Multimeter digital: tegangan, arus, resistansi, true RMS, dan efek pembebanan

Sebuah laundry memasang mesin pengering baru. Kabel kendali berinti banyak sepanjang 40 m ditarik dari PHB ke panel tombol di dekat mesin, dan satu intinya disisakan sebagai cadangan tanpa disambung di kedua ujung. Sebelum menyambung inti cadangan itu, teknisi mengukurnya terhadap inti PE dan layar multimeternya menunjukkan 80 V. Seorang rekan berkata angka itu "cuma tegangan hantu", rekan lain menolak menyentuh kabel sebelum PHB dimatikan seluruhnya. Pada minggu yang sama, arus masukan pengubah frekuensi penggerak drum mesin itu terbaca 1,7 A oleh satu alat dan 3,0 A oleh alat lain. Kedua kejadian itu bukan kerusakan alat, dan keduanya tidak boleh diputuskan dengan menebak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas multimeter digital genggam pada instalasi tegangan rendah dan sirkit kendali: fungsi tegangan, arus, resistansi, kontinuitas, dioda, dan kapasitansi, beserta pembebanan, tegangan hantu, true RMS, dan akurasi. Dasarnya adalah hukum Ohm dan pembagi tegangan di Bab 1, serta nilai efektif dan faktor puncak di Bab 4. Kategori ukur, kabel uji, sekering berenergi tinggi, dan verifikasi bebas tegangan dibahas di Bab 14, dan bab itu menjadi prasyarat setiap pengukuran di sini. Tang ampere ada di Bab 16, uji resistansi isolasi di Bab 17, dan uji kontinuitas konduktor proteksi, impedansi lingkar, serta RCD di Bab 18. Setiap pengukuran bertegangan yang disebut di bab ini mensyaratkan personel kompeten, alat berkategori ukur sesuai, dan APD.

Blok fungsi dan terminal

Blok masukan multimeter digital mengubah besaran yang diukur menjadi tegangan kecil: pembagi resistif untuk tegangan, resistor shunt untuk arus, dan sumber arus kecil untuk resistansi. Pengubah AC menyearahkan atau menghitung nilai efektif sinyal bolak-balik, lalu pengubah analog-digital mengubahnya menjadi angka di layar.

Umumnya ada tiga atau empat terminal: COM sebagai acuan, terminal V/Ω untuk tegangan, resistansi, dioda, dan kapasitansi, serta satu atau dua terminal arus (mA dan A). Terminal arus tersambung ke COM melalui shunt beresistansi sangat kecil dan sekering. Akibatnya, kabel uji yang tertinggal di terminal A lalu ditempelkan pada dua titik bertegangan membentuk hubung pendek melalui alat. Sebagian buku ajar multimeter tidak menyebut bahaya ini sama sekali. Pemilihan jangkauan otomatis (autorange) tidak melindungi dari salah fungsi dan salah terminal.

Impedansi masukan dan efek pembebanan

Alat ukur ideal tidak mengubah rangkaian yang diukur: amperemeter ideal tidak mempunyai resistansi dalam, dan voltmeter ideal mempunyai resistansi dalam tak berhingga. Alat nyata digambarkan sebagai alat ideal yang diseri dengan resistansi dalam (amperemeter) atau diparalel dengannya (voltmeter).

Impedansi masukan (input impedance) adalah resistansi dalam voltmeter digital yang terpasang paralel dengan titik ukur. Satu lembar data pabrik menyebut 10 MΩ dengan kapasitansi paralel di bawah 100 pF untuk tegangan DC maupun AC. Pada 50 Hz, reaktansi 100 pF sekitar 32 MΩ, jadi yang dominan adalah resistansi 10 MΩ. Bila titik ukur dipandang sebagai sumber Thevenin dengan tegangan $V_\text{Th}$ dan resistansi $R_\text{Th}$, tegangan yang terbaca adalah

$$V_\text{baca} = V_\text{Th} \, \frac{R_\text{in}}{R_\text{in} + R_\text{Th}}$$

dengan $R_\text{in}$ impedansi masukan alat dalam ohm. Rumus ini berlaku untuk rangkaian linear; untuk AC, resistansi diganti impedansi dan besarnya dihitung dengan fasor.

