## PERANCANGAN RELE ARUS LEBIH DENGAN KARAKTERISTIK INVERS BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 8535
Cahayahati 1 , Mirza Zoni 2
Program Studi Teknik Elektro, Universitas Bung Hatta 1 Program Studi Teknik Elektro, Universitas Bung Hatta 2

## ABSTRAK
Untuk  melindungi  peralatan  listrik dari kerusakan  akibat gangguan hubung singkat  atau short  circuit penyebab masalah yang harus diaman diperlukan suatu alat pengaman arus lebih (over current protection atau  over  current  relay  (OCR)). Alat  pengaman  ini  dapat  bekerja  dengan respon  cepat, fleksibel, tidak mudah  rusak, akurat  dalam  mengatasi  gangguan dan dirancang dengan  rangkaian  elektronik  berbasis mikrokontroler.  Bentuk  prototipe  proteksi  arus  lebih  digital  (Digital  over  current  protection) dengan karakteristik invers dengan rele arus lebih ini dirancang dengan menggunakan Hall Effect Current Sensor tipe  ACS706  ELC020 sebagai  pendeteksi  arus.  Perancangan  rele  arus  lebih  didukung  oleh  teknologi mikrokontroler AVR Atmega 8535 yang diprogram dengan BASCOM-AVR, dengan tingkat kepresisian waktu trip  yang tinggi.
Kata kunci: Proteksi digital, Mikrokontroler, Hubung Singkat,

## I. PENDAHULUAN
Dalam  operasi sistem  tenaga untuk mensuplai beban diharapkan sistem beroperasi tanpa  gangguan.  Jika  terjadi  gangguan  hubung singkat  sistem  dapat kembali operasi dan gangguan  dapat  diamankan  dengan  cepat  tepat pada daerah yang terganggu.
Untuk  mengamankan  sistem  tenaga  dari gangguan  hubung  singkat  diperlukan  alat  rele proteksi yang dapat bekerja dengan cepat, tepat, andal dan berkerja terintegrasi dengan peralatan lain.  Sedangkan  rele proteksi  konvensional terdiri  dari rele tipe  elektromagnetik  dan  tipe statik mempunyai  banyak  kekurangan  dalam melindungi sistem  tenaga  listrik  dan  peralatan- peralatan lainnya.
Rele tipe elektromagnetik dan tipe statik mempunyai beberapa kekurangan seperti waktu operasi  yang  lama,  permasalahan  kontak, tidak fleksibel, tidak mudah diubah, sensitif terhadap suhu  dan  tidak  dapat  diintegrasi  dengan peralatan  lain. Sejalan  dengan  perkembangan teknologi  sistem  digital  dan peralatan  yang dapat  merasakan  nilai  analog,  peralatan  yang dapat  mengkonversikan  nilai  analog  ke  digital dan  sebaliknya serta  modul  yang  dapat
mengolah, menyimpan dan merubah-rubah data digital  sesuai  yang  diinginkan  dalam  bentuk mikrokontroler (microcontroller). Sehingga
membuka  peluang  untuk  merancang  rele proteksi arus lebih digital berbasis mikrokontroler.

## II. TINJAUAN PUSTAKA
Pada  penelitian  ini  mencari  acuan  dari riset-riset  sebelumnya,  seperti  tercantum  di bawah ini:
Rina (2007), meneliti tentang ”Pere ncanaan sistem koordinasi rele arus lebih (OCR)  dengan  rele  gangguan  tanah  (GFR) sistem proteksi kota Padang”. Hasil penelitiannya  diperoleh  koordinasi  rele  arus lebih (OCR) dengan rele gangguan tanah (GFR) yang baik sebagai sistem proteksi kota Padang .
Wahidil (2007), meneliti tentang
”Analisa setting arus dan waktu rele arus lebih dan  rele  gangguan  tanah  untuk  gangguan hubung  singkat  berdasarkan  perkiraan  jarak gangguan” .Hasil penelitiannya diperoleh setting  arus  dan  waktu  rele  arus  lebih  dan  rele gangguan  tanah  untuk  gangguan  hubung singkat berdasarkan perkiraan jarak gangguan.
Desrizal (2007), meneliti tentang ” Studi penentuan karakteristik waktu tunda dan waktu kerja  Over  Current  Relay  (OCR)  dan  pemutus balik  otomatis”. Hasil  penelitiannya  diperoleh cara menentukan karakteristik waktu tunda dan waktu  kerja  Over  Current  Relay  (OCR)  dan pemutus balik otomatis.
Saputra    (2006),  meneliti  tentang ”Perancangan pengaman digital pada transformator tiga phasa berbasis mikrokontroller atmega 8”. Hasil penelitiannya diperoleh  sebuah  alat  pengaman  digital  yang mampu  melindungi  transformator  tiga  pahasa dari  gangguan  arus  lebih,  tegangan  lebih  dan tegangan  kurang  serta  gaangguan  kenaikan suhu berbasis mikrokontroller atmega 8.
Berdasarkan  tinjauan  di  atas,  maka penulis  dalam  penelitian  ini  akan    merancang rele arus lebih dengan karakteristik invers yang dapat  diatur  berbasis  mikrokontroler  Atmega 8535,  agar  dapat  digunakan  untuk  melindungi beban dari gangguan arus lebih.

