bab 2 - saklar dan relay

Sekolah Teknik Elektro dan InformatikaInstitut Teknologi Bandung2006

Materi Kuliah Servo Mekanik

Bagian 2Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya

Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 2

Pembahasan

Saklar toggle switch, push-button switch, DIP, rotary,

thumbweel, membrane

Relay relay elektromekanik, solid-state relay

Devais solid-state Transistor : BJT dan FET Thyristor : SCR dan Triac


Pendahuluan

Salah satu kemampuan penting sistem kendali adalah mengatur aliran daya listrik Listrik merupakan penghubung antara pengendali

dengan aktuator (mis. motor listrik)

Masalah umum : sinyal keluaran pengendali terlalu kecil untuk mengendalikan beban secara langsung

Klasifikasi komponen pengendali daya listrik : Elektromekanik (saklar dan relay) Transistor (BJT dan FET) Thyristor (SCR dan Triac)


Saklar

Saklar adalah devais yang dapat terbuka atau tertutup, sehingga dapat menyebabkan arus mengalir atau tidak, yang dioperasikan secara manual

Saklar terdapat dalam berbagai bentuk, ukuran dan konfigurasi : Toggle switch Push button switch Limit switch DIP switch Rotary switch Thumbwheel switch Membrane switch


Toggle Switch

Saklar dua posisi : Single-pole/single-throw switch (SPST)

Satu set kontak yang dapat terbuka atau tertutup Single-pole/double-throw switch (SPDT)

Lengan bergerak yang disebut common (C), atau wiper, dapat terhubung dengan kontak A atau B

Double-pole/double-throw switch (DPDT) Terdiri dari dua saklar SPDT terpisah dalam satu housing


Toggle Switch

Saklar tiga posisi : on-off-on Terdapat satu posisi di tengah, dimana kontak C tidak

terhubung baik ke A maupun B Biasanya digunakan untuk mengendalikan motor

Tiga posisi : “forward”, “off”, “reverse”

Momentary-contact switch Variasi toggle switch dengan satu posisi menggunakan

pegas Handle harus ditahan secara fisik agar tetap pada posisi tertentu

Contoh : saklar untuk menyalakan kendaraan


Kontak pada toggle switch memiliki rating tegangan dan arus maks. berbeda untuk AC dan DCPada arus tertentu, toggle switch dapat dibebani tegangan AC lebih besar dari DCPenyebab : ketika saklar ditutup biasanya muncul bunga api yang dapat membakar kontak. Bunga api yang ditimbulkan AC lebih kecil dari DC (AC melalui 0V dua kali setiap siklus).


Push-Button Switch

Pada umumnya berjenis momentary Tetap ditekan untuk menjaga saklar tetap aktif

Terdapat dua konfigurasi Normally open (NO) : kontak tertutup bila tombol ditekan Normally closed (NC) : kontak terbuka bila tombol ditekan


Limit Switch

Tipe push-button switch yang terpasang sedemikian sehingga akan aktif bila terjadi kontak fisik dengan suatu obyek bergerak

Contoh : saklar pintu kendaraan untuk mendeteksi posisi pintu (terbuka atau tertutup)Variasi limit switch : paddel, roller (lihat gambar) dan microswitch


DIP Switch

Sekumpulan saklar SPST berukuran kecil yang berbentuk menyerupai IC (DIP = dual in-line package)Dapat dipasang pada soket IC atau disolder pada PCB

Setiap saklar menggunakan dua pin yang saling berhadapan Saklar 1 menggunakan pin 1 dan 14, saklar 2 pin 2 dan 13


Rotary Switch

Dapat melakukan operasi pensaklaran yang lebih kompleksPada wafer yang sama, terdapat tiga atau empat saklarDapat terdiri dari beberapa wafer

Cara kerja :Pada gambar (a), saklar berada pada posisi offPada posisi ini, terminal C membuat kontak dengan pad, tetapi pad tidak menyentuh baik terminal 1 maupun terminal 2


Rotary Switch

Gambar (b), shaft berputar searah jarum jam ke posisi X. Terminal C masih terhubung ke pad, tetapi sekarang pad membuat kontak dengan terminal 1

Pada gambar (c), shaft berputar ke posisi Y Sekarang pad membuat kontak dengan terminal 2

Cara kerja :


Thumbwheel Switch

Rotary switch tipe khusus, digunakan untuk memasukkan dataOperator memilih bilangan dengan memutar roda bernomor Setiap nomor memiliki pengaturan saklar berbeda


Membrane Switch Keypad

Keypad terdiri dari beberapa saklar push button yang tersusun dalam sejumlah lapisan


