전기 릴레이

전기 릴레이

전기 계전기 및 접촉기는 낮은 수준의 제어 신호를 사용하여 다양한 접촉 배열을 사용하여 훨씬 더 높은 전압 또는 전류 공급 장치를 전환합니다.

지금까지 우리는 다양한 물리적 변수와 신호를 감지하거나 "감지"하는 데 사용할 수 있는 다양한 입력 장치를 살펴보았으며 따라서 센서 라고 합니다 . 그러나 일부 외부 물리적 프로세스를 제어하거나 작동하는 데 사용되는 출력 장치 로 분류되는 다양한 전기 및 전자 장치도 있습니다 . 전기 계전기를 포함한 이러한 출력 장치는 일반적으로 다음 과 같이 분류됩니다 .

액추에이터는 전기 신호를 움직임, 힘, 소리 등과 같은 해당 물리량으로 변환합니다. 액추에이터는 한 유형의 물리량을 다른 유형으로 변경하고 일반적으로 저전압 명령 신호에 의해 활성화되거나 작동되기 때문에 변환기로 분류됩니다. 액추에이터는 출력의 안정적인 상태 수에 따라 바이너리 또는 연속 장치로 분류될 수 있습니다.

예를 들어, 릴레이는 전원 공급 및 래치 또는 전원 차단 및 래치 해제의 두 가지 안정적인 상태를 갖는 바이너리 액추에이터인 반면, 모터는 전체 360° 동작 을 통해 회전할 수 있으므로 연속 액추에이터입니다 . 가장 일반적인 유형의 액추에이터 또는 출력 장치는 전기 릴레이 , 조명 , 모터 및 스피커 입니다 .

우리는 이전에 솔레노이드를 사용하여 래치, 도어, 밸브를 열거나 닫거나 다양한 로봇 및 메카트로닉스 응용 분야 등에 사용할 수 있다는 것을 보았습니다. 그러나 솔레노이드 플런저를 사용하여 하나 이상의 전기 접점 세트를 작동하는 경우, 우리는 매우 유용해서 무한히 다양한 방법으로 사용할 수 있는 릴레이 라는 장치를 가지고 있습니다 . 이 튜토리얼에서는 전기 릴레이를 살펴보겠습니다.

 

전기 계전기는 "전자 기계 계전기"라고 하는 기계적 동작 계전기와 "무접점 계전기" 또는 SSR이라고 하는 스위칭 장치로 반도체 트랜지스터, 사이리스터, 트라이액 등을 사용하는 계전기로 나눌 수도 있습니다.

전기기계 릴레이

릴레이 라는 용어는 일반적으로 제어 신호의 적용에 응답하여 두 개 이상의 지점 사이에 전기적 연결을 제공하는 장치를 의미합니다. 가장 일반적이고 널리 사용되는 전기 계전기 유형은 전기 기계 계전기(EMR)입니다.

전기 릴레이

모든 장비의 가장 기본적인 제어는 장비를 "켜고" "끄는" 능력입니다. 이를 수행하는 가장 쉬운 방법은 스위치를 사용하여 전기 공급을 차단하는 것입니다. 스위치를 사용하여 무언가를 제어할 수 있지만 단점도 있습니다. 가장 큰 문제는 수동으로(물리적으로) "ON" 또는 "OFF"로 설정해야 한다는 것입니다. 또한 상대적으로 크고 느리며 작은 전류만 전환합니다.

그러나 전기 계전기는 기본적으로 모든 유형의 응용 분야에 적합한 다양한 모양, 크기 및 정격 전력으로 제공되는 전기로 작동되는 스위치입니다. 또한 계전기는 단일 패키지 내에서 단일 또는 다중 접점을 가질 수 있으며 "접촉기"라고 하는 주 전압 또는 고전류 스위칭 애플리케이션에 사용되는 더 큰 전력 계전기를 포함합니다.

