PENGUKURAN FREKUENSI DAN BEDA FASA

Pengukuran Frekuensi dan Beda Fasa

Dalam pengukuran frekuensi dan phase tentunya ada beberapa cara yang dapat dilakukan untuk mendapatkan hasil pengukuran dari frekuensi dan phase itu sendiri. Dalam hal ini pada umumnya digunakan osiloskop dalam penentuan nilai fekuensi dan phase.

Osiloskop adalah alat yang digunakan untuk menganalisa tingkah laku besaran arus maupun tegangan yang berubah-ubah terhadap waktu, yang diketahui melalui tampilan pada layar osiloskop. Osiloskop sering dikenal dengan CRO (Cathode-Ray Oscilloscope = osiloskop sinar katoda) yang merupakan alat ukur yang digunakan untuk mengukur tegangan listrik, beserta frekuensi dan fasenya, sekaligus menampilkan bentuk sinyal tegangan tersebut.

Ada beberapa kegunaan osiloskop lainnya, yaitu:

1.      Mengukur besar tegangan listrik dan hubungannya terhadap waktu.

2.      Mengukur frekuensi sinyal yang berosilasi.

3.      Mengecek jalannya suatu sinyal pada sebuah rangakaian listrik.

4.      Membedakan arus AC dengan arus DC.

5.      Mengecek noise pada sebuah rangkaian listrik dan hubungannya terhadap waktu.

Osiloskop terdiri dari dua bagian utama yaitu display dan panel kontrol. Display menyerupai tampilan layar televisi hanya saja tidak berwarna warni dan berfungsi sebagai tempat sinyal uji ditampilkan. Pada layar ini terdapat garis-garis melintang secara vertikal dan horizontal yang membentuk kotak-kotak dan disebut div. Arah horizontal mewakili sumbu waktu dan garis vertikal mewakili sumbu tegangan. Panel kontrol berisi tombol-tombol yang bisa digunakan untuk menyesuaikan tampilan di layar.

Pada umumnya osiloskop terdiri dari dua kanal yang bisa digunakan untuk melihat dua sinyal yang berlainan, sebagai contoh kanal satu untuk melihat sinyal masukan dan kanal dua untuk melihat sinyal keluaran.

Gambar 1. Bentuk Osiloskop

Adapun cara perhitungan untuk osiloskop yaitu :

1.      Perhitungan frekuensi Osiloskop

Cara menghitung Frekuensi Osiloskop.

Untuk menghitung frekuensi yang ada pada osiloskop adalah sebagai berikut :

Gambar 2. Perhitungan Frekuensi

Cara Perhitungan:

F= 1/T

T= 1 Periode (gel.penuh) x time/div

*catatan T harus dalam bentuk satuan second

Jadi untuk menghitung frekuensi, kita harus mengetahui berapa div periodenya dan time/div yang ditunjuk oleh soal/osiloskop. Untuk T sendiri nantinya satuannya disesuaikan dengan satuan time / div. second, mili second, atau micro second. berikut adalah perbandingan konversi second:

1 milisecond = 1.10^-3

1 microsecond = 1.10^-6

Jadi saat kita mengukur ternyata 1 periodenya 5 div menggunakan time/div 2 microsecond/div maka :

T= 5 x 2 microsecond/div

  = 10 microsecond

F= 1/T

F=1/1.10^-2

F=100 Hz

Jadi frekuensi nya adalah 100 hz

2.      Perhitungan Frekuensi Tegangan AC

Osiloskop pada dasarnya dapat digunakan sebagai alat ukur untuk mengukur besaran tegangan AC dan Frekuensinya dengan cara menampilkan bentuk gelombang dari pengukuran tersebut. Tegangan AC yang diukur akan menampilkan bentuk gelombang sinus yang kemudian dengan gelombang sinus tersebut kita hitung frekuensinya berdasarkan Perioda gelombang yang ditampilkan. Tegangan AC (Alternating Current) sering dikenal juga dengan Tegangan Bolak Balik merupakan listrik yang arah arusnya selalu berubah-ubah atau bolak-balik. Pada umumnya Tegangan AC berbentuk gelombang Sinus. 

Dalam pengukuran frekuensi tegangan AC dapat dilakukan sebagai berikut :

a.       Hubungkan tegangan yang akan diukur (dalam hal ini AFG) ke probe osiloskop (CH1 / CH2).

b.      Atur tombol AC – GND – DC pada AC .

c.       Bila pengukuran dengan probe , dan sensitivitas 5 Volt/Div, maka :

Tegangan puncak () = harga yang ditunjukkan oleh Volt/Div x simpangan dari puncak ke puncak.

      

 = 5 Volt/Div x 4 Div = 20 V                            

Jika bentuk gelombang tegangan berupa sinus, maka :

Tegangan efektif () =

                   

Gambar 3. Pengukuran Frekuensi Tegangan AC

3.      Pengukuran Frekuensi Arus AC

a.       Sinyal AC  diarahkan  ke CH input dan stel saklar mode untuk menampilkan bentuk gelombang yang diarahkan ke CH tersebut.

b.      Distel saklar  VOLT/ DIV  untuk menampilkan  kira- kira 5 DIV bentuk gelombang.

c.       Distel saklar  SEC/ DIV untuk menampilkan beberapa gelombang.

d.      Atur penampilan gelombang secara vertikal sehingga puncak gelombang negatif, gelombang berhimpit dengan salah satu garis gratikul horizontal.

e.       Atur tampilan gelombang secara horizontal, sehingga puncak berimpit dengan pusat  garis gratikul vertikal.

f.       Hitunglah tegangan puncak- kepuncak ( Peaks to peaks ) dengan menggunakan persamaan:

Volt ( p.p )  = ( difleksi vertikal )  x  ( penempatan saklar Volt/ Div).

