Mengenal Rangkaian Relay
Relay adalah perangkat elektromekanis yang memakai elektromagnet untuk menjalankan sepasang kontak bergerak dari posisi terbuka menuju ke posisi tertutup.
Keuntungan relay adalah dibutuhkan daya yang relatif kecil untuk mengoperasikan coil relai, tetapi relai itu sendiri dapat digunakan untuk mengendalikan motor, pemanas, lampu atau rangkaian AC yang dengan sendirinya dapat menarik lebih banyak daya listrik.
Relay elektromekanis adalah perangkat output (aktuator) yang tersedia dalam berbagai bentuk, ukuran dan desain, dan memiliki banyak kegunaan dan aplikasi di rangkaian elektronik.
Tetapi sementara relay listrik dapat digunakan untuk memungkinkan rangkaian elektronik atau komputer jenis daya rendah untuk beralih arus atau tegangan yang relatif tinggi baik "ON" atau "OFF", beberapa bentuk rangkaian sakelar relay diperlukan untuk mengontrolnya.
Desain dan jenis rangkaian sakelar relay sangat besar, tetapi banyak proyek elektronik kecil menggunakan Transistor dan MOSFET sebagai perangkat sakelar utama mereka karena transistor dapat menyediakan kontrol DC (sakelar-OFF) yang cepat dari coil relai dari berbagai sumber input sehingga di sini adalah kumpulan kecil dari beberapa cara yang lebih umum untuk mengganti relai.
Dalam kondisi ini tidak ada arus Kolektor dan coil relai dinonaktifkan karena perangkat arus, jika tidak ada arus mengalir ke Base, maka tidak ada arus akan mengalir melalui coil relai.
Jika arus positif yang cukup besar sekarang didorong ke dalam Base untuk menjenuhkan transistor NPN, arus yang mengalir dari Base ke Emitor ( B ke E ) mengontrol arus coil relai yang lebih besar yang mengalir melalui transistor dari Kolektor ke Emitter.
Untuk kebanyakan transistor sakelar bipolar, jumlah arus coil relai yang mengalir ke Kolektor akan berada di suatu tempat antara 50 hingga 800 kali dari arus Base yang diperlukan untuk mengarahkan transistor ke saturasi. Arus gain, atau nilai beta ( β ) dari general purpose BC109 yang ditunjukkan biasanya sekitar 290 pada 2mA (Lembar Data).
Perhatikan bahwa coil relai tidak hanya elektromagnet tetapi juga sebuah induktor. Ketika daya diterapkan ke coil karena aksi sakelar dari transistor, arus maksimum akan mengalir sebagai akibat dari resistansi DC coil seperti yang didefinisikan oleh Hukum Ohm, ( I = V/R ). Sebagian energi listrik ini disimpan dalam medan magnet coil relai.
Ketika Transistor beralih "OFF", arus yang mengalir melalui coil relai menurun dan medan magnet runtuh. Namun energi yang tersimpan dalam medan magnet harus pergi ke suatu tempat dan tegangan balik dikembangkan di coil karena mencoba untuk mempertahankan arus di coil relai. Tindakan ini menghasilkan lonjakan tegangan tinggi pada coil relai yang dapat merusak sakelar transistor NPN jika dibiarkan menumpuk.
Jadi untuk mencegah kerusakan pada transistor semikonduktor, "dioda flywheel", juga dikenal sebagai dioda freewheeling, dihubungkan melalui coil relai. Dioda fleewheeling ini menjepit tegangan balik melintasi coil menjadi sekitar 0.7 V menghilangkan energi yang tersimpan dan melindungi sakelar transistor.
Dioda fleewheeling atau roda gila hanya berlaku jika supply tegangan DC terpolarisasi. Sebuah coil AC membutuhkan metode perlindungan yang berbeda, dan untuk ini rangkaian RC snubber digunakan.
