기계나 장치의 외부 물리적 공정을 제어하거나 작동시키는 다양한 전기·전자 소자가 있으며, 이러한 소자를 출력 소자라고 분류합니다. 이 출력 소자를 흔히 액추에이터(Actuators)라고 부릅니다.
액추에이터는 전기 에너지를 힘, 속도 등의 물리량으로 변환합니다. 릴레이는 기본적으로 두 개의 안정된 상태를 가진 이진 액추에이터입니다. 이 글에서는 릴레이 스위치 회로의 세부 사항, 설계 및 특징에 대해 설명합니다.
전기적으로 작동하는 스위치로 다양한 형태, 크기, 전력 정격으로 제공됩니다. 거의 모든 유형의 애플리케이션에 적합하며, 단일 패키지 내에 단일 또는 다중 접점을 가질 수 있습니다. 대용량 전력 릴레이는 주로 주전압 또는 대용량 전류 스위칭 애플리케이션에 사용되며, 이를 '컨택터(Contactors)'라고 부릅니다. 릴레이의 분류를 살펴보겠습니다.
전기 릴레이는 기본적으로 다음 두 가지 하위 범주로 나뉩니다.
이름에서 알 수 있듯이 전자 기계식 릴레이는 전자기 장치입니다. 전기 제어 신호 인가에 의해 생성된 자기 플럭스를 기계적 인력으로 변환하여 릴레이 스위치 내부의 전기 접점을 작동시킵니다. 가장 단순하고 일반적인 형태의 전자 기계식 릴레이는 투자율이 높은 철심 주위에 감긴 여자 코일로 구성됩니다. 이 여자 코일을 1차 회로라고도 합니다.
전자 기계식 릴레이는 일반적인 전기 및 전자 제어 또는 스위칭 회로에 사용됩니다. PCB 기판에 직접 장착하거나 독립형으로 연결하여 사용합니다. 독립형 구성에서는 부하 전류가 일반적으로 암페어 단위로 동작합니다.
릴레이는 '상시 개방(Normally Open)' 또는 '상시 폐쇄(Normally Closed)' 두 가지 모드로 구성됩니다. 한 쌍의 접점은 상시 개방(NO) 또는 메이크(Make) 접점이라 하고, 다른 한 쌍은 상시 폐쇄(NC) 또는 브레이크(Break) 접점이라 합니다.
상시 '개방' 상태에서는 여자 전류가 'ON'일 때만 접점이 닫힙니다. 상시 'ON' 상태에서는 스위치 접점이 유도 코일 쪽으로 당겨집니다. 전기 릴레이의 가장 중요한 부품 중 하나는 코일입니다. 이 코일은 전기 전류를 전자기 플럭스로 변환하며, 이 자기 플럭스는 기계적으로 릴레이 접점을 작동시킵니다. 릴레이 코일의 가장 큰 문제는 '고도로 유도성 부하'라는 점입니다. 릴레이 코일은 일반적으로 전선 코일로 만들어집니다.
전류가 코일을 흐르면 자기 유도 자기장이 코일 주위에 생성됩니다. 코일의 전류가 'OFF'로 전환되면, 자기 플럭스가 코일과 충돌하여 큰 역기전력(back emf) 전압이 발생합니다. 이 유도 역전압 값은 스위칭 전압에 비해 매우 높으며, 릴레이를 구동하는 트랜지스터, FET, 마이크로컨트롤러 등 반도체 소자를 손상시킬 수 있습니다.
참고: '상시 개방'과 '상시 폐쇄' 또는 '메이크와 브레이크 접점'이라는 용어는 릴레이 코일이 '비여자 상태', 즉 릴레이 코일에 전원 전압이 연결되지 않은 상태에서의 전기 접점 상태를 나타냅니다.
전기 릴레이 사용 시 기억해야 할 중요한 점: "릴레이 접점을 병렬로 연결하여 더 높은 부하 전류를 처리하는 것은 권장하지 않습니다." 예: 접점 정격이 각각 5A인 두 개의 릴레이 접점을 병렬로 연결하여 10A 부하를 공급하려고 시도하지 마십시오.
릴레이 접점은 접촉 시 전류를 통과시키는 도전성 소재로 제작되며, 스위치와 유사하게 설계됩니다. 접점이 열리면 접점 간 저항이 매우 높아져 개방 회로 상태가 되어 회로 전류가 흐르지 않습니다.
시간이 지나면 전자 기계식 릴레이의 움직이는 부품이 마모되어 고장 나거나, 지속적인 아크와 침식으로 인해 사용할 수 없게 됩니다. 또한 전기적으로 노이즈가 발생하며, 접점 바운스(contact bounce)로 인해 연결된 전기 회로에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 솔리드 스테이트 릴레이가 개발되었습니다.
