Osiloskop untuk teknisi papan: cara kerja dan pengaturan, probe dan titik acuan, pemicu, mengukur riak, pulsa, PWM, dan sinyal komunikasi, serta bahaya mengukur sisi jala-jala

Mesin pencuci piring konveyor di dapur sebuah hotel berhenti sendiri sekitar dua kali sehari. Layarnya padam sesaat, lalu mesin memulai urutan dari awal, dan rak yang sedang lewat harus dicuci ulang. Teknisi mengukur rel 5 V papan kendali dengan multimeter berkali-kali, dan bacaannya selalu 5,02 V. Ia mengganti papan, dan dua hari kemudian gejalanya kembali.

Teknisi kedua memasang osiloskop di rel 5 V, dengan probe dan klip tanahnya di titik uji sisi tegangan rendah papan, lalu mengatur pemicu tepi turun pada 4,7 V dengan tangkapan tunggal. Setengah jam kemudian layar menangkap penurunan ke 4,1 V selama sekitar 1,2 ms, tepat ketika kontaktor pemanas tangki menarik. Kabel 0 V papan ternyata berbagi jalur dengan koil kontaktor yang peredamnya hilang. Multimeter merata-rata tegangan selama ratusan milidetik, sehingga penurunan sesingkat itu tidak pernah terlihat. Bab ini menjelaskan cara memakai osiloskop untuk melihat apa yang tidak dapat ditunjukkan multimeter, dan batas keselamatannya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas osiloskop dua atau empat saluran yang dipakai teknisi di papan kendali dan sisi tegangan rendah peralatan: pengaturan, probe, titik acuan, pemicu, pengukuran yang lazim, lebar pita, dan keselamatan. Nilai puncak, nilai efektif, dan faktor puncak ada di Bab 4 dan Bab 10; multimeter dan efek pembebanan di Bab 15; keselamatan alat ukur dan kategori ukur di Bab 14; kerja aman dan bahaya listrik pada tubuh di Bab 76 dan Bab 75; proteksi kejut listrik dan kelas peralatan di Bab 21; riak di Bab 84 dan Bab 86; PWM dan penggerak di Bab 2 · Komputasional dan Bab 85; isi protokol, alamat, dan register komunikasi di Bab 5 · Komputasional; peredam koil di Bab 11; menangkap gangguan berselang dengan pencatat data di Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis; dan kelistrikan mesin pencuci piring di Bab 5 · Dishwashing.

Pengukuran di sisi jala-jala dan sisi primer catu daya dengan osiloskop dikerjakan hanya oleh orang yang kompeten dengan probe diferensial atau osiloskop bersaluran terisolasi yang berkategori ukur sesuai.

Apa yang ditunjukkan osiloskop

Multimeter tidak dapat menunjukkan bentuk gelombang, dan untuk itu diperlukan osiloskop. Selain multimeter digital, osiloskop adalah salah satu alat yang paling sering dipakai untuk menguji bentuk gelombang di meja servis, dan osiloskop dapat memeriksa bentuk gelombang penting di dalam perangkat dengan cepat.

Osiloskop (oscilloscope) adalah alat ukur yang menampilkan waktu pada sumbu X dan tegangan atau arus pada sumbu Y. Cara kerja osiloskop dasar sederhana. Layar dibagi menjadi kotak, biasanya 10 kotak mendatar dan 8 kotak tegak, sehingga:

dengan $V$ tegangan (V), $t$ selang waktu (s), $n_y$ dan $n_x$ jumlah kotak tegak dan mendatar, $T$ periode (s), dan $f$ frekuensi (Hz). Osiloskop digital juga menghitung sendiri nilai puncak ke puncak, rata-rata, efektif, frekuensi, dan perbandingan nyala; angka otomatis itu tetap dicocokkan dengan gambar, karena pengaturan yang salah membuatnya keliru.

Semua bentuk gelombang dapat digolongkan menjadi sinus atau kompleks, dan bentuk gelombang yang nilai rata-ratanya tidak nol dapat dipandang sebagai gabungan komponen DC dan komponen AC. Itulah dasar pemilihan kopel di bawah.