Keluaran sensor bersumber 12 V dengan $R_\text{Th} = 1$ MΩ terbaca $12 \times 10/11 \approx 10{,}9$ V oleh alat 10 MΩ, terlalu rendah sekitar 9%. Voltmeter dengan resistansi masukan 200 kΩ, nilai yang wajar untuk meter analog tua pada jangkauan tegangan kecil, hanya membaca $12 \times 0{,}2/1{,}2 = 2{,}0$ V. Pada sirkit daya, $R_\text{Th}$ hanya sepersekian ohm sehingga pembebanan tidak terasa. Pembebanan menjadi berarti pada sirkit sinyal berimpedansi tinggi, seperti sirkit sensor di Bab 2, dan pada konduktor yang mengambang.

Tegangan DC dan tegangan AC

Pada fungsi tegangan DC, alat menampilkan nilai rata-rata beserta tandanya; polaritas terbalik hanya memunculkan tanda minus. Tegangan penyearah yang masih berdenyut terbaca sebagai rata-ratanya, sehingga puncaknya tidak terlihat. Pada fungsi tegangan AC, kebanyakan alat memblokir komponen DC dengan kopling kapasitor, sehingga untuk sinyal berisi DC dan AC sekaligus, fungsi AC tidak menampilkan nilai efektif totalnya; sebagian alat menyediakan fungsi AC+DC. Akurasi fungsi AC hanya berlaku pada rentang frekuensi yang ditulis pabrik, sehingga pembacaan pada 5 Hz di keluaran pengubah frekuensi perlu dicocokkan dengan spesifikasi alat.

Angka tegangan AC di layar dibandingkan dengan tegangan nominal dan pelat nama, yang semuanya nilai efektif. Menurut PUIL 2020 Bagian 4-41, butir 410.3.1, voltase bolak-balik berarti nilai efektifnya kecuali dinyatakan lain. Pembandingan itu sah hanya bila alat benar-benar menampilkan nilai efektif untuk bentuk gelombang yang diukur.

Tegangan hantu dan fungsi impedansi rendah

Konduktor yang tidak tersambung ke sumber mana pun tetapi berjalan sejajar dengan konduktor bertegangan terkopel secara kapasitif kepadanya, dan juga mempunyai kapasitansi ke konduktor berpotensial bumi seperti PE dan netral. Kedua kapasitansi membentuk pembagi tegangan, sehingga konduktor mengambang mendapat sebagian tegangan suplai. Tegangan hantu (ghost voltage) adalah tegangan yang terbaca pada konduktor mengambang karena kopling kapasitif dan tidak mampu mengalirkan arus berarti.

Untuk kapasitansi kopling $C_\text{k}$ ke konduktor bertegangan dan kapasitansi $C_\text{b}$ ke konduktor berpotensial bumi, tegangan tanpa beban adalah

$$V_\text{mengambang} = V \, \frac{C_\text{k}}{C_\text{k} + C_\text{b}}$$

dengan $V$ tegangan efektif konduktor bertegangan terhadap bumi. Asumsinya netral berpotensial dekat bumi, kopling induktif diabaikan, dan tidak ada kebocoran resistif. Rumus ini tidak bergantung pada panjang kabel, karena kedua kapasitansi bertambah sebanding panjang. Yang bergantung pada panjang adalah kemampuan sumber hantu mengalirkan arus, karena reaktansi $X_\text{k} = 1/(2\pi f C_\text{k})$ mengecil saat kabel makin panjang.

Fungsi impedansi rendah, yang pada sebagian alat berlabel LoZ, memasang beban beberapa kilo-ohm di masukan; satu lembar data pabrik menyebut sekitar 3 kΩ. Beban itu meruntuhkan tegangan kopling kapasitif hampir ke nol, sedangkan konduktor yang tersambung ke sumber, walaupun melalui beban, tetap menunjukkan tegangan berarti. Perbedaan kedua pembacaan menjadi petunjuk jenis sumber, bukan bukti bebas tegangan. Kebocoran isolasi beresistansi tinggi juga runtuh di bawah 3 kΩ, dan netral putus atau umpan balik dari sirkit lain dapat memberi tegangan nyata yang berubah-ubah.

