Pengantar

Relay memainkan peran penting dalam sistem kontrol listrik. Ada banyak jenis relai seperti relai elektromagnetik, relai waktu, dan relai termal. Solid state relay (SSR) adalah salah satunya. Mereka dapat memasok / memutus daya ke peralatan listrik menggunakan sinyal kontrol tegangan rendah. Pada artikel ini, kita akan membahas SSR, cara kerjanya, dan aplikasinya.

Pengantar Jenis Relay

Ada kalanya kita perlu mengontrol peralatan listrik tegangan tinggi/arus tinggi menggunakan sinyal kecil. Misalnya, bayangkan skenario di mana kita perlu mengontrol motor 220V satu fasa 1HP menggunakan sakelar/tombol kecil atau menggunakan PLC. Pada aplikasi seperti ini, motor tidak dapat dihubungkan langsung ke PLC atau saklar. Ini tidak hanya melebihi peringkat sakelar, tetapi juga menimbulkan bahaya listrik karena tegangan dan arus tinggi sedang ditangani.

Relai berguna dalam kasus seperti itu. Relai memungkinkan kita untuk mengontrol alat besar yang menarik arus lebih tinggi (seperti beban 220V 20A) menggunakan sinyal tegangan kecil (24V, 100mA). Relai juga menyediakan isolasi listrik antara sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah. Relai adalah perangkat tipe on/off yang hanya memiliki dua mode operasi yang berbeda.

Sebelum kita beralih ke relai solid-state, mari kita lihat beberapa jenis relai paling populer yang tersedia di pasar untuk memahami cara kerja relai biasa.

Ada banyak jenis relay yang tersedia di pasaran. Secara umum, mereka adalah sakelar hidup / mati yang dikontrol secara elektrik yang memiliki pengaturan satu / multi-kutub dan lemparan. 

Berikut adalah beberapa jenis relai yang populer dan fungsinya secara singkat:

• Relai Elektromagnetik/Elektromekanis
  • Ini adalah jenis relai yang paling populer dan umum. Mereka terdiri dari lengan mekanis yang membuat / memutuskan kontak dengan terminal konduktif kontak relai, dan digerakkan dengan menerapkan tegangan ke koil bawaan. Relai elektromagnetik dapat mengontrol peralatan AC dan DC. Relai elektromagnetik tersedia dalam berbagai tegangan koil dan peringkat kontak.
• Relai sinyal kecil
  • Relai sinyal kecil banyak ditemukan pada aplikasi otomasi otomotif dan industri. Ini adalah versi miniatur dari relai elektromekanis yang mengalihkan tegangan rendah, sinyal arus rendah seperti sinyal keluaran digital PLC.
• Relay waktu tunda
  • Relai waktu tunda terdiri dari pengatur waktu bawaan dan relai elektromekanis untuk menunda penyalaan setelah menerapkan sinyal penyalaan. Ini ditemukan di sirkuit kontrol motor untuk memulai motor daya tinggi.
• Relay terpolarisasi
  • Relai terpolarisasi adalah jenis relai khusus yang peka terhadap arah arus yang diterapkan. Ketika arus DC dialirkan ke koil dalam polaritas tertentu, relai beralih ke posisi tertentu, mengaktifkan serangkaian kontak tertentu. Ketika polaritas ditukar, itu mengaktifkan rangkaian kontak lainnya. Saat daya dilepas, beberapa relai terpolarisasi kembali ke 'posisi netral' untuk memutus semua kontak.

Jenis relay terpopuler lainnya adalah Solid State Relay. Dengan pemahaman tentang relay yang sudah kita dapatkan selama ini, mari kita bahas solid state relay.

Apa itu Solid State Relay?

Solid state Relay (juga dikenal sebagai SSR) adalah jenis relai lain yang beroperasi dari sinyal input AC/DC kecil. SSR bekerja sangat mirip dengan EMR (Electro-Meahcnical Relays). Namun, mereka tidak memiliki komponen bergerak. SSR malah menggunakan komponen listrik dan optik (yang diberi nama solid-state) untuk melakukan tugas switching dan menjaga agar sinyal input tetap terisolasi dari sisi switching.

