Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Cara Kerja Solid State Relay (SSR)

Solid State Relay adalah perangkat semikonduktor dari relay elektromekanis dan dapat digunakan untuk mengontrol beban listrik tanpa menggunakan bagian yang bergerak.

Tidak seperti elektro-mekanis relay (EMR) yang menggunakan kumparan atau coil, medan magnet, pegas dan kontak mekanis untuk mengoperasikan dan mengalihkan supply, solid state relay, atau SSR, tidak memiliki bagian yang bergerak tetapi sebaliknya menggunakan sifat listrik dan optik semikonduktor solid state. untuk melakukan input ke fungsi isolasi dan switching output.

Sama seperti relay elektromekanis normal, SSR menyediakan isolasi listrik lengkap antara kontak input dan output dengan outputnya yang bertindak seperti sakelar listrik konvensional yang memiliki resistansi sangat tinggi, hampir tak terbatas ketika nonkonduktor (terbuka), dan resistansi yang sangat rendah saat berjalan (ditutup). solid state relay dapat dirancang untuk mengalihkan arus AC atau DC dengan menggunakan Thyristor, TRIAC, atau mengalihkan output transistor alih-alih kontak mekanis yang biasanya terbuka (N-O).

Sementara solid state relay dan relay elektromekanis secara dasar serupa di mana input tegangan rendahnya terisolasi secara elektrik dari output yang beralih dan mengendalikan beban, relay elektromekanis memiliki siklus hidup kontak yang terbatas, dapat memakan banyak ruang dan memiliki kecepatan sakelar yang lebih lambat, terutama relai dan kontaktor daya yang besar. solid state relay tidak memiliki batasan seperti itu.

Cara Kerja Solid State Relay (SSR)

Dengan demikian keuntungan utama dari solid state relay dibandingkan relay elektromekanis konvensional adalah mereka tidak memiliki bagian yang bergerak untuk aus, dan oleh karena itu tidak ada masalah pantulan kontak, dapat mengganti "ON" dan "OFF" lebih cepat daripada relai mekanis angker dapat bergerak, serta turn-on tegangan nol dan turn-off arus nol menghilangkan kebisingan dan transien listrik.

Solid state relay dapat dibeli dalam paket standar off-the-shelf mulai dari hanya beberapa volt atau ampere hingga ratusan volt dan ampere kemampuan output switching. Namun, solid state relay dengan peringkat arus sangat tinggi (150A plus) masih terlalu mahal untuk dibeli karena semikonduktor daya dan persyaratan heat sinknya, dan dengan demikian, kontaktor elektromekanis yang lebih murah masih digunakan.

Mirip dengan relay elektro-mekanis, tegangan input kecil, biasanya 3 hingga 32 volt DC, dapat digunakan untuk mengontrol tegangan atau arus output yang jauh lebih besar. Misalnya 240V, 10Amp. Ini membuatnya ideal untuk antarmuka microcontroler, PIC, dan Arduino sebagai sinyal 5-volt arus rendah dari katakanlah microcontroler atau gerbang logika dapat digunakan untuk mengontrol beban rangkaian tertentu, dan ini dicapai dengan menggunakan isolator.

Input Solid State Relay

Salah satu komponen utama solid state relay (SSR) adalah optoisolator (juga disebut optocoupler) yang berisi satu (atau lebih) dioda pemancar cahaya infrared, atau sumber cahaya LED, dan perangkat foto-sensitif dalam satu kasus. Optocoupler mengisolasi input dari output.

Sumber cahaya LED terhubung ke bagian drive input SSR dan menyediakan kopling optik melalui celah ke transistor foto-sensitif yang berdekatan, pasangan Darlington atau Triac. Ketika arus melewati LED, itu menyala dan cahayanya difokuskan melintasi celah ke photo transistor/photo-triac.

