RANCANGAN ALAT UKUR WAKTU TUNDA RELE ARUS LEBIH

RANCANGAN ALAT UKUR WAKTU TUNDA RELE ARUS LEBIH T. Ahri Bahriun 1) 1) Staf Pengajar Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik USU Abstrak Rele arus lebih berfungsi untuk membuka circuit breaker jika terjadi gangguan berupa arus lebih. Pembukaan circuit breaker ini bertujuan untuk menghindari kelebihan arus yang berkepanjangan. Rele ini umumnya dilengkapi dengan penunda waktu yang akan menunda pembukaan circuit breaker selama waktu tertentu. Ini dimaksudkan agar circuit breaker tidak dibuka jika gangguan arus lebih hanya berlangsung untuk saat yang singkat. Lamanya tundaan waktu ini umumnya merupakan fungsi dari besarnya arus lebih. Salah satu alat ukur yang dibutuhkan oleh laboratorium distribusi adalah alat ukur waktu tunda rele arus lebih. Alat ini berguna untuk mengukur selang waktu antara mulai terjadinya arus lebih dengan dibukanya circuit breaker. Alat ukur ini umumnya merupakan suatu timer yang akan di-start dan di-stop oleh kontak bantu dari rele yang diuji. Tulisan ini mencoba membahas suatu rangkaian pengukur waktu pembukaan rele arus lebih yang sederhana, yang menggunakan rangkaian logika sebagai intinya. Kata kunci: Rele arus lebih, Waktu tunda 1. Pendahuluan Laboratorium Distribusi Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU menggunakan sejumlah rele pada rangkaianrangkaian percobaan. Salah satu rele yang digunakan adalah rele arus lebih. Rele arus lebih ini dilengkapi dengan penunda waktu guna menunda bekerjanya rele tersebut. Lamanya waktu tunda ini merupakan fungsi dari besarnya arus lebih dan dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Semakin besar kelebihan arus semakin singkat tundaan waktunya. Salah satu besaran yang harus diukur dalam pengujian rele arus lebih adalah lamanya waktu tunda rele tersebut. Dalam pengujian ini, perlu diukur lamanya waktu tunda sebagai fungsi besarnya arus lebih. Pengukuran ini bisa dilakukan dengan menggunakan stopwatch biasa namun dalam pelaksanaannya tentu saja akan sulit, karena stopwatch harus di-start tepat pada saat dimulainya arus lebih dan harus di-stop tepat pada saat rele bekerja atau pada saat CB (circuit breaker) membuka. Cara ini membutuhkan kecepatan dan kesigapan dari orang yang memegang stopwatch tersebut. Dalam hal ini kesalahan pengukuran terbesar adalah disebabkan oleh faktor manusia, di mana kecepatan refleks manusia sangat menentukan. Metode yang lebih baik ialah men-start dan men-stop stopwatch dengan menggunakan kontak bantu (auxiliary contact) dari rele yang diuji. Dengan cara ini kesalahan yang disebabkan kelambanan manusia dapat dihindari. Agar dapat di-start dan di-stop secara listrik maka stopwatch yang digunakan haruslah stopwatch elektronik. Kesulitan dari metode ini ialah cara menghubungkan stopwatch yang digunakan ke rele yang akan diuji. Seperti diketahui, stopwatch elektronik umumnya bekerja pada tegangan rendah. Rangkaian seperti ini sangat peka terhadap kelebihan tegangan, khususnya pada bagian masukannya, Oleh karena itu dibutuhkan suatu cara untuk mengisolasi rangkaian stopwatch dari rele yang diuji. Salah satu cara ialah dengan menggunakan optocoupler, seperti diperlihatkan pada Gambar 1 (Bouwens, 1986). Gambar 1. Rangkaian pengisolasi stopwatch Pada rangkaian ini, stopwatch sama sekali tidak berhubungan secara listrik dengan rele 63

