92 Tetimbang Dalam Keadaan Nol Tetimbang dalam keadaan nol apabila voltan antara titik A adalah sama dengan voltan antara titik B, pengesan nol akan menunjukkan bacaan sifar ( Ig = 0A). Ini bermakna tiada aliran arus melalui beban. Rajah 4.3 : Litar Tetimbang Syarat Untuk Tetimbang Dalam Keadaan Nol Untuk membolehkan tetimbang Wheatstone berada dalam keadaan keseimbangan, tiga keadaan mesti dipertimbangkan iaitu: i. Voltan antara lengan perintang adalah sama, VA = VB atau VR3 = VR4 ii. Tiada aliran arus ke meter Galvano (Ig= 0 A) dan arus yang mengalir melalui R2 adalah sama dengan arus yang mengalir melalui R4. iii. Nisbah perintang pada kedua-dua belah tetimbang adalah sama. (R1/R2 = R3/R4)
93 Terbitan Rumus Bagi Tetimbang Wheatstone Apabila Dalam Keadaan Seimbang Bagi menghasilkan rumus untuk tetimbang Wheatstone, voltan A (VA) mesti sama dengan voltan B (VB). Rajah 4.4 : Terbitan Rumus Bagi Tetimbang Wheatstone
94 Contoh 1: Berdasarkan rajah 4.5, terbitkan persamaan untuk R4 jika tetimbang berada dalam keadaan seimbang. Rajah 4.5 : Litar Tetimbang Wheatstone Penyelesaian :
95 Contoh 2 Tetimbang Wheatstone dalam Rajah 4.6 mempunyai R1 = 10 KΩ, R2 = 15KΩ dan R3 = 40KΩ. Hitung nilai rintangan yang tidak diketahui, R4. Rajah 4.6 : Litar Tetimbang Wheatstone Penyelesaian : Daripada persamaan tetimbang, kita telah ketahui bahawa : R2R3 = R1R4 Oleh itu: Rx / R4 = (R2 x R3) R1 Rx = (15k x 40k) 10k Rx = 60kΩ
96 4.2 TETIMBANG KELVIN Tetimbang Kelvin telah diperkenalkan dan dibuktikan oleh Sir William Thompson, 1st Baron Kelvin. Ia digunakan untuk mengukur rintangan elektrik yang tidak diketahui di bawah 1Ω. Rintangan dalam julat 1Ω hingga lebih kurang 1µΩ boleh diukur dengan tahap ketepatan yang tinggi menggunakan tetimbang Kelvin. Tetimbang Kelvin pada dasarnya adalah diubah suai dari tetimbang Wheatstone. Tujuan pengubahsuaian adalah untuk menghapuskan kesan rintangan malar dan plumbum apabila mengukur rintangan rendah yang tidak diketahui dan dengan itu membenarkan pengukuran rintangan rendah yang tepat. Tetimbang Kelvin masih menggunakan konsep yang sama dengan tetimbang Wheatstone iaitu kaedah penunjuk nol.
97 Litar Skematik Tetimbang Kelvin Rajah 4.7 : Litar Tetimbang Kelvin Berdasarkan rajah 4.7 : i. Rintangan, Ry mewakili rintangan petunjuk penyambung dari R3 ke Rx. ii. Rintangan Rx ialah rintangan yang tidak diketahui untuk diukur. iii. Galvanometer boleh disambungkan kepada sama ada terminal a, b atau terminal c. Apabila galvanometer disambungkan ke titik a, Ry ditambah kepada Rx menghasilkan petunjuk tinggi untuk Rx. Apabila galvanometer disambungkan ke titik c, Ry ditambah kepada R3 menyebabkan ukuran Rx lebih rendah daripada nilai sebenar. Jika galvanometer disambungkan ke titik b, nisbah rintangan dari c kepada b dan daripada a kepada b sama dengan nisbah rintangan R1 dan R2, maka :
98 dan persamaan imbangan biasa untuk tetimbang memberikan hubungan Oleh itu :
99 BAB 5 : METER TENAGA 5.0 PENGENALAN Meter Tenaga ialah meter yang digunakan untuk mengukur jumlah kuasa elektrik yang digunakan. Terdapat pelbagai jenis meter tenaga seperti meter watt, meter kilowatt-jam, meter pengapit dan lain-lain. 5.1 METER WATT Jenis – jenis Meter Kuasa (Meter A,B,C-KWH,D- Wattmeter). Rajah 5.1 : Jenis – jenis meter kuasa (meter A,B,C-KWH, D- Wattmeter).