## III. METODE PENELITIAN
Metode  penelitian perancangan  rele  arus lebih dengan  karakteristik  invers  berbasis mikrokontroler terdiri dari  perangkat  keras  dan perangkat lunak.

## 3.1. Perancangan Perangkat Keras
Perancangan perangkat keras (Hardware)
terdiri dari :
1. Perancangan  rangkaian deteksi arus dengan keluaran tegangan.
Rangkaian  ini  terdiri  dari  dioda bridge dan  sensor  arus  yaitu Hall  Effect  Current Sensor  Type  ACS706  ELC20.  Dioda bridge berfugsi  untuk  mengkonversikan  besaran  arus menjadi  besaran  tegangan.  Besaran  tegangan tersebut  selanjutnya  diinputkan  ke  sensor  arus, tepatnya  pada  terminal  IP+  dan  terminal  IP-. Sensor  arus  tersebut  menghasilkan  tegangan DC  sebagai  tegangan  keluran  5  Vdc.  Gambar rangkaian  deteksi  arus  dan  bentuk  fisik rangkaiannya pada Gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian Deteksi Arus
Bentuk  fisik rangkaian  deteksi  arus sebagai berikut:
Gambar 2. Bentuk Fisik Rangkaian Deteksi Arus

## 2. Perancangan Rangkaian Driver
Rangkaian  ini  berfungsi  sebagai  saklar on/off  yang  terdiri  dari  optocoupler,  triac,  led dan  resistor.  Optocoupler  digunakan  untuk memisahkan  rangkaian  dengan  tegangan  kerja yang  berbeda,  yaitu  mikrokontroller  dan kontaktor.  Mikrokontroller  akan  memberikan tegangan  (pulsa)  pada  MOC  3020  yang selanjutnya akan memberikan trigger pada triac. Rangkaian  dan  bentuk fisik  driver  ditunjukkan pada Gambar 3 dan 4 berikut.

## Gambar 3 Rangkaian driver
Komponen yang digunakan:
 Optocoupler tipe MOC 3020
 Triac tipe BT I37 dan BT 139
 Resistor 470 Ω dan 150 Ω
 Led

## Gambar 4 Bentuk fisik rangkaian driver
3. Rangkaian Microcontroller ATmega 8535 Mikrokontroller  merupakan  rangkaian
CPU  tempat  penyimpanan  dan  pelaksanaan perintah-perintah dari hasil keseluruhan pemograman.  Dengan  mikrokontroler  AVR Atmega  8535  sebagai  komponen  utama,  blok rangkaian  mikrokontroler  ini  juga  memerlukan komponen pendukung lainnya agar bisa bekerja secara sempurna. Single line diagram rangkaian Atmega 8535 ditunjukkan oleh gambar 5.

## Gambar 5 Rangkaian mikrokontroler 8535
Rangkaian  mikrokontroler  AVR  Atmega 8535 terdiri dari :
 Rangkaian clock yang  terdiri  dari  kristal  12 Mhz berfungsi untuk menghasilkan kecepatan  operasi  Atmega  8535  dalam mengolah data.
 Rangkaian reset digunakan untuk mengembalikan  keadaan  register  di  dalam mikrokontroler ke posisi awal.
 Rangkaian catu daya menggunakan IC 7809 sabagai  regulator  tegangan  9  VDC  yang masuk ke mikrokontroler.
4. Rangkaian Catu Daya
Perangkat elektronika memerlukan suplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar dapat  bekerja  dengan  baik. Sumber  catu  daya yang  besar  adalah  sumber  bolak-balik  AC (alternating  current)  dari  pembangkit  tenaga listrik. Untuk  itu  diperlukan  suatu  rangkaian catu  daya  yang  dapat  mengubah  arus  AC menjadi  DC. Pada  perancangan  ini  dibutuhkan beberapa  sumber  tegangan  DC  (penyearah/ rectifier)  sebagai  catu  daya  perangkat  keras, antara lain:
1.    5  V  untuk  catu  daya  rangkaian  sensor arus,  dan  5  V  untuk  catu  daya rangkaian penguat push button.
2.    12  V  untuk  catu  daya  fan  dan  12  V untuk catu daya rangkaian driver  alarm 3.  9 V untuk catu daya mikrokontroler
Gambar rangkaian catu daya ditunjukkan oleh gambar 6 berikut ini:

## Gambar 6. Rangkaian catu daya
Rangkaian  catu  daya  ini  termasuk  ke dalam  jenis  penyearah  gelombang  penuh. Dengan menambah kapasitor untuk memperkecil  tegangan  ripple  keluaran  catu daya.
V r = I T/C (1)
Keterangan :
Vr   = Tegangan ripple (Volt)
I      = Arus (A)
T     = Prioda (S)
C     = Nilai Capasitor (F)
Rumus ini menjelaskan, jika arus beban I semakin  besar,  maka  tegangan ripple akan semakin  besar.  Sebaliknya  jika  kapasitansi  C semakin  besar,  tegangan ripple akan  semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya dianggap T=Tp,  yaitu  periode  satu  gelombang sinus  dari  jala-jala  listrik  yang  frekuensinya 50Hz  atau  60Hz.  Jika  frekuensi  jala-jala  listrik 50Hz, maka T = Tp = 1/f = 1/50 = 0.02 det. Ini berlaku  untuk  penyearah  setengah  gelombang. Untuk  penyearah  gelombang  penuh,  tentu  saja frekuensi gelombangnya dua kali lipat, sehingga  T  =  1/2  Tp  =  0.01  det.  Penyearah (power  suply) adalah  rangkaian  yang  dapat mengkonversikan  arus  bolak  balik  (AC) menjadi  arus  searah  (DC).  Penyearah  yang digunakan  adalah  dioda  bridge.  Dioda  jenis bridge  ini  merupakan  penyearah  gelombang penuh  yang  tersusun  dari  empat  buah  dioda yang terangkai sistem jembatan.
Bentuk  gelombang  keluaran  dari  catu daya  gelombang  penuh  setelah  diratakan dengan kapasitor direpresentasikan oleh gambar 7.

## Gambar 7. Bentuk catu daya gelombang
penuh Searah
Rangkaian  catu  daya  dibutuhkan  untuk memberikan  daya  pada  rangkaian yang  akan dikendali  pada  transformator.  Tegangan  yang dibutuhkan  pada  rangkaian  perancangan      ini adalah 5 V, 9 V, dan 12 V. Untuk mendapatkan tegangan 5 V, 9 V, dan 12 V yang stabil disini mengunakan IC regulator tegangan 7805, 7809, dan 7812 . Untuk menjaga terjadinya kerusakan pada IC regulator  digunakan pendingin sebagai penyerap panas.

## 3.2. Perancangan Perangkat Lunak
Perancangan  perangkat  lunak  (software) rele  arus lebih  dengan  karakteristik  invers
berbasis mikrokontroler dinyatakan dalam flow chart sebagai berikut.

## Gambar 8 Flow Chart Rele Arus lebih
Rumusan  untuk menentukan waktu  trip pada  gangguan  bersifat normal  invers dapat dinyatakan rumus sebagai berikut :
t = 97 , 2 1 . 1 ) / ( 14 , 0 02 , 0  Is I (2)
Untuk  menentukan waktu  trip  pada gangguan  bersifat very invers dapat  dinyatakan dengan rumus sebagai berikut :
t = 97 , 2 1 . 1 ) / ( 5 , 13  Is I (3)
Untuk  menentukan waktu  trip  pada gangguan  bersifat extremelly  invers dapat diketahui dengan rumus sebagai berikut :
t = 97 , 2 1 . 1 ) / ( 80 2  Is I (4)
Untuk  menentukan waktu  trip  pada gangguan  bersifat long  invers dapat  diketahui dengan rumus sebagai berikut :
t = 97 , 2 1 . 1 ) / ( 120  Is I (5)
Dimana : t  = Waktu trip (detik)
I  = Arus yang mengalir (A)
Is = Harga Arus Setting (A)

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 4.1. Karakteristik Normal Invers
Pengujian  gangguan  bersifat normal invers merupakan  pengujian  rele  arus  lebih dengan karakteristik waktu dan arus berbanding terbalik sehingga beda waktu (t) yang diberikan tidak  terlalu besar  apabila  terjadi  gangguan. Pada  pengujian  ini  kita  menguji  ketepatan waktu trip secara perhitungan dengan waktu trip dalam pengujian.

