SOLID STATE RELAY
advertisement
SOLID STATE RELAY SOLID STATE RELAY 1. PENGERTIAN SOLID STATE RELAY Sebuah solid state relay (SSR) adalah saklar elektronik, yang tidak seperti sebuah relay elektromekanis tidak berisi bagian yang bergerak. Jenis SSR adalah foto-coupled SSR, transformer-coupled SSR, dan hibrida SSR Sebuah foto-digabungkan SSR dan dikontrol oleh sinyal tegangan rendah yang terisolasi secara optik dari beban. Sinyal kontrol dalam foto yang biasanya digabungkan dengan SSR energi adalah sebuah LED yang mengaktifkan sebuah foto-dioda sensitif. Dioda berputar pada back-to-back thyristor, silikon penyearah terkendali, atau MOSFET transistor untuk mengaktifkan beban. Gambar Solid State Relay SSR Ditetapkan sebagaimana kontrol ON-OFF di mana arus beban dilakukan oleh satu atau lebih semikonduktor - misalnya, sebuah transistor daya, sebuah SCR, atau TRIAC. SCR dan TRIAC sering disebut “thyristors sebuah istilah Page 1 SOLID STATE RELAY yang diperoleh dengan menggabungkan thyratron dan transistor, karena dipicu thyristor semikonduktor switch“. Pada relay umumnya, SSR relatif rendah membutuhkan kontrol - sirkuit energi untuk beralih keadaan menjadi keluaran dari OFF ke AKTIF, atau sebaliknya Karena energi kontrol ini sangat jauh lebih rendah daripada daya keluaran yang dikendalikan oleh relay pada beban penuh, "power gain" dalam SSR adalah substansial - sering banyak lebih tinggi daripada di estafet elektromagnetik yang sebanding. Dengan kata lain, sensitivitas dari SSR seringkali jauh lebih tinggi daripada sebuah EMR dari output yang sebanding rating. Tegangan yang diberikan pada garis kontrol menyebabkan suatu SSR LED bersinar pada foto-dioda sensitif. Hal ini menghasilkan tegangan antara sumber dan gerbang MOSFET, menyebabkan MOSFET dihidupkan. Sebuah SSR didasarkan pada satu MOSFET, atau beberapa MOSFET dalam array paralel bekerja dengan baik untuk beban DC. Ada dioda substrat yang melekat dalam semua MOSFET yang melakukan dalam arah sebaliknya. Ini berarti bahwa satu MOSFET tidak dapat memblokir arus dalam dua arah. Untuk AC (bi-directional) operasi, dua MOSFET disusun kembali untuk kembali dengan sumber mereka pin diikat bersama-sama. Pin menguras mereka terhubung ke kedua sisi output. Dioda substrat kemudian secara bergantian bias balik dalam rangka untuk memblokir arus ketika relay tidak aktif. Ketika relay aktif, sumber umum selalu naik di tingkat sinyal seketika dan kedua gerbang yang bias positif relatif terhadap sumber oleh foto-dioda. Hal ini umum untuk menyediakan akses ke sumber yang sama sehingga beberapa MOSFET dapat ditransfer secara paralel jika switching DC beban. Ada juga umumnya beberapa sirkuit untuk melaksanakan gerbang bila LED dimatikan, mempercepat giliran relay-off. Page 2 SOLID STATE RELAY Solid State Relay (SSR) mampu melakukan banyak tugas yang sama sebagai relay elektromekanis (EMR). Perbedaan utama adalah bahwa SSR tidak memiliki bagian mekanik yang bergerak didalamnya. Pada dasarnya, ini adalah perangkat elektronik yang bergantung pada listrik, magnetik, dan optic semi konduktor dan sifat komponen listrik untuk mencapai isolasi dan fungsi switching Relay. 2. JENIS-JENIS SSR Hal ini memudahkan untuk mengelompokkan SSR oleh sifat rangkaian input, dengan referensi khusus kepada sarana yang terisolasi input-output akan tercapai. Tiga kategori utama: Page 3 SOLID STATE RELAY 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. Foto-digabungkan 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. Selain jenis utama SSR yang dijelaskan di atas, ada beberapa tujuan khusus desain yang harus disebutkan: Direct-kontrol jenis AC di mana eksternal jenis AC ini beroperasi di sirkuit energi yang sama seperti yang digunakan untuk rangkaian beban, memicu TRIAC (atau back-to-back-terhubung SCR's). Tipe ini juga memiliki input "saklar penutup". Jenis relay, secara inheren lebih Page 4 SOLID STATE RELAY murah dibandingkan desain yang lebih canggih, dan memiliki kerugian besar (untuk kebanyakan aplikasi) tidak memiliki isolasi antara rangkaian kontrol dan beban. Direct-kontrol jenis DC di mana eksternal beroperasi di sirkuit yang sama energi dengan Daya DC baris seperti yang digunakan untuk rangkaian beban yang mengontrol konduksi transistor. Jenis relay, yang mungkin paling sederhana dari semua, dan inheren yang paling mahal, juga memiliki kelemahan besar (untuk sebagian aplikasi) tidak memiliki isolasi antara kontrol dan beban sirkuit. Jenis SCR dirancang untuk DC, di mana beban-arus membawa SCR dan dibuat untuk menonaktifkan dengan cara kedua SCR, terhubung dalam "commutating sirkuit" (seperti yang mampu mematikan SCR pertama untuk mengurangi arus ke nol. Desain menggunakan cara mengisolasi khusus, seperti efek Hall di mana gerakan magnet eksternal, tetapi dalam kedekatan menyebabkan perubahan tahanan di sebuah ladang-materi sensitif, demikian memicu perilaku on-off. di mana sinyal eksternal menggeser frekuensi dari osilator, sehingga menyebabkan resonan digabungkan untuk memicu perilaku on-off. saturable reaktor atau penguat magnet, di mana DC kontrol arus dalam satu kontrol berkelok-kelok induksi tegangan (dari sumber AC) dalam gulungan lain. Tegangan induksi kemudian digunakan untuk memicu perilaku on-off. SSR Aman untuk mengatakan bahwa lebih dari 95% dari semua SSR persyaratan yang terbaik dipenuhi oleh salah satu dari tiga besar. jenis dijelaskan sebelumnya. Input Circuit Kinerja. Terisolasi Kepekaan SSR (yaitu, kontrol minimum tegangan dan arus yang menyala) tergantung pada karakteristik yang mengisolasi komponen atau rangkaian: Page 5 SOLID STATE RELAY • Dalam hibrida (reed-relay terisolasi) desain, SSR's dengan kepekaan yang dibentuk oleh kekuatan-operasi persyaratan relai buluh, yang berkisar antara 40 milliwatts (misalnya, 5 volt dc di 8 mA) sampai setinggi mungkin beberapa ratus milliwatts. Perhatikan bahwa tegangan rendah, berdaya rendah desain yang kompatibel dengan standar-digital komputer "tingkat logika," dan bahwa standar "high-fan - out” atau "tingkat logika TTL output dari komputer atau digital pengendali digital bisa mengemudi dua atau lebih hibrida SSR dalam paralel. • Dalam transformer-coupled SSR's, kepekaan biasanya jauh lebih tinggi dari jenis hibrida karena semua sinyal input harus dilakukan adalah gerbang di AC-DC converter (lihat gambar 2) yang menggerakkan transformer, dan yang memerlukan, biasanya, kurang dari 10 milliwatts (misalnya, 4,5 v dc di 2 mA) dan jarang lebih dari 50 milliwatts. Sensitivitas ini lebih baik dari yang dibutuhkan oleh satu-TTL output digital, dan yang tinggi-fan-out output bisa berkendara 3-10 SSR seperti itu secara paralel. • Optik SSR's, sensitivitas berkisar dari sekitar 6 milliwatts (misalnya, 3 volt dc di 2 mA) hingga 100 milliwatts. Menggunakan resistor seri yang sesuai atau arus regulator, jenis rangkaian input juga kompatibel dengan Logika TTL tingkat, dan beberapa optis digabungkan SSR dapat digerakkan secara paralel oleh tinggi-fankeluar jalur logika. • Kepekaan paling "pengendalian langsung" SSR secara signifikan lebih rendah daripada yang terisolasi desain, tetapi kenyataannya adalah begitu penting karena mengendalikan daya yang diperlukan hampir selalu baik di dalam kapabilitas, bahkan kemampuan kontrol terkecil kontak. Maksimum tingkat turnoff (tegangan dan / atau arus) dari SSR adalah sekitar 50% dari tingkat minimum di mana ternyata Karakteristik ini memberikan margin yang memadai dengan keselamatan antara OFF ON , sehingga menghilangkan perilaku yang tidak Page 6 SOLID