yang diuji. Hubungan hanya terjadi secara optik. Jika kontak bantu rele menutup maka LED pada optocoupler akan memancarkan cahayanya pada phototransistor sehingga transistor ini akan menghantar. Menghantarnya transistor ini akan menutup switch start dari stopwatch. Kesulitan lain dari cara ini ialah bahwa stopwatch umumnya memiliki dua tombol yang terpisah untuk start dan stop sehingga harus ada suatu rangkaian yang dapat memberikan sinyal start dan stop yang terpisah berdasarkan menutup dan membukanya kontak bantu dari rele yang diuji. Kesulitan-kesulitan di atas menimbulkan gagasan untuk merancang dan merakit suatu stopwatch yang dapat di-start dan di-stop oleh kontak bantu dari rele arus lebih. Komponenkomponen yang digunakan pada rancangan ini adalah komponen-komponen yang umum dan mudah diperoleh di pasaran. Tulisan ini mencoba membahas secara ringkas rancangan stopwatch ini. 1. Prinsip Kerja Dasar Prinsip kerja dasar dari alat ukur waktu tunda rele yang dirancang ini ialah menghitung jumlah pulsa yang masuk ke suatu pencacah BCD (Binary Coded Decimal) dari suatu rangkaian basis waktu selama kontak bantu rele menutup, yaitu selama waktu tunda rele. Alat ukur waktu tunda rele ini terdiri dari beberapa bagian seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2 (Bartee, 1985). Gambar 2. Diagram blok alat ukur Rangkaian basis waktu berfungsi untuk membangkitkan pulsa clock dengan frekuensi yang stabil dan presisi. Pulsa keluaran dari basis waktu ini dikirimkan ke pencacah BCD. Selama kontak bantu rele terbuka maka masukan INH (Inhibit) dari pencacah akan bernilai logika rendah sehingga pulsa clock yang masuk ke pencacah akan diabaikan. Apabila terjadi arus lebih maka kontak bantu rele akan menutup. Ini akan membuat masukan INH dari pencacah bernilai logika tinggi sehingga pencacah akan mencacah pulsa clock yang masuk. Dengan demikian maka selama kontak bantu rele tertutup, isi pencacah akan bertambah satu untuk setiap pulsa yang masuk. Pada akhir tundaan waktu, rele akan membuka CB sehingga arus lebih akan hilang dan kontak bantu rele akan terbuka kembali sehingga masukan INH dari pencacah kembali bernilai rendah pencacahan dihentikan. Dengan demikian maka pencacahan akan berlangsung selama waktu tunda dari rele. Pada akhir proses pencacahan, isi pencacah adalah sama dengan jumlah pulsa yang telah diterimanya. Banyaknya pulsa yang masuk ke pencacah ditentukan oleh lamanya waktu tunda dan frekuensi pulsa clock dan dapat dinyatakan sebagai: di mana : P = T D.f CLOCK P = Jumlah pulsa T D = Lamanya waktu tunda f CLOCK = Frekuensi clock Isi pencacah ini selanjutnya diubah dari format BCD ke format 7-segmen oleh suatu dekoder untuk selanjutnya ditampilkan oleh peraga LED (Light Emitting Diode) 7-segmen sehingga dapat dilihat. 2.1 Rangkaian Pencacah dan Peraga Sesuai dengan kebutuhan, maka alat ukur waktu tunda rele ini dirancang untuk dapat mengukur waktu sampai dengan 100 detik dengan resolusi 0,01 detik sehingga nilai yang terbesar yang harus dapat ditampilkan adalah 99,99 detik. Untuk itu dibutuhkan peraga 4- digit yang terdiri dari 4 buah peraga LED 7- segmen. Setiap digit dari peraga ini mendapat masukan dari sebuah pencacah BCD yang masing-masing dapat menghitung mulai dari nol sampai dengan sembilan. Agar rangkaian menjadi lebih sederhana maka pencacah yang digunakan pada rancangan ini adalah pencacah yang sudah dilengkapi dengan pengubah BCD ke 7-segmen yang dilengkapi pula dengan penggerak (BCD to 7-segment decoder/driver). Rangkaian lengkap dari pencacah dan peraga diperlihatkan pada Gambar 3 (Fairchild Semiconductor, 1988). Switch RESET (S2) berfungsi untuk mengosongkan isi pencacah yang timbul pada saat catudaya dinyalakan ataupun yang merupakan hasil pengukuran Jurnal Teknik Elektro ENSIKOM Vol. 3, No. 2 DESEMBER 2005 (63 69) 64

