Apakah Instrumen Jenis Elektrostatik

Apakah Instrumen Tipe Elektrostatik?

Pengertian Instrumen Elektrostatik

Instrumen elektrostatik didefinisikan sebagai perangkat yang menggunakan medan listrik statis untuk mengukur tegangan, biasanya tegangan tinggi.

Prinsip Kerja

Seperti namanya, instrumen elektrostatik menggunakan medan listrik statis untuk menghasilkan torsi defleksi. Mereka biasanya digunakan untuk mengukur tegangan tinggi tetapi juga dapat mengukur tegangan rendah dan daya dalam beberapa kasus. Ada dua cara gaya elektrostatik dapat bertindak.

Jenis Konstruksi

Dalam satu setelan, satu pelat tetap sementara pelat lainnya bebas bergerak. Pelat-pelat tersebut diberi muatan berlawanan, menciptakan gaya tarik yang memindahkan pelat yang dapat bergerak ke arah pelat yang tetap hingga energi elektrostatik maksimum disimpan.

Dalam setelan lain, gaya tersebut bisa menarik, tolak, atau keduanya, karena gerakan rotasi pelat.

Persamaan Torsi

Pertimbangkan dua pelat: Pelat A bermuatan positif, dan Pelat B bermuatan negatif. Pelat A tetap, dan Pelat B bebas bergerak. Terdapat gaya F antara kedua pelat pada keseimbangan ketika gaya elektrostatik sama dengan gaya pegas. Energi elektrostatik yang disimpan di pelat-pelat pada titik ini adalah:

Sekarang misalkan kita meningkatkan tegangan yang diterapkan sebesar dV, karena itu pelat B bergerak mendekati pelat A sejauh dx. Kerja yang dilakukan melawan gaya pegas karena perpindahan pelat B adalah F.dx. Tegangan yang diterapkan berkaitan dengan arus sebagai

Dari nilai arus listrik ini, energi input dapat dihitung sebagai

Dari ini kita dapat menghitung perubahan energi yang disimpan dan hasilnya adalah

Dengan mengabaikan suku-suku orde tinggi yang muncul dalam ekspresi. Sekarang menerapkan prinsip konservasi energi, kita memiliki energi input ke sistem = peningkatan energi yang disimpan di sistem + kerja mekanis yang dilakukan oleh sistem. Dari ini kita dapat menulis,

Dari persamaan di atas, gaya dapat dihitung sebagai

Sekarang mari kita turunkan persamaan gaya dan torsi untuk instrumen tipe elektrostatik rotasi. Diagram ditunjukkan di bawah ini,

Untuk menemukan ekspresi torsi defleksi dalam instrumen elektrostatik rotasi, ganti F dalam persamaan (1) dengan Td dan dx dengan dA. Persamaan yang dimodifikasi untuk torsi defleksi adalah:

Pada keadaan stabil, torsi kontrol adalah Tc = K × A. Defleksi A dapat ditulis sebagai:

Dari ekspresi ini kita menyimpulkan bahwa defleksi jarum penunjuk secara langsung proporsional dengan kuadrat tegangan yang akan diukur sehingga skala akan tidak seragam. Mari kita sekarang membahas tentang Elektrometer Kuadran. 

Instrumen ini umumnya digunakan untuk mengukur tegangan dari 100V hingga 20 kilovolt. Lagi-lagi, torsi defleksi yang diperoleh dalam Elektrometer Kuadran secara langsung proporsional dengan kuadrat tegangan yang diterapkan; salah satu keuntungan dari ini adalah instrumen ini dapat digunakan untuk mengukur tegangan AC dan DC. 

Salah satu keuntungan menggunakan instrumen tipe elektrostatik sebagai voltmeter adalah kita dapat memperluas rentang tegangan yang akan diukur. Ada dua cara untuk memperluas rentang instrumen ini. Kita akan membahasnya satu per satu. 

(a) Dengan menggunakan pembagi potensial resistansi: Berikut adalah diagram rangkaian dari jenis konfigurasi ini.

Tegangan yang ingin kita ukur diterapkan di seluruh resistansi r dan kapasitor elektrostatik terhubung di sebagian total resistansi yang ditandai sebagai r. Sekarang misalkan tegangan yang diterapkan adalah DC, maka kita harus membuat asumsi bahwa kapasitor yang terhubung memiliki resistansi kebocoran tak terhingga. 

Dalam hal ini faktor pengali diberikan oleh rasio resistansi listrik r/R. Operasi AC pada rangkaian ini juga dapat dianalisis dengan mudah lagi, dalam kasus operasi AC kita memiliki faktor pengali yang sama dengan r/R.

(b) Dengan menggunakan teknik pengganda kapasitansi: Kita dapat meningkatkan rentang tegangan yang akan diukur dengan menempatkan serangkaian kapasitor seperti yang ditunjukkan dalam rangkaian yang diberikan.

Mari kita turunkan ekspresi untuk faktor pengali dalam Diagram Rangkaian 1. Misalkan C1 adalah kapasitansi voltmeter dan C2 adalah kapasitansi kapasitor seri. Kombinasi seri dari kapasitor-kapasitor ini sama dengan kapasitansi total rangkaian.

Impedansi voltmeter adalah Z1 = 1/jωC1, dan impedansi total adalah:

Faktor pengali didefinisikan sebagai rasio Z/Z1, yaitu 1 + C2 / C1. Dengan cara ini, kita dapat meningkatkan rentang pengukuran tegangan.

Keuntungan Instrumen Tipe Elektrostatik

• Keuntungan pertama dan paling penting adalah kita dapat mengukur tegangan AC dan DC dan alasan ini sangat jelas karena torsi defleksi secara langsung proporsional dengan kuadrat tegangan.

• Konsumsi daya cukup rendah dalam jenis instrumen ini karena arus yang ditarik oleh instrumen ini cukup rendah.

• Kita dapat mengukur nilai tegangan yang tinggi.

Kerugian Instrumen Tipe Elektrostatik

• Instrumen-instrumen ini cukup mahal dibandingkan dengan instrumen lain dan juga memiliki ukuran yang besar.

• Skala tidak seragam.

• Berbagai gaya operasional yang terlibat memiliki magnitudo kecil.

Perluasan Rentang

Rentang pengukuran dapat diperluas menggunakan pembagi potensial resistansi atau pengganda kapasitansi.