전기 릴레이에 대한 이 튜토리얼에서는 모터 제어 또는 로봇 회로에 사용할 수 있는 "경부하" 전기 기계 릴레이의 기본 작동 원리에만 관심이 있습니다. 이러한 계전기는 PCB 보드에 직접 장착되거나 독립형으로 연결된 일반 전기 및 전자 제어 또는 스위칭 회로에 사용되며 부하 전류는 일반적으로 최대 20+ 암페어의 암페어 미만입니다. 릴레이 회로는 전자 응용 분야에서 일반적입니다.

이름에서 알 수 있듯이 전기 기계 계전기는 계전기 단자에 걸쳐 AC 또는 DC의 저전압 전기 제어 신호를 적용하여 생성된 자속을 계전기 내의 전기 접점을 작동시키는 당기는 기계적 힘으로 변환하는 전자기 장치입니다 . . 전기 기계 계전기의 가장 일반적인 형태는 투자성 철심 주위에 감겨 있는 "1차 회로"라고 불리는 에너지 공급 코일로 구성됩니다.

이 철심에는 요크라고 하는 고정 부분과 전기자라고 하는 움직이는 스프링 장착 부분이 모두 있어 고정된 전기 코일과 가동 전기자 사이의 공극을 막아 자기장 회로를 완성합니다. 전기자는 힌지 또는 회전식으로 되어 있어 생성된 자기장 내에서 자유롭게 움직일 수 있어 연결된 전기 접점을 닫습니다. 요크와 전기자 사이에는 일반적으로 릴레이 코일이 "전원 차단" 상태, 즉 "OFF" 상태일 때 접점을 초기 정지 위치로 "재설정"하기 위한 복귀 스트로크용 스프링(또는 스프링)이 연결됩니다.

전자기계 릴레이 구성

위의 간단한 릴레이에는 두 세트의 전기 전도성 접점이 있습니다. 릴레이는 "정상 개방" 또는 "정상 폐쇄"일 수 있습니다. 한 쌍의 접점은 정상 개방(NO) 또는 접점 으로 분류되고 다른 쌍은 정상 폐쇄(NC) 또는 차단 접점으로 분류됩니다. 상시 개방 위치에서는 계자 전류가 "ON"이고 스위치 접점이 유도 코일 쪽으로 당겨지는 경우에만 접점이 닫힙니다.

일반적으로 닫힌 위치에서는 스위치 접점이 정상 위치로 돌아가기 때문에 계자 전류가 "OFF"일 때 접점이 영구적으로 닫힙니다. 상시 열림, 상시 닫힘 또는 연결 및 차단 접점 이라는 용어는 릴레이 코일에 전원이 공급되지 않을 때, 즉 릴레이 코일에 공급 전압이 연결되지 않았을 때 전기 접점의 상태를 나타냅니다. 접점 요소는 단일 또는 이중 개폐 설계로 구성될 수 있습니다. 이 배열의 예가 아래에 나와 있습니다.

 

릴레이 접점은 스위치처럼 서로 접촉하여 회로를 완성하고 회로 전류가 흐르도록 하는 전기 전도성 금속 조각입니다. 접점이 열리면 접점 사이의 저항이 메가옴에서 매우 높아 개방 회로 상태가 되고 회로 전류가 흐르지 않습니다.

접점이 닫힐 때 접점 저항은 0, 즉 단락이어야 하지만 항상 그런 것은 아닙니다. 모든 릴레이 접점은 닫힐 때 일정량의 "접점 저항"을 가지며 이를 FET와 마찬가지로 "온 저항"이라고 합니다.

새 릴레이와 접점을 사용하면 팁이 새롭고 깨끗하기 때문에 이 ON 저항은 일반적으로 0.2Ω 미만으로 매우 작지만 시간이 지남에 따라 팁 저항이 증가합니다.

예를 들어. 접점이 10A의 부하 전류를 전달하는 경우 옴의 법칙을 사용하는 접점의 전압 강하는 0.2 x 10 = 2V입니다. 공급 전압이 12V라면 부하 전압은 10V(12V)에 불과합니다. – 2). 접점 팁이 마모되기 시작하고 높은 유도성 또는 용량성 부하로부터 적절하게 보호되지 않으면 릴레이 코일이 열릴 때 접점이 열리기 시작할 때 회로 전류가 여전히 흐르기를 원하기 때문에 아크 손상 징후가 나타나기 시작합니다. 전원이 차단되었습니다.