Sensitivitas dan arus gain dari rangkaian sakelar relai dapat sangat ditingkatkan dengan menggunakan sepasang transistor Darlington sebagai pengganti transistor sakelar tunggal. Pasangan Transistor Darlington dapat dibuat dari dua Transistor Bipolar (BJT) yang terhubung secara individual seperti yang ditunjukkan atau tersedia sebagai satu perangkat tunggal dengan standar: Base yang menghubungkan Base, Emitter, dan Collector.
Kedua transistor NPN terhubung seperti yang ditunjukkan sehingga arus Collector dari transistor pertama, TR1 menjadi Arus base dari transistor kedua TR2. Penerapan arus base positif untuk TR1 secara otomatis mengubah "ON" transistor sakelar, TR2.
Keuntungan relay adalah dibutuhkan daya yang relatif kecil untuk mengoperasikan coil relai, tetapi relai itu sendiri dapat digunakan untuk mengendalikan motor, pemanas, lampu atau rangkaian AC yang dengan sendirinya dapat menarik lebih banyak daya listrik.
Relay elektromekanis adalah perangkat output (aktuator) yang tersedia dalam berbagai bentuk, ukuran dan desain, dan memiliki banyak kegunaan dan aplikasi di rangkaian elektronik.
Tetapi sementara relay listrik dapat digunakan untuk memungkinkan rangkaian elektronik atau komputer jenis daya rendah untuk beralih arus atau tegangan yang relatif tinggi baik "ON" atau "OFF", beberapa bentuk rangkaian sakelar relay diperlukan untuk mengontrolnya.
Desain dan jenis rangkaian sakelar relay sangat besar, tetapi banyak proyek elektronik kecil menggunakan Transistor dan MOSFET sebagai perangkat sakelar utama mereka karena transistor dapat menyediakan kontrol DC (sakelar-OFF) yang cepat dari coil relai dari berbagai sumber input sehingga di sini adalah kumpulan kecil dari beberapa cara yang lebih umum untuk mengganti relai.
Rangkaian Sakelar Relay transistor-NPN
Rangkaian sakelar relai tipikal memiliki coil yang digerakkan oleh sakelar transistor NPN, TR1 seperti yang ditunjukkan tergantung pada level tegangan input. Ketika tegangan dasar transistor adalah nol (atau negatif), transistor terputus dan bertindak sebagai sakelar terbuka.Dalam kondisi ini tidak ada arus Kolektor dan coil relai dinonaktifkan karena perangkat arus, jika tidak ada arus mengalir ke Base, maka tidak ada arus akan mengalir melalui coil relai.
Jika arus positif yang cukup besar sekarang didorong ke dalam Base untuk menjenuhkan transistor NPN, arus yang mengalir dari Base ke Emitor ( B ke E ) mengontrol arus coil relai yang lebih besar yang mengalir melalui transistor dari Kolektor ke Emitter.
Untuk kebanyakan transistor sakelar bipolar, jumlah arus coil relai yang mengalir ke Kolektor akan berada di suatu tempat antara 50 hingga 800 kali dari arus Base yang diperlukan untuk mengarahkan transistor ke saturasi. Arus gain, atau nilai beta ( β ) dari general purpose BC109 yang ditunjukkan biasanya sekitar 290 pada 2mA (Lembar Data).
Rangkaian Sakelar Relay transistor-NPN
Perhatikan bahwa coil relai tidak hanya elektromagnet tetapi juga sebuah induktor. Ketika daya diterapkan ke coil karena aksi sakelar dari transistor, arus maksimum akan mengalir sebagai akibat dari resistansi DC coil seperti yang didefinisikan oleh Hukum Ohm, ( I = V/R ). Sebagian energi listrik ini disimpan dalam medan magnet coil relai.
Ketika Transistor beralih "OFF", arus yang mengalir melalui coil relai menurun dan medan magnet runtuh. Namun energi yang tersimpan dalam medan magnet harus pergi ke suatu tempat dan tegangan balik dikembangkan di coil karena mencoba untuk mempertahankan arus di coil relai. Tindakan ini menghasilkan lonjakan tegangan tinggi pada coil relai yang dapat merusak sakelar transistor NPN jika dibiarkan menumpuk.