STATE RELAY menentu akibat perubahan kecil sinyal kontrol. Dalam banyak SSR desain, kontrol-voltage range jauh lebih besar daripada yang tersirat oleh minimum turn-on tegangan.Dalam desain dioptimalkan untuk lebar kisaran tegangan input, tidak biasa untuk SSR akan diberi nilai untuk digunakan selama lebih dari 6-ke-1 rentang kontrol tegangan (misalnya, 3.0 V menjadi 32 V). hibrida desain, kumparan relay dari buluh mungkin luka untuk hampir semua tegangan kontrol yang berguna, dari serendah 3 volt nominal, untuk 50 volt, atau bahkan lebih tinggi, namun kisaran input tegangan ditoleransi oleh SSR hibrida dibatasi oleh disipasi dalam kumparan relay. Umumnya, kisaran 1,5-1 adalah diterima. Di sisi lain, perlawanan seri, atau "Konstan-current" rangkaian input aktif, dapat digunakan untuk mengakomodasi hibrida relay tegangan input yang lebih tinggi. Karakteristik input. Di luar pertimbangan sensitivitas karakteristik (halaman Z-120), kita harus juga menggambarkan isolasi input-rangkaian sifatsifat suatu SSR, yang membutuhkan pertimbangan dari berbagai parameter, termasuk: • Dielektrik kekuatan, dinilai dalam hal minimum tegangan rusaknya dari rangkaian kontrol baik kepada SSR kasus dan output (beban) rangkaian. Tipikal rating adalah 1500 volt ac (RMS), baik untuk kontrol output. • Insulation Resistance, dari rangkaian kontrol untuk kedua kasus dan output rangkaian. Rentang pemberian peringkat Khas dari 10 megohms menjadi 100.000 megohms untuk transformator dan desain hibrida. Untuk optik terisolasi SSR, tipikal kisaran resistensi isolasi dari 1000 megohms sampai 1 juta megohms. • Stray Kapasitansi dari rangkaian kontrol untuk kedua kasus dan output rangkaian. Kapasitansi ke kasus jarang signifikan, tetapi kapasitansi ke rangkaian Page 7 SOLID STATE RELAY output mungkin control pasangan ac dan transien kembali ke kontrol sensitif sirkuit, dan bahkan lebih jauh lagi, ke-sinyal kontrol sumber. Untungnya, di SSR dirancang dengan baik itu, ini kapasitansi jarang cukup besar untuk menyebabkan interaksi. Kapasitansi tipikal berkisar dari 1 sampai 10 picofarad. Kecepatan respon dari SSR untuk penerapan kontrol tegangan akan dijelaskan nanti pada bagian ini. Output Circuit Performance. Jelas, yang paling signifikan parameter maksimum load-rangkaian tegangan yang mungkin terkesan di relay output di dalam kondisi MATI tanpa menyebabkan itu terurai menjadi konduksi atau kegagalan, dan arus maksimum yang dapat mengalir melalui output sirkuit dan beban dalam kondisi ON. Perhatikan bahwa parameter tersebut adalah (setidaknya pada pandangan pertama) dengan tegangan dan arus biasa pemberian peringkat dari kontak pada relay elektro-magnetik. Namun, perbedaan antara peringkat dan keluaran EMR SSR output pemberian peringkat - perbedaan yang akan dibahas dalam perincian sebagai hasil eksposisi ini. Dalam pendekatan yang paling umum, orang dapat mengatakan bahwa "Kontak peringkat" dari sebuah SSR ditentukan hampir sepenuhnya oleh karakteristik dari beban-current perangkat switching. Mungkin fakta ini adalah yang paling jelas dari pemeriksaan yang paling sederhana ac jenis SSR - sebuah kontrol langsung (non-terisolasi) desain, dengan rangkaian setara baik untuk ON dan OFF . Dalam ON yang menampilkan TRIAC drop tegangan hampir konstan (yaitu, hampir independen terhadap arus beban) kira-kira sama dengan dua silicon. dioda - kurang dari 2 volt. Bagian dari arus beban melalui ini menyebabkan jatuh tegangan disipasi daya Dan kekuatan ini akan menyebabkan kenaikan suhu di persimpangan TRIAC. Jika benar "panas - sinking” disediakan yaitu, konduksi termal dari TRIAC kasus ke udara luar atau ke panas konduktif struktur logam yang pada gilirannya Page 8 SOLID STATE RELAY dapat menghilangkan kekuatan untuk udara sekitarnya