Membran Switch Keypad

Lapisan pada membran switch keypad : Lapisan paling bawah umumnya printed-circuit board

dengan dua pad yang tidak terhubung sebagai saklarnya

Di atas PCB adalah pelapis (spacer) yang memiliki lubang pada bagian atas posisi saklar

Lapisan ketiga adalah konduktor fleksibel yang terletak di atas setiap saklar

Lapisan paling atas adalah membran fleksibel tahan air, dengan huruf yang tercetak di atasnya

Saklar membran umumnya digunakan pada lingkungan industri yang kotor Membran memisahkan kotoran dengan rangkaian saklar


Relay


Relay Elektromekanik (EMR)

Relay elektromekanik adalah devais yang menggunakan prinsip elektromekanik untuk menimbulkan gaya, untuk menutup (atau membuka) kontak saklar (electrically powered switch)

Ketika elektromekanik (lilitan) diberi energi, lilitan menarik armatur ke bawah

Shading coil digunakan bila tegangan lilitan adalah AC. Digunakan untuk mencegah “buzzing”



Kontak relay ada dua jenis : normally open contact (NO) : terbuka ketika tidak diberi

energi Normally closed contact (NC) : tertutup ketika tidak diberi

energi

Simbol skematik Simbol skematik untukladder diagram


Spesifikasi Kontak dan Lilitan

Kontak dan lilitan (coil) memiliki spesifikasi berbedaKontak : diketahui arus dan tegangan maksimum untuk operasi AC dan DCLilitan : setiap tipe memiliki tegangan dan arus tertentuTegangan dan resistansi lilitan digunakan untuk menghitung arus lilitan



Relay tersedia dalam berbagai ukuran, konfigurasi kontak, dan kemampuan menangani daya Relay miniatur dapat

dipasang pada soket IC dan diberi daya langsung dari gerbang logika

Relay daya, disebut juga contactor, digunakan sebagai saklar pada mesin besar dengan arus besar (mis. 50 A)


Reed Relay

Kelebihan : memiliki umur panjang, tegangan lilitan rendah, dapat digunakan di lingkungan kotor

Kekurangan : daya rendah (kontak : kurang dari 2 A), sensitif terhadap getaran

Kontak kecil menyerupai lidi yang berada dalam tabung gelas tertutup (umumnya berisi gas nitrogen)Kontak diaktifkan dari medan magnet eksternalKontak dapat kering atau dilapisi dengan merkuri Kontak yang dilapisi merkuri dapat memperbesar

konduksi dan memperlambat keausan


Solid-State Relay (SSR)

Kedua terminal input analogi dengan lilitan pada EMR, dan kedua terminal output analogi dengan kontak pada EMR (umumnya SPST, normally open)

Devais solid-state yang menggantikan EMR pada banyak aplikasi, khususnya untuk menyalakan atau mematikan beban AC (motor)Secara fisik, SSR berbentuk boks (ukuran sama dengan EMR), dengan empat terminal


Solid-State Relay (SSR)

Blok diagram :


Devais Solid-State


Devais Solid-State

Banyak digunakan pada rangkaian kendali sebagai saklar atau penguat daya

Transistor Bipolar Junction Transistor (BJT) Field Effect Transistor (FET)

Thyristor Silicon-Controlled Rectifier (SCR) Triac


Bipolar Junction Transistor(BJT)


Prinsip Kerja BJT

Devais dengan tiga terminal (base, collector, emitter) yang beroperasi berbasis arus listrikDasar operasi menyerupai kerja keran pada pipa air

Rangkaian sederhana : arus masuk ke collector (C) dan keluar dari emitter (E).

Aliran arus (IC) dapat diatur berdasarkan arus base (IB). Jika IB semakin besar maka IC akan semakin besar.

Analogi : air dipompa melalui keran yang setengah terbuka. Aliran air dapat diatur dengan membuka atau menutup keran.


NPN dan PNP

Dua tipe dasar : NPN dan PNP

Perbedaan hanya pada arah aliran arus


Operasi Dasar BJT (1)

Pada kondisi operasi tertentu, IC merupakan kelipatan IBTransistor adalah penguat arusPenguatan arus (forward current gain) dilambangkan dengan hFE atau B :

dimana : hFE = forward current gain IC = arus collector IB = arus base

B

CFE I

Ih



Dalam transistor, arus base yang kecil bersatu dengan arus collector menjadi arus emitter (atau arus emitter terbagi menjadi arus base dan arus collector)

dimana : IE = arus emitter IC = arus collector IB = arus base

Karena arus collector jauh lebih besar dari arus base, seringkali arus collector dianggap sama dengan arus emitter

BCE III



Transistor melakukan disipasi daya jika terdapat arus dan tegangan yang melaluinya

dimana : PD = disipasi daya pada transistor

IC = arus collector

VCE = tegangan antara collector dan emitter

CECD VIP .