Jadi output dari SSR optocoupler dinyalakan "ON" dengan memberi energi LED ini, biasanya dengan sinyal tegangan rendah. Karena satu-satunya koneksi antara input dan output adalah seberkas cahaya, isolasi tegangan tinggi (biasanya beberapa ribu volt) dicapai dengan cara isolasi-internal ini.

Optocoupler tidak hanya menyediakan tingkat isolasi input/output yang lebih tinggi, tetapi juga dapat mentransmisikan sinyal frekuensi rendah dan DC. Selain itu, perangkat LED dan foto-sensitif dapat benar-benar terpisah satu sama lain dan secara optik digabungkan dengan serat optik.

Rangkaian input SSR dapat terdiri dari hanya satu resistor pembatas arus tunggal secara seri dengan LED dari optocoupler, atau rangkaian yang lebih kompleks dengan penyearah, regulasi arus, perlindungan polaritas terbalik, penyaringan (filtering), dll.

Untuk mengaktifkan atau menghidupkan "ON" solid state relay menjadi konduksi, tegangan yang lebih besar dari nilai minimum (biasanya 3 volt DC) harus diterapkan ke terminal inputnya (setara dengan coil relay elektromekanis). Sinyal DC ini dapat berasal dari sakelar mekanis, gerbang logika, atau microcontroller, seperti yang ditunjukkan.

Rangkaian Input DC Solid State Realy

Cara Kerja Solid State Relay (SSR)

Saat menggunakan kontak mekanis, sakelar, push-button, kontak relai lainnya, dll, sebagai sinyal pengaktifan, tegangan supply yang digunakan dapat sama dengan nilai tegangan input minimum SSR, sedangkan saat menggunakan perangkat solid state seperti transistor, gerbang, dan mikro-kontrol, tegangan supply minimum harus satu atau dua volt di atas tegangan turn-on SSR untuk memperhitungkan penurunan tegangan internal perangkat switching.

Tetapi selain menggunakan tegangan DC, baik sink atau source, untuk mengubah solid state relay ke konduksi, kita juga dapat menggunakan bentuk gelombang sinusoidal juga dengan menambahkan penyearah jembatan untuk penyearah gelombang penuh dan rangkaian filter ke input DC seperti yang ditunjukkan.

Rangkaian Input AC Solid State Relay

Cara Kerja Solid State Relay (SSR)

Penyearah jembatan mengubah tegangan gelombang sinusoidal menjadi pulsa gelombang penuh pada frekuensi input dua kali. Masalahnya di sini adalah bahwa pulsa tegangan ini mulai dan berakhir dari nol volt yang berarti bahwa mereka akan jatuh di bawah persyaratan tegangan nyala minimum ambang batas input SSR yang menyebabkan output bergerak "on" dan "off" setiap setengah siklus.

Untuk mengatasi penembakan output yang tidak menentu ini, kita dapat memuluskan riak yang diperbaiki dengan menggunakan kapasitor smoothing, (C1) pada output penyearah jembatan. Efek pengisian dan pemakaian kapasitor akan menaikkan komponen DC dari sinyal yang diperbaiki di atas nilai tegangan nyala maksimum dari input solid state relay. Kemudian meskipun bentuk gelombang tegangan sinusoidal yang terus berubah digunakan, input SSR melihat adalah tegangan DC konstan.

Nilai-nilai menjatuhkan tegangan Resistor, R1 dan kapasitor smoothing, C1 yang dipilih sesuai dengan tegangan supply, 120 volt AC atau 240 volt AC serta impedansi input dari solid state relay. Tetapi sesuatu sekitar 40kΩ dan 10uF akan dilakukan.

Kemudian dengan penyearah jembatan ini dan rangkaian kapasitor smoothing ditambahkan, solid state relay DC standar dapat dikontrol menggunakan supply AC atau non-terpolarisasi DC. Tentu saja, produsen memproduksi dan menjual solid state relay input AC (biasanya 90 hingga 280 volt AC).