Pengaturan dasar

Urutan pengaturan yang menghindari layar kosong:

1. Tegangan per kotak dipilih sehingga sinyal mengisi sekitar setengah sampai tiga perempat tinggi layar.
2. Waktu per kotak dipilih sehingga dua sampai lima periode tampak, atau sehingga kejadian yang dicari mengisi sebagian besar layar.
3. Kopel DC (DC coupling) menampilkan seluruh tegangan, termasuk komponen DC; kopel AC (AC coupling) membuang komponen DC sehingga riak kecil di atas tegangan besar dapat diperbesar, seperti di Contoh 4.
4. Garis nol: masukan dihubungkan ke tanah dari menu, lalu jejaknya ditempatkan pada garis kotak yang diketahui.
5. Pemicu: diatur pada saluran sinyal, dengan tingkat di tengah sinyal.

Probe, pembebanan, dan titik acuan

Resistansi masukan baku penguat tegak osiloskop adalah 1 MΩ, dan sakelar peredam probe dianjurkan dipilih pada kali satu atau kali sepuluh. Probe kali sepuluh (10x probe) adalah probe yang membagi sinyal sepuluh kali dan menaikkan resistansi masukan menjadi sekitar 10 MΩ dengan kapasitansi yang jauh lebih kecil, sehingga lebih sedikit membebani rangkaian dan lebih baik untuk sinyal cepat. Pengaturan kali sepuluh pada probe harus sama dengan pengaturan pada saluran osiloskop; bila tidak, bacaan salah sepuluh kali, seperti di Contoh 2.

Probe kali sepuluh dikompensasi lebih dulu dengan sinyal kotak dari terminal uji osiloskop, sampai sudut gelombang kotak itu tajam, tanpa lengkung ke atas atau ke bawah.

Klip tanah (ground clip) adalah penjepit di ujung kabel tanah probe yang menghubungkan titik acuan osiloskop ke rangkaian. Pada osiloskop meja biasa, klip tanah semua probe terhubung ke pembumian lewat kabel daya osiloskop. Akibatnya:

1. Klip tanah hanya dipasang di titik yang memang berpotensial bumi atau tanah sekunder yang terpisah dari jala-jala.
2. Klip tanah yang dipasang di titik bertegangan, misalnya sisi primer catu daya switching, menghubung-singkat titik itu ke bumi lewat probe dan osiloskop, seperti di Bab 86 tentang catu daya papan kendali.
3. Kabel tanah probe yang panjang membentuk lingkar yang menangkap derau, sehingga untuk sinyal cepat dipakai pegas tanah pendek di ujung probe. Kapasitansi kecil dari sambungan yang terputus bersama resistansi masukan osiloskop juga membentuk rangkaian pendiferensial, sehingga sambungan probe yang lepas menghasilkan gambar yang menipu.

Osiloskop tidak pernah "diambangkan" dengan memutus pembumian kabel dayanya. Rangkanya lalu dapat bertegangan jala-jala, dan perlindungan kejut listriknya hilang, seperti di Bab 21 tentang proteksi kejut listrik. Untuk mengukur dua titik yang tidak berpotensial bumi dipakai probe diferensial atau dua saluran dengan pengurangan matematis, dan untuk sisi jala-jala dipakai probe diferensial atau osiloskop bersaluran terisolasi yang berkategori ukur sesuai, seperti di Bab 14 tentang keselamatan alat ukur. Probe diferensial (differential probe) adalah probe yang mengukur beda tegangan di antara dua titik tanpa menghubungkan salah satunya ke pembumian osiloskop.