## Tabel 1. Hasil Pengujian normal invers
Arus Set Point (A) Arus Beban (A) Waktu Trip Teori (detik) Waktu Trip Praktek (detik) Tampilan Arus pada LCD (A) 2 2.5 10 10 2.5
2 3 5 5 3 2 3.5 4 4 3.5 2 4 3 3 4 2 4.5 2 2 4.5
Grafik  hubungan  antara  arus  pemakaian (arus  beban)  dan  waktu  trip  kontaktor  apabila diberikan  arus set  point 2  A gangguan  bersifat normal  invers dapat  dilihat  pada  gambar  di bawah ini.
Gambar 9. Karakteristik Normal Invers

## 4.2. Karakteristik Very Invers
Pengujian gangguan bersifat karakteristik very  inverse merupakan  pengujian  rele  arus lebih  dengan  karakteristik  waktu  arus  sangat berbanding  terbalik  sehingga  beda  waktu  (t) yang  diberikan  akan  lebih  besar  apabila  terjadi gangguan  dan lebih lama  dibandingkan  dengan normal  invers.  Pengujian  ini  dilakukan  untuk menguji ketepatan waktu trip secara perhitungan atau secara teori dengan waktu trip dalam  pengujian. Tabel 2  hasil pengujian karakteristik very invers.

## Tabel 2 Hasil Karakteristik very invers
Arus Set Poin t (A) Arus Beba n (A) Wakt u Trip Teori (detik ) Waktu Trip Prakte k (detik) Tampi lan Arus pada LCD (A) 2 2.5 18 18 2.5 2 3 9 9 3 2 3.5 6 6 3.5 2 4 4 4 4 2 4.5 3 3 4.5
Dalam  bentuk grafik  hubungan  antara arus  pemakaian  (arus  beban)  dan  waktu  trip kontaktor  apabila  diberikan  arus set  point 2  A. Hasil karakteristik very invers dari tabel 2 dapat digambar  dibawah ini.

## Gambar 10 Hasil Karakteristik Very Invers

## 4.3. Karakteristik Extremelly Invers
Pengujian gangguan bersifat karakteristik extremelly  invers merupakan  pengujian  rele arus  lebih  dengan  karakteristik  waktu  arus sangat  berbanding  terbalik  sekali,  sehingga beda waktu (t) yang diberikan akan lebih besar apabila  terjadi  gangguan  dan  lebih  lama dibandingkan  dengan very  invers. Hasil pengujian  dilakukan  untuk  menguji    ketepatan waktu  trip  secara  perhitungan  dengan  waktu trip. Hasil pengujian pada tabel 3.

## Tabel 3 Hasil Karakteristik Extremelly Invers
Arus Set Point (A) Arus Beban (A) Waktu Trip Teori (detik) Waktu Trip Praktek (detik) Tampilan Arus pada LCD (A) 2 2.5 46 46 2.5 2 3 21 21 3 2 3.5 13 13 3.5 2 4 8 8 4 2 4.5 6 6 4.5
Dari  tabel 3  dapat  dibuat  karakteristik extremelly invers, yang menunjukkan hubungan antara  arus  pemakaian  dan  waktu  trip  apabila diberikan  arus set  point 2  A. Karakteristik extremelly  invers, ditunjukkan  pada  gambar dibawah ini
Gambar 11 Hasil Karakteristik extremelly invers
4.4. Karakteristik Long Invers Pengujian  gangguan  bersifat long  invers merupakan  pengujian  rele  arus  lebih  dengan karakteristik  waktu  arus  yang  sangan-sangat berbanding terbalik sekali sehingga beda waktu yang  diberikan  akan  lebih  besar  apabila  terjadi gangguan  dan lebih lama  dibandingkan  dengan extremelly  invers.  Pengujian  ini  dilakukan untuk  menguji  ketepatan  waktu  trip  secara perhitungan dengan waktu trip dalam pengujian. Tabel 4 hasil pengujian karakteristik long invers.