100 Tiga persamaan untuk kuasa dalam litar yang secara kolektif dikenali sebagai hukum Watt ialah: P IV = 2 P I = R 2 V P R = Contoh 1: Apakah kuasa yang terlesap oleh pemanas yang menarik 12 A arus daripada bekalan 120 V? Penyelesaian: (12 A 120 V )( ) 1440 W P IV = = =
101 Contoh 2: Apakah kuasa yang terlesap dalam perintang 27 W ialah semasa ialah 0.135 A? Penyelesaian: Memandangkan anda mengetahui rintangan dan arus, gantikan nilai kepada P =I 2R. ( ) 2 2 (0.135 A) 27 0.49 W P I R = = = Simbol Meter Watt Analog Rajah 5.2 : Simbol Meter Watt Analog W
102 Prinsip Meter Watt Analog Meter Watt analog tradisional ialah instrumen elektrodinamik. Peranti terdiri daripada: sepasang gegelung tetap, (dikenali sebagai gegelung semasa) gegelung boleh alih (dikenali sebagai gegelung potensi / voltan). Rajah 5.3: Litar Meter watt elektrodinamik yang dipermudahkan. ● Gegelung arus disambung secara bersiri dengan litar, manakala gegelung voltan disambung selari dengan litar. ● Apabila arus yang mengalir melalui gegelung arus menjana medan elektromagnet di sekeliling gegelung. ● Kekuatan medan ini adalah berkadar dengan arus talian dan selaras dengannya. ● Gegelung voltan membawa jarum yang bergerak di atas skala untuk menunjukkan ukuran ● Gegelung voltan meter watt biasanya mempunyai perintang rintangan tinggi yang disambungkan secara bersiri dengannya (untuk mengurangkan arus yang mengalir melaluinya)
103 ● Hasil daripada susunan ini ialah pada litar dc, pesongan jarum adalah berkadar dengan kedua-dua arus dan voltan dengan itu menepati persamaan P =VI. Gegelung Voltan Dan Gegelung Arus Meter Watt Dua mekanisme utama wattmeter ialah: i. Gegelung voltan Banyak lilitan wayar halus yang terbungkus dalam plastik yang disambungkan selari dengan beban. ii. Gegelung semasa Tiga lilitan wayar tebal, disambung secara bersiri dengan beban.
