TUGAS TERSTRUKTUR

FISIKA INSTRUMENTASI

“PENGUKURAN DIELEKTRIK MENGGUNAKAN SCHERING BRIDGE”

Disusun oleh :

ALIFIAN NURNUARI INDRIANATI

H1E010027

DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONALPROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK

UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

PURWOKERTO

2012

DIELEKTRIK

A. Pengertian Dielektrik

Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau

bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat, cair dan gas.Tidak seperti

konduktor, pada bahan dielektrik tidak terdapat elektron-elektron konduksi yang bebas

bergerak di seluruh bahan oleh pengaruh medan listrik. Medan listrik tidak akan

menghasilkan pergerakan muatan dalam bahan dielektrik. Sifat inilah yang menyebabkan

bahan dielektrik itu merupakan isolator yang baik. Dalam bahan dielektrik, semua elektron-

elektron terikat dengan kuat pada intinya sehingga terbentuk suatu struktur regangan (lattices)

benda padat, atau dalam hal cairan atau gas, bagian-bagian positif dan negatifnya terikat

bersama-sama sehingga tiap aliran massa tidak merupakan perpindahan dari muatan. Karena

itu, jika suatu dielektrik diberi muatan listrik, muatan ini akan tinggal terlokalisir di daerah di

mana muatan tadi ditempatkan.

Masing-masing jenis dielektrik memiliki fungsi dan fungsi yang paling penting dari

suatu isolasi adalah:

1) Untuk mengisolasi antara penghantar dengan pengahantar yang lain.

Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa, atau konduktor fasa dengan

tanah.

2) Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi.

3) Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.

Agar dielektrik mampu menjalanakan tugasnya dengan baik maka dielektrik harus

memenuhi syarat-syarat sebagai berikut:

1. Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar dimensi sistem isolasi menjadi kecil

dan pengunaan bahan dielektrik semakin sedikit, sehingga harganya semakin murah.

2. Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar suhu bahan isolasi tidak melebihi batas yang

ditentukan.

3. Memiliki kekuatan kerak tinggi, agar tidak terjadi erosi karena tekanan elektrik

permukaan.

4. Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga membuat arus pemuatan

tidak melebihi yang diijinkan.

5. Kemampuan menahan panas tinggi (daya tahan panas).

6. Kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.

7. Konduktivitas panas yang tinggi.

8. Koefisien muai panas yang rendah.

9. Tidak mudah terbakar.

10. Tahan terhadap busur api.

11. daya serap air yang rendah.

Tetapi dalam prakteknya tidak ada dielektrik yang mampu memenuhi semua syarat-

syarat diatas. Sehingga diperlukan kompromi tentang sifat-sifat apa saja yang lebih

diutamakan.

B. Jenis-Jenis Dielektrik

Dielektik ada tiga jenis, yaitu padat (solid), cair (liquid) dan udara (gas). Setiap bahan

dielektrik memiliki kekuatan dielektrik tertentu, yaitu tekanan elektrik tertinggi yang dapat

ditahannya dimana dielektrik tersebut tidak berubah sifat menjadi konduktif (tembus listrik).

Berikut ini akan diberikan beberapa contoh dari bahan-bahan dielektrik :

C. Karakteristik Dielektrik

Ada enam sifat-sifat listrik dielektrik yang perlu diketahui yaitu:

1. Kekuatan dielektrik

2. Konduktansi

3. Rugi-rugi dielektrik

4. Tahanan isolasi

5. Peluahan parsial (partial discharge)

6. Kekuatan kerak isolasi (tracking strength)

D. Penggunaan Dielektrik

Dielektrik digunakan untuk memisahkan dua permukaan yang memiliki perbedaan

potensial listrik. Dielektrik banyak digunakan sebagai isolasi pemisah dan pembungkus pada

konduktor. Ada empat area yang secara prinsipil harus menggunakan pemisah, yaitu :

1. Antara phasa dengan bumi

2. Antara phasa dengan phasa

3. Antara belitan suatu kumparan

4. Antara kumparan dengan kumparan lainnya.

JEMBATAN SCHERING

Jembatan Schering adalah jembatan arus bolak-balik yang paling penting, di pakai

secara luas untuk pengukuran kapasitor. Jembatan schering memberikan beberapa

keuntungan nyata atas jembatan pembanding kapasitansi. Walaupun jembatan Schering

digunakan untuk pengukuran kapasitansi dalam pengertian yang umum. Jembatan schering

sangat bermanfaat untuk mengukur sifat-sifat isolasi yakni pada sudut-sudut fasa yang sangat

mendekati 90o.