Field Effect Transistor(FET)


Field Effect Transistor

Devais solid-state tiga terminal yang berfungsi sebagai penguatPrinsip kerja menyerupai BJT Memiliki kelebihan, sehingga lebih banyak digunakan

pada aplikasi daya, meliputi : impendansi input tinggi, kecepatan switching tinggi, sensitivitas temperatur rendah

Jenis FET : Junction FET (JFET) dan metal-oxide semiconductor FET (MOSFET)Tiga terminal : drain (D), source (S), gate (G)N-channel dan P-channel : menentukan arah arus dalam devais


FET


Silicon-Controlled Rectifier(SCR)


Silicon Controlled Rectifier (SCR)

Devais pengendali daya tiga terminalBagian dari kelompok thyristor Thyristor adalah devais semikonduktor empat lapis yang

memiliki perilaku seperti saklar : dapat terjadi konduksi atau tidak konduksi (on atau off)

Dibangun dari empat lapis bahan semikonduktor (PNPN), memiliki tiga terminal : anoda (A), katoda (K) dan gate (G)


Rangkaian SCR

SCR biasanya dipasang seri dengan bebanRangkaian ini serupa dengan rangkaian pengendali daya BJT atau FETDalam kasus ini, arus beban masuk ke anoda dan pergi melalui katoda. Gate digunakan sebagai saklar dari kondisi tidak konduksi (off) menjadi kondisi konduksi (on)

Keterbatasan : gate tidak dapat digunakan

untuk mematikan SCR Arus hanya dapat mengalir pada

satu arah (seperti dioda)


Operasi SCR - Dasar

Dijelaskan dengan kurva karakteristik


Operasi SCR - Dasar

Dijelaskan dengan kurva karakteristikPertama, perhatikan bahwa tegangan yang melalui SCR pada sumbu horisontal, dan arus yang melalui SCR pada sumbu vertikalSisi kiri grafik memperlihatkan SCR pada kondisi reverse bias yang menjelaskan mengapa tidak ada arus mengalir (hingga terjadi breakdown pada suatu tegangan negatif besar)Bagian menarik terjadi pada bagian kanan grafik, ketika garis yang tebal memperlihatkan aksi SCR ketika tidak ada arus gate.Ketika tegangan melalui SCR semakin positif, arus tertahan hingga tegangan mencapai nilai yang disebut forward breakover voltagePada titik ini SCR on dan arus mulai mengalir (tegangan penghalang mengecil kembali)SCR sekarang berada pada daerah konduksi maju (forward conduction region) dan beraksi seperti saklar tertutup dengan resistansi rendahJika arus direduksi hingga di bawah IH (holding current), SCR akan langsung kembali menjadi kondisi nonkonduksi dengan resistansi tinggi


Operasi SCR - Pengaruh Gate

Ketika tegangan gate mencapai VGI, tegangan breakover menjadi sangat berkurang, SCR akan on pada tegangan anoda-katoda yang rendah (lihat garis putus-putus).Jika tegangan gate sangat tinggi (sebut VGT), SCR akan langsung konduksi dan hampir tidak membutuhkan tegangan breakover.Setelah SCR mulai konduksi, tegangan gate dapat dihilangkan, dan SCR akan tetap konduksiPada kebanyakan rangkaian SCR, sinyal gate umumnya berupa pulsa “trigger” pendek, tetapi harus cukup untuk memastikan bahwa “switching” terjadi


Operasi SCR – Mematikan SCR

Tidak ada cara lain mematikan SCR selain dengan mengurangi arus beban di bawah IH (holding current)

Pada rangkaian DC, ada beberapa cara, pada rangkaian AC tidak ada masalah untuk mematikan SCR, karena SCR akan mati sendiri pada setiap setengah siklus negatif (ingat, SCR hanya konduksi pada satu arah)


Mematikan SCR

Gambar c. menggunakan SCR2 untuk mematikan SCR utama SCR1. Ketika SCR1 on, tegangan anoda 0 V, sehingga kapasitor C akan dimuati melalui resistor R. Untuk mematikan SCR1, SCR2 diberi trigger hingga konduksi, menyebabkan tegangan pada sisi positif (+) kapasitor turun menjadi 0, menyebabkan tegangan pada sisi negatif (-) kapasitor menjadi turun juga. Tegangan negatif pada anoda SCR1 akan mematikan SCR1. Kemudian kapasitor akan discharge, SCR2 akan mati dengan sendirinya.