sebelumnya. Aliran pulsa masukan ke pencacah diatur oleh nilai logika dari masukan INH (inhibit) pada pencacah yang pertama. Pencacah akan mencacah pulsa pada masukan CP jika masukan INH bernilai (logika) rendah dan sebaliknya pencacahan akan dihentikan apabila masukan INH ini bernilai tinggi. Dengan kata lain, pencacahan dapat diatur dengan mengatur nilai logika dari masukan INH ini. Oleh karena itu maka masukan CP dari pencacah dapat disambungkan secara permanen ke sumber pulsa, yaitu rangkaian basis waktu. Seperti telah dinyatakan sebelumnya, agar rangkaian menjadi lebih sederhana maka pencacah yang digunakan adalah pencacah BCD yang dilengkapi dengan pengubah BCD ke 7-segmen dan penggerak. Oleh karena itu format keluaran dari setiap unit pencacah adalah format 7-segmen dan mampu untuk menyalakan satu segmen dari tampilan LED. Karena sifat keluaran dari penggerak adalah aktif tinggi (active high) maka tampilan LED 7-segmen yang digunakan adalah jenis katoda bersama (common cathode). Besarnya arus segmen akan menentukan kecerahan segmen tersebut. Semakin besar arus segmen semakin cerah nyala segmen tersebut. Gambar 3. Rangkaian pencacah dan peraga Gambar 4. Rangkaian ekivalen satu segmen Gambar 5. Rangkaian basis waktu 65

Untuk menghindari kerusakan dari penggerak dan peraga 7-segmen, maka arus setiap segmen harus dibatasi agar lebih kecil dari nilai maksimum yang diperkenankan (Millman, Halkias, 1979). Hal ini dapat dilakukan dengan menyisipkan sebuah tahanan di antara setiap segmen dengan penggeraknya sehingga rangkaian ekivalen dari setiap segmen dan penggeraknya menjadi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4. Besarnya arus segmen adalah: I S = (V DD V EC V F ) / R S... (1) V DD : Tegangan catuan V EC : Tegangan jatuh emiter kolektor transistor penggerak V F : Tegangan jatuh pada LED segmen 2.2 Rangkaian Basis Waktu Rangkaian basis waktu terdiri dari sebuah osilator kristal kwarsa dan sejumlah pencacah yang difungsikan sebagai pembagi frekuensi, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 5 (Bouwens, 1986). Osilator terdiri dari sebuah gerbang NAND (IC5a) yang dioperasikan pada daerah liniernya dengan memberikan umpan balik DC melalui tahanan R35. Sebagai penentu frekuensi digunakan sebuah kristal kwarsa dengan frekuensi 4MHz. Keluaran dari osilator ini disangga (buffer) oleh IC5b guna mengurangi efek pembebanan pada IC5a dan selanjutnya diteruskan ke rangkaian pembagi frekuensi yang terdiri dari IC6 hingga IC8. Untuk mendapatkan resolusi pengukuran sebesar 0,01 detik maka frekuensi masukan (clock) dari pencacah haruslah 100Hz. Untuk mendapatkan sinyal dengan frekuensi 100Hz maka frekuensi keluaran dari osilator yang besarnya 4MHz harus dibagi dengan faktor pembagi sebesar 40.000 sehingga diperoleh: f CLOCK = f OSC /40000 = 4.000.000Hz/40.000 = 100Hz Pembagian frekuensi dilakukan dengan menggunakan 8 buah pencacah BCD yang dihubungkan secara cascade. Pencacah IC6a, IC6b, IC7a, dan IC7b difungsikan sebagai pembagi 10 sehingga berturut-turut akan menghasilkan pulsa dengan frekuensi 400 khz, 40 khz, 4 khz dan 400 Hz. Suatu pencacah BCD akan membagi frekuensi masukannya dengan faktor pembagi 10 jika keluaran diambil dari Q C ataupun Q D. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 6. Diagram pewaktuan pencacah BCD Dari Gambar 6 terlihat bahwa dalam satu periode yang terdiri dari sepuluh pulsa CP, keluaran Q C dan Q D hanya naik dan turun satu kali. Hal ini akan terus berulang sehingga hubungan antara CP, Q C, dan Q D dapat dinyatakan sebagai: T C = T D = 10.T C T C = perioda Q C T D = perioda Q D T CP = perioda CP atau, f C = f D = f CP / 10 f C = frekuensi Q C f D = frekuensi Q D f CP = frekuensi CP IC8a dirangkai menjadi pencacah modulus 4 dengan menghubungkan keluaran Q C ke masukan CLR (clear) sehingga pencacah ini akan mereset dirinya sendiri pada setiap pulsa masukannya yang keempat, yaitu pada saat keluaran Q C naik sesaat seperti terlihat pada Gambar 7. Gambar 7. Diagram pewaktuan dari pencacah modulus 4 Dari Gambar 7 terlihat bahwa dalam satu siklus yang terdiri dari empat pulsa CP, keluaran Q B dan Q C hanya naik dan turun satu kali. Hal ini akan terus berulang sehingga hubungan CP, Q B, dan Q C dapat dinyatakan sebagai: T B = T C = 4.T CP Jurnal Teknik Elektro ENSIKOM Vol. 3, No. 2 DESEMBER 2005 (63 69) 66