Susunan rangkaian dasar ditunjukkan pada gambar diatas, dan pemeriksaan rangkaian

menunjukkan suatu kemiripan yang kuat terhadap jembatan pembanding. Perhatikan bahwa

lengan 1 mengandung suatu kombinasi paralel dari sebuah tahanan dan sebuah kapasitor, dan

lengan standar hanya berisi sebuah kapasitor. Kapasitor standar adalah sebuah kapasitor mika

bermutu tinggi dalam pemakaian pengukuran yang umum atau sebuah kapasitor udara untuk

pengukuran isolasi. Sebuah kapasitor mika bermutu tinggi mempunyai kerugian yang sangat

rendah (tidak ada tahanan) dan arena itu mempunyai sudut fasa yang mendekati 90o. Sebuah

kapasitor udara yang dirancang secara cermat memiliki nilai yang sangat stabil dan medan

listrik yang sangat kecil. Bahan isolasi yang akan diuji dapat dengan mudah dihindari dari

setiap medan yang kuat.

Persyaratan setimbang menginginkan bahwa jumlah sudut fasa lengan 1 dan lengan 4

sama dengan jumlah sudut fasa lengan 2 dan lengan 3. Karena kapasitor standar berada dalam

lengan 3, jumlah sudut fasa lengan 2 dan 3 akan menjadi 0o + 90o = 90o. Agar menghasilkan

sudut fasa 90o yang diperlukan untuk kesetimbangan, jumlah sudut fasa antara lengan 1 dan 4

harus sama dengan 90o. Karena dalam pekerjaan pengukuran yang umum besaran yang tidak

diketahui akan memiliki sudut fasa yang lebih kecil dari 90o, maka lengan 1 perlu diberi suatu

sudut kapasitif yang kecil dengan menghubungkan kapasitor C1 paralel terhadap R1. Suatu

sudut kapasitif yang kecil sangat mudah diperoleh, yakni dengan menghubungkan sebuah

kapasitor kecil terhadap R1.

Persamaaan kesetimbangan diturunkan dengan cara yang biasa dengan memasukkan

nilai-nilai impedansi dan admitansi yang memenuhi ke dalam persamaan umum diperoleh :

Zx = Z2Z3Y1

Rx – j/ωCx = R2(-j/ωC3)(1/R1+jωC1)

Dan dengan menghilangkan tanda kurung,

Rx – j/ωCx = R2C1/C3 – jR2/ωC3R1 (1)

Dengan menyamakan bagian nyata dari bagian khayal kita peroleh bahwa

Rx = R2C1/C3 (2)

Cx = C3R1/R2 (3)

Factor daya (power factor, PF) dari sebuah kombinasi seri RC didefinisikan sebagai dengan

cosinus sudut fasa rangaian. Dengan demikian factor daya yang tiak diketahui sama dengan

PF = Rx/Zx . Untuk sudut-sudut fasa yang sangat mendekati 90o, reaktansi hampir sama

dengan imppedansi dan kita dapat mendekati factor daya menjadi :

PF ≈ Rx/Xx = ωCxRx (4)

Factor disipasi dari sebuah rangkaian seri RC didefinisikan sebagai cotangent sudut fasa dan

arena itu, menurut definisi, factor disipasi adalah

D = Rx/Xx = ωCxRx (5)

Di samping itu karena kualitas sebuah kumparan didefinisikan oleh Q = XL/RL, kita peroleh

bahwa factor disipasi D adalah kebalikan dari factor kualitas Q, dan berarti D = 1/Q. Faktor

disispasi memberitahukan kita sesuatu mengenai kualitas sebuah kapasitor, yakni bagaimana

dekatnya sudut fasa kapasitor tersebut ke nilai idealnya 90o. Dengan memasukkan nilai Cx

dalam persamaan (1) dan Rx dalam persamaan (2) kedalam bentuk factor disipasi diperoleh

D = ωR1C1 (6)

Jika tahanan R1 dalam jembatan Schering pada gambar diatas mempunyai suatu nilai

yang tetap, piringan (dial) kapasitor C1 dapat dikalibrasi langsung dalam factor disipasi D.

Hal ini merupakan biasa didalam sebuah jembatan Schering. Suku ω muncul dalam

pernyataan factor disipasi, ini berarti bahwa kalibrasi piringan C1 hanya berlaku untuk satu

frekuensi tertentu pada mana piringan di kalibrasi. Frekuensi yang berbeda dapat digunakan

asalkan dilakukan suatu koreksi, yakni dengan mengalikan pembacaan piringan C1 terhadap

perbandingan dari kedua frekuensi.

Prinsip Jembatan Schering

Jembatan Schering adalah cara yang paling banyak digunakan untuk mengukur

kehilangan daya dan faktor daya dielektrik. Semua cara yang memakai prinsip jembatan

terdiri dari rangkaian jembatan Wheatston yang baterainya diganti oleh sumber AC pada

frekuensi rendah atau frekuensi lain yang lebih tinggi. Detektornya tergantung pada frekuensi

yang dipakai; galvanometer vibrasi dipakai untuk frekuensi rendah dan telepon untuk

frekuensi lain yang lebih tinggi (800-1000 Hz).