Pemicu dan tangkapan tunggal

Tanpa pemicu, gambar bergulir dan tidak terbaca. Pemicu (trigger) adalah pengaturan yang memulai tampilan pada saat sinyal melewati tingkat tertentu dengan arah tertentu. Jenisnya:

1. Tepi naik atau tepi turun pada tingkat tegangan yang dipilih, untuk sinyal berulang.
2. Otomatis: menampilkan jejak walaupun tidak ada pemicu, berguna untuk mencari sinyal.
3. Normal: hanya menampilkan saat pemicu terjadi.
4. Tunggal: menangkap satu kejadian lalu berhenti, untuk gangguan berselang seperti di kasus pembuka.
5. Lebar pulsa atau pemicu luar: menangkap pulsa yang lebih pendek atau lebih panjang dari batas, atau memicu dari sinyal lain, misalnya koil kontaktor.

Dua saluran sangat membantu: saluran 1 di rel yang turun, saluran 2 di sinyal yang dicurigai sebagai penyebab. Di dalam rangkaian sering ada dua atau lebih bentuk gelombang arus atau tegangan sekaligus, dan urutan waktu di antara keduanya yang menunjukkan sebab dan akibat. Untuk gangguan yang terjadi beberapa kali seminggu, pencatat data di Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang diagnosis gangguan berselang lebih cocok; osiloskop dipakai sesudah kejadiannya dipersempit.

Mengukur riak, pulsa, PWM, dan sinyal komunikasi

Riak dan tegangan catu

Riak diukur dengan kopel AC dan skala kecil, di terminal kapasitor atau titik pakai, dengan pegas tanah pendek. Bentuk gigi gergaji berfrekuensi 100 Hz menunjukkan riak penyearah, seperti di Bab 84 tentang dioda dan penyearah; lonjakan berfrekuensi puluhan kilohertz menunjukkan derau catu daya switching, seperti di Bab 86. Penurunan sesaat saat beban berubah ditangkap dengan kopel DC, pemicu tepi turun, dan tangkapan tunggal, seperti di kasus pembuka. Sumber derau yang lazim adalah koil kontaktor atau katup tanpa peredam, seperti di Bab 11 tentang magnet dan induksi, dan jalur 0 V yang dipakai bersama beban berarus besar.

Pulsa, PWM, dan jam

Pulsa (pulse) adalah sinyal berbentuk persegi, dan keluaran rangkaian pulsa dapat berupa deretan gelombang kotak simetris atau gelombang persegi tidak simetris. Menurut definisinya, waktu nyala ditambah waktu mati sama dengan satu periode. Perbandingan nyala (duty cycle) adalah bagian waktu nyala dari satu periode. Untuk PWM:

dengan $D$ perbandingan nyala (0 sampai 1), $t_{\text{nyala}}$ waktu nyala (s), $T$ periode (s), $V_{\text{puncak}}$ tegangan puncak pulsa (V), dan $V_{\text{rata-rata}}$ tegangan rata-rata (V). Multimeter membaca kira-kira nilai rata-rata itu, seperti di Bab 2 · Komputasional tentang papan kendali dan mikrokontroler, tetapi hanya osiloskop yang menunjukkan apakah tepi pulsanya bersih, apakah tegangan puncaknya penuh, dan apakah ada lonjakan saat transistor penggerak mati, seperti di Bab 85 tentang transistor dan sakelar elektronik.

Jam mikrokontroler dapat diperiksa di kaki kristal dengan probe kali sepuluh. Bentuk gelombangnya dapat diambil dari kristal mikroprosesor; probe kali satu dapat membebani osilator sampai berhenti, sehingga yang dipakai probe kali sepuluh.

Probe logika (logic probe) adalah alat yang lebih sederhana untuk keadaan digital. Ujung probe disentuhkan ke titik rangkaian yang diperiksa, memori di probe menunjukkan apakah level logika pernah berubah, dan probe logika dapat dipakai untuk memeriksa keadaan di kaki IC.