tanpa kenaikan suhu yang signifikan -- maka suhu TRIAC tidak akan bangkit di atas nilai maksimum untuk memastikan keandalan pengoperasian (biasanya, 100 ° C). Nilai arus yang SSR dapat tentukan, bukan oleh kekuatan hawa nafsu, tetapi oleh nilai sekarang dari TRIAC. ketika TRIAC dinonaktifkan, jumlah yang sangat kecil dari kebocoran arus dapat mengalir. Lintasan arus ini, yang diwakili oleh sebuah perlawanan dalam rangkaian setara, sebenarnya merupakan fungsi non-linear dari bebanrangkaian tegangan. TRIAC adalah untuk menentukan nilai maksimum terburuk untuk keadaan OFF kebocoran" dan nilai tipikal adalah 0,001 A max. Untuk 5-ampere beban-nilai sekarang. Beban sirkuit tegangan hanya yang ditentukan oleh blocking rating tegangan thyristor. Rangkaian output-peringkat yang lebih umum terisolasi SSR sebagian besar yang dirancang untuk mengontrol beban ac sirkuit, yang sangat mirip dengan yang dijelaskan di atas, kecuali bahwa OFF---- biasanya lebih tinggi pada urutan dari 5 mA pada 140 V untuk sebuah 5-perangkat ampere kira-kira satu per seribu dari nilai arus beban. Bentuk gelombang dalam rangkaian beban, untuk kedua OFF dan ON . Tegangan kurva tertarik pada skala yang lebih luas dibandingkan dengan OFF dan beban kurva tegangan. Bahkan pada tahap awal ini pemeriksaan kami SSR perlu untuk mempertimbangkan waktu hubungan antara sinyal kontrol dan ac load-rangkaian tegangan dan arus. Sehubungan dengan waktu, ada dua kelas switching SSR. Dalam satu, tidak ada upaya khusus dibuat untuk mencapai sinkronisme antara pergantian dari sirkuit-beban listrik dan menyalakan dari thyristor sakelar. Dalam hal ini "non-sinkron" kelas, kemudian, Tanggapan penundaan antara aplikasi kontrol tegangan dan awal beban-rangkaian konduksi adalah biasanya 20-200 mikrodetik digabungkan dan transformator jenis, dan kurang dari satu milidetik pada hibrida Page 9 SOLID STATE RELAY (lagi karena reed relay waktu operasi). Gelombang saat ini di turn-on di desain non-sinkron jelas fungsi dari ketika dalam siklus ac sinyal kontrol diterapkan. Dalam sinkron (nol-tegangan turn-on) desain, efek dari penerapan kontrol sinyal tertunda (jika diperlukan) sampai kekuatan-line tegangan lewat melalui nol (Hal ini dilakukan oleh internal yang merasakan besarnya garis tegangan, dan mencegah memicu thyristor sampai persimpangan nol berikutnya terjadi.) Jadi, jika sinyal kontrol terjadi untuk diterapkan segera setelah nol persimpangan, para SSR tidak akan benar-benar mulai melakukan sampai hampir setengah siklus penuh kemudian. Di sisi lain, jika sinyal kontrol yang terjadi untuk diterapkan tepat sebelum nol-persimpangan akan segera terjadi, SSR akan mulai melakukan hampir segera, dengan hanya sangat kecil penundaan yang dijelaskan di atas untuk non-sinkron desain. Jelas, saat itu, turn-on delay dari SSR dapat memiliki nilai apapun kurang dari satu milidetik untuk setengah penuh siklus listrik (sekitar 8,3 milidetik untuk daya Hz 60 baris). Biasanya, selama 60 Hz layanan, penilaian diberikan sebagai 8,3 milidetik maksimum untuk semua solid-statedesain, dan 1,5 milidetik maksimum untuk desain hibrida. Akhir karakteristik utama AC-switching SSR adalah perilaku turn-off. Karena thyristor, sekali tidak akan berhenti melakukan sampai arus beban mengalir melalui jatuh ke nol, mungkin turn-off penundaan (antara penghapusan sinyal kontrol dan penghentian arus beban) dari satu setengah siklus. Seperti dalam kasus turn-on, turn-minimum off penundaan itu mendekati nol. Jadi, yang khas 60-Hz rating untuk turn-off time adalah 9 milidetik maksimum. 