C1 adalah kapasitor yang factor dayanya hendak diukur dan R1 adalah tahanan

ekivalen yang menyatakan komponen kehilangan daya dielektriknya. C2 adalah kapasitor

standar yang tidak mempunyai kehilangan daya. R3 dan R4 adalah resistansi variabel atau

tahanan yang non-induktip. C4 adalah kapasitor variabel. Tabir digunakan untuk

menghindarkan kesalahan yang disebabkan karena kapasitansi antara bagian-bagian tegangan

tinggi dan rendah dari jembatan tersebut. G adalah galvanometer khusus yang harus

mempunyai kepekaan yang tinggi karena impedansi cabang 3 dan 4 yang biasanya jauh lebih

kecil dibandingkan dengan cabang 1 dan 2. Galvanometer dan tahanannya mempunyai

potensial rendah sekali (beberapa volt lebih tinggi daripada potensial rendah), meskipun

tegangan yang dipakai tinggi sekali (kira-kira 100 kV), kecuali apabila terjadi kegagalan pada

kapasitor pada cabang 1 dan 2. Jembatan menjadi seimbang dengan cara merubah R3 dan C4

sehingga galvanometer menunjukan angka nol.

Dalam keadaan seimbang harus dipenuhi syarat :

Z1

Z3

=Z2

Z4

(1)

Dengan Z1 = impedansi cabang ke-1

Z1=R1

1+ jωC1 R1

(2)

Z2 = impedansi cabang ke-2

Z2=1

jωC2

(3)

Z3 = impedansi cabang ke-3

Z3=R3 (4 )

Z4= impedansi cabang ke-4

Z4=R4

1+ jω C4 R4

(5)

Dengan merasionalisasi persamaan (1) diperoleh :

R1(1− jωC1 R1)R3(1+ω2C1

2 R12)

= − jωC2 R4

(1+ jωC4 R4 )(6)

Dan dengan menyamakan suku riil diperoleh :

R1

1+ω2 C12 R1

2 =C4 R3

C2

(7)

Dengan memperhatikan Gambar 2. Diperoleh :

cos δ=ωC1 R1

√1+ω2C12 R1

2(8)

Atau

cos2 δ=ω2C1

2 R12

C2

( 9 )

Sehingga persamaan (7) dapat ditulis sebagai

C1=C2cos2 δ

ω2C4 R1 R3C1

(10 )

Dengan menggambar seluruh diagram vector dari rangkaian jembatan dalam keadaan

seimbang dapat dilihat bahwa :

V = tegangan pada seluruh jembatan,

V1= tegangan pada cabang ke-1 dan ke-2,

V2= tegangan pada cabang ke-3 dan ke-4,

V1 + V2=V

I1 = arus dalam cabang ke-1 dan ke-2,

I2 = arus dalam cabang ke-3 dan ke-4.

Pembagian vektorial dari arus dalam kapasitor dan tahanan dapat dilihat dengan jelas.

Dari sini dapat dilihat bahwa:

tan δ=ωC4

1R4

=ωC4 R4(11)

Tetapi juga

tan δ=

1R4

ωC1

= 1ωC1 R1

(12)

Sehingga dari persamaan (11) dan (12) diperoleh:

R4=1

ω2 C1 C4 R1

(13)

Dengan memasukkan persamaan (13) ke dalam persamaan (10) diperoleh kepastian dari

kapasitor yang dicari :

C1=C2 R4

R3

cos2 δ(14 )

Dengan demikian maka kehilangan daya dielektriknya dapat dihitung karena δ kecil, maka

dapat ditulis :

C1=C2 R4

R3

(15)

Dan faktor dayanya

sin δ=tan δ=δ (16) Jembatan Schering Berperisai (Shielded)

Jembatan Scering pada tegangan tinggi atau untuk pengukuran berketerlitian yang

pada tegangan rendah effek kapasitansi sasaran antara elemen-elemen jembatan perlu sekali

ditiadakan. Hal ini dapat dilakukan dengan menutupi bagian-bagian yang mungkin terkena

shield elektrostatik pada potensial yang sesuai. Jembatana berperisai cocok untuk pemakaian

dengan tegangan tinggi. Kapasitor standar C2 dan kapasitor yang diuji (C1) digambarkan

sebagai kapasitor berelektroda tiga. Elektroda pelindungnya masing-masing dihubungkan

dengan system perisainya yang menutupi cabang detector dan penghantar (kawat) antara

elektroda C1 dan C2 dan tahanan R3 dan R4. Perisai ini diatur supaya potensialnya sama

dengan potensiall detector dengan bantuan cabang R5-L5-C5. Dalam hal ini detector terpasang

antara perisai dan sebah titik pertemuan pada jembatan utama.