Mirip dengan relai elektromekanis, relai keadaan padat juga menyediakan resistansi/impedansi kontak hampir tak terbatas saat terbuka dan resistansi/impedansi mendekati nol selama operasi. Bergantung pada konstruksi internal sirkuit kontrol, SSR dapat mengontrol AC, DC, atau keduanya. Ini dimungkinkan karena berbagai pilihan semikonduktor yang tersedia sebagai elektronika daya. Relai solid-state dapat dirancang menggunakan SCR, TRIAC, atau bahkan transistor/MOSFET.

Salah satu hal utama yang membedakan SSR dengan mitra elektromekanisnya adalah umur operasional. Relai elektromekanis memiliki siklus hidup kontak yang sangat terbatas karena secara fisik menghubungkan/melepaskan kontak. Hal ini menyebabkan busur listrik dihasilkan antara kontak pembuka yang menurunkan permukaan kontak. Meskipun relai tugas berat dirancang untuk mengatasi hal ini, mereka tidak secara permanen kebal terhadap keausan.

SSR, di sisi lain, sepenuhnya solid dan tidak memiliki bagian yang bergerak. Hal ini memungkinkan mereka bertahan ribuan siklus peralihan di bawah beban pengenal tanpa harus mengkhawatirkan stabilitas operasional. Ini juga meningkatkan kecepatan peralihan SSR. 

Sirkuit Relai Solid State

Solid state relay adalah perangkat sederhana dari sudut pandang kegunaan. Mereka memiliki input sinyal kontrol, dan output yang diaktifkan yang mengontrol beban listrik berdaya tinggi. Konstruksi internal mereka jauh lebih rumit daripada yang terlihat. Mari kita bahas rangkaian SSR dan cara kerjanya.

Seperti disebutkan sebelumnya, solid state relay menawarkan isolasi listrik antara sisi sinyal kontrol dan sisi beban. Mirip dengan relai elektromekanis di mana isolasi terjadi melalui kontak yang terpisah secara fisik, SSR mencapainya dengan mengisolasi sinyal input secara optik.

Ini dilakukan dengan menggunakan perangkat semikonduktor khusus yang disebut 'optocoupler' (juga dikenal sebagai 'optoisolator'.). Optocoupler berisi satu atau lebih dioda atau LED pemancar infra merah bersama dengan perangkat fotosensitif untuk menyediakan isolasi sinyal optik. 

Ketika sinyal kontrol disediakan (tegangan DC sangat rendah dalam kisaran 2-3V), ini menyalakan LED IR bawaan ke SSR. Sinar yang dipancarkan diterima oleh perangkat fotosensitif untuk mengaktifkan output. Perangkat fotosensitif ditempatkan lebih jauh dari emitor dan menyediakan isolasi listrik. Dengan implementasi ini, SSR dapat dengan mudah mengalihkan beban AC 220V dengan sinyal kontrol serendah 5V DC.

Sinyal kontrol dapat berasal dari berbagai cara. Bisa juga,

• Sinyal DC keadaan padat
  • Sinyal DC keadaan padat dapat berasal dari sakelar sederhana atau sumber daya langsung seperti sel baterai.
• Sinyal keluaran digital
  • Pengontrol seperti mikrokontroler atau mikroprosesor, PLC juga dapat menghasilkan sinyal yang dapat dimasukkan ke SSR untuk mengendalikan beban.
• Sinyal gerbang logika
  • Untuk aplikasi yang tidak memerlukan daya pemrosesan dari mikrokontroler, output rangkaian gerbang logika kombinasional dapat dihubungkan ke SSR untuk menghidupkan/mematikan beban sesuai dengan rangkaian input bersyarat.

Jenis RSK

Ada banyak jenis solid-state relay. Mereka berbeda satu sama lain dengan fungsinya. Prinsip operasinya sangat mirip, meskipun digunakan dalam aplikasi yang berbeda.

SSR Pengalihan Instan

Relay solid-state switching instan mengaktifkan output segera ketika tegangan kontrol diterapkan. SSR ini memiliki waktu respons atipikal kurang dari 1 milidetik, menjadikannya komponen yang ideal untuk aplikasi yang memerlukan respons cepat dan/atau kontrol sudut fase. Ini juga menemukan aplikasi dalam pengalihan beban induktif.

