JURNAL SINERGI VOL. III NO. 12 JUNI 2OO7

SWITCH PERALATAN AC PHASE SATU DENGANMENGGUNAKAN SOLID STATE RELAY

Hamzah Hilal, Badaruddin, BudiYanto HusodoTeknik Elektro, Fakultas Teknologi lndustri

Universitas Mercu Buana Jakarta

ABSTRAK

Kelemahan yang sering terjadi pada relay adalah mudah aus pada kontak-kontaknya karenasering teriadi percikan bunga apiterutama bila digunakan untuk mengendalikan peralatan yangmenggunakan daya tinggi.Dalam pembahasan yang akan penulis susun mengenai suatu slsfem kontrol yangmenggunakan komponen Solid State Relay (SSR) dimana fungsi utama dari dari komponentersebut adalah sebagai pengganti relay, sehingga diharapkan dapat berumur lebih panjangdibandingkan dengan menggunakan relay biasa. Adapun sebagai pengontrotnya penutismenggunakan saklar sentuh (touch switch) dan saklar suara (sound switch), dimana sitem inimenggunakan rangkaian elektronik yang hanya memerlukan daya relatif kecil. Agar tegangantinggi pada peralatan/mesin yang dikontrol terpisah dengan tegangan rendah padapengontrolnya maka digunakan komponen opto coupler, dimana alat tersebut juga bergunauntuk menjamin keamanan pada manusia.

LANDASAN TEORI

Opto CouplerPenggunaan komponen opto coupler dalamsistim yang dirancang adalah untukmemisahkan jalur ground utama teganganrendah pada rangkaian saklar sentuh dansaklar suara serta rangkaian buffer denganjalur ground pada rangkaian yangmenggunakan daya yang besar yaitu padabagian SSR dan beban atau alat yangdikendalikan. Gambar di bawah menunjukkangambar kemasan sebuah opto coupler.

Gambar Opto coupler

Dalam gambar tersebut ditunjukkanbahwa dalam sebuah opto coupler terdiri darisebuah LED dan sebuah phototransistor.Adapun cara kerja opto coupler pada gambardi bawah dapat dijelaskan sebagai berikut;Anoda dari LED pada opto couplerdikendalikan oleh output buffer (lC 7432).

Pada saat output buffer 0 V (logika 0), makaLED tersebut tidak menghantar(memancarkan cahaya) sehinggaphototransistor juga tidak bekerja (mati). Padasaat phototransistor tidak bekerja, maka padatitik C akan terukur tegangan yang besarnyamendekati VCC. Titik C ini dihubungkan kebasis transistor 8C107. Karena transistor8C107 ini merupakan transistor jenis NPN,maka bila pada basis diberikan teganganpositif, transistor ini akan bekerja sehinggatitik C pada 8C107 akan terukur teganganmendekati 0 volt. Titik C dari BC107 itudigunakbn untuk mengendalikan SSR, makasaat titik C tersebut memiliki tegangan 0 volt,SSR tidak bekerja.

Gambar Opto coupler dalam rangkaian

SWITCH PEMLATAN AC PHASE SATU DENGAN MENGGUNAKAN SOLID STATE RELAY (Hamzah Hilal et al)

Sedangkan pada saat output bufferberlogika 1 (5 volt), maka LED akanmemancarkan cahaya.Dengan demikianphototransistor juga bekerja karena mendapatcahaya dari LED tersebut. Pada saatphototransistor tersebut bekerja, maka titik Cpada phototransistor akan mendekati 0 volt.Pada kondisi ini transistor BC 107 tidakbekerja karena basisnya mendapat sinyal 0volt. Karena 8C107 tidak bekerja, makategangan di titik C pada 8C107 tersebutbesarnya akan mendekati VCC, sehinggaSSR akan aktif. Keuntungan besar dari optocoupler adalah adanya isolasi listrik (e/ecfrlcalisolation) antara rangkaian input dan output.Dinyatakan dengan cara lain bahwa commonuntuk rangkaian input berbeda dengancommon untuk rangkaian output. Oleh sebabitu tidak ada bagian yang konduktif antara duarangkaian tersebut. Dengan demikian dapatdilakulan ground pada salah satu darirangkaian tersebut, sedangkan rangkaianyang lain dapat digunakan untuk keperluanyang lain.