Jadi untuk mencegah kerusakan pada transistor semikonduktor, "dioda flywheel", juga dikenal sebagai dioda freewheeling, dihubungkan melalui coil relai. Dioda fleewheeling ini menjepit tegangan balik melintasi coil menjadi sekitar 0.7 V menghilangkan energi yang tersimpan dan melindungi sakelar transistor.
Dioda fleewheeling atau roda gila hanya berlaku jika supply tegangan DC terpolarisasi. Sebuah coil AC membutuhkan metode perlindungan yang berbeda, dan untuk ini rangkaian RC snubber digunakan.
Rangkaian Sakelar Relay transistor-NPN Darlington
Rangkaian relai sakelar transistor NPN sebelumnya sangat ideal untuk mengalihkan beban kecil seperti LED dan relai miniatur. Tetapi kadang-kadang diperlukan untuk sakelar coil relai yang lebih besar atau arus di luar jangkauan transistor general purpose BC109 dan ini dapat dicapai dengan menggunakan Transistor Darlington.Sensitivitas dan arus gain dari rangkaian sakelar relai dapat sangat ditingkatkan dengan menggunakan sepasang transistor Darlington sebagai pengganti transistor sakelar tunggal. Pasangan Transistor Darlington dapat dibuat dari dua Transistor Bipolar (BJT) yang terhubung secara individual seperti yang ditunjukkan atau tersedia sebagai satu perangkat tunggal dengan standar: Base yang menghubungkan Base, Emitter, dan Collector.
Kedua transistor NPN terhubung seperti yang ditunjukkan sehingga arus Collector dari transistor pertama, TR1 menjadi Arus base dari transistor kedua TR2. Penerapan arus base positif untuk TR1 secara otomatis mengubah "ON" transistor sakelar, TR2.
Rangkaian Sakelar Relay transistor-NPN Darlington
Jika dua transistor individual dikonfigurasikan sebagai pasangan sakelar Darlington, maka nilai resistor yang kecil (100 hingga 1.000Ω) biasanya ditempatkan di antara Base dan Emitter dari transistor sakelar utama, TR2 untuk memastikan bahwa ia sepenuhnya OFF. Sekali lagi dioda flywheel digunakan untuk melindungi TR2 dari ggl balik yang dihasilkan ketika coil relay tidak aktif.
Rangkaian Sakelar Relay Emitter Follower
Serta konfigurasi Common Emitter standar untuk rangkaian sakelar relai, coil relai juga dapat dihubungkan ke terminal Emitter dari transistor untuk membentuk rangkaian Emitter Follower. Sinyal input terhubung langsung ke Base, sedangkan output diambil dari beban Emitter seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Sakelar Relay Emitter Follower
Kemudian konfigurasi dari Emitter Follower, atau Common Collector ini sangat bermanfaat untuk aplikasi pencocokan impedansi karena impedansi input yang sangat tinggi, pada wilayah ratusan ribu Ohm sementara mempunyai impedansi output yang relatif rendah untuk mengganti coil relai. Seperti dengan rangkaian sakelar relai transistor-NPN sebelumnya, sakelar terjadi dengan menerapkan arus positif ke base transistor.
Rangkaian Sakelar Relay Emitter Darlington
Ini adalah versi transistor Darlington dari rangkaian Emitter Follower sebelumnya. Arus Base positif sangat kecil yang diterapkan ke TR1 menyebabkan arus Collector yang jauh lebih besar mengalir melalui TR2 karena perkalian dua nilai Beta.
Rangkaian Sakelar Relay Emitter Darlington
Rangkaian sakelar relai Common Emitter Darlington berguna untuk memberikan gain arus dan gain daya dengan gain tegangan yang kira-kira sama dengan satu. Karakteristik penting lainnya dari jenis rangkaian Emitter Follower ini adalah bahwa ia memiliki impedansi input yang tinggi dan impedansi output yang rendah, yang membuatnya ideal untuk pencocokan impedansi ke coil relai besar.