104 Gambar Rajah Blok Meter Watt Digital Rajah 5.4 : Rajah blok Meter Watt digital ● Unit mikropengawal yang merupakan asas otak sistem. ● ADC digunakan untuk menukar voltan AU dan sumber arus kepada bentuk gelombang digital. ● Modul skrin LCD yang merupakan penggunaan bentuk penarafan kuasa beban paparan visual dalam watt ● Unit tetapan semula automatik menetapkan semula mikropengawal selepas setiap ekskusi tugas mikro saat. ● Perintang tarik ke atas digunakan untuk menyediakan bekalan kuasa +ve 5 volt ke port 0 mikropengawal di mana skrin paparan LCD disambungkan. ● Transfomer yang bertanggungjawab untuk pensampelan gelombang voltan dan arus. ● Op Amp ialah IC yang digunakan sebagai pembanding untuk membandingkan magnitud voltan AC dan isyarat arus
105 Bezakan Antara Meter Watt Analog Dan Meter Watt Digital METER WATT ANALOG METER WATT DIGITAL Disebabkan bahagian yang bergerak adalah kehilangan dan geseran pada galas Kehilangan mekanikal dapat dikurangkan kerana tiada bahagian yang bergerak. Ketepatan adalah kurang berbanding meter watt digital Ketepatan adalah tinggi berbanding analog wattmeter Ralat mungkin berlaku semasa membaca skala kerana tidak linearitinya Kemudahan paparan digital untuk membaca kuasa dalam pecahan dan mengikut cara yang betul Ia tidak memerlukan sebarang bekalan tambahan Memerlukan bekalan kuasa dc tambahan Boleh dipercayai kerana tiada komplikasi dalam reka bentuk Kebolehpercayaan adalah kurang berbanding analog Tiada kesan transien bekalan ke atas prestasi meter Sebarang transien bekalan boleh merosakkan wattmeter Lebih stabil kepada getaran dan variasi suhu Kesan besar getaran dan suhu ke atas prestasi komponen elektrik Jadual 5.1 : Perbezaan antara Meter Watt analog dan wattmeter Meter Watt digital
106 5.2 : METER KILOWATT JAM (kWj) Pengenalan Meter Kilowatt ialah alat yang digunakan untuk mengukur kuasa elektrik. Unit piawai bagi kuasa elektrik ialah watt atau kilowatt. Bagi kuasa elektrik, satu watt adalah sama dengan satu joule tenaga elektrik sesaat. Terdapat beberapa jenis wattmeter iaitu Meter Watt dinamometer, Meter Watt aruhan, Meter Watt elektrostatik dan lain - lain. Rajah 5.5 : Contoh Meter Kwj Prinsip Asas Meter Kwj Analog ● Meter Kilowatt-jam ialah instrumen untuk mengukur jumlah tenaga elektrik yang digunakan oleh kediaman, perniagaan atau peranti berkuasa elektrik. o Tenaga = Kuasa x masa ( joule ) ● Kilowatt hour paling biasa dikenali sebagai unit pengebilan untuk tenaga yang dihantar kepada pengguna melalui utiliti elektrik. ● Pada dasarnya, meter watt-jam ialah motor kecil yang kelajuan serta-merta adalah berkadar dengan kuasa yang melaluinya. ● Jumlah pusingan dalam masa tertentu adalah berkadar dengan jumlah tenaga atau watt-jam, yang digunakan pada masa itu. ● Gegelung semasa disambung secara bersiri dengan talian dan gegelung voltan disambungkan merentasi garisan. ● Kedua-dua gegelung dililit pada bingkai logam reka bentuk khas, menyediakan dua litar magnetik.
107 ● Cakera aluminium ringan digantung dalam celah udara medan gegelung semasa, yang menyebabkan arus pusar mengalir dalam cakera. Pembinaan Meter kWj Meter tenaga jenis induksi fasa tunggal terdiri daripada sistem pemanduan, sistem bergerak, sistem brek dan sistem pendaftaran. Rajah 5.6 : Pembinaan meter Kilowatt-jam (A) Driving System ● Terdiri daripada dua elektromagnet berlamina keluli silikon. ● Merujuk rajah 5.5, elektromagnet M1 dipanggil magnet siri atau gegelung arus (CC) dan elektromagnet M2 dipanggil magnet pirau atau gegelung voltan (VC).