접점 전반에 걸쳐 이러한 아크 또는 스파크가 발생하면 접점 팁이 손상됨에 따라 팁의 접촉 저항이 더욱 증가하게 됩니다. 계속 허용하면 접촉 팁이 너무 타서 물리적으로 닫혀 있지만 전류가 전혀 흐르지 않거나 거의 흐르지 않을 정도로 손상될 수 있습니다.

이러한 아크 손상이 심해지면 결국 접점이 함께 "용접"되어 단락 상태가 발생하고 제어 중인 회로가 손상될 수 있습니다. 이제 1Ω의 아크로 인해 접촉 저항이 증가한 경우 동일한 부하 전류에 대한 접점 양단의 전압 강하는 1 x 10 = 10V DC로 증가합니다. 접점 전체에 걸친 이러한 높은 전압 강하는 특히 12V 또는 심지어 24V에서 작동하는 경우 부하 회로에 허용되지 않을 수 있으며, 결함이 있는 릴레이를 교체해야 합니다.

접점 아크 및 높은 "온 저항"의 영향을 줄이기 위해 최신 접점 팁은 다양한 은 기반 합금으로 제작되거나 코팅되어 다음 표에 나와 있는 것처럼 수명을 연장합니다.

전기 릴레이 접점 팁 재료

• Ag(순은)
  • 1. 전기 전도성과 열 전도성은 모든 금속 중에서 가장 높습니다.
  • 2. 접촉 저항이 낮고 가격이 저렴하여 널리 사용됩니다.
  • 3. 접점은 황화 영향으로 인해 쉽게 변색됩니다.
• AgCu(은동)
  • 1. "하드 실버" 접점으로 알려져 있으며 내마모성이 우수하고 아크 및 용접 경향이 적지만 접점 저항이 약간 높습니다.
• AgCdO(은 카드뮴 산화물)
  • 1. 아크 및 용접 경향이 거의 없으며 내마모성과 아크 소화 특성이 우수합니다.
• AgW(은텅스텐)
  • 1. 경도와 융점이 높고 내아크성이 우수합니다.
  • 2. 귀금속이 아닙니다.
  • 3. 저항을 줄이기 위해서는 높은 접촉 압력이 필요합니다.
  • 4. 접촉저항이 상대적으로 높고, 내식성이 떨어진다.
• AgNi(은니켈)
  • 1. 은의 전기 전도성과 동일하며 내아크성이 우수합니다.
• AgPd(은팔라듐)
  • 1. 접촉 마모가 적고 경도가 높습니다.
  • 2. 비싸다.
• 백금, 금, 은 합금
  • 1. 내식성이 우수하여 주로 저전류 회로에 사용됩니다.

계전기 제조업체 데이터 시트는 저항성 DC 부하에 대해서만 최대 접점 정격을 제공하며 이 정격은 AC 부하나 높은 유도성 또는 용량성 부하에 대해 크게 감소됩니다. 유도성 또는 용량성 부하로 교류를 전환할 때 긴 수명과 높은 신뢰성을 달성하려면 릴레이 접점 전반에 걸쳐 일정한 형태의 아크 억제 또는 필터링이 필요합니다.

RC 스너버 네트워크 라고 하는 저항-커패시터 네트워크를 전기 릴레이 접점 팁 과 전기적으로 병렬로 연결하면 릴레이 팁이 열릴 때 생성되는 아크의 양을 줄여 릴레이 팁의 수명을 연장할 수 있습니다 . 접점이 열리는 순간에 발생하는 전압 피크는 RC 네트워크에 의해 안전하게 단락되어 접점 팁에서 생성되는 아크를 억제합니다. 예를 들어.

전기 릴레이 스너버 회로

전기 릴레이 접점 유형.