Rangkaian Sakelar Relay transistor-PNP
Selain mengganti coil relai dan beban lainnya dengan Transistor N-P-N Bipolar diatas, kami juga dapat mengubahnya menggunakan Transistor P-N-P Bipolar. Rangkaian sakelar relai PNP tidak berbeda dengan rangkaian sakelar relai NPN dalam hal kemampuannya mengendalikan coil relai.
Namun, itu membutuhkan polaritas tegangan operasi yang berbeda. Misalnya, tegangan Collector-Emitter, Vce, harus negatif untuk jenis transistor PNP yang menyebabkan aliran arus dari Emitter ke Collector.
Rangkaian Sakelar Relay transistor-PNP
Rangkaian transistor PNP bekerja berlawanan dengan rangkaian sakelar relai NPN. Beban arus mengalir dari Emitter ke Collector ketika Base forward bias dengan tegangan yang lebih negatif daripada yang di Emitter. Agar relai memuat arus untuk mengalir melalui Emitter ke Collector, baik Base dan Collector harus negatif sehubungan dengan Emitter.
Dengan kata lain, ketika Vin TINGGI transistor PNP dimatikan "OFF" dan demikian juga coil relai. Ketika Vin RENDAH, tegangan Base kurang dari tegangan Emitter, (lebih negatif) dan transistor PNP menyala "ON". Nilai resistor Base mengatur arus Base, yang mengatur arus Collector yang menggerakkan coil relai.
Sakelar transistor PNP dapat digunakan ketika sinyal sakelar adalah kebalikan dari transistor NPN, misalnya output Gerbang Logika NAND CMOS atau perangkat logika lainnya. Output logika CMOS memiliki kekuatan drive pada logika 0 untuk menenggelamkan arus yang cukup untuk mengubah transistor PNP "ON". Kemudian arus tenggelam dapat diubah menjadi sumber arus dengan menggunakan transistor PNP dan catu daya polaritas yang berlawanan.
Rangkaian Sakelar Relay PNP Collector
Pengoperasian rangkaian ini sama dengan rangkaian sakelar relai sebelumnya. Dalam rangkaian sakelar relai ini, beban relai telah terhubung ke Collector transistor PNP. Tindakan sakelar ON-OFF dari transistor dan coil terjadi ketika Vin RENDAH, transistor "ON" dan ketika Vin TINGGI, transistor "OFF".
Rangkaian Sakelar Relay PNP Collector
Kita telah melihat bahwa baik transistor bipolar NPN atau transistor bipolar PNP dapat beroperasi sebagai sakelar untuk relai sakelar, atau beban lainnya dalam hal ini. Tetapi ada dua kondisi berbeda yang perlu dipahami karena arus mengalir dalam dua arah yang berbeda.
Jadi dalam transistor NPN, tegangan TINGGI sehubungan dengan Emitter diterapkan ke Base, arus mengalir dari Collector ke Emitter dan transistor NPN mengaktifkan "ON". Untuk transistor PNP, tegangan RENDAH sehubungan dengan Emitter diterapkan ke Base, arus mengalir dari Emitter ke Collector dan transistor PNP mengaktifkan "ON".
Rangkaian Sakelar Relay MOSFET N-channel
Operasi sakelar relai MOSFET sangat mirip dengan operasi sakelar Bipolar Junction Transistor (BJT) yang terlihat di atas, dan rangkaian apa pun sebelumnya dapat diimplementasikan menggunakan MOSFET.
Namun, ada beberapa perbedaan utama dalam pengoperasian rangkaian MOSFET dengan yang utama adalah bahwa MOSFET adalah perangkat yang dioperasikan dengan tegangan, dan karena Gerbang terisolasi secara elektrik dari channel Drain-Source, mereka memiliki impedansi input yang sangat tinggi sehingga arus Gerbang mengalir untuk MOSFET adalah nol, oleh karena itu base resistor tidak diperlukan.
MOSFET berjalan melalui channel konduktif dengan channel awalnya ditutup, transistor "OFF". channel ini secara bertahap meningkatkan lebar konduktif karena tegangan yang diterapkan ke terminal Gerbang secara perlahan meningkat.
