Bagaimana merancang rangkaian driver relay yang praktis

Bagaimana merancang rangkaian driver relay yang praktis menggunakan transistor bipolar?
Berikut adalah sekelumit uraian yang bisa dijadikan tips atau panduan dalam merancang driver
relay menggunakan transistor bipolar.
Relay adalah komponen yang terdiri dari sebuah kumparan berinti besi yang akan menghasilkan
elektromagnet ketika kumparannya dialiri oleh arus listrik. Elektromagnet ini kemudian menarik
mekanisme kontak yang akan menghubungkan kontak Normally-Open (NO) dan membuka
kontak Normally-Closed (NC). Sedikit menjelaskan, kata Normally disini berarti relay dalam
keadaan non-aktif atau non-energized, atau gamblangnya kumparan relay tidak dialiri arus. Jadi
kontak Normally-Open (NO) adalah kontak yang pada saat Normal tidak terhubung, dan kontak
Normally-Closed (NC) adalah kontak yang pada saat Normal terhubung.
Gambar disebelah kanan adalah simbol dari komponen relay SPDT (Single-Pole Dual-Totem)
yang berarti memiliki sebuah kontak NO dan sebuah kontak NC dengan sebuah COMMON.
Pada saat kumparan tidak dialiri arus, maka kontak NC akan terhubung dengan COM. Jika
kumparan dialiri arus, maka kontak akan bergerak dari NC ke NO, sehingga NO akan terhubung
dengan COM.
Sedangkan gambar disebelah kiri ini adalah simbol dari komponen DPDT (Dual-Pole DualTotem) yang memiliki 2 buah kontak NO, 2 buah kontak NC dengan 2 buah COMMON.
Memang ada juga relay dengan 3-Pole dan 3-Totem, akan tetapi saya rasa tidak perlu saya
tampilkan gambarnya, cukup SPDT dan DPDT yang seringkali digunakan dalam praktek.
Karakteristik Relay
Sebelumnya perlu saya sampaikan bahwa dalam tulisan ini tidak dibahas tentang relay AC,
meskipun terdapat beberapa kesamaan karakteristik, namun akan lebih baik jika relay AC
dibahas dalam tulisan tersendiri. Insya Allah kalau ada kesempatan nanti akan saya bahas.
Singkat saja, karakteristik relay antara lain adalah tegangan kerja koil/kumparan. Ada yang
5Vdc, 12Vdc, 24Vdc, 36Vdc, hingga 48Vdc. Kalau ada relay DC yang tegangan kerja koilnya
selain itu tolong dibagi informasinya lewat komentar. Tegangan kerja adalah tegangan yang
harus diberikan kepada koil agar relay dapat bekerja. Selain itu ada karakteristik kemampuan
kontak relay. Bisa 3A, 5A, 10A, atau lebih. Maksudnya adalah arus maksimal yang mampu
dialirkan oleh kontak relay adalah sesuai dengan karakteristiknya, jadi bisa 3A, 5A, atau 10A.
Memang meskipun dipaksa untuk mengalirkan arus lebih besar juga tidak langsung rusak. Tapi
itu bukanlah praktek yang benar.
Berikut adalah beberapa gambar contoh relay DC yang banyak tersedia di pasaran.
Rangkaian Driver Relay
Transistor bipolar adalah komponen yang bekerja berdasarkan ada-tidaknya arus pemicuan pada
kaki Basisnya. Pada aplikasi driver relay, transistor bekerja sebagai saklar yang pada saat tidak
menerima arus pemicuan, maka transistor akan berada pada posisi cut-off dan tidak
menghantarkan arus, Ic=0. Dan saat kaki basis menerima arus pemicuan, maka transistor akan
berubah ke keadaan saturasi dan menghantarkan arus.
