Relay Listrik

Relay dan kontaktor listrik menggunakan sinyal kontrol level rendah untuk mengganti tegangan atau supply yang jauh lebih tinggi menggunakan sejumlah pengaturan kontak yang berbeda. Sejauh ini kita telah melihat pilihan perangkat Input yang dapat digunakan untuk mendeteksi atau "merasakan" berbagai variabel dan sinyal fisik dan karenanya disebut Sensor.

Tetapi ada juga berbagai perangkat listrik dan elektronik yang digolongkan sebagai perangkat Output yang digunakan untuk mengontrol atau mengoperasikan beberapa proses fisik eksternal. Perangkat output ini biasa disebut Aktuator.

Aktuator mengubah sinyal listrik menjadi kuantitas fisik yang sesuai seperti gerakan, gaya, suara dll. Aktuator juga digolongkan sebagai transduser karena mengubah satu jenis kuantitas fisik menjadi yang lain dan biasanya diaktifkan atau dioperasikan oleh sinyal perintah tegangan rendah.

Aktuator dapat digolongkan sebagai perangkat biner atau kontinu berdasarkan jumlah status stabil yang dimiliki output mereka.

Misalnya, relay adalah aktuator biner karena memiliki dua keadaan stabil, baik yang berenergi dan terkunci atau tidak berenergi dan tidak terkunci, sedangkan motor adalah aktuator kontinu karena dapat berputar melalui gerakan 360° penuh. Jenis aktuator atau perangkat output yang paling umum adalah Relay Listrik, Lampu, Motor dan Pengeras Suara.

Kita telah melihat sebelumnya bahwa solenoida dapat digunakan untuk membuka kait, pintu, buka atau tutup katup secara elektrik, dan dalam berbagai aplikasi robotik dan mekatronik, dll.

Namun, jika solenoida plunger digunakan untuk mengoperasikan satu atau lebih rangkaian kontak listrik, kami memiliki perangkat yang disebut relai yang sangat berguna sehingga dapat digunakan dalam jumlah tak terbatas berbagai cara dan dalam tutorial ini kita akan melihat Relay Listrik.

Relay Listrik juga dapat dibagi menjadi relai aksi mekanis yang disebut "Relay Elektromekanis" dan relai yang menggunakan transistor semikonduktor, thyristor, triac, dll., Sebagai perangkat switching yang disebut "Solid State Relay" atau SSR.

Relay Elektromekanis

Istilah Relay atau Relai umumnya mengacu pada perangkat yang menyediakan koneksi listrik antara dua atau lebih titik sebagai respon terhadap penerapan sinyal kontrol. Jenis dari relay listrik yang banyak digunakan dan paling umum adalah relay elektromekanis atau EMR.

Kontrol paling mendasar dari peralatan apa pun adalah kemampuan untuk mengubahnya "ON" dan "OFF". Cara termudah untuk melakukan ini adalah menggunakan sakelar untuk mengontrol supply listrik.

Meskipun switch/sakelar dapat digunakan untuk mengontrol sesuatu, mereka memiliki kelemahan. Yang terbesar adalah mereka harus secara manual (fisik) dinyalakan "ON" atau "OFF". Juga, mereka relatif besar, lambat dan hanya mengganti arus listrik kecil.

Akan tetapi Relay Listrik, pada dasarnya adalah sakelar yang dioperasikan secara elektrik yang memiliki berbagai bentuk, ukuran, dan peringkat daya yang cocok untuk semua jenis aplikasi.

Relay juga dapat memiliki kontak tunggal atau ganda dalam satu paket tunggal dengan relai daya yang lebih besar yang digunakan untuk tegangan listrik atau aplikasi switching arus tinggi yang disebut "Kontaktor".

Dalam tutorial ini tentang relay listrik kami hanya peduli dengan prinsip-prinsip dasar pengoperasian relay elektromekanis “tugas ringan” yang dapat kita gunakan dalam kontrol motor atau rangkaian robot.