TRIAC


TRIAC

Seperti SCR tetapi arus dapat mengalir pada dua arahDigunakan untuk mengendalikan daya ke beban AC, seperti menyalakan motor AC, mengatur daya ke lampu atau sistem pemanas.Tiga terminal MT1, MT2 (main terminal) dan gate.Arus beban mengalir melalui main terminal, gate mengendalikan arus yang mengalirRangkaian ekivalen triac, terdiri dari dua SCR dengan gate sama. Jika MT2 lebih positif, arus mengalir melalui SCR1. Jika MT2 lebih positif, arus mengalir melalui SCR2.


Karakteristik Operasi

Kurva sebelah kanan (kuadran 1) menyerupai kurva SCRTidak ada arus hingga tegangan breakover tercapai atau gate diberi trigger (garis putus-putus).Pola sama diperlihatkan pada kuadran tiga (dengan tegangan dan arus pada arah berbeda).Setelah diberi trigger, triac akan tetap on hingga arus beban turun dibawah arus holding (IH)


Sinyal AC memiliki setengah siklus negatif dan positif. Triac memerlukan pulsa trigger pada gate untuk setiap setengah siklus Trigger positif untuk setengah siklus positif

dan trigger negatif untuk setengah siklus negatif


Devais Trigger


Devais Trigger

SCR dan Triac membutuhkan suatu rangkaian untuk menyalakan sinyal pada gate (rangkaian trigger)Idealnya, sinyal berupa pulsa kuat yang dikirimkan pada waktu yang tepatBeberapa devais semikonduktor dapat digunakan untuk melakukan trigger (karena sifatnya yang bistable) : Unijunction Transistor (UJT) Programmable Unijunction Transistor (PUT) Diac


Unijunction Transistor (UJT)

Operasi : Jika VEB1 kecil, tidak ada arus emitter (IE). Jika VEB1 mencapai VP, transistor ON, arus dapat mengalir melalui emitter dan B1.UJT dapat digunakan untuk men-trigger SCR. Pada setiap setengah siklus positif AC, kapasitor C dimuati melalui R1. Ketika VC cukup tinggi, UJT aktif, dan hasilnya arus mengalir melalui B1 menghasilkan tegangan yang besar melalui R2 dan mentrigger SCR


Programmable Unijunction Tr.

Perilaku seperti UJT


Diac

Devais dua arah (bidirectional) dengan dua terminal, dengan perilaku menyerupai triac tanpa gateKurva : jika tegangan melalui diac melebihi tegangan breakover (pada kedua arah), diac akan tetap konduksi hingga arus beban turun di bawah arus holding (IH)


Diac - Triac

Umumnya, diac digunakan untuk mentrigger triac pada aplikasi AC gelombang penuh.Pada siklus AC positif, kapasitor akan dimuati melalui R. Ketika tegangan VC naik hingga mencapai tegangan breakover diac, diac akan konduksi dan mentrigger triacPada siklus AC negatif, kapasitor akan membuang muatan (discharge) melalui R, dan ketika VC drop mencapai tegangan breakover negatif diac, maka diac akan konduksi kembali dan mentrigger triac.


Ringkasan

Saklar adalah kontak yang dioperasikan secara manual : buka dan tutup Tipe : toggle, pushbutton, DIP, rotary, thumbwheel,

membrane

Relay elektromekanik (EMR) menggunakan medan elektromagnet untuk membuka dan menutup kontak elektrik Terdapat jenis normally-open dan normally-closed

Bipolar junction transistor (BJT) adalah devais solid-state dengan tiga terminal yang bekerja seperti keran pengendali aliran arus Transistor adalah penguat arus, arus output merupakan

kelipatan dari arus input base


Ringkasan

Field effect transistor (FET) adalah tipe lain transistor, memiliki fungsi sama dengan BJT Perbedaan dengan BJT : arus output merupakan fungsi dari

tegangan input gate

Silicon-controlled rectifier (SCR) adalah devais solid-state bistable dengan tiga terminal. Berfungsi melakukan pensaklaran arus DC yang sangat besar SCR dinyalakan menggunakan pulsa trigger ke terminal gate

Triac adalah devais solid-state bistable dengan tiga terminal. Berfungsi melakukan pesaklaran arus AC Triac harus di-trigger setiap setengah siklus menggunakan

rangkaian trigger

bab 2 - saklar dan relay

Documents