Kelistrikan Kulkas (Refrigerator Electrical)

Kali ini kita akan membahas tentang cara kerja rangkaian kelistrikan pada sebuah refrigerator dengan kontrol defrost otomatis (automatic defrost control). Refrigerator yang dibahas disini adalah jenis aplikasi yang umum ditemukan di rumah tangga (domestic refrigerator).

Overview
Refrigerator adalah suatu alat/mesin yang berfungsi untuk menyimpan makanan sehingga makanan menjadi lebih awet dan segar. 


Kenapa makanan yang disimpan dalam refrigerator bisa lebih tahan lama dibandingkan dengan ditempatkan di udara terbuka?
Penyebab tidak tahan lamanya makanan adalah terdapatnya bakteri pembusuk dalam makanan tersebut, dalam kondisi udara terbuka (temperatur ruang tinggi, misalnya 30°C) perkembangbiakan bakteri terjadi sangat cepat akibatnya makanan menjadi cepat busuk. Berdasarkan penelitian perkembangbiakan ini bisa dihambat (diperlambat) jika temperatur ruang diturunkan. Perkembangbiakan bakteri yang signifikan ini ternyata ketika temperatur ruang diturunkan dibawah 10°C menjadi sangat lambat. Dengan demikian proses pembusukan makanan dapat diperlambat juga.
Maka dibuatlah suatu alat yang berfungsi untuk menjaga/ mengkondisikan temperatur untuk menjaga makanan  tersebut sehingga bisa bertahan lebih lama. Alat tersebut dinamakan "refrigerator" atau kita mengenalnya sebagai kulkas.


Bagaimana refrigerator bisa menjaga temperatur yang kita inginkan?
Sebuah alat yang dinamakan thermostat, bekerja untuk mengontrol temperatur dalam ruang yang didinginkan.
Thermostat akan menjaga temperatur dalam batasan yang telah ditentukan (di-setting).
Anda pernah melihat tombol pengatur di dalam refrigerator dengan tanda 1-2-3 dst, high-medium-low, warm-cool-coldest, ataupun tanda lainnya untuk menyatakan level temperatur? Itulah yang dinamakan thermostat.


Ada refrigerator dengan 2 ruang yang berbeda, apakah fungsi masing-masing ruangan tersebut?
Itu adalah refrigerator no-frost (frost free). Refrigerator/kulkas 2 pintu kalau secara umumnya disebut seperti itu.
Pada refrigerator jenis ini terdapat dua kategori temperatur ruang yang berbeda yaitu:
1. Ruang Freezer: untuk membekukan makanan dengan range temperaturnya dari 0°C s/d -25°C (umumnya ditempatkan dibagian atas /pintu atas)
2. Ruang Refrigerator: untuk menyimpan makanan dalam waktu beberapa hari saja dengan range temperaturnya dari +2°C s/d +10°C (umumnya ditempatkan di bagian bawah).


Untuk menjaga temperatur di masing-masing ruang maka diperlukan suatu rangkaian kelistrikan yang bisa mengontrol kerja kompresor dan juga mengatur proses pencairan bunga es. 
Dibawah ini adalah salah satu contoh rangkaian pengontrol sebuah refrigerator yang umum digunakan banyak manufaktur.

Sebelum kita membahas cara kerjanya, disini akan saya jelaskan dulu masing masing komponennya:

1. Thermostat: Ada dua cara pemasangan thermostat, dipasang dibagian freezer atau dipasang dibagian refrigerator. Jika thermostat yang memiliki sebuah kontak listrik dipasang dibagian freezer untuk mengontrol kerja kompresor maka untuk mengontrol temperatur ruangan refrigerator digunakan mechanical thermostat yang mengontrol buka tutupnya saluran udara dingin dari bagian freezer yang masuk ke ruang refrigerator. 
2. Defrost Timer: suatu alat yang berfungsi untuk mengatur lamanya kerja kompresor dan mengatur proses pencairan bunga es di Evaporator (defrost cycle). Kompresor diatur umumnya bekerja sekitar 6 jam setelah itu harus dilakukan pencairan bunga es yang menggumpal di Evaporator dan bak penampung air yang terdapat dibawahnya. Lamanya proses defrost tergantung ketebalan es di Evaporator, semakin tebal semakin lama. 
3. Defrost Thermo: Suatu alat yang berfungsi untuk mendeteksi temperatur di sekitar Evaporator sehingga bisa mengatur apakah proses pencairan es perlu dilakukan atau tidak. Alat ini juga berfungsi untuk menghentikan proses defrost apabila temperatur evaporator sudah terdeteksi diatas 0°C. Umumnya sekitar 4°C. Tergantung peletakan dari Defrost Thermo itu sendiri.
4. Plate Heater: berfungsi untuk mencairkan es di bagian penampung air selama proses defrost.
5. Defrost Heater: adalah pemanas utama yang berfungsi untuk mencairkan es yang ada di Evaporator.Ukuran heater ini sekitar 120-150Watt.
6. Thermo Fuse: Apabila Defrost Thermo mengalami kerusakan. Misalnya tidak mau memutus pada temperatur yang telah ditetapkan maka Defrost Heater akan terus memanaskan ruangan sekitar Evaporator. Akibatnya temperatur di ruangan Evaporator akan naik terus dan jika dibiarkan akan sangat berbahaya, selain heater bisa rusak, juga interior dari kulkas tesebut kemungkinan besar akan meleleh karena pemanasan yang tidak terkontrol tersebut. Thermo Fuse akan putus jika temperaturnya mencapai 72°C (beberapa manufaktur ada yang membatasi sampai 70 atau 71°C).
7. Kompresor Motor: berfungsi untuk menggerakkan Kompresor sehingga refrigeran bisa bersirkulasi.
8. Thermal Overload Protector: Mencegah terbakarnya Motor Kompresor yang diakibatkan oleh panas yang berlebihan.
9. PTC Starter: Salah satu jenis starter yang digunakan saat Kompresor mulai bekerja.
10. SC (Starting Capacitor): Kapasitor yang berfungsi untuk menambah torsi  pada saat Kompresor mulai bekerja.
11. RC (Running Capacitor): fungsi utamanya untuk menggeser sudut fase, dan memanfaatkan kumparan bantu sehingga Kompresor bekerja lebih effisien.
12. Evaporator Fan Motor: Berfungsi untuk mensirkulasikan udara dalam ruangan.
13. Freezer Door Switch: Sebuah saklar yang dipasang di bagian pintu Freezer, berfungsi untuk mematikan kipas saat pintu dibuka, sehingga bisa mengurangi keluarnya udara dingin dari ruangan freezer.
14. Refrigerator Door Switch: Sebuah saklar yang dipasang di bagian pintu Refrigerator, berfungsi untuk mematikan kipas evaporator saat pintu dibuka, sehingga bisa mengurangi keluarnya udara dingin dari ruangan refrigerator.Selain itu saklar ini juga berfungsi untuk menghidupkan lampu penerangan dalam ruang refrigerator.
15. Refrigerator Interior Light: Sebuah lampu penerangan yang akan hidup jika pintu refrigerator dibuka.

Asumsi Penyetelan dan Komponen Karakteristik
Sebelum menjelaskan prinsip kerjanya, disini saya buat beberapa asumsi penyetelan dan karakteristik komponen untuk memudahkan penjelasannya:

1. Temperatur Ruang Freezer (Electric Thermostat) diset pada range -15°C s/d -20°C.
2. Temperatur Ruang Refrigerator (Damper Thermostat) diset pada range +4°C s/d +2°C.
3. Defrost timer mengatur kerja Kompresor selama 6 jam, dan setelah proses defrost selesai, kontak listrik akan kembali ke posisi Kompresor (Run) setelah 7 menit Defrost Thermo memutus.
4. Defrost Thermo akan terhubung pada temperatur -2°C dan memutus pada temperatur 4°C.
5. Tegangan normal untuk refrigerator adalah 220VAC / 50Hz
6. Kondisi awal temperatur ruang/product sekitar 30°C.

Cara Kerja Rangkaian Kelistrikan Refrigerator / Kulkas

Pada saat kulkas diberi tegangan yang sesuai dan posisi freezer thermostat dalam keadaan OFF maka aliran listrik akan seperti pada gambar dibawah ini

Sistem masih dalam keadaan mati. Jika kita mengukur dengan menggunakan Voltmeter di kedua kaki kontak Thermostat maka akan terbaca tegangan sesuai tegangan input, misalnya 220VAC. Dalam posisi ini hanya satu komponen yang bisa aktif, yaitu lampu penerangan ruang refrigerator. Jika pintu dibuka maka lampu akan menyala karena mendapat supply tegangan penuh sebesar 220VAC seperti terlihat pada gambar dibawah ini:

Dan jika pintu ditutup lagi, lampu interior di ruang refrigerator akan mati.