Dalam kaitannya dengan sistem yangdirancang, maka rangkaian input pada optocoupler digunakan sebagai rangkaianpengendali, yang menggunakan sumberdaya kecil (rgndah), sedangkan bagian outputdigunakan untuk hubungan dengan peralatanlishik yang dikendalikan dimana memilikisumber daya besar.

solrD STATE RELAY (SSR)Solid State Relay merupakan komponenutama yang digunakan dalam sistem.Komponen ini berfungsi sebagai interface(perantara) terutama antara rangkaian yangmenggunakan daya rendah dengan rangkaianperalatan yang menggunakan daya tinggi.

Pada prinsipnya komponen inimempunyai fungsi yang sama dengan relay.Perbedaan yang ada terutama dari segi fisikataupun bahan yang digunakan. Sebuah relayterdiri dari sebuah komponen dengan sebuahinti, yang bila dialiri arus listrik menjadimagnet dan menutup (kontak penutup) ataumemutuskan (kontak pemutus) kontak-kontakbila dialiri arus. Penggunaan relaydiantaranya untuk menghubungkan daya-daya yang besar dengan perantaraan daya-daya yang kecil. Simbol relay dapatditunjukkan pada gambar.

?^\ *'-"E;-'-f "*--.-

Gambar Relay

Karena sebuah relay menggunakanpelat-pelat yang berfungsi sebagai kontak-kontak untuk menghubungkan/memutuskansuatu rangkaian terutama untuk daya-dayayang besar, maka seringkali terjadi percikanbunga api pada pelat-pelat tersebut sehinggalama-kelamaan pelat-pelat tersebut akanmenjadi aus dan tentu saja tidak dapatberfungsi sebagaimana mestinya, hal tersebutmenunjukkan bahwa relay sudah dalamkondisi rusak. Berbeda halnya dengansebuah komponen yang disebut Solid StateRelay. Komponen ini merupakan rangkaiandiskrit yang biasanya sudah dikemas dalambentuk satu kemasan. Secara blok SSntersebut dapat digambarkan sepertiditunjukkan pada gambar.

0utpulDaya Rendah

Gambar SSR

Secara komersil (khususnya dilndonesia), komponen seperti ini belumbanyak tersedia, kalaupun ada makaharganyapun masih relatif mahal.Mengingat hal tersehut di atas, makapenulis merancang suatu rangkaianelektronik yang bedungsi sebagai SolidSfate Relay (SSR/. Rangkaian tersebutditunjukkan pada gambar.

Gambar rangkaian SSR

Pada gambar tersebut ditunjukkanbahwa rangkaian SSR dibangun dari empatbuah dioda D1, D2, D3, dan D4 yangdirangkaikan sebagai jembatan serta sebuahkomponen Silicon Controlled Rectifier (SCR).Untuk memperjelas mengenai rangkaian

JURNAL SIGRG| VOt_ ill No. 12 JUN| 2oo7

diatas, berikut penulis uraikan masing-masingjenis komponen yang digunakan.

DiodaDioda merupakan suatu komponensemikonduktor yang memiliki dua terminaldan disebut sebagai Anoda dan Katoda.

Simbol sebuah dioda ditunjukkan padagambar

Ao-)-*KGambar Simbol Dioda

Sebagaimana ditunjukkan padagambar, maka simbol dioda mirip denganmata anak panah yang arahnya dari anodamenuju katoda. Sesuai dengan arah simboltersebut maka pada sebuah dioda hanyaakan menghantarkan arus listrik pada satuarah yaitu dari anoda menuju katoda. Jadi bilapada anoda diberikan sumber teganganpositif dan katoda dihubungkan dengansumber tegangan negatif, maka dioda akanmenghantar. Hal seperti ini disebut bahwadioda diberi bias maju (fonrvard).