3. CARA PENGOPERASIAN Page 10 SOLID STATE RELAY Tegangan yang diberikan pada garis kontrol menyebabkan suatu SSR LED bersinar pada foto-dioda sensitif. Hal ini menghasilkan tegangan antara sumber dan MOSFET gerbang, dan menyebabkan MOSFET menjadi hidup. Sebuah SSR didasarkan pada satu MOSFET, atau beberapa MOSFET dalam array paralel yang bekerja dengan baik untuk beban DC. Ada dioda substrat yang melekat dalam semua MOSFET yang melakukan cara kinerja dengan arah sebaliknya. Ini berarti bahwa satu MOSFET tidak dapat memblokir arus dalam dua arah. Untuk AC (bi-directional) operasi, dua MOSFET disusun kembali untuk kembali dengan sumber mereka, pin diikat bersamasama. Pin menguras mereka dan terhubung ke kedua sisi output. Dioda substrat secara bergantian membias balik dalam rangka untuk memblokir arus ketika relay tidak aktif. Ketika relay aktif, sumber umum selalu naik di tingkat sinyal seketika dan kedua gerbang yang bias positif relatif terhadap sumber foto-dioda. Hal ini umum untuk menyediakan akses ke sumber yang sama sehingga beberapa MOSFET dapat ditransfer secara paralel jika switching DC beban. Umumnya ada juga beberapa sirkuit yang mengendalikan gerbang bila LED dimatikan, mempercepat giliran relay-off. Baik SSR dan EMR menggunakan rangkaian control dan rangkaian terpisah untuk mengganti beban. Ketika tegangan diberikan pada masukan dari SSR, relay diberi energy oleh diode pemancar cahaya. Cahaya dari dioda adalah berseri-seri menjadi sensitif terhadap cahaya semikonduktor itu, dalam kasus tegangan nol crossover relay, kondisi sirkuit control untuk menghidupkan output solid stateswitch disebelah tegangan nol crossover. Dalam kasus tegangan nol crossover relay output solid state saklar diaktifkan pada saat yang tepat tegangan yang terjadi pada saat itu. Pencabutan kekuasaan menonaktifkan input rangkaian control dan solid state saklar dimatikan bila arus beban melewati titik nol dari siklus. Page 11 SOLID STATE RELAY 4. APLIKASI SSR Sejak pendahuluan, SSR telah memperoleh penerimaan di banyak daerah yang sebelumnya satu-satunya domain yang EMR atau Kontaktor. Para SSR semakin digunakan dalam industri aplikasi kontrol proses, terutama suhu kontrol, motor, solenoida, katup dan transformer. Daftar aplikasi SSR adalah luas. Solid State Relay ini mirip dengan ditambah OPTO perangkat yang sudah disebutkan, tetapi menggunakan MOSFET daya transistor sebagai perangkat switching. Solid State Relay dapat menggantikan berbagai jenis relay elektromekanis daya rendah. Ini menggunakan OPTO coupling untuk menyediakan listrik lengkap isolasi antara rangkaian input daya yang rendah dan yang tinggi sirkuit output daya. Ketika saklar output terbuka (MOSFET off) memiliki resistansi yang hampir tak terbatas, dan resistansi yang sangat rendah ketika tertutup (MOSFET melakukan berat). Juga dapat digunakan untuk beralih baik arus AC ataupun DC. Contoh Aplikasi SSR mencakup: Page 12 SOLID STATE RELAY Otomasi Industri Peralatan elektronik Peralatan industry Mesin kemasan Tooling mesin Peralatan Manufaktur Peralatan makan Sistem keamanan Industry pencahayaan Api dan sistem keamanan Dispensing mesin Peralatan produksi On-board power control Traffic control Sistem instrumentasi Mesin penjual Uji sistem Mesin kantor Peralatan medis Tampilan pencahayaan kontrol lift Metrologi peralatan Hiburan pencahayaan 5. PERANGKAT SWITCHING Yang paling banyak digunakan dari keluarga ini adalah logam oksida semikonduktor transistor efek medan (MOSFET), silikon-dikontrol penyearah (SCRs), TRIAC dan alternistor TRIAC. Dalam banyak aplikasi perangkat ini Page 13 SOLID STATE RELAY melakukan fungsi-fungsi utama dan sangat penting bahwa satu mamahami keuntungan mereka, serta kekurangan mereka, untuk melakukan kebenaran sistem yang handal. Bila diterapkan dengan benar, thyristor dapat menjadi keuntungan yang penting dalam pertemuan lingkungan, kecepatan dan kehandalan spesifikasi elektromekanis rekan-rekan mereka tidak bisa