Pengukuran arus bolak-balik

Anda telah mengetahui bahwa tegangan bolak-balik mengubah polaritasnya, dan arus bolak-balik mengubah arahnya. Anda juga mengetahui bahwa dengan melacak arah arus bolak-balik (polaritas tegangan AC) dari waktu ke waktu, Anda dapat membuat grafik "gelombang". Anda juga dapat menghitung kecepatan pergantian (frekuensi) ini dengan menentukan waktu satu periode gelombang.

Namun, Anda masih belum mengetahui cara menentukan besarnya arus atau tegangan bolak-balik. Saat bekerja dengan arus searah (tegangan), masalah seperti itu tidak muncul, karena nilainya stabil. Jadi, bagaimana Anda bisa mengukur besaran yang terus berubah?

Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan mengukur ketinggian puncak pada bentuk gelombang (lihat gambar di bawah):

Cara lainnya adalah dengan mengukur tinggi total antara puncak yang berlawanan (puncak ke puncak):

Sayangnya, kedua metode ini bisa menyesatkan ketika membandingkan dua jenis gelombang berbeda. Misalnya, gelombang persegi dengan puncak 10 volt akan menjaga ketegangan ini lagi waktu dari gelombang segitiga dengan puncak yang sama 10 volt. Dampaknya dua tegangan per beban akan berbeda (lihat gambar di bawah):

SATU ARAH menyatakan amplitudo berbagai bentuk gelombang adalah rata-rata matematis dari nilai semua titik pada grafik menjadi satu nilai yang sama. Ukuran seperti ini dikenal sebagai rata-rata gelombang. Jika semua titik gelombang dirata-ratakan secara aljabar (yaitu memperhitungkan tandanya, positif atau negatif), maka nilai rata-rata untuk sebagian besar gelombang akan sama dengan nol, karena titik-titik positif dari siklus penuh mengkompensasi titik-titik negatif (lihat gambar di bawah):

Hal ini tentu saja berlaku untuk semua bentuk gelombang yang mempunyai bagian yang sama di atas dan di bawah garis nol pada grafik. Namun dalam praktiknya, nilai rata-rata suatu gelombang didefinisikan sebagai rata-rata matematis dari semua titik dalam siklusnya. Dengan kata lain, nilai rata-rata dihitung dengan mempertimbangkan fakta bahwa titik-titik dalam himpunan tersebut memiliki nilai positif (lihat gambar di bawah):

Pengukur penunjuk yang tidak sensitif terhadap polaritas (merespons secara merata terhadap setengah siklus AC/tegangan positif dan negatif) akan mencatat nilai rata-rata praktis gelombang karena inersia penunjuk (yang disebabkan oleh tegangan pegas) akan mencatat gaya rata-rata yang dihasilkan oleh nilai yang berbeda ​arus/tegangan terhadap waktu. Sebaliknya, pengukur penunjuk yang sensitif terhadap polaritas akan "bergetar" di bawah arus/tegangan AC, penunjuknya akan berosilasi dengan cepat di sekitar nol yang menunjukkan rata-rata sebenarnya (aljabar) dari gelombang simetris. Nilai "rata-rata" gelombang, yang disebutkan nanti dalam artikel ini, akan kami korelasikan dengan nilai rata-rata "praktis", kecuali dinyatakan lain.

Cara lain untuk mendapatkan nilai keseluruhan amplitudo gelombang didasarkan pada kemampuan gelombang tersebut untuk melakukan kerja yang berguna pada tahanan beban. Sayangnya, pengukuran arus/tegangan AC seperti itu akan berbeda dari nilai "rata-rata" bentuk gelombangnya kekuatan hilang pada beban tertentu(kerja selesai per satuan waktu) Bukan berbanding lurus nilai tegangan atau saat ini. Kekuasaan akan proporsional tegangan kuadrat atau arus disuplai ke hambatan (P = E 2 / R, dan P = I 2 R).