Sinyal komunikasi

Pada RS-485 atau jalur serial lain, osiloskop menunjukkan apakah ada sinyal, berapa tingginya, dan apakah tepinya bersih. Lebar satu bit adalah $1/\text{laju bit}$, dan satu byte dengan bit awal dan bit akhir memerlukan sekitar sepuluh bit. Pantulan karena terminasi hilang dan derau dari kabel daya, seperti dijelaskan di Bab 5 · Komputasional tentang komunikasi data perangkat lapangan, tampak sebagai riak di tepi bit dan lonjakan yang tidak mengikuti data. Pasangan diferensial diukur dengan dua saluran dan pengurangan matematis, atau dengan probe diferensial, bukan dengan klip tanah di salah satu kawatnya. Isi pesan dibaca dengan alat atau perangkat lunak protokol, bukan dari gambar osiloskop.

Lebar pita dan laju cuplik

Osiloskop dan probe punya lebar pita (bandwidth), yaitu batas frekuensi yang dapat ditampilkan tanpa sinyal tampak mengecil. Sinyal yang lebih cepat dari lebar pita tampak lebih kecil dan tepinya lebih landai. Perkiraan umum untuk waktu naik yang ditampilkan adalah $t_r \approx 0{,}35/\text{BW}$, sehingga osiloskop 20 MHz menampilkan tepi tercepat sekitar 17,5 ns. Osiloskop digital juga mencuplik sinyal; laju cuplik yang terlalu rendah untuk waktu per kotak yang dipilih dapat menampilkan frekuensi palsu. Untuk papan kendali peralatan, osiloskop 50 sampai 100 MHz dengan probe yang sesuai biasanya cukup.

Nilai puncak dan nilai efektif

Amplitudo gelombang tidak sinus umumnya diukur sebagai nilai puncak ke puncak, bukan nilai efektif atau rata-rata, karena bentuknya beragam sehingga perbandingan tetap antara ketiganya hanya berlaku untuk sinus. Bacaan osiloskop berupa nilai puncak ke puncak, yang diubah ke nilai efektif dengan membaginya dengan sekitar 2,8, yaitu $2\sqrt{2}$, dan itu hanya berlaku untuk sinus, seperti di Bab 4 tentang arus bolak-balik. Untuk gelombang lain, nilai efektif dihitung oleh osiloskop atau dibaca dengan alat true RMS, seperti di Bab 15 tentang multimeter digital.

Urutan kerja di papan

Urutan yang aman dan cepat saat memakai osiloskop di papan kendali:

1. Periksa alat lebih dulu: probe dan saluran diuji dengan sinyal kotak terminal uji osiloskop, dan pengaturan kali satu atau kali sepuluh disamakan.
2. Tentukan titik acuan: tanah sekunder papan atau terminal 0 V catu daya, bukan sisi primer dan bukan rangka yang belum diketahui potensialnya.
3. Pasang dalam keadaan mati: papan dimatikan, ujung probe dikaitkan dan klip tanah dijepitkan, lalu papan dinyalakan. Ujung probe yang tergelincir di antara dua kaki IC dapat menghubung-singkat keduanya.
4. Mulai lebar, lalu persempit: pemicu otomatis, kopel DC, skala besar; setelah sinyal tampak, skala diperkecil dan pemicu dipindah ke normal atau tunggal.
5. Telusuri sinyal: dianjurkan menempatkan probe di masukan rangkaian dan memeriksa apakah sinyal ada, lalu memeriksa setiap transistor dan IC di tempat sinyal berhenti.
6. Catat: gambar disimpan bersama pengaturannya (tegangan per kotak, waktu per kotak, probe, kopel, dan pemicu), dan bila tersedia dibandingkan dengan gambar di manual servis atau papan yang baik.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: perbandingan nyala PWM. Pulsa 24 V menyala 1,5 kotak dari periode 5 kotak: $D = 1{,}5/5 = 0{,}30$ dan tegangan rata-rata $0{,}30 \times 24 = 7{,}2$ V, mendekati bacaan multimeter mode DC.

Contoh 2: pengaturan probe yang tidak sama. Probe diatur kali sepuluh, tetapi saluran osiloskop diatur kali satu. Layar menunjukkan 0,5 V, padahal tegangan sebenarnya $0{,}5 \times 10 = 5$ V.