## Tabel 4. Hasil Karakteristik Long Invers
Arus Set Point (A) Arus Beb an (A) Waktu Trip Teori (detik) Waktu Trip Praktek (detik) Tampil an Arus pada LCD (A) 2 2.5 160 160 2.5 2 3 80 80 3 2 3.5 52 52 3.5 2 4 40 40 4 2 4.5 30 30 4.5
Dari tabel 4 dapat dibuat karaktristik long invers, yang menunjukkan antara arus pemakaian  dan  waktu  trip  apabila  diberikan arus set  point 2  A. Gambar  karakteristik  long invers ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

## V. Pembahasan
Pengujian  alat  rele  proteksi  arus  lebih dengan karakteristik invers berbasis mikrokontroler    dengan  beberapa  karakteristik normal  invers,  very  invers,  extremelly  invers, dan long invers dengan arus setting sebesar 2 A dan  variasi  arus  beban  mulai  dari  2,5  A,  3  A, 3,5 A, 4 A, dan 4,5 A.
Pada  pengujian  karakteristik  normal invers,  rele  trip  dalam  waktu  10  detik  sampai waktu  2  detik kesalahan  pengujian  rata-rata 12,4  %.Pada  pengujian karakteristik very invers, rele  trip  dalam  waktu  18  detik  sampai dengan waktu 3 detik kesalahan pengujian rata- rata 6,2 %.
Pada  pengujian karakteristik extremelly invers,  rele  trip  dalam  waktu  46  detik sampai dengan 6  detik kesalahan  pengujian  rata-rata 5,2 %.Pada pengujian karakteristik long invers, rele trip dalam waktu 160 detik sampai dengan waktu  30  detik kesalahan  pengujian  rata-rata 2,8%.

## VI. KESIMPULAN
Hasil  pengujian  rele proteksi arus  lebih dengan karakteristik invers berbasis mikrokontroler  dapat  diambil  kesimpulan sebagai berikut:
1. Semakin  besar  arus  gangguan  terjadi semakin  cepat  pula  waktu  bekerja  rele arus  lebih  ini  membuka  kontaktor. Arus ganggan terbesr 4,5 A dengan waktu trip tercepat adalah 2 detik
2. Waktu yang digunakan untuk melepaskan  beban  dari  gangguan  telah sesuai  dengan  waktu  yang  disetting,  ini
membuktikan  tingkat  kepresisian  rele yang tinggi.
3. Error  atau  kesalahan  waktu  trip antara data  hasil  pengujian  dan  analisa  secara teori  sangat  kecil.  Error  tekecilnya 2,8% dan error terbesarnya 12,4%

## Daftar Pustaka
[1] Anistardi,  I.  (1997). Bereksperimen
Dengan  Mikrokontroler  8031. Jakarta: PT. Elex Media Komputindo.
[2] Desrizal. (2007). Studi Penentuan
Karakteristik  Waktu  Tunda  Dan  Waktu Kerja  Over  Current  Relay  (OCR)  Dan Pemutus  Balik  Otomatis.  Universitas
Bung Hatta: Skripsi S1
[3] Ogata,  K. (1993) .  Teknik  Kontrol Automatik. Jakarta: Erlangga.
[4] Petruzella, FD. (2001). Elektronik Industri.Yogyakarta: Erlangga. [5] Rina. (2007). Perencanaan Sistem Koordinasi  Rele  Arus  Lebih  (OCR) Dengan  Rele  Gangguan  Tanah  (GFR) Sistem Proteksi Kota Padang. Universitas Bung Hatta: Skripsi S1. [6] Saputra.  (2005). Perancangan  Auto Recloser  Elektronik. Universitas  Bung
Hatta: Skripsi S1.
[7] Sugiharto,  A.  (2006). Penerapan  Dasar
Transduser Dan Sensor. Jakarta:
Gramedia.
[8] Wardhana,  L.  (2006). Mikrokontroller AVR  Seri  ATMEGA8535.  Yogyakarta: Gramedia.
[9] Widodo,  B.  (2006). Belajar  Sendiri  12 Proyek  Mikrokontroler  Untuk  Pemula. Jakarta: Gramedia
[10] Zoro,  R.  (1987). Rele  Proteksi.  Institute Teknologi Bandung: Skripsi S1.
[11] Zuhal.  (1991). Dasar  Tenaga  Listrik.
Institute Teknologi Bandung: Skripsi S1.

## Biodata Penulis
Penulis menamatkan  S1 di  Universitas  Bung  Hatta.  Pendidikan  S2 Teknik  Elektro diselesaikan  di Institut  Teknologi  Bandung (ITB). Saat  ini  penulis  terdaftar  sebagai  dosen  Teknik Elektro Universitas Bung Hatta.