SSR switching instan biasanya terbuat dari triac untuk memungkinkan kontrol sinyal AC terlepas dari sudut fase pada saat switching. Ini berfungsi identik dengan sakelar biasa di mana titik nyala acak.

Nol Switching SSR

Peralihan nol, juga dikenal sebagai SSR penyeberangan nol, menyala pada titik penyeberangan nol pertama dari tegangan saluran terlepas dari waktu sinyal kontrol diterapkan. Untuk tegangan saluran sinusoidal 50Hz, waktu respons bisa antara mendekati nol hingga 10ms (kurang dari setengah periode).

SSR ini memiliki sirkuit bawaan khusus yang disebut 'detektor penyeberangan nol'. Ketika sinyal kontrol diterapkan, rangkaian ini menghasilkan pulsa segera setelah bentuk gelombang sinusoidal AC mencapai titik 0V. Ini menyalakan triac yang mengontrol beban dan triac tetap konduktif hingga tegangan saluran mencapai nol lagi. Siklus berulang selama tegangan kontrol diterapkan.

Zero crossing SSR menemukan aplikasinya dalam sistem kontrol beban resistif, kapasitif, dan induktif. Aktivasi pada titik zero-crossing memastikan lonjakan arus minimum yang mengalir ke beban selama pengaktifan. 

SSR Pengalihan Puncak

Melengkapi tipe zero-crossing, SSR switching puncak mengaktifkan output pada puncak pertama tegangan saluran setelah menerapkan tegangan kontrol. Setelah setengah siklus ini, SSR terus berfungsi seperti SSR zero-crossing. 

Dalam SSR switching puncak, detektor zero-crossing digabungkan dengan tahap detektor puncak awal untuk menghasilkan pulsa nyala pertama. SSR tidak menyala sampai tegangan saluran mencapai tegangan puncaknya. Segera setelah puncak terdeteksi, beban menerima daya melalui triac. Ketika diaktifkan pada puncak tegangan suplai, beban induktif menarik arus lonjakan paling sedikit. Penggunaan SSR switching puncak bermanfaat dalam aplikasi semacam itu untuk memastikan beban terlindung dari arus lonjakan.

SSR switching puncak digunakan dengan beban induktif berat seperti transformator dan motor daya tinggi. 

SSR Pengalihan Analog

Analog switching SSR adalah tipe khusus dari SSR. Mereka beroperasi dengan sinyal arus DC 4-20mA. Fase output secara proporsional dipengaruhi oleh sinyal input. Ketika sinyal tegangan/arus kontrol dilepas, SSR mati. Relai solid state analog memiliki sirkuit bawaan yang berfungsi sebagai sistem umpan balik loop tertutup untuk mengontrol tegangan output sebagai fungsi dari tegangan input.

SSR Peralihan DC

Untuk beban resistif dan induktif, SSR switching DC banyak digunakan. SSR DC mengontrol beban menggunakan MOSFET dari BJT oleh karena itu paling baik digunakan dengan beban DC seperti elemen pemanas DC, katup solenoid, dan motor sikat DC. Karena ini tidak memiliki perlindungan kickback induktif built-in, dioda freewheeling eksternal diperlukan untuk dihubungkan ke terminal output dalam konfigurasi bias mundur.

Metode Pengendalian

Berbagai jenis SSR memiliki metode mengemudi yang berbeda. Seperti disebutkan di atas, SSR hanya memerlukan sinyal kontrol kecil untuk mengalihkan tegangan yang lebih tinggi, beban arus yang lebih tinggi. Berikut adalah beberapa metode yang digunakan untuk menggerakkan input SSR.

Pengalihan DC Langsung

Metode paling sederhana untuk menggerakkan SSR adalah dengan menerapkan tegangan kontrol langsung ke SSR. Misalnya, jika tegangan kontrol SSR adalah 12V DC, suplai langsung sinyal tegangan ke input kontrol akan menyalakan SSR. Jenis implementasi sederhana ini dapat ditemukan di rangkaian kontrol motor langsung-on-line.

