Page 1

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 2

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 3

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 4

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 5

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 6

• 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-fan-

keluar 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 turn-off (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 menentu akibat

Page 7

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 sifat-sifat

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

output mungkin control pasangan ac dan transien kembali ke kontrol sensitif

Page 8

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

dapat menghilangkan kekuatan untuk udara sekitarnya tanpa kenaikan suhu yang

Page 9

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 beban-rangkaian

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

(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.

Page 10

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-state-desain, 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

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

Page 11

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 bersama-sama.

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 state-

switch 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.

4. APLIKASI SSR

Page 12

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:

Otomasi Industri

Page 13

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

melakukan fungsi-fungsi utama dan sangat penting bahwa satu mamahami

Page 14

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 15

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)

RECS = Thermal perlawanan, kasus heat sink umumnya 0,1C/W. ini menjelaskan

kerugian dalam minyak panas atau transfer thermal pad

Page 16

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

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.

Page 17

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 aplikasi-

aplikasi 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 18

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 19

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 20

Kerugian solid-state relay adalah sebagai berikut :

1. Resistansi Tegangan transien. Tegangan yang diatur/dikontrol oleh solid-state

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 sumber-sumber 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 21

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 22

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 23

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 24

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.