Mari kita lihat gergaji pita dan gergaji ukir, dua jenis peralatan pertukangan kayu modern. Kedua jenis gergaji tersebut memiliki bilah bergigi tipis yang digerakkan oleh motor listrik. Namun, gergaji pita menggunakan gerakan mata pisau yang terus menerus, sedangkan gergaji ukir menggunakan gerakan bolak-balik. Membandingkan AC dengan DC dapat diibaratkan seperti membandingkan kedua jenis gergaji ini:

Masalah dalam mendeskripsikan besaran komponen variabel juga terdapat dalam analogi ini: bagaimana kita dapat menyatakan kecepatan pergerakan mata gergaji ukir? Mata gergaji pita bergerak dengan kecepatan konstan, yang setara dengan tegangan konstan, yang besarnya selalu sama. Bilah gergaji ukir bergerak maju mundur, dan kecepatan gerakannya terus berubah. Selain itu, gerakan bolak-balik dari dua puzzle yang desainnya berbeda tidak mungkin sama. Pergerakan bilah gergaji ukir yang satu dapat digambarkan dengan bentuk gelombang sinus, sedangkan pergerakan bilah gergaji ukir yang lain dapat digambarkan dengan bentuk gelombang segitiga. Memperkirakan kecepatan pergerakan bilah gergaji ukir listrik berdasarkan nilai puncaknya adalah salah, untuk berbagai jenis gergaji ukir, nilai-nilai ini akan berbeda. Sekalipun demikian, semua jenis gergaji melakukan pekerjaan yang sama (memotong kayu), dan perbandingan kuantitatif dari fungsi umum ini dapat menjadi dasar untuk memperkirakan kecepatan mata pisau.

Bayangkan ada dua gergaji yang bersebelahan: yang satu adalah gergaji pita, dan yang lainnya adalah gergaji ukir. Kedua gergaji ini memiliki bilah yang sama (kemiringan gigi, sudut, dll. yang sama) dan sama-sama (dengan kecepatan yang sama) mampu memotong jenis kayu yang sama dan ketebalan yang sama. Dalam hal ini, kita dapat mengatakan bahwa gergaji-gergaji ini setara, dan kemampuan memotongnya (pekerjaan yang dilakukan) adalah sama. Bisakah perbandingan ini digunakan untuk menyatakan kecepatan bolak-balik mata gergaji gergaji ukir dalam bentuk kecepatan putar mata gergaji pita? Tentu saja Anda bisa! Ide yang sama digunakan untuk "menetapkan" ekuivalen DC (tegangan) ke arus (tegangan) AC yang diukur: nilai arus (tegangan) DC dan AC yang sama akan menghasilkan jumlah panas yang sama pada resistansi yang sama (lihat gambar di bawah):

Kedua rangkaian ini memiliki resistansi beban yang sama (2 ohm) yang menghilangkan jumlah daya yang sama (50 watt) seperti panas. Namun rangkaian pertama ditenagai oleh sumber tegangan AC, dan rangkaian kedua ditenagai oleh sumber tegangan DC. Karena sumber AC setara (dalam hal daya yang disalurkan ke beban) dengan baterai DC 10 volt, kita akan menyebutnya sebagai sumber AC "10 volt". Untuk lebih jelasnya, kami akan menyatakan nilainya sebagai 10 Volt. RMS. Singkatan RMS adalah singkatan dari " Akar Rata-rata Kuadrat" atau " nilai RMS". Algoritma untuk menghitung nilai RMS sederhana: setiap nilai data dalam periode yang telah ditentukan (biasanya satu siklus) dikalikan dengan dirinya sendiri (kuadrat), kemudian semua nilai tersebut selama periode tersebut dirata-ratakan (dijumlahkan lalu dibagi dengan total) dan akar kuadrat diambil dari nilai yang dihasilkan.

Pengukuran RMS digunakan di sebagian besar kasus saat bekerja dengan listrik (ini adalah cara terbaik untuk menghubungkan nilai tegangan/arus AC dengan nilai tegangan/arus DC, atau dengan nilai tegangan/arus AC lainnya\ yang memiliki bentuk gelombang berbeda). Namun, dalam beberapa kasus, lebih baik menggunakan pengukuran puncak ke puncak. Misalnya, pada menentukan yang diperlukan kawat ukuran dan untuk mensuplai listrik dari sumber listrik ke beban, lebih baik menggunakan pengukuran arus RMS, karena perhatian utama kita adalah kemungkinan panas berlebih pada kabel, yang merupakan fungsi disipasi daya ketika arus melewati resistansi kabel. kabel. Namun, ketika mengevaluasi isolasi kabel tegangan tinggi, yang terbaik adalah menggunakan pengukuran puncak-ke-puncak, karena perhatian utama dalam hal ini adalah kemungkinan "kerusakan" isolasi tepat pada nilai puncak.