릴레이 접점 연결 방법을 설명하는 데 사용되는 정상 열림 (NO) 및 정상 닫힘 (NC) 에 대한 표준 설명뿐만 아니라 릴레이 접점 배열도 해당 동작에 따라 분류될 수 있습니다. 전기 계전기는 하나 이상의 개별 스위치 접점으로 구성될 수 있으며 각 "접점"은 "극"이라고 합니다. 이러한 접점 또는 극 각각은 릴레이 코일에 전원을 공급하여 함께 연결되거나 " 연결 "될 수 있으며 이는 다음과 같은 접점 유형에 대한 설명을 제공합니다.

• SPST – 단극 단투
• SPDT – 단극 쌍투형
• DPST - 쌍극 단투(Double Pole Single Throw)
• DPDT – 쌍극 쌍투(Double Pole Double Throw)

접점의 동작은 " Make "( M ) 또는 " Break "( B )로 설명됩니다. 그러면 위와 같이 한 세트의 접점이 있는 간단한 릴레이는 다음과 같은 접점 설명을 가질 수 있습니다.

“단극 쌍투 – (만들기 전 브레이크)” 또는 SPDT – (BM)

회로 또는 회로도에서 릴레이를 식별하기 위해 전기 릴레이 접점 유형에 사용되는 보다 일반적인 다이어그램의 예가 아래에 나와 있지만 더 많은 가능한 구성이 있습니다.

전기 릴레이 접점 구성

• 어디:
• C는 공통 터미널입니다.
• NO는 일반적으로 열려 있는 접점입니다.
• NC는 일반적으로 닫혀 있는 접점입니다.

전기 기계식 계전기는 접점 또는 스위칭 요소의 조합과 단일 계전기 내에 결합된 접점 수로도 표시됩니다. 예를 들어, 릴레이의 전원이 차단된 위치에서 일반적으로 열려 있는 접점을 "Form A 접점" 또는 접점이라고 합니다. 반면에 릴레이의 전원이 차단된 위치에서 일반적으로 닫혀 있는 접점을 "Form B 접점" 또는 차단 접점이라고 합니다.

접점 요소의 메이크 및 브레이크 세트가 동시에 존재하여 두 접점이 전기적으로 연결되어 공통 지점(3개의 연결로 식별)을 생성하는 경우 접점 세트를 "Form C 접점"이라고 합니다. 또는 전환 연락처. 투입 접점과 차단 접점 사이에 전기적 연결이 존재하지 않는 경우 이를 이중 전환 접점이라고 합니다.

전기 계전기 사용에 관해 기억해야 할 마지막 사항입니다. 더 높은 부하 전류를 처리하기 위해 릴레이 접점을 병렬로 연결하는 것은 전혀 권장되지 않습니다. 예를 들어, 각각 5A 접점 정격을 갖는 두 개의 릴레이 접점을 병렬로 사용하여 10A 부하를 공급하려고 시도하지 마십시오. 기계적으로 작동되는 릴레이 접점은 정확히 동일한 순간에 닫히거나 열리지 않습니다. 결과적으로 접점 중 하나는 항상 짧은 순간이라도 과부하가 발생하여 시간이 지남에 따라 릴레이의 조기 고장이 발생합니다.

또한 전기 계전기를 사용하면 저전력 전자 또는 컴퓨터 유형 회로가 상대적으로 높은 전류 또는 전압을 "ON" 또는 "OFF"로 전환할 수 있습니다. 고전압 AC(240v) 및 저전압 DC(12v)와 같이 동일한 릴레이 내의 인접한 접점을 통해 서로 다른 부하 전압을 혼합하지 마십시오. 안전을 위해 항상 별도의 릴레이를 사용하십시오.

전기 계전기의 가장 중요한 부분 중 하나는 코일입니다. 이는 전류를 릴레이 접점을 기계적으로 작동하는 데 사용되는 전자기속으로 변환합니다. 릴레이 코일의 주요 문제점은 와이어 코일로 만들어지기 때문에 "유도성이 높은 부하"라는 것입니다. 모든 와이어 코일은 저항( R  )과 인덕턴스(  L  )가 직렬 로 구성된 임피던스 값을 갖습니다  (LR 직렬 회로).

