ELEKTRONIKA INDUSTRI SOLID-STATE RELAY Akhmad Muflih Y. D411 06 061

1. ELEKTRONIKA INDUSTRISOLID-STATE RELAYAkhmadMuflih Y.D411 06 061

2. SOLID STATE RELAY

3. PENGERTIAN Solid state relay adalah sebuah saklar elektronik yang tidak memiliki bagian yang bergerak. Contohnya foto-coupled SSR, transformer-coupled SSR, dan hybrida SSR. Solid state relay ini dibangun dengan isolator sebuah MOC untuk memisahkan bagian input dan bagian saklar. Dengan Solid state relay kita dapat menghindari terjadinya percikan api seperti yang terjadi pada relay konvensional juga dapat menghindari terjadinya sambungan tidak sempurna karena kontaktor keropos seperti pada relay konvensional.

4. JENIS-JENIS SSR • Reed-Relay-Coupled SSR's di mana sinyal kontrol diterapkan (secara langsung, atau melalui Preamplifier) ke kumparan relay yang buluh. Penutupan buluh lalu mengaktifkan sirkuit yang tepat dengan saklar memicu thyristor. Jelas, input-output isolasi dicapai adalah bahwa dari buluh relay, yang biasanya sangat baik. • Transformer-Coupled SSR's di mana sinyal kontrol diterapkan (melalui DC-AC converter, jika sudah DC, atau secara langsung, jika itu AC) ke domain utama trafo berdaya rendah, dan sekunder yang dihasilkan dari eksitasi primer yang digunakan (dengan atau tanpa rektifikasi, amplifikasi, atau lainnya modifikasi) untuk memicu thyristor saklar. Dalam jenis ini, tingkat isolasi input-output tergantung pada desain transformator. • Opto-coupler SSR's di mana sinyal kontrol diterapkan pada sebuah sumber cahaya atau inframerah (biasanya, sebuah dioda pemancar cahaya atau LED), dan dari sumber yang terdeteksi dalam foto - sensitive semi-conductor (misalnya, sebuah dioda fotosensitif, sebuah foto-sensitif transistor, atau foto-sensitif thyristor). Output dari foto-perangkat sensitif kemudian digunakan untuk memicu (gerbang) yang TRIAC atau SCR itu aktifkan arus beban. Jelas, satu-satunya yang signifikan "coupling path" antara input dan output adalah cahaya atau sinar infra - radiasi merah, dan isolasi listrik yang sangat baik. “optically coupled” or SSR yang juga disebut sebagai "optikal yang digabungkan" atau Foto terisolasi.

5. KARAKTERISTIK INPUTDielektrikkekuatan,Dinilaidalamhal minimum teganganrusaknyadarirangkaiankontrolbaikkepada SSR kasusdan output (beban) rangkaian. Tipikal rating adalah 1500 volt ac (RMS), baikuntukkontrol output. Insulation Resistance,Dari rangkaiankontroluntukkeduakasusdan output rangkaian. RentangpemberianperingkatKhasdari 10 megohmsmenjadi 100.000 megohmsuntuktransformatordandesainhibrida. Untukoptikterisolasi SSR, tipikalkisaranresistensiisolasidari 1000 megohmssampai 1 jutamegohms. Stray KapasitansiDari rangkaiankontroluntukkeduakasusdan output rangkaian. Kapasitansikekasusjarangsignifikan, tetapikapasitansikerangkaian output mungkin control pasangan ac dantransienkembalikekontrolsensitifsirkuit, danbahkanlebihjauhlagi, ke-sinyalkontrolsumber. Untungnya, di SSR dirancangdenganbaikitu, inikapasitansijarangcukupbesaruntukmenyebabkaninteraksi. Kapasitansitipikalberkisardari 1 sampai 10 picofarad. Kecepatanrespondari SSR untukpenerapankontrolteganganakandijelaskannantipadabagianini.