Sakelar A dipakai untuk memasang detector pada jembatan utama untuk mencapai

keseimbangan pokok, atau untuk memasang detector di antara perisai dan titik potong B

untuk keperluan keseimbangan bantuan (auxiliary balance). Cabang tegangan rendah R3 dan

R4-C4 tertutup oleh perisai yang dihubungkan secara langsung. Akibat adanya perisai,

kapasitansi langsung antara kawat tegangan tinggi dengan cabang detector atau dengan at dari

cabang tegangan rendah tidak ada. Dan akibat adanya perisai yang dipasang, maka

kapasitansi langsung antara elemen-elemen tegangan rendah juga tidak ada. Arus kapasitip

antara penghantar tegangan tinggi dengan cabang detector mengalir ke tanah melalui cabang

pembantu R5-L5C5, sehingga tidak terukur.

Kapasitansi antara bagian tegangan tinggi dan perisai yang dihubungkan sekitar

cabang tegangan rendah sejajar dengan sumber tegangan, meskipun merupakan beban

tambahan, tidak mempengaruhi pengukuran. Kapasitansi antara cabang detector dan

perisainya tidak mempunyai perbedaan potensial sehingga tidak mempengaruhi pengukuran.

Hal ini berarti bahwa potensialnya untuk setiap waktu sama (jadi bukan hanya potensial rata-

ratanya sama), sehingga perlu diperhatikan baik pengaturan fasa maupun pengaturan

besarnya pada cabang pembantu. Inilah sebabnya perlu ada kapasitor C5 yang dihubungkan

pararel dengan tahanan R5 dan inductor L5. Dari keterangan di atsa dapat disimpulkan bahwa

hanya kapasitansi langsung antara elektroda C1 dan C2 dan elektroda tegangan tinggi yang

bersangkutan yang ikut dalam pengukuran, bila jembatan utama dan cabang pembnatu

keduanya dalam keadaan seimbang.

Jembatan Scering Presisi

Besarnya masing-masing elemen pada konstruksi dari sebuah meja jembatan Scering

presisi adalah :

R3 sebesar 11,111 Ohm, terdiri dari 5 buah tombol; untuk pengaturan halus dipakai

tombol tambahan S=0,13 Ohm sebagai variabel.

C4 terdiri dari 4 buah tombol variabel sebesar 1,111 mikrofarad.

R4 adalah tahanan tak induktif berharga 318,32 Ohm.

Sebuah shunt (Ni) terdiri dari 0,3;1;3;10;d dan 30 Ohm.

R5 sebesar 4450 Ohm, terdiri dari 3 tombol.

L5 dapat dirubah dari 5 sampai 500 milihenry dengan hubungan seri-pararel.

C5 dapat dirubah dari 10.000 piko-farad sampai 2 mikrofarad, terdiri dari 1 tombol.

Kapasitor standarnya C2 berharga 100 pikofarad dan mempunyai tegangan kerja 200 kV

AC, berisi gas CO2 yang bertekana 12 kg/cm2.

Oleh karena arus yang mengalir kecil sekali (100 μA) dan factor daya yang hendak

diukur sangat rendah (sin δ 10-5), maka jembatan ini dilengkapi dengan sebuah penguat

(amplifier) elektronik dan alat penunjuk untuk keperluan deteksi. Data dari detector yang

dipakai adalah :

Frekwensi : 50-3000 cps

Voltage gain : > 100 db

Arus : 0 - 100 μA

Sumber DC : 2 x 6 volt

Dengan menggunakan parameter di atas, maka bila jembatan dalam keadaan

seimbang maka kapasitansi yang divari (C1) dan factor daya dielektrik tan δ dapat dihitung

sebagai berikut:

Bila shunt tidak dipakai :

C1=C2

R4

R3+s(17)

tan δ=ωC4 R4=10 C4 (% )(18)

bila ω = 2πf = 2π50

Bila shunt dalam (Ni) dipakai:

C1=C2 R4

100+R4

N i(R¿¿3+s)(19)¿

tan δ=ωC4 R4−ωC2 R4

100−N i−S

N i ( R3+s )(20 )

Bila shunt luar (Ne) dipakai:

C1=C2 R4

100+R3+N e

N e (R¿¿3+s)(21)¿

tan δ=ωC4 R4−ωC2 R4100−S

( R3+s )

Bila kapasitor standar C2 mempunyai factor daya tan δ2 ≠ 0

Maka factor daya yang dicari adalah:

tan δ'=tan δ+ tan δ 2(22)