전류가 코일을 통해 흐를 때 자기 유도 자기장이 코일 주위에 생성됩니다. 코일의 전류가 "OFF"되면 코일 내에서 자속이 붕괴되면서 큰 역기전력(back emf) 전압이 생성됩니다(변압기 이론). 이러한 유도된 역전압 값은 스위칭 전압에 비해 매우 높을 수 있으며, 릴레이 코일을 작동시키는 데 사용되는 트랜지스터, FET 또는 마이크로 컨트롤러와 같은 모든 반도체 장치를 손상시킬 수 있습니다.

트랜지스터나 스위칭 반도체 장치의 손상을 방지하는 한 가지 방법은 릴레이 코일 전체에 역방향 바이어스 다이오드를 연결하는 것입니다.

코일을 통해 흐르는 전류가 "OFF"로 전환되면 코일에서 자속이 붕괴되면서 유도 역기전력이 생성됩니다.

이 역방향 전압은 저장된 에너지를 전도하고 소산시키는 다이오드를 순방향 바이어스하여 반도체 트랜지스터의 손상을 방지합니다.

이러한 유형의 애플리케이션에 사용되는 다이오드는 일반적으로 플라이휠 다이오드 , 프리휠링 다이오드 , 심지어 플라이백 다이오드로 알려져 있지만 모두 같은 의미입니다. 보호를 위해 플라이휠 다이오드가 필요한 다른 유형의 유도 부하에는 솔레노이드, 모터 및 유도 코일이 있습니다.

반도체 부품 보호를 위해 플라이휠 다이오드를 사용하는 것 외에도 보호에 사용되는 다른 장치로는 RC 스너버 네트워크 , 금속 산화물 배리스터 또는 MOV 및 제너 다이오드 가 있습니다 .

솔리드 스테이트 릴레이.

전기 기계 계전기 (EMR)는 저렴하고 사용하기 쉬우며 저전력, 전기적으로 절연된 입력 신호로 제어되는 부하 회로의 스위칭을 허용하지만 전기 기계 계전기의 주요 단점 중 하나는 "기계 장치"라는 점입니다. 즉, 움직이는 부분이 있어서 자기장을 이용한 금속 접점의 물리적인 움직임으로 인한 스위칭 속도(응답 시간)가 느립니다.

시간이 지남에 따라 이러한 움직이는 부품은 마모되어 고장이 나거나 지속적인 아크 및 침식을 통한 접촉 저항으로 인해 계전기를 사용할 수 없게 되고 수명이 단축될 수 있습니다. 또한 접점 바운스가 발생하여 접점이 연결된 모든 전자 회로에 영향을 미칠 수 있어 전기적으로 잡음이 많습니다.

전기 릴레이의 이러한 단점을 극복하기 위해 솔리드 스테이트 릴레이 ( SSR )라고 하는 또 다른 유형의 릴레이가 개발되었습니다. 이는 솔리드 스테이트 비접촉식 순수 전자 릴레이입니다.

순수 전자 장치인 무접점 계전기에는 기계적 접점이 전력 트랜지스터, 사이리스터 또는 트라이액으로 대체되었으므로 설계 내에서 움직이는 부품이 없습니다. 입력 제어 신호와 출력 부하 전압 사이의 전기적 분리는 광 커플러 유형의 광 센서를 사용하여 수행됩니다.

무 접점 계전기는 기존 전기 기계 계전기에 비해 훨씬 빠르고 거의 즉각적인 응답 시간과 함께 높은 수준의 신뢰성, 긴 수명 및 감소된 전자기 간섭(EMI)(아킹 접점 또는 자기장 없음)을 제공합니다.

또한 솔리드 스테이트 릴레이의 입력 제어 전력 요구 사항은 일반적으로 추가 버퍼, 드라이버 또는 증폭기 없이도 대부분의 IC 로직 제품군과 호환될 수 있을 만큼 충분히 낮습니다. 그러나 반도체 장치이기 때문에 출력 스위칭 반도체 장치가 과열되는 것을 방지하려면 적절한 방열판에 장착해야 합니다.