Relay seperti itu digunakan dalam kontrol listrik dan elektronik umum atau rangkaian switching baik yang dipasang langsung ke papan PCB atau berdiri bebas yang terhubung dan di mana arus beban biasanya fraksi dari ampere hingga 20+ ampere. Rangkaian relay umum digunakan dalam aplikasi Elektronik.

Seperti namanya, relay elektromekanis adalah perangkat elektromagnetik yang mengubah fluks magnetis yang dihasilkan oleh penerapan sinyal kontrol listrik tegangan rendah baik AC atau DC di seluruh terminal relai, menjadi gaya mekanis penarik yang mengoperasikan kontak listrik dalam relai.

Bentuk paling umum dari relay elektromekanis terdiri dari coil yang berenergi yang disebut "rangkaian primer" yang melilit inti besi yang permeabel. Inti besi ini memiliki bagian tetap yang disebut yoke, dan bagian pegas yang dapat dipindahkan yang disebut angker, yang melengkapi rangkaian medan magnet dengan menutup celah udara antara coil listrik tetap dan angker yang dapat dipindahkan.

Angker (amature) berengsel atau diputar memungkinkannya bergerak bebas di dalam medan magnet yang dihasilkan, menutup kontak listrik yang terpasang padanya. Terhubung antara yoke dan angker biasanya pegas (atau spring) untuk stroke kembali untuk "mengatur ulang" kontak kembali ke posisi istirahat awal mereka ketika coil relai berada dalam kondisi "non-energi", yaitu berbalik "OFF".

Konstruksi Relay Elektromekanis

Dalam relay sederhana kami di atas, kami memiliki dua set kontak konduktif listrik. Relai mungkin "Normally Open", atau "Normally Closed". Sepasang kontak digolongkan sebagai Normally Open, (NO) atau make contact dan set lain yang digolongkan sebagai Normally Closed, (NC) atau break contact. Dalam posisi yang normally-open, kontak ditutup hanya ketika arus medan "ON" dan kontak sakelar ditarik ke arah coil induktif.

Dalam posisi yang normally-closed, kontak ditutup secara permanen ketika arus medan "OFF" ketika kontak sakelar kembali ke posisi normalnya. Istilah-istilah ini Normally-Open, Normally-Closed, atau Make dan Break Contact mengacu pada keadaan kontak listrik ketika coil relai "de-energized", yaitu, tidak ada tegangan supply yang terhubung ke coil relai. Elemen kontak dapat berupa desain tunggal atau ganda make atau break. Contoh pengaturan ini diberikan di bawah ini.

Kontak relay adalah potongan logam konduktif secara elektrik yang saling bersentuhan melengkapi sebuah rangkaian dan memungkinkan arus rangkaian mengalir, seperti halnya sebuah sakelar. Ketika kontak terbuka, resistansi antara kontak sangat tinggi pada Mega-Ohm, menghasilkan kondisi rangkaian terbuka dan tidak ada arus rangkaian yang mengalir.

Ketika kontak ditutup resistansi kontak harus nol, hubungan pendek, tetapi ini tidak selalu terjadi. Semua kontak relai memiliki sejumlah "hambatan kontak" ketika mereka ditutup dan ini disebut "On-Resistance", mirip dengan FET.

Dengan relai dan kontak baru, resistansi ON ini akan sangat kecil, umumnya kurang dari 0.2Ω karena tipnya baru dan bersih, tetapi seiring waktu resistansi tip akan meningkat.

Sebagai contoh. Jika kontak melewati arus beban katakanlah 10A, maka drop tegangan pada kontak menggunakan Hukum Ohm adalah 0.2 x 10 = 2 volt, yang jika tegangan supply mengatakan 12 volt maka tegangan beban hanya 10 volt (12 - 2).