Beban impedansi rendah itu sendiri mengalirkan arus. Di antara fasa dan PE pada 230 V, beban 3 kΩ mengalirkan sekitar $230/3\,000 \approx 77$ mA ke konduktor proteksi, jauh di atas arus sisa pengenal RCD 30 mA, sehingga RCD di hulu dapat trip. Antara fasa dan netral, arus yang sama kembali lewat netral dan tidak menjadi arus sisa. Fungsi ini juga tidak dipakai untuk mengukur sirkit elektronik peka, karena bebannya mengubah sirkit yang diukur.

Rata-rata terkalibrasi dan true RMS

Alat rata-rata terkalibrasi menyearahkan sinyal, mengukur rata-ratanya, lalu mengalikannya dengan faktor bentuk sinus $\pi/(2\sqrt{2}) \approx 1{,}111$, sehingga tampilannya benar hanya untuk sinus murni. Alat true RMS (true root mean square) adalah alat yang menghitung akar dari rata-rata kuadrat sinyal, sehingga menampilkan nilai efektif untuk bentuk gelombang apa pun dalam batas spesifikasinya. Layar digital tidak menandakan true RMS; yang menentukan adalah keterangan pada alat dan lembar datanya.

$$I_\text{baca,rata} = \frac{\pi}{2\sqrt{2}} \cdot \frac{1}{T}\int_0^T |i(t)|\, dt, \qquad I_\text{RMS} = \sqrt{\frac{1}{T}\int_0^T i^2(t)\, dt}$$

Kedua angka sama hanya untuk sinus. Arus masukan penyearah berkapasitor, di catu daya elektronik, lampu LED, dan sisi masukan pengubah frekuensi satu fasa, mengalir dalam denyut pendek di sekitar puncak tegangan, dan alat rata-rata terkalibrasi membacanya terlalu rendah, sering puluhan persen. Tegangan di titik yang sama biasanya masih mendekati sinus, sehingga perbedaan kedua alat baru terlihat pada arus.

Alat true RMS pun punya batas. Faktor puncak (crest factor) adalah perbandingan nilai puncak sinyal dengan nilai efektifnya. Dua lembar data pabrik menulis, untuk fungsi tegangan AC, faktor puncak maksimum sekitar 3 pada sebagian jangkauan, menurun sampai 1,5 di ujung jangkauan. Di atas batas itu alat true RMS pun salah baca, sehingga jangkauan yang lebih besar kadang memberi hasil lebih benar; batas fungsi arus dibaca dari lembar data alat itu sendiri.

Mengukur arus: seri, terminal, dan sekering

Amperemeter dipasang seri: rangkaian dibuka dan arus dilewatkan melalui alat, setelah muatan kapasitor dibuang. Rangkaian dibuka hanya setelah sirkit dibebaskan dari tegangan, dan alat terpasang sebelum sirkit dienergikan kembali. Arus melalui shunt dan sekering menimbulkan tegangan beban (burden voltage), yaitu jatuh tegangan pada jalur arus di dalam alat. Pada sirkit 24 V, beberapa ratus milivolt jarang berarti, tetapi pada sirkit sensor bertegangan rendah tegangan itu mengubah arus yang diukur.

Terminal mA dan A punya batas arus dan batas waktu yang ditulis pabrik, dan masing-masing dilindungi sekering tersendiri; satu lembar data membatasi beban lebih terminal mA hanya untuk dua menit. Sekering pengganti harus sesuai spesifikasi pabrik, karena sekering alat ukur melindungi pengguna, bukan alat saja.

Pengukuran seri cocok untuk arus kecil pada sirkit bertegangan rendah, misalnya kumparan katup solenoid 24 V DC atau sinyal sensor. Arus motor, pemanas, dan sirkit akhir 230/400 V diukur dengan tang ampere (Bab 16): rangkaian tidak dibuka, batas arusnya besar, dan tidak ada hubungan galvanik dengan konduktor.

