View
408
Download
102
Category
Preview:
Citation preview
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 3
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, Relay dan Devais Pengendali Daya 4
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 5
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 6
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 7
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).
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 8
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 9
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 10
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 11
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 12
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 :
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 13
Thumbwheel Switch
Rotary switch tipe khusus, digunakan untuk memasukkan dataOperator memilih bilangan dengan memutar roda bernomor Setiap nomor memiliki pengaturan saklar berbeda
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 14
Membrane Switch Keypad
Keypad terdiri dari beberapa saklar push button yang tersusun dalam sejumlah lapisan
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 15
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 16
Relay
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 17
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”
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 18
Relay Elektromekanik (EMR)
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 19
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 20
Relay Elektromekanik (EMR)
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)
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 21
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 22
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 23
Solid-State Relay (SSR)
Blok diagram :
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 24
Devais Solid-State
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 25
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 26
Bipolar Junction Transistor(BJT)
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 27
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.
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 28
NPN dan PNP
Dua tipe dasar : NPN dan PNP
Perbedaan hanya pada arah aliran arus
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 29
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 30
Operasi Dasar BJT (2)
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 31
Operasi Dasar BJT (3)
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 .
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 32
Field Effect Transistor(FET)
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 33
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 34
FET
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 35
Silicon-Controlled Rectifier(SCR)
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 36
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)
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 37
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)
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 38
Operasi SCR - Dasar
Dijelaskan dengan kurva karakteristik
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 39
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 40
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 41
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)
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 42
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.
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 43
TRIAC
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 44
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.
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 45
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)
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 46
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 47
Devais Trigger
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 48
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 49
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 50
Programmable Unijunction Tr.
Perilaku seperti UJT
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 51
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)
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 52
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.
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 53
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
Saklar, Relay dan Devais Pengendali Daya 54
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
Recommended