T B = perioda Q B T C = perioda Q C T CP = perioda CP atau, f B = f C = f CP /4 f B = frekuensi Q B f C = frekuensi Q C f CP = frekuensi CP Dengan demikian maka IC8a akan berfungsi sebagai pembagi 4 sehingga menghasilkan pulsa keluaran dengan frekuensi 100 Hz. Sinyal 100 Hz ini selanjutnya dibagi sepuluh oleh pencacah IC8b yang berfungsi sebagai pembagi 10 sehingga menghasilkan pulsa keluaran dengan frekuensi 10 Hz. Sinyal keluaran 100 Hz dan 10 Hz ini dapat dipilih oleh switch S1a untuk diteruskan ke pencacah utama IC1. Jika yang dipilih adalah 10 Hz maka resolusi pengukuran adalah 0,1 detik sehingga tundaan maksimum yang dapat diukur adalah 999,9 detik. Sebaliknya jika yang dipilih adalah 100 Hz maka resolusi pengukuran adalah 0,01 detik sehingga tundaan maksimum yang dapat diukur adalah 99,99 detik. Oleh karena itu titik desimal yang harus dinyalakan untuk kedua kisar pengukuran ini adalah berbeda. Pemilihan titik desimal ini dilakukan oleh switch S1b. 2.3. Rangkaian Pengisolasi Rangkaian ini berfungsi untuk mengisolasi masukan INH dari pencacah utama (IC1) dari kontak bantu rele yang akan diuji. Hal ini sangat penting guna mengamankan pencacah ini dari tegangan lebih, agar terhindar dari kerusakan. Rangkaian ini menggunakan sebuah optocoupler (OC1), seperti yang diperlihatkan pada Gambar 8. Gambar 8. Rangkaian pengisolasi Jika terjadi arus lebih maka kontak bantu rele akan menutup sehingga LED pada OC1 akan dialiri arus dan menyinari phototransistornya sehingga phototransistor ini akan menghantar. Menghantarnya phototransistor ini akan mengakibatkan tegangan kolektornya menjadi rendah sehingga masukan INH dari pencacah IC1 akan bernilai logika rendah dan pencacah akan mencacah pulsa yang masuk. Pada saat tundaan waktu berakhir maka bersamaan dengan membukanya CB, arus lebih akan hilang sehingga kontak bantu rele akan membuka. Ini akan menyebabkan LED pada optocoupler tidak dialiri arus sehingga phototransistor dari OC1 tidak mendapatkan penyinaran. Hal ini akan mengakibatkan phototransistor menyumbat (cut-off) sehingga tegangan kolektornya menjadi tinggi. Akibatnya masukan INH dari IC1 akan bernilai logika tinggi sehingga aliran pulsa ke pencacah akan dihentikan. Dioda D1 berfungsi untuk melindungi LED dari tegangan reverse. 2.4. Rangkaian Catu Daya Rangkaian pengukur waktu tunda ini direalisasikan dengan menggunakan perangkat logika jenis CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Jenis ini dipilih karena lebih kebal terhadap derau dan mengkonsumsi daya jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan jenis TTL (Transistor Transistor Logic). Kelebihan lain dari perangkat CMOS ialah kisar tegangan catu yang lebih lebar, yaitu berkisar dari +3 V DC hingga +15 V DC. Untuk rangkaian ini ditentukan besarnya tegangan catuan adalah +5 V DC. Besarnya arus yang dikonsumsi perangkat CMOS ditentukan oleh tegangan catuan dan frekuensi kerja. Semakin tinggi tegangan catuan dan frekuensi kerja, semakin besar konsumsi arus. Frekuensi kerja tertinggi hanya terjadi pada IC5a dan IC5b yang bekerja pada frekuensi 4 MHz. Frekuensi kerja tertinggi kedua adalah pada IC6a yang bekerja pada frekuensi 400 khz. Pada rangkaian yang dirancang, besarnya konsumsi arus dari seluruh perangkat CMOS adalah sekitar 50 ma. Besarnya arus yang dikonsumsi oleh peraga ditentukan oleh arus setiap segmen dan nilai yang ditampilkan. Dari persamaan (1) dapat dilihat bahwa besarnya arus segmen dapat diatur dengan mengatur nilai tahanan R S. Semakin besar arus segmen semakin terang nyala segmen tersebut. Untuk peraga 7-segmen dengan ketinggian segmen 8 mm, arus segmen 67