Kontrol transistor

Dalam beberapa kasus, tegangan sinyal kontrol mungkin tidak cukup tinggi untuk menggerakkan input SSR secara langsung. Misalnya, mikrokontroler yang beroperasi pada 5V atau 3.3V mungkin tidak dapat memberikan tegangan dan arus yang cukup untuk menggerakkan sirkuit internal SSR. Dalam kasus seperti itu, tegangan logika perlu diterjemahkan ke sinyal kontrol ke input SSR. Dengan mengimplementasikan rangkaian yang mirip dengan gambar di atas, sinyal input kecil dapat dengan mudah mengontrol SSR. Rangkaian transistor NPN yang ditunjukkan di atas dapat menghidupkan SSR ketika tegangan positif diterapkan ke terminal basis.

Kontrol logika kombinasional

Dalam aplikasi yang membutuhkan logika kondisional, namun sistemnya terlalu sederhana untuk dikendalikan oleh sistem kontrol berbasis mikrokontroler seperti PLC, gerbang logika dapat digunakan. Dengan rangkaian yang mirip dengan yang ditunjukkan di bawah ini, keluaran terbalik dari rangkaian logika kombinasional positif dapat langsung menggerakkan SSR untuk mengontrol beban listrik.

sinyal kontrol AC

Beberapa sistem hanya menggunakan daya AC di kontrol dan elektronik daya. Memasukkan SSR ke dalam sistem seperti itu dapat menjadi tantangan karena SSR sebagian besar digerakkan menggunakan sinyal DC. Namun, dengan prinsip penyearah jembatan penuh, sinyal AC pada level tegangan yang kompatibel dapat diubah menjadi sinyal tegangan DC yang diperbaiki untuk menggerakkan input SSR. Gambar di bawah ini menunjukkan implementasi seperti itu.

Namun, sebagian besar pabrikan SSR menawarkan input AC solid state relay dalam seri SSR mereka untuk mengatasi beban tambahan ini.

Keuntungan Solid State Relay

SSR memiliki banyak keunggulan diantaranya,

• Umur panjang dan keandalan tinggi
• Waktu respons cepat
• EMI rendah
• Tidak ada busur kontak karena kurangnya komponen mekanis
• Resistensi tinggi terhadap getaran, guncangan, dan debu
• Operasi senyap
• Kompatibilitas logika

Namun, SSR juga memiliki beberapa kelemahan:

• Penurunan tegangan kontak
  • Karena SSR dibuat menggunakan perangkat semikonduktor, mereka menimbulkan resistansi seri yang melekat bahkan ketika dihidupkan sepenuhnya. Misalnya, thyristor dapat memiliki penurunan tegangan 1-1.6V di terminal. Ini menghasilkan panas, yang membutuhkan pendinginan pasif atau aktif.
• Masalah tegangan transien dan keterbatasan dV/dt
  • Jika tidak diterapkan dengan benar, SSR menimbulkan risiko penyalaan acak yang disebabkan oleh tindakan regeneratif karena kapasitansi bawaan yang ada pada tahap semikonduktor.

Cara Memilih Solid State Relay yang Benar

Saat memilih SSR untuk aplikasi tertentu, pertimbangkan hal-hal penting berikut:

Informasi Umum

Pilih SSR yang dapat menangani arus beban pengenal, voltase, dan suhu pengoperasian. SSR umumnya harus memiliki peringkat yang lebih tinggi dari aplikasi yang dimaksud.

Fitur perlindungan

SSR harus memiliki perlindungan yang memadai dari kelebihan beban termal, perlindungan arus berlebih dan tegangan transien. Dalam banyak kasus, sirkuit semacam itu harus dihubungkan secara eksternal.

Juga, pastikan SSR mematuhi standar insulasi untuk aplikasi. Misalnya, SSR kelas atas memiliki resistansi insulasi input-ke-output >=4000Vrms AC dan output ke resistansi insulasi kasing >= 2500Vrms AC

Kepatuhan terhadap standar industri

Memilih SSR yang telah diproduksi agar sesuai dengan IEC, UL, dan standar industri serupa akan memastikan integritas dan keandalan sistem.

Kesimpulan

Solid state relay adalah perangkat switching yang sangat baik yang dapat menggantikan relai elektromekanis konvensional dalam banyak kasus. Biaya awal penerapan sistem berbasis RSK relatif tinggi, kelebihannya dengan mudah melebihi kerugiannya dan membenarkan biayanya.