Ketika ujung kontak mulai aus, dan jika mereka tidak terlindungi dengan baik dari beban induktif atau kapasitif yang tinggi, mereka akan mulai menunjukkan tanda-tanda kerusakan lengkung karena arus rangkaian masih ingin mengalir ketika kontak mulai terbuka ketika coil relai de-energized.

Lengkungan atau percikan di seluruh kontak ini akan menyebabkan resistansi kontak pada tip meningkat lebih lanjut karena tip kontak menjadi rusak. Jika dibiarkan berlanjut, kiat-kiat kontak dapat menjadi sangat terbakar dan rusak sampai-sampai mereka tertutup secara fisik tetapi tidak melewati arus yang sangat sedikit.

Jika kerusakan lengkung ini menjadi parah, kontak pada akhirnya akan "menyatu" bersama-sama menghasilkan kondisi hubung singkat dan kemungkinan kerusakan pada rangkaian yang mereka kontrol. Jika sekarang resistansi kontak telah meningkat karena lengkung untuk mengatakan 1Ω drop volt di kontak untuk arus beban yang sama meningkat menjadi 1 x 10 = 10 volt dc.

Penurunan tegangan tinggi ini pada kontak mungkin tidak dapat diterima untuk rangkaian beban terutama jika beroperasi pada 12 atau bahkan 24 volt, maka relai yang rusak harus diganti.

Untuk mengurangi efek lengkungan kontak dan “On-resistance” yang tinggi, tip kontak modern terbuat dari, atau dilapisi dengan, berbagai paduan berbasis perak untuk memperpanjang masa pakainya seperti yang diberikan dalam tabel berikut.

Bahan Material Tip Kontak Relay Listrik

Ag (perak murni)

1. Konduktivitas listrik dan panas adalah yang tertinggi dari semua logam.

2. Menunjukkan resistansi kontak yang rendah, murah dan banyak digunakan.

3. Kontak mudah memudar melalui pengaruh dulfur atau belerang.

AgCu (tembaga perak)

1. Dikenal sebagai kontak "Perak Keras" dan memiliki ketahanan aus yang lebih baik dan kecenderungan lengkung dan menyatu yang lebih sedikit, tetapi resistansi kontak sedikit lebih tinggi.

AgCdO (perak kadmium oksida)

1. Sangat sedikit kecenderungan untuk melengkung dan menyatu, ketahanan aus yang baik dan sifat pemadam lengkung.

AgW (tungsten perak)

1. Kekerasan dan titik lebur tinggi, resistansi lengkung sangat baik.

2. Bukan logam mulia.

3. Tekanan kontak tinggi diperlukan untuk mengurangi resistansi.

4. Resistansi kontak relatif tinggi, dan resistansi terhadap korosi buruk.

AgNi (nikel perak)

1. Menyamakan konduktivitas listrik perak, resistansi lengkung yang sangat baik.

AgPd (paladium perak)

1. Kenakan kontak yang rendah, kekerasan yang lebih besar.

2. Mahal.

Paduan Platinum, Emas dan Perak

1. Ketahanan korosi yang sangat baik, digunakan terutama untuk rangkaian arus rendah.

Lembar data pabrikan relai memberikan peringkat kontak maksimum hanya untuk beban DC resistif dan peringkat ini sangat dikurangi untuk beban AC atau beban yang sangat induktif atau kapasitif.

Untuk mencapai umur yang panjang dan keandalan yang tinggi ketika mengganti arus bolak-balik dengan beban induktif atau kapasitif, beberapa bentuk penekan lengkung atau penyaringan diperlukan di seluruh kontak relai.

Memperpanjang umur tips relai dengan mengurangi jumlah lengkung yang dihasilkan saat mereka membuka dicapai dengan menghubungkan jaringan Resistor-Kapasitor yang disebut Jaringan RC Snubber secara paralel dengan kontak listrik relai.