6. MOC302X MOC302X adalah driver Triac yang didalamnya menggunakan isolasi optis (optocoupler). Driver ini menjembatani sinyal triger yang berasal dari kontroler yang umumnya memiliki level tegangan dan arus kecil dengan bagian beban yang memiliki tegangan dan arus yang relatif tinggi. Skema dalam MOC302X ini terlihat di Gambar 3. Komponen ini memiliki 6 kaki dengan 2 kaki yang tidak digunakan. Kaki anoda (1) dihubungkan ke Vcc, kaki katoda (2) dihubungkan dengan pulsa triger yang active low. Fungsi triger dengan active low ini adalah untuk menghindari kontroler melakukan sourcing (mengeluarkan arus) sehingga tidak membebani kontroler yang umumnya hanya mampu mengeluarkan arus yang sangat kecil. Kaki 4 dan 6 dihubungkan dengan beban. Kaki 3 dan 5 tidak digunakan. Rangkaiannya terlihat seperti Gambar 4.

7. Pada saat ada pulsa low di kaki 2 maka dioda dalam MOC302X akan memancarkan cahaya sehingga arus dari beban dapat mengalir dari kaki 6 melalui driver dan keluar melalui kaki 4 yang akan mentriger kaki gate Triac yang bersangkutan. Pada saat itulah Triac dalam keadaan ON sehingga dapat mengalirkan daya sesuai dengan waktu firing-nya.

8. CARA KERJAPada solid-state relay, switching unitnyamenggunakan TRIAC sehingga solid-state relay inidapatmenghasilkanarusbaikpositifmaupunnegatif. Untukmengontroltriacinidigunakan SCR yang mempunyaikarakterisitik gate yang sensitif. Kemudianuntukmengatur trigger pada SCR sendiridiaturdenganmenggunakanrangkaiantransistror. Rangkaian transistor inimenjadipenguat level tegangandarioptocoupler. Penggunaan SCR untukmengatur gate TRIAC karena gate SCR mempunyaikarakteristik yang lebihsensitifdaripada gate TRIAC. Antarabagian input dan output dipisahkandenganmenggunakanoptocouplerdandengansinyal yang kecil, cukupuntukmenyalakandiodasaja, makacukupuntukmenggerakkansebuahbeban AC yang besarmelalui solid-stare relay.

9. RANGKAIAN KONTROLRangkaiankontrolmenggunakanfungsilogik AND, padablok diagram internal SSR, dibangundariduabuah transistor yang bekerjauntukmenghasilkanlogika inverted NOR. Q1 akanmelakukan clamps jikaoptocouplerdalamkeadaan off, Q2 akanmelakukan clamps jikateganganbagiantara R4 dan R5 cukupuntukmengaktifkan transistor Q2. Sehingga Q2 akanmelakukan clamp pada SCR jikategangananoda SRC lebihdari 5V.Jika OC on maka Q1 akan off sehingga Q1 tidakmelakukan clamp pada SCR . SCR akanaktifjika Q2 jugadalamkondisi off. Kondisiiniterjadipadasaatterjadinya zero crossing. Penambahankapasitor C2 bertujuanuntukmenghindarikemungkinan SCR ditriggerberulang-ulang. C1 bergunauntukmenyediakanarus yang cukupuntuksumbertegangansementarapadasaatterjadinya firing pada gate SCR, selainitu C1 jugaberfungsiuntukmenghindarikondisiditriggernya gate SCR berulang-ulang.Penambahan C1 dan C2 akanmenghindari trigger SCR padasaattegangan anode SCR turun (down slope), kondisiinimemangtidakdiharapkan.   Komponen D2 akanmemperbolehkan gate SCR di-reverse bias untukmenghasilkankekebalanterhadap noise.  D1 berfungsiuntukmelindungitegangan input yang berlebihandiatas rating teganganoptocoupler OC1.  Komponen SCR yang digunakan, jikainginmembangunsebuah SSR sendiri, adalah SCR dengantipe 2N5064, 2N6240.

10. SSR merupakan relay yang dapatdidiskripsikansebagaiberikut :Mempunyaiempatbuah terminal, 2 input terminal dan 2 buah output terminal.Tegangan input dapatberupategangan AC atau DC.Antara output dan input diisolasidengansistemoptikal.Output menggunakankeluargathyristor, SCR untukbeban DC dan TRIAC untukbeban AC.Switching ON, yang seringdisebut ‘firing’, solid state relay hanyabisaterjadipadasaattegangan yang masukke output pada level yang sangatrendahmendekatinol volt.Output berupategangan AC (50 Hz atau 60 Hz).