Gambar Bias maju pada dioda

Gambar menunjukkan pemberian biasmaju pada dioda. Bila sumber tegangan yangdigunakan adalah tegangan AC-, makigelombang positif saja yang akan dilalukandari anoda menuju katoda. Gambarmenunjukkan rangkaian penyearah setengahgelombang, dan gambar menunjukkan bentukgelombang pada titik A dan K. pada gambar bjelas terlihat bahwa gelombang yang dilalukanoleh dioda hanya setengah gelombang saja,yaitu pada perioda positifnya sehinggarangkaian tersebut dinamakan penyearahsetengah gelombang. Untuk mendapatkanpenyearahan gelombang penuh, maka dapatdigunakan dua buah dioda.

ThyristorThyristor biasa digunakan untuk pengaturanperalatan berfasa tunggal yang menggunakandaya yang besar. Thyristor atau SCR (SiliconControlled Rectifier) dapat diterjemahkansebagai penyatu arah silikon yang terkontrol.

Gambar bagan penggantinya ditunjukkanpada gambar a dan simbol SCR ditunjukkanpada gambar b.

A

I+

K

Prinsip kerja dari thyristor dapatdijelaskan melalui gambar rangkalanpengaturan daya dengan thyristor yaituseperti ditunjukkan oleh gambar a dah b.Pada gamba a terlihat bahwa antara Gate (G)dan Katoda (K) bekerla sebuah rangkaiankemudi. Tegangan{egangan dan arus-arusnya digambarkan pada gambar b. Bilaselama pertengahan perioda positif daritegangan sumber Ui disalurkan pulsa arus lGkepada Gate, maka thyristor menyulut ataumenghantar.Jadi thyristor itu berperilakusebagai hubungan terusan setelahpenyaluran pulsa Gate. Maka sisa daripertengahan perioda positif itu beradasepanjang RC.

a.

Gambar SCR

(JiTo

Gambar_ Rangkaian pengaturan Dayadengan Thyristor

Setelah thyristor menghantar,tegangan Gate-nya tidak mempunyai

IC I

1sL1\ ;ar. +t

uL^I r ill r'r r-.- _

SWITCH PERALATAN AC PHASE SATU DENGAN MENGGUNAKAN SOLID STATE RELAY (HAMZAh H|IAIEt AI)

pengaruh lagi. Jadi thyristor yang menghantartidak dapat kita buka dengan bantuantegangan Gate. Thyristor itu berperilaku lagisebagai suatu pemutusan, dengan mengaturtegangan anodanya menjadi nol dankemudian negatif. Pengaturan arus pada Gatedilakukan dengan menggeser-geser pulsapada rangkaian kemudi. Bila pulsa-pulsa itumenggeser ke kanan, maka turunlah dayapada RL. Jadi thyristor itu dapat kita anggapsebagai dioda lapis empat yang kita sulutdengan menyalurkan pulsa arus pada

elektroda kemudinya. Pada waktupertengahan perioda negatif, thyristor itu

berperilaku sebagai dioda-Si normal dan tidakdapat menghantar.

Dengan memahami prinsiP kerjathyristor tersebut, maka komponen ini

digunakan sebagai rangkaian SSR sepertiditunjukkan pada gambar Pada gambarditunjukkan bahwa gate SCR dikemudikanoleh opto coupler, sedangkan beban(peralatan) listrik AC yang dikontrol dipasangantara titik D2, D3 dengan line AC. Sebagaicontoh, maka beban yang dipasang adalahsebuah motor listrik AC seperti ditunjukkanpada gambar

Gambar. Rangkaian SSR untukmengontrol Motor AC

Prinsip keria rangkaian tersebut dapatdiielaskan sebagai berikut:Pada saat opto coupier memberikan sinyallistrik sebesar V volt, maka SCR akanmenghantar. Pada setengah periodagelombang sinus yang berasal dari sumberlistrik, maka arah arus yang mengalir adalahmelalui D1, SCR, D3, dan motor sepertiditunjukkan pada gambar Sedangkan pada

setengah perioda berikutnya, maka arus listrikmengalir melalui motor, D2, SCR, dan D4seperti ditunjukkan oleh gambar 2.24. Karenabeban yang dalam hal ini sebagai contohdigunakan sebuah motor listrik AC mendapatsumber daya AC maka motor tersebut akanjalan (berputar). Pada saat opto couplermemberikan tegangan 0 volt pada Gate SCR,

maka SCR tidak akan menghantar danmotorpun akan berhenti berputar.