Puncak tegangan, yang terjadi pada saat kontak terbuka, akan dengan aman dihubung pendek oleh jaringan RC, sehingga menekan setiap lengkung yang dihasilkan pada ujung kontak. Sebagai contoh.

Rangkaian Snubber Relay Listrik

Jenis Kontak Relay Listrik

Serta deskripsi standar dari Normally Open, (NO) dan Normally Closed, (NC) yang digunakan untuk menggambarkan bagaimana kontak relai terhubung, pengaturan kontak relai juga dapat digolongkan berdasarkan tindakan mereka.

Relay listrik dapat terdiri dari satu atau lebih kontak sakelar individual dengan masing-masing "contact" disebut sebagai "pole". Masing-masing dari kontak atau kutub ini dapat dihubungkan atau " thrown " bersama-sama dengan memberi energi pada coil relai dan ini memunculkan deskripsi jenis kontak sebagai:

SPST - Single Pole Single Throw

SPDT - Single Pole Double Throw

DPST - Double Pole Single Throw

DPDT - Double Pole Double Throw

dengan aksi kontak yang digambarkan sebagai "Make" (M) atau "Break" (B). Kemudian relai sederhana dengan satu set kontak seperti yang ditunjukkan di atas dapat memiliki deskripsi kontak:

"Single Pole Double Throw - (Break sebelum Make)”, atau SPDT - (BM)

Contoh hanya beberapa diagram yang lebih umum digunakan untuk tipe kontak relay listrik untuk mengidentifikasi relai di rangkaian atau diagram skematik diberikan di bawah ini tetapi ada banyak konfigurasi yang lebih mungkin.

Konfigurasi Kontak Relay Listrik

Dimana:

C adalah terminal Umum (Common)

NO adalah kontak yang Normally-Open

NC adalah kontak yang Normally-Closed

Relay elektromekanis juga dilambangkan dengan kombinasi kontak mereka atau elemen switching dan jumlah kontak yang digabungkan dalam satu relai. Misalnya, kontak yang Normally-open pada posisi yang tidak aktif dari relai disebut "Bentuk kontak A" atau make contact. Sedangkan kontak yang Normally-closed dalam posisi de-energized dari relai disebut "Bentuk kontak B" atau break contact.

Ketika kedua elemen kontak dan sekumpulan elemen kontak hadir pada saat yang sama sehingga kedua kontak terhubung secara elektrik untuk menghasilkan titik yang sama (diidentifikasi oleh tiga koneksi), set kontak tersebut disebut sebagai "Bentuk kontak C" atau ganti kontak. Jika tidak ada koneksi listrik antara kontak make dan break, itu disebut sebagai kontak ganti ganda.

Satu poin terakhir yang perlu diingat tentang penggunaan Relay Listrik. Sama sekali tidak disarankan untuk menghubungkan kontak relai secara paralel untuk menangani arus beban yang lebih tinggi.

Misalnya, jangan pernah mencoba memasok beban 10A dengan dua kontak relai secara paralel yang masing-masing memiliki peringkat kontak 5A, karena kontak relai yang dioperasikan secara mekanis tidak pernah ditutup atau dibuka pada saat yang bersamaan.

Hasilnya adalah salah satu kontak akan selalu kelebihan beban bahkan untuk sesaat saja yang mengakibatkan kegagalan prematur dari waktu ke waktu. Juga, 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".

Jangan sekali-kali mencampur tegangan beban berbeda melalui kontak yang berdekatan dalam relai yang sama seperti misalnya, AC tegangan tinggi (240v) dan tegangan rendah DC (12v), selalu gunakan relai terpisah untuk keselamatan.

Salah satu bagian terpenting dari relay listrik adalah coilnya. Ini mengubah arus listrik menjadi fluks elektromagnetik yang digunakan untuk mengoperasikan kontak relai secara mekanis. Masalah utama dengan coil relay adalah bahwa mereka “beban sangat induktif” karena terbuat dari gulungan kawat. Setiap kumparan kawat memiliki nilai impedansi yang terdiri dari resistansi ( R ) dan induktansi ( L ) secara seri.