108 ● Gegelung arus membawa gegelung yang terdiri daripada beberapa lilitan wayar tebal dan ia disambung secara bersiri dengan litar. Arus beban mengalir melalui gegelung ini. ● Gegelung voltan membawa gegelung yang terdiri daripada banyak lilitan wayar nipis dan ia disambungkan merentasi bekalan. (B) Moving System ● Moving system terdiri daripada cakera aluminium nipis yang dipasang pada gelendong dan diletakkan di dalam celah udara antara siri dan magnet pirau. ● Ia memotong fluks kedua-dua daya magnet yang dihasilkan oleh fluks M1 & M2 . ● Kedua-dua daya ini bertindak pada cakera. Kedua-dua daya ini membentuk daya kilas terpesong. (C) Braking System ● Braking system terdiri daripada magnet kekal yang dipanggil magnet brek. ● Menyediakan daya kilas brek yang diperlukan bagi menentang gerakan cakera. (D) Registering System ● Spindle cakera disambungkan kepada mekanisme pengiraan mekanisme ini merekodkan nombor yang berkadar dengan bilangan pusingan cakera. ● Kaunter ditentukur untuk menunjukkan tenaga yang digunakan secara langsung dalam kilo watt-jam (kWj)
109 Konstruk Sambungan Meter Kwj Untuk Pengukuran Tenaga Elektrik Utama (input) : Sumber voltan Beban: Lampu, Kipas Rajah 5.7 : Sambungan meter kwj untuk pengukuran tenaga elektrik
110 TUTORIAL Tutorial 1 : Pengukuran dan Ralat 1. Nilai ukuran bagi satu perintang ialah 30.25Ω dan nilai sebenar pula ialah 30.22Ω. Kirakan ralat mutlak dan peratus ketepatan relatif bagi pengukuran tersebut. [8 markah] 2. Rajah 1 merupakan satu litar siri yang mempunyai nilai R1 ialah 10 kΩ, R2 ialah 300 Ω, R3 ialah 2.7 kΩ dan jumlah nilai perintang yang diukur ialah 13.5 kΩ dan jumlah arus pada litar It = 1.15mA. Kirakan jumlah rintangan pada litar tersebut, ralat mutlak, ralat relatif, dan ketepatan relatif. Rajah 1 [8 markah]
111 Tutorial 2 : Meter Arus Terus (AT) 1. Sebuah Instrumen Gegelung Bergerak Magnet Kekal (PMMC) dengan nilai rintangan dalaman sebanyak 100Ω dan arus pesongan skala penuh pula ialah 5mA akan digunakan dalam mereka bentuk dua meter volt pelbagai 10V dan 50V. Terbitkan persamaan untuk mendapatkan nilai perintang pengganda untuk R1 dan R2. [9 markah] 2. Sebuah litar AT meter arus dengan meter asas yang mempunyai nilai rintangan 50Ω dan nilai pesongan skala penuh untuk arus 2mA. Manakala julat yang diperlukan adalah 0 - 10mA. Lakarkan litar AT meter arus dan terbitkan persamaan untuk mendapatkan nilai rintangan pirau yang diperlukan. [8 markah]
112 Tutorial 3 : Osiloskop Dan Penjana Isyarat 1. Merujuk bentuk gelombang sinus pada Rajah 1, yang dipaparkan pada osiloskop mempunyai nilai tetapan seperti berikut: Channel 1 Paksi Menegak: 1 V/bahagian Channel 2 Paksi Menegak: 50 mV/bahagian Paksi Mengufuk: 1 ms/bahagian Tahap sifar voltan berada di tengah-tengah skrin untuk kedua-dua saluran. Anggap tepi kiri skrin sebagai paksi t = 0. Kirakan (untuk kedua dua bentuk gelombang CH1 dan CH2): Voltan puncak ke puncak (Vpp), Voltan puncak (Vp), Voltan RMS (Vrms), Tempoh 1 kitar lengkap (T), Frekuensi (f) dan Beza fasa (θ) dalam unit radian dan darjah. (Perhatikan: Puncak positif bagi gelombang voltan CH2 adalah 3.6 bahagian di atas paksi v = 0.) Figure B1 / Rajah B1 Rajah 1 [25 markah]