Gambar berikut adalah rangkaian praktis driver relay yang sangat handal untuk digunakan dalam
proyek-proyek mikrokontroler. Silakan menyimak dengan seksama…
Komponen aktif rangkaian di atas adalah 2 buah transistor jenis NPN yang disusun secara
Darlington. Transistor ini berfungsi sebagai saklar elektronik yang akan mengalirkan arus jika
terdapat arus bias pada kaki basisnya, dan akan menyumbat arus jika tidak terdapat arus bias
pada kaki basisnya. Relay yang dapat digunakan dengan rangkaian ini adalah relay dengan
tegangan kerja koil antara 5Vdc hingga 45Vdc. Jika relay yang digunakan membutuhkan
tegangan kerja diatas 45Vdc, maka gantilah transistor C828 dengan transistor yang memiliki
tegangan kerja lebih besar seperti BD139 misalnya.
Untuk relay-relay kecil dengan tegangan kerja 5V – 24V, untuk lebih menghemat biaya,
transistor TIP31C dapat diganti dengan C828 atau NPN sejenis. Untuk relay-relay besar, maka
transistor TIP31C sudah lebih dari cukup untuk mengaktifkan relay dengan mantap.
Berikut adalah sedikit contoh perhitungan praktis (bukan teoritis seperti ketika sekolah atau
kuliah) dalam perancangan rangkaian driver relay menggunakan transistor darlington.
Pertama-tama lakukan pengukuran resistansi kumparan relay. Sebagai contoh disini saya
gunakan relay SPDT 12V dengan kapasitas arus 5A. Dari hasil pengukuran nilai resistansi
kumparan relay adalah sebesar 358 ohm (boleh jadi Anda akan mendapatkan nilai yang
berbeda). Dengan demikian arus yang ditarik adalah sebesar 12V / 358 Ohm = 33,5 mA.
Sehingga transistor harus dapat menghasilkan arus sedikitnya 2-3 kali lebih besar dari 33,5
mA, yakni sekitar 100 mA (dalam contoh ini saya menggunakan faktor pengali 3).
Transistor yang digunakan adalah 2 buah transistor NPN tipe C828 yang murah dan mudah
sekali didapatkan dipasaran. Transistor C828 memiliki penguatan arus DC (hfe) sekitar 130 –
520 kali tergantung dari grup tipe transistornya.Tapi daripada bingung, kita anggap saja
penguatan arusnya sebesar 100 kali. Transistor C828 memiliki VBE = 0,8V.
Transistor disusun secara Darlington sehingga penguatan arusnya menjadi 100 x 100 = 10.000
kali. Selanjutnya arus basis minimal dapat dihitung sebesar: Ib = 100 / 10000 = ±10 uA. Jika
VBE bernilai 0,8 volt dan tegangan keluaran logika 1 mikrokontroler bernilai 4,8 volt, maka RB
dapat dihitung sebagai berikut: RB = (4,8 – 0,8 – 0,8) / 10E-6 = 320000 ohm.
Dalam rangkaian digunakan RB dengan ukuran 100 kilo ohm, sehingga nilai Ib adalah Ib = (4,8
– 0,8 – 0,8) / 100000 = 32 uA. Pemasangan diode 1N4002 berfungsi mencegah arus transien
yang ditimbulkan oleh kumparan relay.
Jadi rangkaian di atas sangat cocok untuk digunakan pada aplikasi menggunakan mikrokontroler
karena arus source port I/O mikrokontroler biasanya hanya 20mA saja.
Kenapa tidak menggunakan satu transistor saja, Pak?
Karena untuk menghasilkan rangkaian driver dengan arus pemicuan yang kecil. Rangkaian
dengan satu transistor juga praktis, akan tetapi jika semisal kita menggerakkan 8, 10, atau 20
buah relay bersamaan, maka mikrokontroler akan overload dan bisa mengakibatkan hang. Untuk
itu, rangkaian driver relay sebisa mungkin hanya membutuhkan arus pemicuan yang sekecilkecilnya sehingga tidak membebani port I/O dan mengganggu kinerja mikrokontroler.