Saat arus mengalir melalui coil, medan magnet yang diinduksi sendiri dihasilkan di sekitarnya. Ketika arus dalam coil diputar "OFF", tegangan ggl-balik besar (gaya gerak listrik) dihasilkan ketika fluks magnetik runtuh di dalam coil (teori transformator).

Nilai tegangan balik yang diinduksi ini mungkin sangat tinggi dibandingkan dengan tegangan switching, dan dapat merusak perangkat semikonduktor seperti transistor, FET, atau mikrokontroler yang digunakan untuk mengoperasikan coil relai.

Salah satu cara untuk mencegah kerusakan pada transistor atau perangkat semikonduktor switching, adalah dengan menghubungkan dioda reverse-bias melintasi coil relai.

Ketika arus yang mengalir melalui coil diaktifkan "OFF", ggl-balik yang diinduksi dihasilkan sebagai fluks magnetis runtuh dalam coil. Tegangan balik ini forward bias dioda yang melakukan dan menghilangkan energi yang disimpan mencegah kerusakan pada transistor semikonduktor.

Ketika digunakan dalam jenis aplikasi ini, dioda umumnya dikenal sebagai Dioda Roda Gila (Flywheel), Dioda Beroda Bebas (Free-wheeling) dan bahkan Dioda Flyback, tetapi semuanya memiliki arti yang sama. Jenis lain dari beban induktif yang memerlukan dioda Flywheel untuk perlindungan adalah solenoida, motor dan coil induktif.

Selain menggunakan Dioda flywheel untuk perlindungan komponen semikonduktor, perangkat lain yang digunakan untuk perlindungan termasuk RC Snubber Network, Metal Oxide Varistor atau MOV dan Dioda Zener.

Solid State Relay (SSR)

Disamping itu relay elektromekanis (EMR) yang murah, mudah dioperasikan dan memungkinkan peralihan rangkaian beban yang dikontrol oleh sinyal input daya rendah yang diisolasi secara elektrik, kemudian salah satu kelemahan utama dari relay elektromekanis yaitu ia adalah alat mekanis, yaitu memiliki bagian yang bergerak sehingga kecepatan peralihannya (waktu respons) akibat gerakan fisik kontak logam menggunakan medan magnet lambat.

Selama periode waktu ini, bagian yang bergerak ini akan aus dan gagal, atau bahwa hambatan kontak melalui lengkung dan erosi yang konstan dapat membuat relai tidak dapat digunakan dan mempersingkat masa pakainya. Juga, mereka berisik secara elektrik dengan kontak yang mengalami pantulan kontak yang dapat memengaruhi rangkaian elektronik mana pun yang terhubung.

Untuk mengatasi kerugian dari relay listrik ini, jenis relay lain yang disebut Solid State Relay atau (SSR) singkatnya dikembangkan yang merupakan relay tanpa kontak, relay kontak elektronik murni.

Solid state Relay - SSR menjadi perangkat elektronik murni tidak memiliki bagian yang bergerak dalam desainnya karena kontak mekanis telah digantikan oleh transistor daya, thyristor, atau triac. Pemisahan listrik antara sinyal kontrol input dan tegangan beban output dilakukan dengan bantuan Sensor Cahaya tipe Optocoupler.

Solid State Relay SSR menyediakan tingkat kehandalan yang tinggi, umur panjang dan mengurangi interferensi elektromagnetik (EMI), (tidak ada kontak lengkung atau medan magnet), bersama-sama dengan waktu respon lebih cepat hampir instan, dibandingkan dengan relay elektromekanis konvensional.

Persyaratan daya kontrol input dari solid state relay umumnya cukup rendah untuk membuatnya kompatibel dengan kebanyakan keluarga logika IC tanpa perlu buffer, driver, atau amplifier tambahan.