솔리드 스테이트 릴레이

AC 유형의 무접점 계전기는 AC 정현파 파형의 제로 교차점에서 "ON"되어 유도성 또는 용량성 부하를 전환할 때 높은 돌입 전류를 방지하는 동시에 사이리스터 및 트라이액의 고유한 "OFF" 기능은 아크 접점에 대한 개선을 제공합니다. 전자기계 릴레이 중 하나입니다.

전기 기계 계전기와 마찬가지로 RC(저항기-커패시터) 스너버 네트워크는 일반적으로 높은 유도성 또는 용량성 부하를 전환하는 데 사용될 때 반도체 출력 스위칭 장치를 잡음 및 전압 과도 스파이크로부터 보호하기 위해 SSR의 출력 단자 전체에 필요합니다. 대부분의 최신 SSR에서 이 RC 스너버 네트워크는 릴레이 자체에 표준으로 구축되어 추가 외부 구성 요소의 필요성을 줄입니다.

영점 교차 감지 스위칭(즉시 "ON") 유형 SSR은 콘서트, 쇼, 디스코 조명 등에서 조명의 조도 조절 또는 페이딩과 같은 위상 제어 응용 분야나 모터 속도 제어 유형 응용 분야에도 사용할 수 있습니다.

무접점 계전기의 출력 스위칭 장치는 반도체 장치(DC 스위칭 애플리케이션용 트랜지스터 또는 AC 스위칭용 트라이악/사이리스터 조합)이므로 "ON"일 때 SSR 출력 단자의 전압 강하는 스위칭 장치보다 훨씬 높습니다. 전기 기계식 계전기의 전압은 일반적으로 1.5 – 2.0V입니다. 오랜 시간 동안 큰 전류를 전환하는 경우 추가 방열판이 필요합니다.

입/출력 인터페이스 모듈.

입/출력 인터페이스 모듈 (I/O 모듈)은 컴퓨터, 마이크로 컨트롤러 또는 PIC를 "실제" 부하 및 스위치에 인터페이스하도록 특별히 설계된 또 다른 유형의 솔리드 스테이트 릴레이입니다. 사용할 수 있는 I/O 모듈에는 네 가지 기본 유형이 있습니다. AC 또는 DC 입력 전압은 TTL 또는 CMOS 로직 레벨 출력에, TTL 또는 CMOS 로직 입력은 AC 또는 DC 출력 전압으로 각 모듈에는 완전한 기능을 제공하는 데 필요한 모든 회로가 포함되어 있습니다. 하나의 작은 장치 내에서 인터페이스 및 격리가 가능합니다. 개별 솔리드 스테이트 모듈로 사용 가능하거나 4, 8 또는 16채널 장치에 통합되어 있습니다.

모듈형 입출력 인터페이스 시스템.

등가 전력량 전기 기계 계전기에 비해 SSR(무접점 계전기)의 주요 단점은 비용이 더 높다는 점, SPST(단극 단투) 유형만 사용할 수 있다는 점, "OFF" 상태 누설 전류가 스위칭을 통해 흐른다는 점입니다. 장치, 높은 "ON" 상태 전압 강하 및 전력 손실로 인해 추가적인 방열판 요구 사항이 발생합니다. 또한 이러한 유형의 애플리케이션에 특수 솔리드 스테이트 스위치를 사용할 수 있더라도 매우 작은 부하 전류나 오디오 또는 비디오 신호와 같은 고주파 신호를 전환할 수 없습니다.

전기 계전기 에 대한 이 튜토리얼에서는 물리적 프로세스를 제어하기 위해 출력 장치(액추에이터)로 사용할 수 있는 전기 기계 계전기와 무접점 계전기를 모두 살펴보았습니다. 다음 튜토리얼에서는 액추에이터 라고 불리는 출력 장치 , 특히 전자기를 사용하여 작은 전기 신호를 해당 물리적 ​​움직임으로 변환하는 출력 장치를 계속해서 살펴보겠습니다. 출력 장치를 솔레노이드라고 합니다.