Resistansi, kontinuitas, dioda, dan kapasitor

Pada fungsi resistansi, alat mengalirkan arus uji kecil dari baterainya dan mengukur tegangan yang timbul. Karena itu resistansi hanya diukur pada rangkaian bebas tegangan yang kapasitornya sudah dibuang muatannya. Pada resistansi kecil, kabel uji dan kontak probe ikut terukur dan dapat menyumbang beberapa persepuluh ohm. Fungsi nol relatif (REL) mengurangi kesalahan ini, tetapi resistansi kontak berubah setiap kali probe ditekan; pengukuran resistansi rendah dengan metode empat kawat dibahas di Bab 44.

Fungsi kontinuitas berbunyi bila resistansi di bawah ambang pabrik; dua lembar data menyebut ambang sekitar 20 sampai 25 Ω. Bunyi itu berarti "ada jalur", bukan "sambungan layak dialiri arus beban". Kontinuitas konduktor proteksi dan ikatan ekuipotensial diuji dengan alat khusus yang arus ujinya tidak kurang dari 0,2 A dan tegangan rangkaian terbukanya 4 sampai 24 V menurut IEC 61557-4:2019, butir 4.2 dan 4.3, bukan dengan bunyi multimeter.

Ohmmeter juga tidak menilai isolasi atau hubung pendek antarlilit; beberapa lilit yang terhubung pendek hanya sedikit menurunkan resistansi DC. Resistansi belitan dibandingkan dengan data atau belitan sejenis, dan isolasi diuji dengan penguji resistansi isolasi (Bab 17).

Fungsi uji dioda mengalirkan arus kecil dan menampilkan tegangan maju; satu lembar data menyebut tampilan 0,6 V pada arus uji 1,0 mA. Dioda silikon yang baik menampilkan sekitar 0,5 sampai 0,7 V pada arah maju dan OL pada arah balik; angka dekat nol di kedua arah menandakan hubung pendek, dan OL di kedua arah menandakan putus. Pada fungsi ohm meter analog, probe hitam tersambung ke kutub positif baterai, sehingga petunjuk lama "probe merah di katoda" berlaku untuk meter analog. Pada multimeter digital, probe merah adalah kutub positif.

Fungsi kapasitansi mengisi kapasitor dengan arus diketahui dan menghitung kapasitansi dari laju naik tegangannya. Kapasitor harus dibuang muatannya lebih dulu, karena kapasitor motor dan bus DC dapat menyimpan energi berbahaya, seperti dibahas di Bab 1 · Keselamatan. Hasilnya dibandingkan dengan label dan toleransinya. Uji tegangan rendah ini tidak menjamin kapasitor tahan pada tegangan kerjanya.

Resolusi dan akurasi

Resolusi (resolution) adalah perubahan terkecil yang dapat ditampilkan alat ukur: alat 6.000 hitungan beresolusi 0,1 V pada jangkauan 600,0 V dan 0,001 V pada jangkauan 6,000 V. Resolusi tinggi tidak berarti akurasi tinggi. Akurasi ditulis dalam bentuk "±(persen pembacaan + jumlah digit)", dengan digit berarti satuan angka terakhir pada jangkauan yang dipakai. Ketidakpastian pembacaan adalah

$$\Delta = \frac{a}{100} \times \text{pembacaan} + n \times \text{resolusi}$$

dengan $a$ persen pembacaan dan $n$ jumlah digit. Dengan spesifikasi ±(1,0% + 3 digit), pembacaan 230,0 V pada jangkauan 600,0 V mempunyai ketidakpastian $0{,}01 \times 230{,}0 + 3 \times 0{,}1 = 2{,}6$ V. Pada pembacaan kecil, bagian digit mendominasi: resistansi 1,2 Ω pada jangkauan 600,0 Ω dengan ±(0,9% + 2 digit) mempunyai ketidakpastian sekitar 0,21 Ω, hampir seperlima nilainya. Spesifikasi ini berlaku pada rentang suhu, frekuensi, dan periode kalibrasi yang ditulis pabrik.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Setiap pengukuran bertegangan dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: 80 V pada inti kabel yang seharusnya mati. Inti cadangan kabel kendali 40 m di pembuka bab tidak tersambung di kedua ujung; inti lain membawa tegangan kendali 230 V terhadap bumi. Model: kapasitansi kopling ke inti bertegangan $C_\text{k} = 2{,}4$ nF dan ke inti berpotensial bumi $C_\text{b} = 4{,}5$ nF, setara 60 dan sekitar 110 pF per meter, orde yang sama dengan kapasitansi antarinti sekitar 150 pF per meter pada satu lembar data kabel kendali. Tanpa alat ukur, $V_\text{mengambang} = 230 \times 2{,}4/(2{,}4+4{,}5) = 80{,}0$ V. Reaktansi pada 50 Hz adalah $X_\text{b} \approx 707$ kΩ dan $X_\text{k} \approx 1{,}33$ MΩ, sehingga alat 10 MΩ, sekitar empat belas kali $X_\text{b}$, hampir tidak membebani; hitungan fasor memberi 79,9 V. Dengan fungsi 3 kΩ, hampir seluruh tegangan jatuh pada $X_\text{k}$:

$$V_\text{LoZ} \approx 230 \times \frac{3\,000}{1{,}33 \times 10^{6}} \approx 0{,}52\ \text{V}$$

Bandingkan dengan inti yang ternyata tersambung ke sumber 230 V melalui jalur resistif 2 kΩ: alat 10 MΩ membaca sekitar 230 V, dan fungsi 3 kΩ membaca $230 \times 3\,000/5\,000 = 138$ V sambil mengalirkan 46 mA ke PE, cukup untuk membuat RCD 30 mA trip.

Angka 80 V sendirian tidak membedakan kedua keadaan, dan pembacaan impedansi rendah hanya memberi petunjuk. Inti itu tetap diperlakukan bertegangan sampai sumber yang mungkin menyuplainya dibebaskan dan bebas tegangan dibuktikan menurut Bab 14.

Contoh 2: rata-rata terkalibrasi dan true RMS pada arus berdenyut. Arus masukan pengubah frekuensi satu fasa di pembuka bab dimodelkan sebagai denyut persegi setinggi 6 A, lebar 45° di sekitar setiap puncak tegangan. Dua denyut per daur 360° memberi bagian waktu mengalir $d = 90/360 = 0{,}25$. Nilai efektif sebenarnya $I_\text{RMS} = 6\sqrt{0{,}25} = 3{,}0$ A. Alat rata-rata terkalibrasi merata-ratakan nilai mutlak, $6 \times 0{,}25 = 1{,}5$ A, lalu mengalikannya dengan 1,111 sehingga menampilkan sekitar 1,67 A, 44% di bawah nilai sebenarnya. Faktor puncak $6/3{,}0 = 2{,}0$ masih di bawah batas sekitar 3, jadi pembacaan true RMS 3,0 A dapat dipercaya bila batas fungsi arus alat itu serupa. Memakai 1,67 A untuk menilai kabel meremehkan panas sekitar $(3{,}0/1{,}67)^2 \approx 3{,}2$ kali.

Contoh 3: pembagi pemantau baterai genset hotel. Pengendali genset sebuah hotel memantau baterai 24 V melalui pembagi dua resistor 1 MΩ, sehingga titik ukurnya setara sumber Thevenin 12 V dengan $R_\text{Th} = 0{,}5$ MΩ.

$$V_\text{baca} = 12 \times \frac{10}{10 + 0{,}5} \approx 11{,}4\ \text{V}$$

Pembacaan 4,8% lebih rendah itu akibat pembebanan alat 10 MΩ, bukan resistor yang bergeser. Meter analog 200 kΩ akan membaca $12 \times 0{,}2/0{,}7 \approx 3{,}4$ V. Resistor tidak diganti hanya karena angka ini.

Contoh 4: tegangan di batas pelat nama pemanas air. Pelat nama pemanas air kamar hotel menyebut 220 sampai 240 V, dan alat ±(1,0% + 3 digit) membaca 241,5 V pada jangkauan 600,0 V. Ketidakpastiannya $0{,}01 \times 241{,}5 + 3 \times 0{,}1 \approx 2{,}7$ V, jadi nilai sebenarnya antara 238,8 dan 244,2 V. Satu pembacaan belum membuktikan tegangan di atas 240 V; pengukuran diulang pada jam lain atau dengan alat yang lebih akurat sebelum keluhan diteruskan ke pengelola instalasi.