Pengukuran puncak atau puncak ke puncak paling baik dilakukan dengan osiloskop, yang dapat menangkap "puncak" bentuk gelombang dengan tingkat akurasi yang tinggi karena respons cepat tabung sinar katoda terhadap perubahan tegangan. Pengukuran RMS dapat dilakukan dengan meter analog (galvanometer d'Arsonval/Weston, meter elektromagnetik, meter elektrodinamik) jika dikalibrasi dalam angka RMS. Karena inersia mekanis dan efek redaman meter elektromekanis menghasilkan defleksi penunjuk yang sebanding dengan arus/tegangan AC rata-rata (bukan RMS), instrumen analog harus dikalibrasi secara khusus untuk menunjukkan tegangan atau arus dalam RMS unit. Keakuratan kalibrasi ini bergantung pada bentuk gelombang yang diinginkan, biasanya gelombang sinus.

Cara terbaik untuk mengukur nilai RMS adalah dengan meteran elektronik yang dirancang khusus. Beberapa produsen instrumen dikembangkan metode asli untuk menentukan nilai RMS dalam bentuk apa pun ombak. Mereka membuat instrumen kelas "True-RMS" yang berisi elemen pemanas resistif kecil yang ditenagai oleh tegangan yang sebanding dengan tegangan yang diukur. Efek termal suatu elemen diukur secara termal , dan memberikan yang sebenarnya arti RMS. Perhitungan matematis tidak dilakukan sama sekali di sini, semuanya didasarkan pada hukum fisika. Keakuratan alat ukur tersebut tidak bergantung pada bentuk gelombang.

Untuk bentuk gelombang simetris, ada faktor konversi sederhana antara jenis nilai berikut: puncak, puncak ke puncak (Peak-to-Peak atau RR), rata-rata praktis (Rata-rata atau Rata-rata) dan rms ( RMS):

Selain nilai arus/tegangan AC yang tercantum di atas, terdapat juga nilai yang menyatakan proporsionalitas antara beberapa pengukuran mendasar tersebut. faktor puncak Gelombang AC, Misalnya, adalah rasio nilai arus/tegangan maksimum (puncak) dengan nilai root mean square (RMS). Faktor Bentuk Bentuk gelombang AC/Tegangan adalah perbandingan nilai Root Mean Square (RMS) dengan nilai rata-rata praktisnya. Faktor puncak dan faktor bentuk gelombang persegi selalu 1, karena nilai puncak gelombang ini sama dengan nilai RMS dan AVG. Gelombang sinus memiliki nilai RMS 0,707 dan faktor bentuk 1,11 (0,707/0,636). Gelombang segitiga memiliki nilai RMS 0,577 dan faktor bentuk 1,15 (0,577/0,5).

Mengingat bahwa semua transformasi di atas hanya berlaku untuk simetris (benar) bentuk gelombang. RMS dan berarti bentuk gelombang yang terdistorsi tidak berhubungan rasio yang sama:

Ini sangat konsep penting untuk dipahami. Jika Anda menggunakan meteran analog yang dikalibrasi ke nilai RMS sinusoidal, meteran tersebut hanya akan akurat ketika mengukur gelombang sinus "murni". Saat mengukur jenis gelombang lain, ini tidak akan memberi Anda nilai RMS yang sebenarnya.

Karena bentuk gelombang sinusoidal adalah yang paling umum dalam pengukuran listrik, sebagian besar alat ukur analog dikalibrasi di bawahnya. Harap dicatat bahwa batasan ini hanya berlaku untuk instrumen analog sederhana, dan tidak berlaku sama sekali untuk instrumen dengan teknologi “True-RMS”.