113 2. Gambarkan sambungan untuk kalibrasi (tentukur) Osiloskop dan terangkan secara ringkas langkah - langkah yang digunakan untuk menentukur (kalibrasi) osiloskop. Merujuk kepada Rajah 2, kirakan voltan puncak (VP), voltan puncak ke puncak (VPP), voltan berkesan (Vrms), masa (T), frekuensi dan anjakan fasa jika Volt/bahagian dilaraskan kepada 5V dan masa/bahagian dilaraskan kepada 50μs. Rajah 2 [25 markah]
114 Tutorial 4 : Tetimbang Arus Terus 1. Tetimbang AT merupakan satu alatan yang digunakan untuk mengukur rintangan. Salah satu Tetimbang AT yang biasa digunakan ialah tetimbang wheatstone. Ia terdiri daripada perintang lengan nisbah, perintang lengan piawai dan lain-lain. Dengan gambarajah tetimbang Wheatstone yang sesuai, terbitkan persamaan untuk Rx jika litar dalam keadaan seimbang. [8 markah] 2. Berpandukan rajah daripada soalan 1 di atas, kirakan nilai Rx sekiranya nilai R1 = 1.5KΩ, R2 = 1KΩ, R3 = 3KΩ dan juga nilai Rx yang baharu jika nilai R2 adalah 2R1. [8 markah]
115 Tutorial 5 : Meter Kuasa 1. Meter Watt merupakan satu alat yang digunakan untuk mengukur kuasa elektrik. Lukiskan binaan meter Watt untuk mengukur tiga mentol (beban) dan dengan merujuk kepada gambarajah yang sesuai, tuliskan prinsip Meter Watt. [9 markah] 2. Meter Kilowatt-Jam (kWh) merupakan satu alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kuasa elektrik. Dengan bantuan gambarajah yang sesuai, tuliskan secara ringkas DUA (2) sistem yang terdapat pada binaan meter kilowatt-jam. [10 markah]
116 JAWAPAN TUTORIAL Tutorial 1 : Pengukuran Dan Ralat 1. Ralat mutlak, e = 0.03 (4M) Peratus ketepatan relatif, A = 99.9% (4M) 2. Jumlah rintangan = 13kΩ (2M) Ralat mutlak = 500 Ω (2M) Ralat relatif = 0.0385 (2M) Ketepatan relatif = 0.9615 (2M)
117 Tutorial 2 : Meter Arus Terus (AT) 1. Persamaan untuk R1 R1 = (VT / Im) -R2 -Rm (2.5M) R1 = 8kΩ (2M) Persamaan untuk R2 R2 = (VT / Im) - Rm (2.5M) R2 = 1.9kΩ (2M) 2. (6M) Lakar – 1M Label – 1M
118 Tutorial 3 : Osiloskop Dan Penjana Isyarat 1. Gelombang pada CH1 Vpp = 10V (2M) Vp = 5V (2M) Vrms = 3.535V (2M) T = 5ms (2M) F = 200 Hz (2M) Gelombang pada CH2 Vpp = 360mV (2M) Vp = 180mV (2M) Vrms = 127.26mV (2M) T = 5ms (2M) F = 200 Hz (2M) Perbezaan Fasa dalam Radian = 0.7539 (2.5M) Perbezaan Fasa dalam Sudut = 43.2° (2.5M) 2. Sambungan Untuk Proses Penentukuran Osiloskop Lakaran - 2M Label - 2M
119 Langkah Proses Penentukuran viii. Hidupkan OSILOSKOP ix. Letakkan PENYAMBUNG BNC probe ke MASUKAN osiloskop (CH1) (1/2M) x. Sentuh hujung cangkuk (probe) ke CAL dan klip buaya (probe) ke BUMI (1/2M) xi. Pastikan MOD pemilihan sama dengan input (1/2M) xii. Pilih VOLT/BAHAGIAN sama dengan nilai pada CAL (1/2M) xiii. Pilih MASA/BAHAGIAN : 0.5ms ----- ia akan mendapat F = 1kHz (1/2M) xiv. Pada skrin : bentuk isyarat yang muncul ialah isyarat persegi (1/2M) Di skrin : Vp = 10V (3M) Vpp = 20V (3M) Vrms = 7.07V (3M) T = 200µs (3M) F = 5kHz (3M) Perbezaan Fasa = 90° (3M)
120 Tutorial 4 : Tetimbang Arus Terus 1. (1M) (1M) (1M) (1M) (1M) 2. Rx = 2kΩ (4M) R2 = 3kΩ (2M) Rx = 6kΩ (2M) Lukis dan label – 3M