Kemudian jika posisi thermostat diubah ke posisi 3 misalnya posisi tersebut adalah range -15°C s/d -20°C, maka aliran listriknya akan menjadi seperti gambar dibawah ini:

Saat kontak Freezer Thermostat terhubung, maka Timer Motor, Evaporator Fan Motor, Kompresor, Running Capacitor, Starting Capacitor dan PTC Starter Relay akan bekerja sesuai dengan fungsinya masing-masing.
Setelah putaran Motor Kompresor mencapai 75% putaran maksimumnya, PTC Starter akan memutus arus yang melalui rangkaian Start Capacitor, karena torsi yang dibutuhkan sekarang tidak terlalu besar (Start Capacitor sudah tidak diperlukan lagi ketika motor sudah mencapai 75% putaran maksimumnya). Tetapi kumparan bantu (lilitan start) masih mendapat arus yang melalui Running Capacitor dengan torsi yang lebih kecil. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar di bawah ini:

Ketika Kompresor bekerja, temperatur dalam ruangan pelahan-lahan akan turun dari 30°C menuju temperatur yang sesuai dengan penyetelan. Ketika temperatur ruang refrigerator turun perlahan2 posisi damper pada thermostat mulai menutup saluran udara yang masuk ke ruang refrigerator, dan akan menutup sempurna ketika temperatur ruangnya mencapai +2°C maka damper akan menutup sempurna. Tidak ada aliran udara lagi yang masuk ke ruang refrigerator.

Sementara temperatur ruang refrigerator telah tercapai, Kompresor masih tetap bekerja untuk mendinginkan ruang freezer-nya. Pada saat temperatur di Evaporator mencapai -2°C, kontak point pada Defrost Thermo akan menutup. Lihat gambar dibawah ini:

Dengan terhubungnya kontak pada defrost thermo, tidak akan memberi pengaruh apa-apa pada sistem. Menutupnya kontak ini hanya sebagai persiapan jika waktu untuk proses defrost tercapai maka Defrost Heater bisa bekerja untuk mencairkan es di Evaporator.

Kembali ke Kompresor yang masih bekerja terus untuk mendinginkan ruangan freezer. Ketika temperatur ruang freezer sampai pada batas penyetelan yaitu -20°C, maka Thermostat akan memutus (cut-out). Katakanlah dari kondisi awal (30°C) sampai tercapai temperatur yang diinginkan (-20°C) memerlukan waktu sekitar 2 jam.

Selama Thermostat ini memutus semua komponen mati kecuali lampu refrigerator jika dibuka akan hidup.

Lihat gambar dibawah:

Ketika Kompresor mati, temperatur ruang perlahan-lahan akan naik kembali. Jadi dari -20°C termperatur naik lagi menjadi -19°C terus naik ke -18°C dan terus sampai mencapai -15°C kontak Thermostat akan kembali terhubungsehingga Kompresor bekerja lagi. Jadi temperatur ruangan akan tetap dijaga antara -20°C sampai dengan -15°C. Begitu juga dengan ruang di refrigerator, jika temperatur naik kembali sampai +4°C maka damper akan membuka kembali.

Proses ini tetap berulang sehingga temperatur di kedua ruang terjaga dalam range yang telah ditentukan (sesuai setting pada thermostat).

Kapan proses defrost dimulai?

Ketika waktu running timer motor tercapai (6 jam). Maka Timer Motor akan memindahkan kontaknya dari posisi 3-4 (Kompressor Run / cooling process) ke posisi 3-2 (defrosting proses / proses pencairan bunga es di Evaporator). Proses pencairan bunga es dimulai. Timer motor mati, sehingga pada kondisi ini hanya kedua Heater (Defrost Heater yag berfungsi mencairkan es di Evaporator dan Plate Heater yang befungsi untuk mencairkan es di bak penampungan air di bawah Evaporator. 

Lihat wiring di bawah untuk penjelasan proses defrost:

Karena Heater aktif, maka lama kelamaan temperatur di bagian Evaporator dan sekitarnya akan naik. Dengan naiknya temperatur ini maka lama kelamaan seluruh es akan mencair. Air hasil prosed defrost ini kemudian ditampung dalam wadah yang diletakkan di bagian bawah (diatas pre-cooler) atau belakang (diatas Kompresor). Ketika temperatur di body Defrost Thermo mencapai +4°C kontak Defrost Thermo akan memutus sehingga Heater akan berhenti bekerja. 

Saat kontak Defrost Thermo memutus, Timer Motor mulai bekerja lagi. Ketika Timer Motor mulai bekerja, kontak pada Timer tidak langsung berpindah, ada perlambatan (delay) sekitar 7 menit. Delay ini bertujuan untuk membiarkan seluruh air jatuh ke bak penampungan dan memberi waktu agar temperatur Heater tidak terlalu tinggi. Sehingga ketika Fan Motor bekerja mensirkulasikan udara tidak membawa panas heater ke dalam ruangan. Setelah delay time tercapai, kontak Defrost Timer akan kembali ke posisi 3-4 dan Kompresor bekerja kembali untuk mendinginkan ruangan.