Sakelar Semikonduktor Sebagai Pengganti Relay Untuk Mikrokontroler

Pada suatu rangkaian elektronika, jika diperlukan suatu sakelar yang dikendalikan secara listrik , maka salah satu cara yang umum adalah menggunakan relay mekanik sebagai sakelar. Relay mekanik menggunakan suatu kumparan untuk menghasilkan medan magnet, dan medan magnet ini menggerakkan suatu sakelar mekanik.

Relay mekanik tidak dapat dihubungkan langsung ke suatu mikrokontroler, karena arus output dari mikrokontroler tidak cukup kuat untuk menggerakkan relay tersebut. Pada umumnya dapat digunakan transistor BJT ataupun MOSFET untuk memperkuat sinyal dari output mikrokontroler supaya dapat menggerakkan relay. Berikut ini contoh rangkaian transistor NPN yang dipakai untuk menggerakkan relay.

Relay mekanik cukup mudah digunakan, namun memiliki beberapa kekurangan:

• ada komponen yang bergerak secara mekanik, sehingga ada potensi lama kelamaan aus dan rusak
• fungsi sakelar relatif lambat dibandingkan dengan komponen semikonduktor
• dimensi cukup besar dibandingkan komponen semikonduktor.

Sebagai alternatif relay mekanik, dapat digunakan komponen semikonduktor yang difungsikan seperti relay sebagai sakelar. Berikut ini beberapa alternatif sakelar menggunakan komponen semikonduktor

Optocoupler Triac

Berikut ini rangkaian pengganti relay dengan menggunakan kompnen utama TRIAC dan Opto-triac

Opto triac berfungsi mengisolasi rangkaian batere 5 volt dengan rangkaian jala-jala listrik di sebelah kanan. Jika LED di dalam opto-triac menyala, maka opto-triac akan bersifat konduktif. Triac berfungsi sebagai sakelar. Kelebihan utama Triac adalah dapat berfungsi sebagai sakelar pada tegangan AC, tidak seperti transistor bipolar (BJT) ataupun MOSFET yang hanya dapat dilewati arus searah.

Resistor 33 ohm dan kapasitor 33 nF berfungsi sebagai snubber, yaitu untuk membuang lonjakan tegangan yang muncul pada beban terutama pada beban induktif seperti motor dan solenoid.

Batere 5 volt berfungsi sebagai sumber tegangan untuk menyalakan LED pada optotriac. Pada rangkaian sesungguhnya, batere 5 volt ini dapat diganti dengan mikrokontroler seperti Arduino atau ATmega.

Modul Solid State Relay (SSR)

Untuk praktisnya, umumnya rangkaian optotriac dan Triac dikemas dalam 1 kemasan yang kompak sebagai suatu modul, yang dikenal sebagai Solid State Relay (SSR).

Berikut ini contoh modul SSR yang ukurannya relatif besar, dapat menangani arus beban sampai dengan 40 ampere AC, dengan input kendali cukup fleksibel, berupa tegangan DC dari 3 volt sampai 32 volt.

Pada penggunaan SSR, perlu diperhatikan beban yang dipakai DC atau AC, karena SSR untuk AC hanya dapat dipakai untuk arus bolak-balik, terutama karena di dalamnya menggunakan komponen utama Triac yang hanya berfungsi baik pada arus bolak-balik.

Modul SSR yang lebih kecil juga ada, seperti OMRON G3MB berikut ini.

Modul SSR ini juga dijual sebagai modul yang sudah disolder, sehingga pengguna cukup menyambungkan kabel ke terminal yang sudah disediakan.

Rangkaian di dalam SSR pada umumnya menggunakan komponen semikonduktor Triac. Berikut ini contoh rangkaian SSR berbasis TRIAC (sumber)

Rangkaian di atas mirip dengan rangkaian “Optocoupler Triac”, namun rangkaian ini sudah dilengkapi dengan beberapa fitur pengamanan:

• Pada input DC dipasang D1 sebagai pengaman jika polaritas tegangan masuk terbalik
• TR1 dan R2 berfungsi sebagai pengaman terhadap tegangan lebih dari input. Jika tegangan input tinggi, maka arus pada R2 tinggi, sehingga TR1 akan ON, dan dengan demikian mengurangi arus yang mengalir pada LED. Jika tidak ada TR1, ada kemungkinan LED akan rusak jika tegangan masuk terlalu tinggi
• R1 berfungsi sebagai resistor pembatas arus pada LED
• Dioda TVS (Transient Voltage Suppresion) berfungsi menekan tegangan lebih yang muncul pada AC Supply dan beban, terutama jika SSR ini dipakai untuk mengendalikan beban dengan sifat induktif.
• RC Snubber berfungsi mengurangi tegangan lebih dari AC supply dan beban (LOAD).