Tips Untuk Mikrokontroler AT89S51/52/53/8252 dan AVR
Rangkaian driver relay diatas sangat praktis dan telah teruji keberhasilannya dalam berbagai
rangkaian kontrol yang selama ini saya rancang. Jika digunakan pada mikrokontroler AVR,
maka rangkaian tersebut akan bekerja sangat baik tanpa masalah, karena pada saat kondisi
RESET, semua port I/O AVR berada pada kondisi high-impedance.
Berbeda halnya jika digunakan pada mikrokontroler AT89S. Pada saat RESET, semua port I/O
MCS-51 berada pada kondisi High berlogika 1, sehingga selama RESET, relay akan aktif
sejenak. Untuk itu, pada program inisialisasi haruslah mengeset port I/O yang digunakan untuk
memicu relay ke kondisi Low. Solusi lain yang lebih baik adalah menggunakan driver relay yang
aktif-low.
Solusi lain jika aplikasi kita menggerakkan banyak relay, maka dapat digunakan IC ULN2003A,
yang memiliki 7 buah transistor darlington yang siap digunakan untuk menggerakkan relay.
Sebagai informasi, rangkaian driver di atas saya gunakan untuk menggerakkan kontaktor 48Vdc
dengan kapasitas arus 200A pada aplikasi kontroler forklift elektrik.
Modul Driver Relay Siap-Pakai
Berikut adalah beberapa modul driver relay siap-pakai yang dapat digunakan untuk mengontrol
peralatan listrik dari komputer atau laptop.
Modul SER-4REL memiliki 4 buah relay yang
dapat dikontrol oleh komputer atau laptop menggunakan antarmuka serial RS232. Relay dapat
digunakan untuk mengontrol peralatan listrik.
Modul ini memerlukan catudaya DC 5V. Modul bekerja dengan baik dengan catudaya adaptor
500mA dengan tegangan 4,5V.
Modul dilengkapi dengan CD program beserta source-code yang dapat dipelajari dan
dimodifikasi sesuai dengan kebutuhan aplikasi.
Modul SER-2REL memiliki 2 buah relay yang
dapat dikontrol oleh komputer atau laptom melalui antarmuka port serial RS232.
Sama dengan modul SER-4REL, modul juga dilengkapi CD program lengkap dengan sourcecode.
Modul ini sangat cocok jika peralatan listrik yang dikontrol tidak banyak.
Dengan teknik pemrograman yang mudah, Anda dapat dengan mudah juga memodifikasi
program yang sudah ada sesuai dengan keinginan.
.
Modul SER-1REL hanya memiliki 1 buah relay.
Jika memang hanya membutuhkan sebuah relay saja seperti pada aplikasi kontrol palang pintu
parkir, maka modul ini dapat digunakan sebagai driver relay yang ekonomis dan handal.
Dan tentu saja, modul juga dilengkapi CD berisi contoh program lengkap dengan source-code.
Jika Anda membutuhkan modul driver relay dengan antarmuka port paralel (LPT), maka modulmodul berikut ini cocok untuk Anda.
.
Modul LPT-1REL adalah modul driver relay tunggal yang dapat digunakan untuk mengontrol
peralatan listrik dari komputer melalui antarmuka port paralel (LPT).
Modul ini cocok untuk aplikasi sederhana seperti bel sekolah, palang pintu parkir, dll.
.
Modul LPT-AC220V adalah modul pengontrol peralatan listrik melalui port paralel (LPT) yang
dapat digunakan tanpa catudaya eksternal. Modul ini sangat handy untuk sekedar bereksperimen
ataupun untuk aplikasi pengendalian sebuah peralatan listrik melalui komputer. Modul ini sangat
ekonomis.
Modul LPT-REL dapat digunakan untuk mengontrol 4 buah relay dari komputer melalui port
paralel.
Modul ini pun sangat ekonomis dan juga dilengkapi dengan CD program lengkap dengan sourcecode seperti modul-modul driver relay yang lainnya.