Output Solid State Relay

Kemampuan switching output dari solid state relay dapat berupa AC atau DC yang serupa dengan persyaratan tegangan inputnya. Rangkaian output dari kebanyakan solid state relay standar dikonfigurasikan untuk berjalan hanya satu jenis aksi pensakelaran yang memberikan hasil yang setara dengan operasi SPST-NO yang biasanya terbuka, single-pole, single-throw dari relay elektromekanis.

Untuk sebagian besar SSR DC, perangkat switching solid state yang biasa digunakan adalah Transistor daya, Darlington dan MOSFET, sedangkan untuk SSR AC, perangkat switching adalah thyristor triac atau back-to-back. Thyristor lebih disukai karena tegangan tinggi dan kemampuan arus. Sebuah thyristor tunggal juga dapat digunakan dalam rangkaian penyearah jembatan seperti yang ditunjukkan.

Rangkaian Output Solid State Relay

Cara Kerja Solid State Relay (SSR)

Aplikasi solid state relay yang paling umum adalah dalam peralihan beban AC, baik itu untuk mengontrol daya AC untuk pergantian ON/OFF, peredupan cahaya, kontrol kecepatan motor atau aplikasi lain yang memerlukan kontrol daya, beban AC ini dapat dengan mudah dikontrol dengan tegangan DC arus rendah menggunakan solid state relay yang memberikan umur panjang dan kecepatan switching yang tinggi.

Salah satu keuntungan terbesar dari solid state relay atas relay elektromekanis adalah kemampuannya untuk mengalihkan "OFF" beban AC pada titik arus beban nol, dengan demikian sepenuhnya menghilangkan lengkungan, kebisingan listrik dan pantulan kontak yang terkait dengan relay mekanis konvensional dan beban induktif.

Ini karena AC solid state relay menggunakan Thyristor dan TRIAC sebagai perangkat output switching mereka yang terus berjalan, setelah sinyal input dihapus, sampai arus AC yang mengalir melalui perangkat turun di bawah ambang batas atau memegang nilai arus. Maka output dari SSR tidak pernah bisa OFF di tengah-tengah puncak gelombang sinus.

Turn-off arus nol adalah keuntungan utama untuk menggunakan solid state relay karena mengurangi reduksi listrik dan ggl-balik yang terkait dengan peralihan beban induktif seperti yang terlihat oleh kontak relay elektromekanis. Pertimbangkan diagram bentuk gelombang output di bawah ini dari solid state relay AC yang ideal.

Bentuk Gelombang Output Solid State Relay

Cara Kerja Solid State Relay (SSR)

Dengan tidak adanya sinyal input, tidak ada arus beban yang mengalir melalui SSR karena secara efektif OFF (rangkaian-terbuka) dan terminal output melihat tegangan supply AC penuh. Dengan penerapan sinyal input DC, tidak peduli bagian mana dari gelombang sinusoidal, baik siklus positif maupun negatif, karena karakteristik switching tegangan-nol dari SSR, output hanya menyala ketika bentuk gelombang melintas titik nol.

Ketika tegangan supply meningkat baik ke arah positif atau negatif, itu mencapai nilai minimum yang diperlukan untuk mengubah output thyristor atau triac sepenuhnya ON (biasanya kurang dari sekitar 15 volt). Penurunan tegangan di terminal output SSR adalah dari perangkat switching penurunan tegangan on-state VT (biasanya kurang dari 2 volt). Dengan demikian setiap arus lonjakan tinggi yang terkait dengan beban reaktif atau lampu sangat berkurang.

Ketika sinyal tegangan input DC dihilangkan, output tidak tiba-tiba mati seperti yang dipicu ke konduksi, thyristor atau triac digunakan sebagai perangkat switching tetap ON selama sisa setengah siklus sampai arus beban turun di bawah perangkat memegang arus, di titik mana ia mati. Dengan demikian, dv/dt ggl-balik yang tinggi yang terkait dengan pengalihan beban induktif di tengah gelombang sinus sangat berkurang.