11. Keuntungan solid-state relay 1. Pada solid-state relay tidakteedapatbagian yang bergeraksepertihalnyapada relay.  Relay mempunyaisebuahbagian yang bergerak yang disebutkontaktordanbagianinitidakadapada solid-state relay.  Sehingga tidak mungkin terjadi ‘no contact’ karena kontaktor tertutup debu bahkan karat.2.   Tidak terdapat ‘bounce’, karena tidak terdapat kontaktor yang bergerak paka pada solid-state relay tidak terjadi peristiwa ‘bounce’ yaitu peristiwa terjadinya pantulan kontaktor pada saat terjadi perpindahan keadaan.  Dengan kata lain dengan tidak adanya bounce maka tidak terjadi percikan bunga api pada saat kontaktor berubah keadaan.3.   Proses perpindahan dari kondisi ‘off’ ke kondisi ‘on’ atau sebaliknya sangat cepat hanya membutuhkan waktu sekitar 10us sehingga solid-state relay dapat dengan mudah dioperasikan bersama-sama dengan zero-crossing detektor.  Dengankata lain opersaikerja solid-state relay dapatdisinkronkandengankondisizero crossingdetektor. 4.     Solid-State relay kebalterhadapgetarandangoncangan.  Tidakseperti relay mekanikbiasa yang kontaktornyadapatdenganmudahberubahbilaterkenagoncangan/getaran yang cukupkuatpada body relay tersebut.

12. 5.     Tidak menghasilkan suara ‘klik’, seperti relay pada saat kontaktor berubah keadaan.6.     Kontaktor output pada solid-state relay secara otomatis ‘latch’ sehingga energi yang digunakan untuk aktivasi solid-state relay lebih sedikit jika dibandingkan dengan energi yang digunakan untuk aktivasi sebuah relay.  Kondisi ON sebuah solid-state relay akandi-latcsampai solid-state relay mendapatkantegangansangatrendah, yaitumendekatinol volt.7.     Solid-State relay sangatsensitifsehinggadapatdioperasikanlangsungdenganmenggunakan level tegangan CMOS bahkan level tegangan TTL.  Rangakain kontrolnya  menjadi sangat sederhana karena tidak memerlukan level konverter.8.     Masih terdapat couple kapasitansi antara input dan output tetapi sangat kecil sehingga arus bocor antara input output sangat kecil.  Kondisi diperlukan pada peralatan medical yang memerlukan isolasi yang sangat baik.

13. KerugianSolid-State Relay1.     ResistansiTegangantransien.  Tegangan yang diatur/dikontrololeh solid-state relay benar-benartidakbersih.  Dengankata lain tidakmurnitegangannyaberupasinyal sinus dengantegangan peak to peak 380 vpptetapiterdapatspike-spike yang dihasilkanolehinduksi motor atauperalatanlistriklainnya.  Spike ini level tegangannyabervariasijikaterlalubesarmakadapatmerusakkan solid-state relay tersebut.  Selainitusumber-sumber spike yang lain adalahsambaranpetir, imbasdariselenoid valve dan lain sebagainya.2.     Tegangan drop.  Karena solid-state relay dibangundaribahansilikonmakaterdapatteganganjatuhantarategangan input dantegangan output.  Teganganjatuhtersebutkira-kirasebesar 1 volt.  Teganganjatuhinimenyebabkanadanyadissipasidaya yang besarnyatergantungdaribesarnyaarus yang lewatpada solid-state relay ini.

14. 3.     Arusbocor-‘Leakage current’.  Padasaat solid-state relay inidalamkeadaan off ataukeadaan open makadalamkondisi yang idelseharusnyatidakadaarus yang mengalirmelewati solid-state relay tetapitidakdemikianpadakomponen yang sebenarnya.  Besarnyaarusbocorcukupbesaruntukjikadibandingkanaruspada level TTL yaitusekitar 10mA rms.4.      Sukar dimplementasikan pada aplikasi multi fasa.5.      Lebih mudah rusak jika terkena radiasi nuklir.