memenuhi. MOSFET Adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari dua metaloxide semikonduktor transistor efek medan (MOSFET)< satu jenis P-jenis, terpadu pada satu chip silikon. MOSFET switching ideal untuk beban DC. SCR SCR Silikon dikuasai penyearah (SCR) adalah empat lapisan perangkat solid state yang mengontrol aliran arus. SCR bertindak sebagai switch, pelaksanaan ketika menerima arus gerbang pulsa dan terus melakukan selama ini bias maju. SCR sangat ideal untuk beralih ke semua jenis beban AC. TRIACS Adalah komponen elektronik yang kurang lebih setara dengan dua penyearah silikon dikendalikan terbalik bergabung dalam parallel (sejajar tetapi dengan polaritas terbalik) dan terhubung dengan gerbang mereka bersama-sama. Hal ini menghasilkan dua arah saklar elektronik yang dapat melakukan arus di kedua arah. TRIAC ideal untuk beralih AC ke beban resistif. Alternistor TRIAC Page 14 SOLID STATE RELAY Digunakan untuk beralih AC beban,yang alternistor telah dirancang khusus untuk aplikasi yang beralih tinggi beban induktif. Chip khusus menawarkan kinerja serupa sebagai dua SCRs, kabel parallel terbalik (back to back), menyediakan turn off yang lebih baik dari pada standar perilaku TRIAC. Yang Alternistor TRIAC adalah solusi ekonomis yang sangat ideal untuk beralih AC ke beban induktif. Thermal Considerations dan Heat Sinking Thermal Adalah sebuah pertimbangan mendasar dalam desain dan penggunaan SSR,karena kontak disipasi (biasanya 1 W per amp). Oleh karena itu, sangat penting bahwa cukup panas tenggelam disediakan, jika tidak hidup dan keandalan switching SSR akan dikompromi. Untuk ukuran yang benar heat sink, kita harus mempertimbangkan apa yang masuk, yang mendapat nomor tahanan termal untuk memahami apa artinya. Mari kita mulai pertama dengan mendefinisikan beberapa variabel: P = Power Disipasi (W) EDROP = Tegangan Drop ON maximum (V), dapat ditemukan di table spesifikasi TA = maksimum temperature lingkungan dimana relay akan berlokasi (C) TJ = maksimum semikonduktor persimpangan umumnya suhu 100 RKPT = Allowable kenaikan suhu (C) REJC = Thermal perlawanan, sambungan ke kasus ditemukan di tabel spesifikasi(C/W) Page 15 SOLID STATE RELAY RECS = Thermal perlawanan, kasus heat sink umumnya 0,1C/W. ini menjelaskan kerugian dalam minyak panas atau transfer thermal pad RESA = Thermal perlawanan, heat sink untuk ambient ini heat sink yang diperlukan berdasarkan karakteristik volume heat sink dan rancangan (C/W) 6. KELEBIHAN DAN KEKURANGAN SSR Baik relay kontaktor biasa maupun solid state relay (SSR) mempunyai keuntungan dan kerugian. Baik keuntungan maupun kerugian tersebut merupakan ‘trade-off’ yang harus dipilih bagi disainer sistem kontrol. Pada dasarnya Solid state relay (SSR) merupakan relay yang dapat didiskripsikan sebagai berikut : Mempunyai empat buah terminal, 2 input terminal dan 2 buah output terminal. Tegangan input dapat berupa tegangan AC atau DC. Antara output dan input diisolasi dengan sistem optikal. Output menggunakan keluarga thyristor, SCR untuk beban DC dan TRIAC untuk beban AC. Switching ON, yang sering disebut ‘firing’, solid state relay hanya bisa terjadi pada saat tegangan yang masuk ke output pada level yang sangat rendah mendekati nol volt. Output berupa tegangan AC (50 Hz atau 60 Hz). Sebuah solid state kontaktor adalah tugas yang sangat berat solid state relay, termasuk yang diperlukan heat sink, digunakan untuk beralih pemanas listrik, motor listrik kecil dan pencahayaan load; di mana sering on / off siklus diperlukan. Tidak ada bagian yang bergerak untuk memakai dan tidak ada kontak Page 16 SOLID STATE RELAY bouncing karena getaran. Mereka diaktifkan oleh sinyal kontrol AC atau DC sinyal kontrol dari Programmable logic controller (PLC), PC, transistor-transistor