Contoh 5: sambungan terminal yang tetap berbunyi. Terminal pemanas 16 A di dapur hotel bersambungan buruk 0,2 Ω. Dengan kabel uji 0,3 Ω, alat ±(0,9% + 2 digit) pada jangkauan 600,0 Ω membaca 0,5 Ω dengan ketidakpastian sekitar 0,2 Ω, dan bunyi kontinuitas menyala karena ambangnya 20 sampai 25 Ω. Padahal panas di sambungan itu, dengan $P=I^2R$ dari Bab 1, sekitar $16^2 \times 0{,}2 \approx 51$ W. Multimeter tidak menilai mutu sambungan; terminal diperiksa dan dikencangkan dalam keadaan bebas tegangan.

Contoh 6: faktor puncak arus lampu LED rumah sakit. Arus sirkit lampu LED koridor rumah sakit dimodelkan sebagai denyut persegi setinggi 7 A, lebar 15° di sekitar setiap puncak, sehingga $d = 30/360 = 1/12$.

$$I_\text{RMS} = 7\sqrt{1/12} \approx 2{,}02\ \text{A}, \qquad \text{faktor puncak} = \frac{7}{2{,}02} \approx 3{,}5$$

Faktor puncak 3,5 melewati batas sekitar 3, sehingga bila alat arus yang dipakai berbatas serupa, alat true RMS pun dapat salah baca; alat rata-rata terkalibrasi membaca hanya sekitar 0,65 A. Batas alat dibaca dari lembar datanya, dan pengukuran diulang pada jangkauan lebih besar.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan pada konduktor, jangan menyentuhnya, dan jangan memakai hasil ukur untuk keputusan bila salah satu keadaan berikut ditemukan:

1. Kabel uji masih di terminal A atau mA padahal yang akan diukur tegangan.
2. Tegangan berapa pun, termasuk yang diduga tegangan hantu, terbaca pada konduktor yang dianggap mati. Konduktor diperlakukan bertegangan sampai sumbernya ditelusuri, dibebaskan, dan bebas tegangan dibuktikan menurut Bab 14; fungsi impedansi rendah hanya dipakai untuk menelusuri sumber, bukan untuk menyatakan konduktor aman.
3. Pembacaan fungsi impedansi rendah tetap besar atau naik turun, tanda sumber yang mampu mengalirkan arus, netral putus (Bab 9), atau umpan balik dari sirkit lain.
4. Alat memberi peringatan tegangan, atau pembacaan tidak stabil, saat fungsi resistansi, kontinuitas, dioda, atau kapasitansi dipakai.
5. Arus yang akan diukur melebihi rating terminal A atau besarnya belum diketahui. Pengukuran seri dibatalkan dan diganti tang ampere.
6. Kapasitor motor, bus DC pengubah frekuensi, atau kabel panjang belum dibuang muatannya atau belum melewati waktu tunggu pada labelnya.
7. Sekering alat bukan jenis sesuai spesifikasi, atau kategori ukur alat dan kabel uji tidak sesuai titik ukurnya.
8. Pembacaan tidak masuk akal terhadap data pelat nama dan tidak terjelaskan oleh bentuk gelombang, jangkauan, atau pembebanan. Hasil tidak dipakai sebelum diulang dengan alat lain yang terverifikasi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 (hukum Ohm dan pembagi tegangan) dan Bab 4 (nilai efektif dan faktor puncak) menjadi dasar bab ini, dan Bab 14 (keselamatan alat ukur) menjadi prasyaratnya. Sirkit sensor tempat pembebanan sering muncul dibahas di Bab 2. Pengukuran yang tidak dapat dilakukan multimeter dilanjutkan dengan tang ampere di Bab 16, uji resistansi isolasi di Bab 17, dan uji pembumian serta RCD di Bab 18. Pengukuran resistansi rendah belitan motor ada di Bab 44, dan pemakaian hasil ukur sebagai bukti komisioning ada di Bab 52.

Latihan dan pembahasan

Tuliskan rumus, satuan, dan asumsi yang dipakai. Setiap pengukuran bertegangan dalam soal dilakukan oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Referensi