솔리드 스테이트 릴레이는 움직이는 부품이 없습니다. 기계적 접점이 파워 트랜지스터, 사이리스터 또는 트라이액으로 대체되었기 때문에 순수 전자 소자입니다.
움직이는 부품이 없으므로 높은 신뢰성, 긴 수명, 전자파 간섭 감소를 특징으로 합니다. 따라서 기존 전자 기계식 릴레이보다 훨씬 빠르고 정확합니다. 솔리드 스테이트 릴레이의 제어용 입력 전력 요구 사항은 일반적으로 낮아 대부분의 IC 패밀리와 호환됩니다.
솔리드 스테이트 릴레이의 출력 스위칭 소자가 반도체 소자이므로, 'ON' 상태에서 출력 단자 간의 전압 강하는 전자 기계식 릴레이에 비해 훨씬 높습니다. 일반적으로 1.5~2.0볼트 사이입니다. 장시간 대용량 전류를 스위칭하려면 추가 방열판이 필요합니다.
드라이버나 증폭기를 추가할 필요 없이 사용할 수 있습니다. 그러나 출력 스위칭 반도체 소자가 과열되지 않도록 적절한 방열판이나 재료에 장착해야 합니다. 릴레이 스위칭 회로의 설계와 유형은 매우 다양합니다. 릴레이는 단순한 스위치 회로처럼 하나 이상의 폴을 스위칭한다고 합니다. 릴레이의 각 폴에는 세 가지 다른 방식으로 던질 수 있는 접점이 있습니다:
릴레이가 던져지는 다양한 방식:
중요:
릴레이는 두 가지 기본 동작을 위해 설계됩니다. 하나는 저전압 애플리케이션용이고 다른 하나는 고전압 애플리케이션용입니다. 저전압 애플리케이션의 경우 릴레이는 전체 회로의 노이즈를 줄이도록 설계됩니다. 고전압 애플리케이션의 경우 주로 아크 현상을 줄이도록 설계됩니다.
릴레이를 스위칭하는 일반적인 방법:
입출력 인터페이스 모듈 릴레이(I/O Modules)는 컴퓨터, 마이크로컨트롤러, PIC 등을 부하 및 스위치와 인터페이스하기 위해 특별히 설계된 또 다른 유형의 솔리드 스테이트 릴레이입니다. 기본적으로 시중에는 네 가지 유형의 I/O 모듈이 있습니다.
AC 또는 DC 입력 전압을 TTL 또는 CMOS 로직 레벨 출력으로, TTL 또는 CMOS 로직 입력을 AC 또는 DC 출력 전압으로 변환하는 것입니다. 각 모듈은 하나의 장치 내에서 완전한 인터페이스와 절연에 필요한 모든 회로를 포함합니다. 개별 솔리드 스테이트 모듈로 제공되거나 4, 8, 16채널 장치로 통합되어 시판됩니다.
일반적인 NPN 릴레이 스위치 회로는 NPN 트랜지스터 스위치에 의해 코일이 구동됩니다. 트랜지스터의 베이스 전압이 0이면 트랜지스터는 차단 영역에 있어 개방 스위치 역할을 합니다. 이 상황에서 컬렉터 전류가 흐르지 않고 릴레이 코일은 비여자 상태가 됩니다.
베이스로 전류가 흐르지 않으면 릴레이 코일에도 전류가 흐르지 않습니다. 이제 NPN 트랜지스터의 포화 영역으로 큰 양의 전류를 베이스에 공급하면 베이스에서 이미터로 전류가 흐르기 시작합니다.
PNP 릴레이 스위치 회로는 다른 극성의 동작 전압이 필요합니다. 릴레이 코일 제어 능력 측면에서는 NPN 릴레이 스위칭 회로와 유사합니다. 예를 들어, PNP 타입에서 컬렉터-이미터 전압은 이미터에서 컬렉터로 전류가 흐르도록 음수여야 합니다.
MOSFET 릴레이 스위칭 동작은 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT) 스위치 동작과 매우 유사합니다. 주요 차이점은 MOSFET이 전압 구동 소자라는 점입니다. 그러나 게이트는 드레인-소스 채널로부터 전기적으로 절연되어 있습니다. N-채널 인핸스먼트 MOSFET이 가장 일반적으로 사용되는 MOSFET 유형입니다. 게이트 단자에 양의 전압을 가하면 MOSFET이 'ON'되고, 음의 전압을 가하면 'OFF'됩니다. 이는 MOSFET 릴레이 스위치에 이상적입니다.
N-채널 인핸스먼트 MOSFET과 달리 음의 게이트 전압에서만 동작합니다. 이 구성에서 P-채널의 소스 단자는 +Vdd에 연결되고 드레인 단자는 접지에 연결되며, 둘은 릴레이 코일을 통해 연결됩니다. 게이트 단자에 HIGH 전압 레벨이 적용되면 P-채널 MOSFET이 결과적으로 'OFF'됩니다.