logic (TTL) sumber, atau lainnya kontrol mikroprosesor dan mikrokontroler. Gambar 1 Blok Diagram Solid-State Relay (SSR) Keuntungan dan Kerugian Penggunaan Solid-State Relay Penggunaan solid state relay mempunyai beberapa keuntungan yang menyebabkan solid-state relay saat ini menarik untuk digunakan pada aplikasiaplikasi kontrol untuk beban AC daripada digunakannya relay mekanik (Electromechanical Relay, EMR), walaupun biaya sebuah solid-state relay lebih mahal daripada biaya sebuah relay mekanik biasa. Page 17 SOLID STATE RELAY Gambar 2 Proses Kerja Solid-State Relay Keuntungan solid-state relay : 1. Pada solid-state relay tidak teedapat bagian yang bergerak seperti halnya pada relay. Relay mempunyai sebuah bagian yang bergerak yang disebut kontaktor dan bagian ini tidak ada pada 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 Page 18 SOLID STATE RELAY detektor. Dengan kata lain opersai kerja solid-state relay dapat disinkronkan dengan kondisi zero crossing detektor. 4. Solid-State relay kebal terhadap getaran dan goncangan. Tidak seperti relay mekanik biasa yang kontaktornya dapat dengan mudah berubah bila terkena goncangan/getaran yang cukup kuat pada body relay tersebut. 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 akan di-latc sampai solid-state relay mendapatkan tegangan sangat rendah, yaitu mendekati nol volt. 7. Solid-State relay sangat sensitif sehingga dapat dioperasikan langsung dengan menggunakan 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. Keuntungan solid-state relay begitu baik sekali tetapi dibalik keuntungan tersebut terdapat kerugian penggunaan solid-state relay yang perlu dipertimbangkan dalam penggunaannya. Page 19 SOLID STATE RELAY Kerugian solid-state relay adalah sebagai berikut : 1. Resistansi Tegangan transien. Tegangan yang diatur/dikontrol oleh solidstate relay benar-benar tidak bersih. Dengan kata lain tidak murni tegangannya berupa sinyal sinus dengan tegangan peak to peak 380 vpp tetapi terdapat spike-spike yang dihasilkan oleh induksi motor atau peralatan listrik lainnya. Spike ini level tegangannya bervariasi jika terlalu besar maka dapat merusakkan solid-state relay tersebut. Selain itu sumbersumber spike yang lain adalah sambaran petir, imbas dari selenoid valve dan lain sebagainya. 2. Tegangan drop. Karena solid-state relay dibangun dari bahan silikon maka terdapat tegangan jatuh antara tegangan input dan tegangan output. Tegangan jatuh tersebut kira-kira sebesar 1 volt. Tegangan jatuh ini menyebabkan adanya dissipasi daya yang besarnya tergantung dari besarnya arus yang lewat pada solid-state relay ini. 3. Arus bocor-‘Leakage current’. Pada saat solid-state relay ini dalam keadaan off atau keadaan open maka dalam kondisi yang idel seharusnya tidak ada arus yang mengalir melewati solid-state relay tetapi tidak demikian pada komponen yang sebenarnya. Besarnya arus bocor cukup besar untuk jika dibandingkan arus pada level TTL yaitu sekitar 10mA rms. 4. Sukar dimplementasikan pada aplikasi multi fasa. 5. Lebih mudah rusak jika terkena radiasi nuklir. Page 20 SOLID STATE RELAY Gambar 3 Rangkaian internal Solid-State Relay Pada solid-state ralay, switching unit-nya biasanya menggunakan TRIAC sehingga solid-state relay ini dapat mengalirkan arus baik arus positif maupun arus negatif. Walaupun demikian untuk mengontrol TRIAC ini digunakan SCR yang mempunyai karakteristik gate yang sangat sensitif. Kemudian untuk mengatur trigger pada SCR sendiri diatur dengan menggunakan rangkaian transistor. Rangkaian transistor ini menjadi penguat level tegangan yang didapat dari optocoupler. Penggunaan SCR untuk mengatur gate TRIAC karena gate SCR mempunyai karakteristik yang lebih sensitif daripada gate TRIAC. Antara bagian input dan