Meskipun SSR umumnya menggunakan komponen utama Triac, ada juga yang menggunakan MOSFET. Berikut ini contoh rangkaian SSR berbasis MOSFET (sumber)

Contoh MOSFET SSR adalah PVT412 dari International Rectifier.

Berikut ini keuntungan SSR dibandingkan relay elektromekanik

• SSR tidak menggunakan kumparan, sehingga otomatis SSR tidak menghasilkan medan magnet di sekitar SSR. Medan magnet dari relay elektromagnetik dapat mengganggu rangkaian lain.
• SSR tidak menggunakan kontak mekanik, sehingga tidak timbul loncatan api seperti pada relay elektromekanik
• SSR tidak bersuara
• SSR seluruhnya menggunakan semikonduktor, tidak ada komponen mekanik, sehingga tidak ada masalah aus pada komponen mekanik
• Tidak ada masalah ‘contact bounce’ yang muncul pada sakelar mekanik
• SSR lebih cepat
• SSR dapat dibuat supaya hanya melakukan fungsi sakelar ketika tegangan 0 pada kontak (zero crossing), sehingga mengurangi lonjakan tegangan (voltage spike)
• SSR lebih kecil untuk ukuran arus yang sama

Berikut ini kekurangan SSR dibandingkan relay elektromekanik

• Ada resistansi pada SSR ketika ON, sehingga SSR menghasilkan panas ketika sedang dalam kondisi ON
• Ada arus bocor pada SSR ketika kondisi OFF. Hal ini berpengaruh pada keselamatan.
• Sakelar SSR berfungsi sangat cepat, sehingga dapat menimbulkan interferensi
• SSR jika rusak umumnya menjadi ON / short circuit, sedangkan relay umumnya ketika rusak menjadi OFF. Hal ini berpengaruh pada keselamatan.

Transistor BJT Sebagai Sakelar

Jika tidak diperlukan isolasi antara input dengan output, maka dapat digunakan transistor BJT (Bipolar Junction Transistor) ataupun MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) tanpa menggunakan optocoupler.

Berikut ini contoh transistor NPN yang dipakai sebagai sakelar.

Untuk dapat mengoperasikan transistor BJT sebagai sakelar, perlu diperhatikan bahwa transistor ada dalam 2 kondisi : ON dan OFF. Untuk transistor menjadi ON, maka arus basis pada transistor harus cukup besar. Pada rangkaian di atas, supaya transistor ON, maka dari mikrokontroler (pin OUT) perlu diberi tegangan tinggi (5 volt atau 3.3 volt). Nilai resistor pada basis perlu dipilih supaya transistor berada dalam kondisi saturasi. Untuk transistor menjadi OFF, dapat dilakukan dengan mengirimkan tegangan rendah pada basis transistor.

Untuk perhitungan detail, perlu memperhatikan karakteristik BJT yang dipakai, misalnya dengan menggunakan diagram karakteristik V-I pada transistor.

Transistor MOSFET Sebagai Sakelar

Berikut ini contoh rangkaian MOSFET kanal n sebagai sakelar.

MOSFET hanya memerlukan tegangan pada gate (G), tidak memerlukan arus pada gate, jadi berbeda dengan transistor yang memerlukan arus pada basis. Pada rangkaian di atas, MOSFET akan aktif (sakelar = ON) jika diberi tegangan tinggi dari mikrokontroler pada pin OUT. Tegangan yang dberikan harus lebih tinggi dari tegangan ambang pada gate MOSFET (Vth).

Untuk perhitungan detail, perlu memperhatikan karakteristik MOSFET yang dipakai, misalnya dengan menggunakan diagram karakteristik V-I pada transistor.

Referensi

• Elektrologi: Transistor MOSFET Sebagai Pengganti Relay
• Wikipedia: Relay: https://en.wikipedia.org/wiki/Relay
• Optocoupler: https://www.electronics-tutorials.ws/blog/optocoupler.html
• Datasheet Solid State Relay Omron G3MB https://www.openhacks.com/uploadsproductos/g3mb-ssr-datasheet.pdf
• Datasheet SSR Fotek SSR 40DA https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Components/General/SSR40DA.pdf
• (mirror)
• Modul OMron G3MB https://rlx.sk/en/various-boards/3404-solid-state-relay-module-er-are00201sl-omron-g3mb-202p.html
• SSR PVT412 http://www.learnabout-electronics.org/Downloads/PVT412-SSR.pdf
• Solid State Optronics: Application Note: Solid State Relays vs Electromechanical Relays http://www.ssousa.com/application-notes/AppNote040_Solid-State-Relays-vs-Electromechanical-Relays.pdf

Download