sebesar 5mA sudah cukup untuk menghasilkan kecerahan segmen memadai. Dengan demikian jika semua segmennya menyala maka setiap digit akan mengkonsumsi arus sebesar 35 ma, yaitu pada saat menampilkan angka 8. Jika keempat digit menampilkan nilai 8 maka besarnya arus yang dikonsumsi peraga adalah 140 ma. Dari uraian di atas dapat dilihat bahwa konsumsi arus total untuk rangkaian yang dirancang adalah 190 ma maksimum. Untuk membangkitkan tegangan catuan digunakan catudaya seperti yang diperlihatkan pada Gambar 9. Gambar 9. Rangkaian catudaya Tegangan masukan dari jala-jala diturunkan oleh suatu trafo stepdown (T1) yang memiliki tegangan sekunder sebesar 18 V RMS dengan CT (centre tap). Keluaran dari trafo disearahkan oleh penyearah gelombang penuh yang terdiri dari dioda D2 dan D3. Keluaran dari penyearah ini selanjutnya ditapis oleh kapasitor C3 guna menghilangkan kerut (ripple) yang ada. Besarnya tegangan yang dihasilkan masih dipengaruhi oleh arus beban sementara arus beban berubah-ubah karena dipengaruhi oleh jumlah segmen yang menyala pada peraga. Oleh karena itu untuk menstabilkan tegangan catudaya digunakan IC9 yang merupakan suatu regulator seri. IC9 ini akan mempertahankan tegangan keluarannya sebesar +6 V DC selama tegangan masukannya lebih besar dari +8 V DC dan arus keluarannya lebih kecil dari 1 Ampere (Fairchild Semiconductor, 1988). Besarnya daya yang hilang atau disipasi daya pada regulator ini adalah: P D (V IN V OUT ).I L Watt P D V IN : disipasi daya : tegangan masukan regulator V OUT : tegangan keluaran regulator I L : arus beban yang berlebihan maka panas yang timbul ini harus dibuang dengan menggunakan pendingin atau heatsink. Agar daya yang hilang tidak terlalu besar maka V IN harus dibuat serendah mungkin, namun harus dapat mengantisipasi turun naiknya V IN yang disebabkan oleh perubahan arus beban dan turun naiknya tegangan jala-jala. Keluaran dari regulator ini selanjutnya ditapis oleh kapasitor C6 untuk menghilangkan kerut sehingga pada keluaran regulator akan diperoleh tegangan searah sebesar +6 V DC yang benar-benar stabil dan bebas kerut. Kapasitor C4 dan C5 berfungsi untuk menstabilkan IC regulator agar tidak berosilasi, sesuai dengan yang dianjurkan oleh pabrik pembuatnya (Fairchild Semiconductor, 1988). 3. Kalibrasi Kalibrasi dari alat yang dibuat membutuhkan suatu frequency counter yang mampu mengukur frekuensi paling tidak hingga 5 MHz dengan resolusi 1 Hz atau lebih baik. Satu-satunya bagian yang harus ditala pada proses kalibrasi adalah kapasitor C1. Sebelum alat ukur tundaan waktu dinyalakan, masukan dari frequency counter dihubungkan pada keluaran dari IC5b. Selanjutnya alat ukur dapat dinyalakan dan dibiarkan menyala hingga 5 menit guna pemanasan. Pemanasan ini perlu agar semua komponen mencapai temperatur kerja yang stabil sebelum kalibrasi dilakukan. Selanjutnya proses kalibrasi dapat dilakukan dengan menala kapasitor C1, sampai frequency counter menampilkan nilai 4.000.000 Hz. Apabila diperlukan maka nilai kapasitor C1 dapat diubah. Jika kalibrasi telah selesai maka alat ukur ini siap untuk digunakan. 4. Kesimpulan Dari pembahasan di atas dapat diambil beberapa kesimpulan, antara lain ialah: 1. Alat ukur tundaan waktu rele arus lebih dapat dibuat dengan menggunakan rangkaian elektronik yang sederhana. 2. Jumlah digit dari peraga dan akan menentukan lamanya waktu tunda yang dapat diukur. 3. Frekuensi clock yang digunakan akan menentukan resolusi dari pengukuran. Disipasi daya ini akan diubah menjadi panas oleh regulator. Untuk menghindari panas Jurnal Teknik Elektro ENSIKOM Vol. 3, No. 2 DESEMBER 2005 (63 69) 68

Daftar Pustaka Bartee, T., Digital Computer Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1985. Bouwens A. J., Digital Instrumentation, McGraw-Hill, New York, 1986. Fairchild Semiconductor, 1988, CMOS Integrated Circuits Data Book. Millman, J., Halkias, Microelectronics, Digital, and Analog Circuits and Systems, McGraw-Hill, New York, 1979. 69