Kemudian keuntungan utama dari solid state relay AC terhadap relay elektromekanis adalah fungsi zero crossing yang mengaktifkan ON SSR ketika tegangan beban AC mendekati nol volt, sehingga menekan arus lonjakan tinggi karena arus beban akan selalu mulai dari titik dekat dengan 0V, dan karakteristik turn-off nol arus yang melekat dari thyristor atau triac. Oleh karena itu ada penundaan turn-off maksimum yang dimungkinkan (antara penghapusan sinyal input dan penghapusan arus beban) dari satu setengah siklus.

Solid State Relay Peredupan (dimming) Fasa

Sementara solid state relay dapat melakukan switching zero-crossing yang lurus ke depan dari suatu beban, mereka juga dapat melakukan fungsi yang jauh lebih rumit melalui rangkaian logika digital, mikroprosesor, dan memori. Aplikasi lain yang sangat baik dari solid state relay adalah aplikasi peredupan lampu, baik di rumah atau untuk pertunjukan atau konser.

Non-zero (instant-on) switching solid state relay menghidupkan segera setelah penerapan sinyal kontrol input sebagai lawan dari SSR persimpangan nol di atas yang menunggu sampai titik persimpangan nol berikutnya dari gelombang sinus AC. Pergantian sembarang api ini digunakan dalam aplikasi resistif seperti peredupan lampu dan aplikasi yang membutuhkan beban hanya untuk diberi energi untuk sebagian kecil dari siklus AC.

Gelombang Output Switching Acak (random)

Cara Kerja Solid State Relay (SSR)

Sementara ini memungkinkan untuk kontrol fasa dari gelombang beban, masalah utama turn-on acak SSR adalah bahwa arus lonjakan beban awal pada saat relai menyala, mungkin tinggi karena daya switching SSR ketika tegangan supply dekat dengan nilai puncaknya (90°). Ketika sinyal input dihapus, ia berhenti berjalan ketika arus beban jatuh di bawah thyristor atau triac yang menahan arus seperti yang ditunjukkan. Jelas untuk DC SSR, aksi switching ON-OFF instan.

Solid state relay sangat ideal untuk berbagai ON/OFF aplikasi beralih karena mereka tidak memiliki bagian yang bergerak atau kontak tidak seperti relay elektromekanik (ESDM). Ada banyak jenis komersial yang dapat dipilih untuk sinyal kontrol input AC dan DC serta switching output AC dan DC karena mereka menggunakan elemen switching semikonduktor, seperti thyristor, triac dan transistor.

Tetapi dengan menggunakan kombinasi optocoupler dan triac yang baik, kita dapat membuat solid state relay yang murah dan sederhana untuk mengontrol beban AC seperti pemanas, lampu, atau solenoidal. Karena optocoupler hanya membutuhkan sejumlah kecil daya input/kontrol untuk beroperasi, sinyal kontrol dapat berasal dari PIC, Arduino, Raspberry PI, atau pengontrol mikro lainnya.

Contoh: Solid State Relay No.1

Mari kita asumsikan kita ingin mikrocontroller dengan sinyal port output digital hanya +5 volt untuk mengendalikan 120V AC, elemen pemanas 600 watt. Untuk ini kita dapat menggunakan isolator trio-triac MOC 3020, tetapi triac internal hanya dapat melewati arus maksimum (ITSM) puncak 1 Amp di puncak supply 120V AC sehingga triac switching tambahan juga harus digunakan.

Pertama mari kita perhatikan karakteristik input dari optocoupler MOC 3020 (opto-triac lain tersedia). OPTOcoupler datasheet memberitahu kita bahwa tegangan maju, (VF) setetes cahaya input emitting dioda adalah 1.2 volt dan maksimum arus maju, (IF) adalah 50mA.