Dengan kata lain, transistor beroperasi dengan meningkatkan channel karena tegangan Gerbang meningkat dan untuk alasan ini jenis MOSFET ini disebut Peningkatan atau Enhancement MOSFET, atau E-MOSFET.
Enhancement MOSFET N-channel (NMOS) adalah jenis MOSFET yang paling umum digunakan sebagai tegangan positif pada terminal Gerbang yang mengganti MOSFET “ON” dan nol atau tegangan negatif pada Gerbang yang mengubahnya “OFF”, menjadikannya ideal sebagai relai MOSFET beralih. MOSFET Peningkatan P-channel Pelengkap juga tersedia yang, seperti transistor-PNP Bipolar bekerja dengan tegangan berlawanan.
Rangkaian Sakelar Relay MOSFET N-channel
Rangkaian sakelar relai MOSFET di atas terhubung dalam konfigurasi common-source. Dengan input tegangan nol, kondisi RENDAH, nilai VGS, tidak cukup Gerbang drive untuk membuka channel dan transistor "OFF". Tetapi ketika VGS dinaikkan di atas MOSFET tegangan ambang batas yang lebih rendah VT, channel terbuka, arus mengalir dan coil relai dioperasikan.
Kemudian mode enhancement MOSFET beroperasi sebagai sakelar yang biasanya terbuka sehingga ideal untuk mengganti beban kecil seperti relai. MOSFET tipe-E memiliki resistansi "OFF" yang tinggi tetapi resistansi "ON" yang moderat (OK untuk sebagian besar aplikasi), jadi ketika memilih satu untuk aplikasi sakelar tertentu, nilai RDS perlu dipertimbangkan.
Rangkaian Sakelar Relay MOSFET P-channel
P-channel Enhancement MOSFET (PMOS) dibangun sama seperti untuk Enhancement N-channel MOSFET kecuali jika beroperasi dengan tegangan Gerbang negatif saja. Dengan kata lain, sebuah P-channel MOSFET beroperasi dengan cara yang sama tetapi dengan polaritas yang berlawanan dengan Gerbang harus lebih negatif daripada Source untuk menghidupkan "ON" transistor dengan menjadi forward bias seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Sakelar Relay MOSFET P-channel
Dalam konfigurasi ini, terminal Source P-channel terhubung ke +Vdd dan terminal Drain terhubung ke ground melalui coil relai. Ketika level tegangan TINGGI diterapkan ke Gerbang, MOSFET P-channel akan berubah "OFF". E-MOSFET "OFF" yang telah dinyalakan akan memiliki resistansi channel yang sangat tinggi dan bertindak hampir seperti rangkaian terbuka.
Ketika level tegangan RENDAH diterapkan ke Gerbang, P-channel MOSFET akan dinyalakan "ON". Ini akan menyebabkan arus mengalir melalui jalur resistansi rendah dari channel e-MOSFET yang mengoperasikan coil relay.
Baik N-channel dan P-channel e-MOSFET membuat rangkaian sakelar relai tegangan rendah yang sangat baik dan dapat dengan mudah dihubungkan ke berbagai gerbang logika digital dan aplikasi prosesor mikro.
Rangkaian Sakelar Relay Logika Controlled
MOSFET N-channel, tipe-enhancement sangat berguna sebagai sakelar transistor karena dalam keadaan “OFF” (dengan bias nol Gerbang) channelnya memiliki resistansi yang sangat tinggi menghalangi aliran arus. Namun, tegangan positif yang relatif kecil lebih besar dari tegangan ambang VT, pada impedansi tinggi Gerbang menyebabkan untuk mulai menjalankan arus dari terminal Drain ke terminal Source.