Gambar Arah arus pada setengah periodapositif

Gambar Arah arus pada setengahperioda negatif

Untuk pengontrolan beban atauperalatan dengan daya yang besar, makapemasangan SCR dan dioda-dioda yangdigunakan harus disesuaikan dengan dayabeban yang dikontrol. Sebagai contoh, bilabeban yang dikontrol memerlukan arussebesar 10 Amper, maka kemampuan yangharus dimiliki oleh SCR dan dioda harusdiatas 10 Amper.

3. SWITCH PERALATAN AG PHASE SATUDENGAN MENGGUNAKAN SSR

Blok DiagramBlok diagram dari sistem yang dirancangditunjukkan pada gambar 3.1. Dalam blokdiagram tersebut digambarkan beberapa

JURNALSII{ERGIVOL III NO. 12 JUNI 2OO7

buah blok dari sistem yang masing-masingmemiliki fungsi yang berbeda-beda. Adapunnama-nama blok beserta penjelasannyaadalah sebagai berikut :

1. Touch Switch (saklar sentuh).Blok touch switch merupakan

rangkaian elektronik yang berfungsi sebagaisaklar elektronik yang dihasilkan berdasarkansentuhan pada bagian masukannya. Kondisipersaklaran yang terjadi adalah kondisi hidupatau mati pada tiap kali pena bagianmasukkanya disentuh oleh tangan, dimanakondisi pada bagian outputnya akan berbalikdari kondisi sebelumnya, yaitu bila kondisisebelumnya pada kondisi hidup, maka setelahdisentuh akan berbalik menjadi mati begitupula sebalikny?. Untuk mengetahui kondisi_kondisi tersebut maka dipasangkan sebuahLED in9ikator pada bagian outfut rangkaianini LED tersebut akan menyala untukmenunjukkan bahwa rangkaian saklartersebut pada kondisi hidup dan LED akanpadam pada saat kondisi saklar adalah hidup.2. Sound Switch (saklar suara).

Bagian blok sound switch (saklarsuara) terdirl dari rangkaian elektronik yangberfungsi sebagai saklar yang dihasilkan oleh:yara (getaran) melalui transduser yangdipasangkan pada bagian masukanya.

Prinsip kerja rangkaian saklar suaraini seperti prinsip kerja dari saklar sentuh,perbedaannya yaitu pada saklar sentuh makakondisi persaklaran diakibatkan olehsentuhan, sedangkan pada rangkaian saklarsuara maka kondisi persaklaran diakibatkanole.h suara yaitu kondisi persaklaran yangterjadi adalah kondisi hidup atau mati iaditiap kali mikrofon bagian masukkannyamendapatkan suara, dan kondisi outputnyaakan berbalik dari kondisi sebelumnya, yaitubila kondisi sebelumnya hidup maka seielahmendapatkan suara akan berbalik menjadimati begitu pula sebaliknya. Untut<mengetahui kondisi output pada rangkaiansaklar suara dipasangkan sebuah LED

indikator. LED tersebut akan menyala saatsaklar berada pada kondisi hidup, dan akanpadam saat saklar berada pada kondisi mati.3. Buffer

Blok buffer terdiri dari rangkaiangerbang logika yang berfungsi untukmengendalikan sinyal-sinyal masukan yangberasal dari rangkaian saklar sentuh

-dan

saklar suara. Bagian keluaran pada rangkaianini akan menghasilkan tegangan logika 1 15V1saat salah satu atau kedua rangkaian saklarberada pada kondisi hidup. Sedingkan padasaat kedua rangkaian berada pada kondisimati maka bagian keluarannya menghasilkantegangan logika 0 (0V).