적절한 릴레이 선택 시 고려사항:
예제를 통해 릴레이 회로의 작동 원리를 이해해 봅시다:
릴레이 스위치를 사용하여 CFL 전구를 켜야 한다고 가정해 봅시다. 이 릴레이 회로에서는 푸시 버튼으로 5V 릴레이를 트리거하여, 2차 회로를 완성하고 램프를 켭니다.
회로 설계를 위해 다음 부품을 준비하세요:
릴레이 장치의 스위칭을 위해 일반적인 ON/OFF 스위치가 추가됩니다. 위 회로에서 5V 릴레이는 9V 배터리로 구동됩니다. 처음에는 스위치가 열려 있어 코일에 전류가 흐르지 않습니다. 결과적으로 릴레이의 공통 포트는 'NO'(상시 개방) 접점에 연결되어 램프는 'OFF' 상태를 유지합니다.
스위치를 닫으면 코일에 전류가 흐르기 시작합니다. 코일에 자기장이 생성되어 전자기 유도에 의해 가동 아마추어가 당겨지고, 공통 포트가 릴레이의 NC(상시 폐쇄) 접점과 연결됩니다. 결과적으로 CFL이 'ON'됩니다.
동등한 와트의 전자 기계식 릴레이에 비해 솔리드 스테이트 릴레이의 주요 단점은 더 높은 비용입니다. 단극 단투(SPST) 타입만 제공되며, 'OFF' 상태 누설 전류가 스위칭 소자를 통해 흐르고, 높은 'ON' 상태 전압 강하와 전력 소산으로 인해 추가 방열 요구 사항이 발생합니다. 또한 일반적인 솔리드 스테이트 릴레이는 매우 작은 부하 전류나 오디오, 비디오 신호 같은 고주파 신호를 스위칭할 수 없습니다. 하지만 이러한 애플리케이션을 위한 특수 솔리드 스테이트 스위치도 있습니다.
전자 기계식 릴레이와 솔리드 스테이트 릴레이 모두 일상생활에서 매우 중요합니다. 장치의 요구 사항에 따라 둘 중 하나를 선택할 수 있습니다. 솔리드 스테이트 릴레이는 전자 기계식 릴레이에 비해 다소 크고 부담스러운 초기 가격표를 달고 있습니다.
그러나 이 솔리드 스테이트 릴레이의 접점 움직임은 저전력 입력 신호로부터 발생하는 전자기력에 의해 생성됩니다. 이로 인해 고전력 신호를 포함하는 회로가 완성됩니다. 따라서 솔리드 스테이트 릴레이는 전자 기계식 릴레이보다 우수합니다. 전자 기계식 릴레이는 단순한 기계적 설계 방식을 사용하는 비교적 오래된 기술입니다.
릴레이의 응용 분야는 매우 광범위합니다. 가장 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다:
이 글에서는 다양한 릴레이 유형, 작동 원리 및 응용 분야에 대해 논의했습니다. 이제 릴레이와 그 기능에 대한 좋은 지식을 얻으셨을 것입니다. 이 글을 읽은 후에는 불편함 없이 직접 릴레이를 설계할 수 있을 것입니다.
관련 전자 프로젝트 회로:
산업기술
릴레이는 아두이노 및 라즈베리파이 보드와 연동하여 제어 장치를 구동하는 데 필수적인 부품입니다. 고전류 제어 회로를 전자 시스템에서 배제할 수 있어 매우 유용하죠. 전자기계적 또는 전기적 제어 회로 프로젝트를 진행 중이라면 더블 스로우 릴레이가 반드시 필요합니다. 하지만 시중에 다양한 릴레이가 존재해 최적의 제품을 선택하기란 쉽지 않습니다. 다행히 전문가들이 여러분의 제어 프로젝트를 안내해 드릴 준비가 되어 있습니다. 먼저 더블 스로우 릴레이에 대해 자세히 알아보겠습니다. 폴(Pol)과 스로우(Throw)의 이해 그림 1: 전자
보조 접점(Auxiliary Contacts)은 차단기, 릴레이, 컨택터 등 주 스위칭 장치와 연동해 작동하는 보조 스위칭 소자. 주 스위칭 메커니즘과 물리적으로 연결돼 주 장치와 동시에 동작. 주 장치 제어 회로에서 인터록 또는 리테이너 용도로 흔히 쓰이며, 주 장치 운전 상태 표시용으로도 활용. 많은 컨택터·차단기에 내장형 세트로 탑재되거나 모듈형 스냅온 유닛으로 탈착 가능. 상시 개방(N/O), 상시 폐쇄(N/C), 조합형 접점 모두 공급. 보조 접점이 필요한 이유 차단기·컨택터 등 주 회로 스위칭 장치는 주 접점 기능 외 추