Untuk mengukur arus dilakukan secara tidak langsung dengan R = 1 W untuk mengukur drop tegangan.

Misalnya:

Vp = 50 mV/div · 3div

= 150 mV = 0,15 V

Vrms = 0,15 / V2 = 0,1 V

I = Vrms/R = 0,1V / 1Ω

= 0,1 A

Bentuk sinyal arus yang melalui resistor R adalah sinusoida menyerupai tegangan. Pada beban resistor sinyal tegangan dan sinyal arus akan sephasa.

                              

Gambar 4. Pengukuran Arus AC

4.      Pengukuran Beda Phase

Beda fase adalah pengukuran yang relatif yang terukur antara dua gelombang. Tidak ada gelombang yang memiliki nilai fase yang absolut karena tidak ada referensi universal dalam pengukuran fase . Jadi, pengukuran beda fase tidak mungkin ada apabila kita hanya punya satu gelombang karena beda fase adalah hasil pengukuran antara dua gelombang. Tetapi umumnya dalam analisa rangkaian AC, gelombang tegangan dari sumber dayanya digunakan sebagai referensi fasenya, biasanya nilai sumber tegangannya dinyatakan sebagai “xxx volt pada 0 derajat”. Tegangan atau arus lainnya dalam rangkaian itu akan memiliki beda fase yang diukur relatif terhadap fase sumber tegangan tersebut.

Gambar 5. Contoh-contoh Beda Phase

Apabila diketahui nilai tegangan dan arus pada suatu komponen memiliki persamaan v = 20 sin (ωt + 30^o) dan i = 18 sin(ωt -  40^o) , gambarkan diagram fasornya, hitung beda fasenya, dan gambar bentuk gelombangnya.

Bentuk fasenya ditunjukkan pada gambar 6 . Dari sini anda dapat melihat bahwa v mendahului i sebesar 70^o. Bentuk gelombangnya ditunjukkan pada gambar 6b.

Gambar 6. Bentuk Fase

Gambar 7 menunjukkan sepasang gelombang v₁ dan v₂ pada suatu osiloskop. Masing-masing volt per div (skala vertikal) menunjukkan nilai 20 V dan masing-masing time per div (skala horisontal/waktu) menunjukkan 20 μs. Tegangan v₁ mendahului v₂. Gambarkan diagram fasornya dengan v₁ sebagai referensinya. Tentukan persamaan kedua tegangan tersebut.

Gambar 7. Sepasang gelombang v₁ dan v₂

Dari gambar di atas, magnitudo dari v₁ adalah V_m1 = 3 div × 20 V/div = 60 V, V_m2 = 40 V. Panjang satu periode adalah T = 6 × 20 μs = 120 μs, dan beda fase antara dua gelombang tersebut adalah satu kotak atau 1 div yang bernilai 20 μs (1/6 dari periodenya = 60^o). Dengan memilih v₁ sebagai referensinya dan v₂ tertinggal, maka diagram fasornya ditunjukkan pada gambar b. Frekuensi sudutnya adalah ω = 2π/T = 2π/(120×10^-6 s)= 52.36×10³ rad/s.

Oleh karena itu, persamaan kedua tegangan tersebut adalah v₁ = V_m1 sin ωt = 60 sin (52.36×10³ t) V dan v₂ = 40 sin (52.36×10³ t – 60^o) V.

         

5.      Metode Lissajous

Metode ini dipakai untuk mengukur frekuensi dengan menggunakan signal yang telah diketahui frekuensinya sebagai referensi. Dengan menggunakan perbandingan frekuensi dapat dihitung melalui persamaan :

f =  x [f – signal dari f – generator (input horisontal)]

Jumlah titik potong sepanjang skala horisontal adalah = 3

Jumlah titik potong sepanjang skala vertical adalah = 2

Pengukuran beda fasa dengan model lissajous dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :

1.      Lakukan setting-up dan kalibrasi CRO

2.      Siapkan function generator (AFG), pilih pada bentuk sinus

3.      Kedua sinyal dihubungkan pada kedua terminal masukan CRO

4.      Dengan saklar pemilih channel ke DUAL lihatlah beda fasa pada layar CRO

5.      Untuk melihat pola lissajous atur saklar SWEEP time/divisi pada posisi XY. Tampilan peraga berdasarkan perbandingan dan perbedaan fasa ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 8. Perbandingan frekuensi 1 : 3 beda fasa 90 derajat

Gambar 9. Pola lissajous menampilkan beda fasa sinyal input-output

Rumus yang dipakai untuk mencari sudut beda fasa ( Δ φ ) adalah :

Φ = arc sin Vo / Vin

Dimana , Vo = Xc / (Rpot + Xc) Vin

                 Xc = 1 / ( 6,28 f C )

Ü  Beda phasa 0° atau 360°

Dua sinyal yang berbeda, dalam hal ini sinyal inputdan sinyal output jika dipadukan akan menghasilkankonfigurasi bentuk yang sama sekali berbeda.Sinyal input dimasukkan ke kanal Y (vertikal) dansinyal output dimasukkan ke kanal X (horizontal)berbeda 0°, dipadukan akan menghasilkan sinyalpaduan berupa garis lurus yang membentuksudut 45°

Gambar 10. Beda Phasa 0⁰ atau 360⁰

Ü  Beda phasa 90° atau 270°

Sinyal vertikal berupa sinyal sinusoida. Sinyal horizontal yang berbeda phasa 90° atau270° dimasukkan. Hasil paduan yang tampil pada layar CRT adalah garis bulat.

Gambar 11. Beda Phasa 90⁰ atau 270⁰