4. Opto-CoupterBagian opto-coupler terdiri dari

rangkain . LED yang dikopet denganphototransistor dan dikemas dalam satukemasan. Bagian ini berfungsi untukmemisahkan jalur ground antara rangkaianyang. memiliki daya rendah dengan bagianrangkaian yang memiliki daya tinggi.

5. B/ok SSRBlok SSR (Sotid State Retay)

merupakan rangkaian elektronik yangberfungsi sebagai perantara antara sinyattegang.an rendah yang berasal dari rangkaiankendali (rangkaian saklar) dengan linyattegangan tinggi pada peralatan yangdikontrol.

Rangkaian SSR ini terdiri dari empatbuah dioda yang dirangkaikan secarat^e1pa!1 (bridge) dan sebuah komponenSCR (Silicon Controiled Rectifier). DenganSCR inilah suatu sinyal tegangan renlahdapat {iumpankan melalui gate-nya gunamengendalikan suatu peralatan AC dengandaya yang cukup tinggi.

Blok diagram pengontrol peralatan AC phasesatu dengan menggunakan SSR

SWITCH PEMLATAN AC PHASE SATU DENGAN MENGGUNAKAN SOLID STATE RELAY (Hamzah Hilal et al)

Rangkaian Switch Peralatan AC Phase Satu Dengan Menggunakan SSR

4. ANALISA HASIL PENGUJIANSetelah dilakukan pengujian pada alat yangdibuat, dalam hal ini sebagai bebandigunakan sebuah motor kipas angin dansebuah lampu, maka beban-beban tersebutketika diaktifkan dapat bekerja dengannormal sehingga alat berfungsi denganbaik. Dalam sistem yang dibuat ini, makabeban dapat dijalankan denganmengaktifkan salah satu sistem persaklaranatau kedua-duanya.

Penggunaan saklar suaramempunyai kelemahan, yaitu apabilasaklar suara menerima masukan suarasecara berturut turut maka secara otomatisbeban yang terpasang akan berada padakondisi hidup/mati secara berturut-turutpula. Untuk mengatasinya dilakukanpengaturan sensitifitas suara, yaitu denganmengatur variable resistor yang terdapatpada rangkaian saklar suara.

5. KESIMPULANo Pada prinsipnya, sistem

pengoperasian saklar dalam teknikkelistrikanielektronik berfungsiuntuk memutus/menghubungkanantara rangkaian/peralatan dengansumber daya atau denganrangkaian lain.

o Kelemahan yang sering terjadipada relay adalah mudah aus padakontak-kontaknya karena seringterjadi percikan bunga api terutama

. mengendalikan peralatan dengandaya besar.

. Penggunaan relay dapat digantikandengan menggunakan sistemelektronik yang disebut SSR (SolidState Relay).

. SSR dapat dibangun denganmenggunakan sebuah komponenSCR dan empat buah dioda yangdirangkaikan menjadi jembatan(bridge) atau sebuah kemasandioda bridge.

o Dengan menggunakan sistem SSRakan memungkinkan umur darikomponen lebih panjang.

. Pengendalian suatu peralatan listrik(mesin listrik) dapat dilakukandengan bermacam-macam cara,diantaranya . menggunakan saklarsentuh dan atau saklar suara.

6. DAFTAR PUSTAKA1. ...., "Data BookTTL'2. Malvino, A.P, "Prinsip-Prinsip

Elektronika", Jilid 2, Erlangga,Jakarta,199'1.

3. Mohammad, N, Wibisono, B.J,"llmuElektronika 3", Depdikbud, 1979.

4. Raras, A, "Komponen dan RangkaianElektronika", Karya Utama, 1989.

5. Ruslam, dkk, "Elektronika 2", Angkasa,Bandung, 1986

6. Sutrisno, "Elektronika Teori danPenerapannya", lTB, Bandung, 1986.

bila digunakan untuk