121 Tutorial 5 : Meter Kuasa 1. ● Wattmeter analog tradisional ialah instrumen elektrodinamik. ● Peranti terdiri daripada: i) sepasang gegelung tetap, (dikenali sebagai gegelung semasa) ii) gegelung boleh alih (dikenali sebagai gegelung potensi / voltan) ● Gegelung arus disambung secara bersiri dengan litar, manakala gegelung voltan disambung selari dengan litar. ● Apabila arus yang mengalir melalui gegelung arus menjana medan elektromagnet di sekeliling gegelung. ● Kekuatan medan ini adalah berkadar dengan arus talian dan selaras dengannya. ● Gegelung voltan membawa jarum yang bergerak di atas skala untuk menunjukkan ukuran ● Gegelung voltan meter watt biasanya mempunyai perintang rintangan tinggi yang disambungkan secara bersiri dengannya (untuk mengurangkan arus yang mengalir melaluinya) ● Hasil daripada susunan ini ialah pada litar AT, pesongan jarum adalah berkadar dengan kedua-dua arus dan voltan dengan itu menepati persamaan P =VI. Lakaran -2M Label – 2M
122 (5M) 2. Sistem Pemanduan Sistem pemanduan meter tenaga terdiri daripada dua elektromagnet berlamina keluli silikon. Gegelung arus membawa gegelung yang terdiri daripada beberapa lilitan wayar tebal dan ia disambung secara bersiri dengan litar. Arus beban mengalir melalui gegelung ini. Gegelung voltan membawa gegelung yang terdiri daripada banyak lilitan wayar nipis dan ia disambungkan merentasi bekalan. Sistem Bergerak Sistem bergerak terdiri daripada cakera aluminium nipis yang dipasang pada gelendong dan diletakkan di dalam celah udara antara siri dan magnet shunt. Ia memotong fluks kedua-dua daya magnet yang dihasilkan oleh fluks M1 & M2 . Kedua-dua daya ini bertindak pada cakera. Kedua-dua daya ini membentuk tork terpesong. Lukis dan label – 4M
123 Sistem Brek Sistem brek terdiri daripada magnet kekal yang dipanggil magnet brek. Menyediakan tork brek yang diperlukan yang menentang gerakan cakera. Sistem Pendaftaran Gelendong cakera disambungkan kepada mekanisme pengiraan mekanisme ini merekodkan nombor yang berkadar dengan bilangan pusingan cakera. Kaunter ditentukur untuk menunjukkan tenaga yang digunakan secara langsung dalam kilo watt-jam (kWj). (Pilih mana-mana 2 sistem dan setiap sistem 3M)
124 RUJUKAN Bhavani, V., Vasantha, S. (2008). Measurements & Instrumentation. IBS Buku Sdn. Bhd. Gates, E. (2011). Introduction to Electronics (6th Ed.). Delmar Cengage Learning. Ghosh, Arun, K. (2007). Introduction to Measurement and Instrumentation. Prentice Hall of India. Nor Azura Osman, Khetijah Samat, Munirah Md Nujid. (2016). Measurements. Oxford Fajar. Northrop, Robert, B. (2005). Introduction to Instrumentation and Measurement. Boca Raton. Rajput, R.K. (2008). Electrical Measurements and Measuring Instruments (1st Ed). S. Chand & Company Publishers. Ruzairi Abdul Rahim. (2003). Pengukuran & Instrumentasi Elektrik. Universiti Teknologi Malaysia. Ruzairi, A.R., Herlina, A.R., Nasaruddin, A.R. & Anita, A. (2005). Pengukuran & Instrumentasi Elektrik. Universiti Teknologi Malaysia. Sawhney, A.K. (2005). Electrical and Electronic Instrumentation and Measurements. Dhanpat Rai & Co. Theraja, B.L. (2006). Fundamentals of Electrical Engineering and Electronics (1st Multicolour Ed.). S. Chand & Company Publishers.
125