menyusun rangkaian pada papan PCB lalu sambungkan rangkaian serta catu daya pada arus listrik lalu perhatikan dan cacat perubahan temperatur saat termistor di celupkan kedalam air. Sedangkan dikatakan


penguat instrumen karena menggunakan 3 kaki penguat OP AMP. Dalam praktikum ini kami sudah menyusun rangkaiannya tetapi setelah melakukan pengukuran tidak ada tegangan yang keluar. Berikutnya yang dilakukan lagi adalah pembuatan catu daya. Dalam pembuatan catu daya yang kami gunakan adalah travo 500 mA, IC 7812 dan 7912, elco 2200 f dan 1100 f,dioda 4011. Susun dan solder rangkaian pada papan PCB lalu ukur apakah ada tegangan keluaran atau tidak. Jika ada berarti pembuatan catu daya berhasil setelah itu ukur tegangan, arus, dan daya pada catu daya.

BAB V


PENUTUP V.I kesimpulan Adapun kesimpulan yang di dapat yaitu: 1. Untuk termistor PTC suhu naik resistansi juga naik tetapi tegangan menurun 2. Pada jembatan wheastone digunakan resistor yang nilainya kecil agar diperoleh tegangan yang besar. 3. Untuk catu daya digunakan IC 7812 dan 7912 agar diperoleh tegangan 12 V

DAFTAR PUSTAKA


Serway, R. Physics for scientist & Engineers With Modern Physics , James Madison University Harrison burg, Virginia, 1989 Bab 28. Resnick & Haliday, Fisika Jilid 2 (terjemahan) Bab 32.

Documents

Lp.percobaan Jembatan Wheat Stone