Tidak seperti Transistor Bipolar (BJT) yang membutuhkan arus Base untuk mengubahnya "ON", e-MOSFET hanya membutuhkan tegangan pada Gerbang karena karena konstruksi Gerbang yang terisolasi, nol arus mengalir ke Gerbang. Maka ini membuat e-MOSFET, baik N-channel atau P-channel ideal untuk digerakkan langsung oleh gerbang logika TTL atau CMOS khas seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Sakelar Relay Logika Controlled
Di sini N-channel E-MOSFET sedang digerakkan oleh gerbang logika digital. Pin output dari sebagian besar gerbang logika hanya dapat memasok arus yang terbatas, biasanya tidak lebih dari sekitar 20 mA.
Karena e-MOSFET adalah perangkat yang dioperasikan dengan tegangan dan tidak menggunakan arus Gerbang, kita dapat menggunakan rangkaian sakelar relai MOSFET untuk mengontrol beban daya tinggi.
Karena e-MOSFET adalah perangkat yang dioperasikan dengan tegangan dan tidak menggunakan arus Gerbang, kita dapat menggunakan rangkaian sakelar relai MOSFET untuk mengontrol beban daya tinggi.
Rangkaian Sakelar Relay Micro-controller
Seperti halnya gerbang logika digital, kita juga dapat menggunakan pin dan channel output dari microcontroler, PIC dan prosesor untuk mengontrol dunia luar. rangkaian di bawah ini menunjukkan cara Antarmuka relai menggunakan sakelar MOSFET.
Rangkaian Sakelar Relay Micro-controller
Ringkasan Rangkaian Sakelar Relay
Dalam tutorial ini kita telah melihat bagaimana kita dapat menggunakan Transistor Bipolar (BJT), baik transistor-NPN atau transistor-PNP dan Enhancement MOSFET, baik N-channel atau P-channel sebagai rangkaian sakelar transistor.
Terkadang ketika membangun rangkaian Elektronik atau Microcontroller, kami ingin menggunakan sakelar transistor untuk mengontrol perangkat berdaya tinggi, seperti motor, lampu, elemen pemanas, atau rangkaian AC.
Secara umum perangkat ini membutuhkan arus yang lebih besar atau tegangan yang lebih tinggi daripada yang dapat ditangani oleh satu transistor daya, maka kita dapat menggunakan rangkaian sakelar relai untuk menjalankan ini.
Transistor bipolar (BJT) menghasilkan rangkaian sakelar relai yang sangat baik dan murah, tetapi Transistor Bipolar adalah perangkat yang dioperasikan arus karena mereka mengubah arus Base kecil menjadi arus beban yang lebih besar untuk memberi energi pada coil relai.
Namun, sakelar MOSFET ideal sebagai sakelar listrik karena hampir tidak memerlukan arus Gerbang untuk menghidupkan "ON", mengubah tegangan Gerbang menjadi arus beban. Oleh karena itu, MOSFET dapat dioperasikan sebagai sakelar yang dikontrol tegangan.
Dalam banyak aplikasi, transistor bipolar dapat diganti dengan MOSFET tipe enhancement (peningkatan) yang menawarkan aksi sakelar yang lebih cepat, impedansi input yang jauh lebih tinggi, dan mungkin disipasi daya yang lebih kecil.
Kombinasi dari impedansi Gerbang yang sangat tinggi, konsumsi daya yang sangat rendah dalam keadaan "OFF", dan kemampuan sakelar yang sangat cepat membuat MOSFET cocok untuk banyak aplikasi sakelar digital. Juga dengan nol arus Gerbang tindakan sakelar tidak dapat membebani rangkaian output gerbang digital atau microcontroller.
Namun, karena gerbang E-MOSFET diisolasi dari komponen lainnya, sangat sensitif terhadap listrik statis yang dapat menghancurkan lapisan oksida tipis di Gerbang. Maka perhatian khusus harus diberikan ketika menangani komponen, atau ketika sedang digunakan dan bahwa setiap rangkaian yang menggunakan e-MOSFET mencakup perlindungan yang tepat dari lonjakan statis dan tegangan.
Juga untuk perlindungan tambahan baik dari Transistor bipolar atau MOSFET, selalu gunakan dioda roda gila (flywheel) melintasi dan coil relai untuk secara aman menghilangkan ggl balik yang dihasilkan oleh aksi sakelar transistor.