Contoh 3: pembebanan probe. Titik ukur berimpedansi sumber 100 kΩ. Dengan probe kali satu (1 MΩ), bacaan turun menjadi $1/(1 + 0{,}1) = 0{,}91$ kali nilai sebenarnya, galat 9 persen; dengan probe kali sepuluh (10 MΩ), $10/(10 + 0{,}1) = 0{,}99$ kali, galat sekitar 1 persen. Untuk sinyal cepat, kapasitansi probe kali satu yang jauh lebih besar membuat galatnya lebih besar lagi.

Contoh 4: riak di rel 24 V. Riak 0,4 V puncak ke puncak pada 100 Hz. Dengan kopel DC pada 5 V per kotak, riak itu hanya $0{,}4/5 = 0{,}08$ kotak dan tidak terlihat. Dengan kopel AC pada 50 mV per kotak, riak itu setinggi $0{,}4/0{,}05 = 8$ kotak dan bentuknya jelas.

Contoh 5: kasus pembuka. Pemicu tepi turun pada 4,7 V, tangkapan tunggal, 0,5 ms per kotak. Penurunan ke 4,1 V selama 1,2 ms selebar $1{,}2/0{,}5 = 2{,}4$ kotak. Bila pendeteksi tegangan turun mikrokontroler bekerja pada 4,4 V, penurunan itu cukup untuk mengatur ulang papan. Multimeter yang merata-rata selama sekitar 300 ms melihat penurunan rata-rata hanya sekitar $(5{,}02 - 4{,}1) \times 1{,}2/300 = 0{,}004$ V, tidak terbaca.

Contoh 6: bit RS-485. Pada 9.600 bit per detik, satu bit selebar $1/9.600 = 104$ µs dan satu byte sepuluh bit sekitar 1,04 ms. Pada 200 µs per kotak, layar 10 kotak menampilkan 2 ms, kira-kira dua byte.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang bila:

1. Pengukuran harus dilakukan di sisi jala-jala atau sisi primer catu daya switching, sedangkan probe diferensial atau osiloskop bersaluran terisolasi yang berkategori ukur sesuai tidak tersedia, seperti di Bab 14 tentang keselamatan alat ukur.
2. Seseorang mengusulkan memutus pembumian kabel daya osiloskop supaya klip tanah dapat dipasang di titik bertegangan.
3. Probe, kabel, atau rumah osiloskop rusak, atau kategori ukurnya tidak tertulis.
4. Kejadian yang dicari baru muncul setelah pengaman atau interlock mesin dijembatani.
5. Gambar osiloskop dijadikan satu-satunya dasar untuk mengganti papan mahal, padahal pengaturan dan probe belum diperiksa dengan sinyal yang diketahui.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 15 tentang multimeter digital menjelaskan multimeter, Bab 14 tentang keselamatan alat ukur menjelaskan kategori ukur, Bab 76 tentang kerja aman dan Bab 75 tentang bahaya listrik pada tubuh menjelaskan kerja aman dan bahaya listrik, dan Bab 21 tentang proteksi kejut listrik menjelaskan proteksi kejut listrik dan kelas peralatan. Bab 4 tentang arus bolak-balik dan Bab 10 tentang harmonisa membahas nilai puncak, efektif, dan faktor puncak. Bab 84 tentang dioda dan penyearah dan Bab 86 tentang catu daya papan kendali membahas riak dan catu daya, Bab 2 · Komputasional tentang papan kendali dan mikrokontroler dan Bab 85 tentang transistor dan sakelar elektronik membahas PWM dan penggerak, Bab 5 · Komputasional tentang komunikasi data perangkat lapangan membahas komunikasi data, dan Bab 11 tentang magnet dan induksi membahas peredam koil. Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang diagnosis gangguan berselang membahas gangguan berselang, dan Bab 5 · Dishwashing tentang kelistrikan mesin pencuci piring membahas mesin pada kasus pembuka.

Latihan dan pembahasan