Namun, sebagai perangkat semikonduktor, mereka harus dipasang ke heatsink yang sesuai untuk mencegah output beralih perangkat semikonduktor dari pemanasan berlebih.

Kontruksi SSR (Solid State Relay)

Solid State Relay tipe AC menghidupkan "ON" pada titik persimpangan nol dari gelombang sinusoidal AC, mencegah arus lonjakan tinggi saat mengalihkan beban induktif atau kapasitif sementara fitur inheren "OFF" dari Thyristor dan Triac memberikan peningkatan pada kontak lengkung dari relay elektromekanis.

Seperti relay elektromekanis, jaringan snubber Resistor-Kapasitor (RC) umumnya diperlukan di terminal output SSR untuk melindungi perangkat semikonduktor output switching dari kebisingan dan lonjakan transien tegangan ketika digunakan untuk mengganti beban yang sangat induktif atau kapasitif.

Dalam sebagian besar SSR modern, jaringan snubber RC ini dibangun sebagai standar pada relai itu sendiri yang mengurangi kebutuhan komponen eksternal tambahan.

Non-zero crossing detection switching (instan "ON") tipe SSR juga tersedia untuk aplikasi yang dikontrol fasa seperti peredupan atau memudar lampu di konser, pertunjukan, pencahayaan disko dll, atau untuk aplikasi jenis kontrol kecepatan motor.

Karena perangkat pemindah output dari solid state relay adalah perangkat semikonduktor (Transistor untuk aplikasi switching DC, atau kombinasi Triac/Thyristor untuk switching AC), penurunan tegangan melintasi terminal output SSR ketika "ON" jauh lebih tinggi daripada bahwa relay elektromekanis, biasanya 1.5 - 2.0 volt. Jika mengganti arus besar untuk jangka waktu yang lama, pendingin tambahan akan diperlukan.

Modul Antarmuka Input/Output.

Modul Interface Input/Output, (Modul I/O) adalah tipe lain dari solid state relay yang dirancang khusus untuk antarmuka komputer, mikrokontroler, atau PIC untuk beban dan sakelar “dunia nyata”.

Ada empat tipe dasar modul I/O yang tersedia, tegangan input AC atau DC ke output level logika TTL atau CMOS, dan input logika TTL atau CMOS ke tegangan output AC atau DC dengan setiap modul berisi semua rangkaian yang diperlukan untuk menyediakan rangkaian lengkap antarmuka dan isolasi dalam satu perangkat kecil. Mereka tersedia sebagai modul solid state individu atau diintegrasikan ke dalam perangkat saluran 4, 8 atau 16.

Sistem Antarmuka Modul Input/Output.

Kerugian utama dari solid state relay (SSR) dibandingkan dengan relay elektromekanis watt yang setara adalah biaya yang lebih tinggi, fakta bahwa hanya tipe single pole single throw (SPST) yang tersedia, OFF - arus kebocoran status mengalir melalui switching perangkat, dan tegangan "ON" -keadaan tinggi dan disipasi daya menghasilkan persyaratan heat sinking tambahan.

Mereka juga tidak dapat mengganti arus beban yang sangat kecil atau sinyal frekuensi tinggi seperti sinyal audio atau video meskipun Solid State Switches tersedia untuk jenis aplikasi ini.

Dalam tutorial tentang Relay Listrik ini, kita telah melihat relay elektromekanis dan solid state relay yang dapat digunakan sebagai perangkat output (aktuator) untuk mengontrol proses fisik.

Dalam tutorial berikutnya kita akan melanjutkan melihat perangkat Output yang disebut Aktuator dan terutama yang mengubah sinyal listrik kecil menjadi gerakan fisik yang sesuai menggunakan elektromagnetisme. Perangkat output disebut Aktuator Solenoida.