output dipisahkan dengan menggunakan optocoupler dan dengan sinyal yang kecil, cukup untu menyalakan diode saja, maka cukup untuk menggerakkan sebuah bebab AC yang besar melalui solid-state relay. Page 21 SOLID STATE RELAY Gambar 4 Daerah Pengaktifan sebuah Solid-State Relay Rangkaian kontrol merupakan rangkaian kontrol biasa, seperti pada umumnya. Fungsi logika AND, pada blok diagram rangkaian internal SSR, dibangun dari dua buah transistor Q1 dan Q2 yang bekerja untuk menghasilkan logika inverted NOR. Q1 akan melakukan ‘clamps’ jika optocoupler OC1 dalam keadaan off. Q2 akan melakukan ‘clamps’ jika tegangan bagi antara R4 dan R5 cukup untuk mengaktifkan transistor Q2. Sehingga Q2 akan melakukan clamp pada SCR jika tegangan anode SCR lebih dari 5 volt. Jika OC1 ‘ON’ maka Q1 akan OFF sehingga Q1 tidak melakukan clamp pada SCR. SCR akan aktif jika Q2 juga dalam kondisi OFF. Kondisi ini terjadi pada saat terjadinya zero crossing. Penambahan kapasitor C2 bertujuan untuk menghindari kemungkinan SCR di trigger berulang-ulang. C1 berguna untuk menyediakan arus yang cukup untuk sumber tegangan sementara pada saat terjadinya ‘firing’ pada gate SCR, selain itu C1 juga berfungsi untuk menghindari kondisi ditriggernya gate SCR berulang-ulang. Penambahan C1 dan C2 akan menghindari trigger SCR pada saat tegangan anode SCR turun (down slope), kondisi ini memang tidak diharapkan. Komponen D2 akan memperbolehkan gate SCR di-reverse bias untuk menghasilkan kekebalan terhadap noise. D1 berfungsi untuk melindungi tegangan input yang Page 22 SOLID STATE RELAY berlebihan di atas rating tegangan optocoupler OC1. Komponen SCR yang digunakan, jika ingin membangun sebuah SSR sendiri, adalah SCR dengan tipe 2N5064, 2N6240. TRIAC yang digunakan adalah 2N6343 dengan C11 sebesar 47nF dengan tegangan disesuaikan dengan rating tegangan aplikasi TRIAC dan diode yang mentrigger gate TRIAC ini harus 1N4004. TRIAC merupakan komponen yang terdiri dari 2 buah SCR yang terpasang paralel tetapi terbalik. Kondisi ini menyebabkan timbulnya masalah pada beban induktif yaitu pada saat kondisi turn-off TRIAC. TRIAC harus mati pada saat setiap ½ cycle yaitu pada saat tegangan jala-jala PLN mendekati nol volt. TRIAC harus melakukan bloking tegangan pada saat tegangan mulai mencapai 1-2 volt dalam keadaan tegangan inverse. Kejadian ini terjadi sekitar 30us pada rate frekuensi jala-jala 60Hz. Pada beban induktif TRIAC tidak sempat dalam kondisi benar-benar OFF untuk dapat ditrigger kembali. Kejadian ini akan menyebabkan TRIAC pada beban induktif tertentu akan menyebabkan TRAIC tidak dapat OFF dan kontrol tidak akan berfungsi untuk mengontrol TRIAC ini kecuali dengan jalan memutuskan aliran arus yang menuju terminal TRAIC ini secara manual. Untuk menghindari kejadian seperti ini maka output sebuah solid-state relay harus ditambahkan sebuah rangkaian snubber jika solid-state relay ini digunakan untuk beban yang bersifat induktif. Walaupun demikian dapat digunakan solid-state relay yang komponen output unitnya berupa SCR. SCR lebih mudah digunakan dalam mengontrol beban induktif, walaupun demikian untuk amannya sebuah sistem kontrol maka perlulah dipertimbangkan untuk diberikannya sebuah rangkaian snubber pula untuk beban induktif. Page 23 SOLID STATE RELAY Walaupun solid-state relay dengan SCR maupun TRAIC- nya yang membuat perlunya sedikit pertimbangan dalam pemberian rangkaian snubber pada beban induktif, solid-state relay secara umum lebih baik pada penggunaanya terutama untuk aplikasi yang membutuhkan isolasi antara input dan output yang baik. Memang harga bolehlah mahal tetapi untuk kualitas yang baik maka komponen ini bisa menjadi sebuah alternatif untuk menggantikan sebuah relay mekanik pada aplikasi-aplikasi tertentu. Page 24