LED membutuhkan sekitar 10mA untuk bersinar cukup terang hingga nilai maksimum 50mA. Namun port output digital mikrocontroller hanya dapat mesupply maksimum 30mA. Maka nilai arus yang diperlukan terletak di suatu tempat antara 10 dan 30 mili-ampere. Karena itu:

Cara Kerja Solid State Relay (SSR)

Dengan demikian resistor pembatas arus seri dengan nilai antara 126 dan 380 dapat digunakan. Karena port output digital selalu berganti +5 volt dan untuk mengurangi disipasi daya melalui LED optocoupler, kami akan memilih nilai resistif 240Ω yang disukai. Ini memberikan arus maju LED kurang dari 16mA. Dalam contoh ini, nilai resistor apa pun yang disukai antara 150Ω dan 330Ω akan berhasil.

Beban elemen pemanas adalah 600 watt resistif. Menggunakan supply AC 120V akan memberi kita arus beban 75 ampere (I = P/V). Karena kami ingin mengontrol arus beban ini di kedua setengah siklus (semua 4 kuadran) dari gelombang AC, kami akan memerlukan triac switching sumber listrik.

BTA06 adalah triac 6 volt (IT(RMS)) 600 volt yang cocok untuk switching ON/OFF umum dari beban AC, tetapi triac yang memiliki nilai 6 hingga 8 amp yang serupa dapat digunakan. Juga triac switching ini hanya membutuhkan drive drive 50mA untuk memulai konduksi yang jauh lebih rendah dari peringkat maksimum 1 amp dari optocoupler MOC 3020.

Pertimbangkan triac output optocoupler telah ON pada nilai puncak (90° ) dari tegangan supply AC 120VRMS. Tegangan puncak ini memiliki nilai: 120 x 1.414 = 170Vpk. Jika arus opto-triac maksimum (ITSM) adalah 1 ampere puncak, maka nilai minimum resistansi seri adalah 170/1 = 170Ω, atau 180Ω ke nilai terdekat yang disukai. Nilai 180Ω ini akan melindungi triac output optocoupler, serta gerbang triac BTA06 pada supply 120VAC.

Jika triac dari optocoupler ON pada nilai crossover nol (0° ) dari tegangan supply 120VRMS AC, maka tegangan minimum yang diperlukan untuk me-supply arus drive gerbang 50mA yang diperlukan yang memaksa triac switching ke konduksi adalah: 180Ω x 50mA = 9.0 volt. Kemudian triac terbakar ke konduksi ketika tegangan Gerbang-ke-MT1 sinusoidal lebih besar dari 9 volt.

Dengan demikian tegangan minimum yang diperlukan setelah titik crossover nol dari bentuk gelombang AC adalah 9 volt puncak dengan disipasi daya dalam resistor gerbang seri ini menjadi sangat kecil sehingga resistor pengenal 180Ω, 0.5 watt dapat digunakan dengan aman. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.

Rangkaian AC Solid State Relay

Cara Kerja Solid State Relay (SSR)

Jenis konfigurasi optocoupler ini membentuk dasar dari aplikasi solid state relay yang sangat sederhana yang dapat digunakan untuk mengontrol setiap beban daya listrik AC seperti lampu dan motor. Di sini kita telah menggunakan MOC 3020 yang merupakan isolator switching acak.

MOC 3041 opto-triac isolator memiliki karakteristik yang sama tetapi dengan deteksi zero-crossing built-in memungkinkan beban menerima daya penuh tanpa arus lonjakan berat saat mengganti beban induktif.

Dioda D1 mencegah kerusakan karena koneksi balik dari tegangan input, sedangkan resistor 56 ohm (R3) melangsir arus di/dt ketika triac dalam posisi OFF menghilangkan pemicu salah. Itu juga mengikat terminal gerbang ke MT1 memastikan triac mematikan sepenuhnya.

Jika digunakan dengan modulasi lebar pulsa, sinyal input PWM (Modulasi Lebar Pulsa), frekuensi switching ON/OFF harus diatur ke maksimum kurang dari 10Hz untuk beban AC, jika tidak, output switching dari rangkaian solid state relay ini mungkin tidak dapat mengikuti.