릴레이 스위치 회로

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릴레이 스위치 회로

릴레이는 전자석을 사용하여 한 쌍의 이동 가능한 접점을 열린 위치에서 닫힌 위치로 작동시키는 전기 기계 장치입니다.

릴레이의 장점은 릴레이 코일을 작동하는 데 상대적으로 적은 양의 전력이 필요하다는 것입니다. 그러나 릴레이 스위치 회로는 모터, 히터, 램프 또는 AC 회로를 제어하는 ​​데 사용될 수 있으며 그 자체로 훨씬 더 많은 전압, 전류 및 그에 따른 전력을 끌어올 수 있습니다.

전기 기계 계전기는 다양한 모양, 크기 및 디자인으로 제공되는 출력 장치(액추에이터)이며 전자 회로에서 다양한 용도와 응용 분야를 갖습니다. 그러나 전기 릴레이를 사용하면 저전력 전자 또는 컴퓨터 유형 회로가 상대적으로 높은 전류 또는 전압을 "ON" 또는 "OFF"로 전환할 수 있지만 이를 제어하려면 특정 형태의 릴레이 스위치 회로가 필요합니다.

릴레이 스위칭 회로의 설계와 유형은 엄청나지만 많은 소규모 전자 프로젝트에서는 트랜지스터와 MOSFET을 주요 스위칭 장치로 사용합니다. 트랜지스터는 다양한 입력 소스에서 릴레이 코일의 빠른 DC 스위칭(ON-OFF) 제어를 제공할 수 있기 때문입니다. 다음은 릴레이를 전환하는 보다 일반적인 방법 중 일부를 모아놓은 것입니다.

NPN 릴레이 스위치 회로

일반적인 릴레이 스위치 회로에는 입력 전압 레벨에 따라 표시된 것처럼 NPN 트랜지스터 스위치 TR1 에 의해 구동되는 코일이 있습니다. 트랜지스터의 기본 전압이 0(또는 음수)이면 트랜지스터가 차단되고 개방 스위치 역할을 합니다. 이 조건에서는 콜렉터 전류가 흐르지 않고 릴레이 코일의 전원이 차단됩니다. 전류 장치이므로 베이스에 전류가 흐르지 않으면 릴레이 코일을 통해 전류가 흐르지 않습니다.

 

NPN 트랜지스터를 포화시키기 위해 충분히 큰 양의 전류가 이제 베이스로 구동되면 베이스에서 이미터( B 에서 E )로 흐르는 전류는 트랜지스터를 통해 컬렉터에서 이미터로 흐르는 더 큰 릴레이 코일 전류를 제어합니다.

대부분의 바이폴라 스위칭 트랜지스터의 경우 컬렉터로 흐르는 릴레이 코일 전류의 양은 트랜지스터를 포화 상태로 만드는 데 필요한 베이스 전류의 50~800배 정도입니다.  표시된 범용 BC109의 전류 이득 또는 베타 값(  β )은 일반적으로 2mA에서 약 290입니다(데이터시트).

NPN 릴레이 스위치 회로

 

릴레이 코일은 전자석일 뿐만 아니라 인덕터이기도 합니다. 트랜지스터의 스위칭 동작으로 인해 코일에 전원이 인가되면 옴의 법칙( I = V/R ) 에 의해 정의된 코일의 DC 저항으로 인해 최대 전류가 흐릅니다 . 이 전기 에너지 중 일부는 릴레이 코일의 자기장 내에 저장됩니다.

트랜지스터가 "OFF"되면 릴레이 코일을 통해 흐르는 전류가 감소하고 자기장이 붕괴됩니다. 그러나 자기장 내에 저장된 에너지는 어느 곳으로 이동해야 하며 릴레이 코일의 전류를 유지하려고 할 때 코일 전체에 역전압이 발생합니다. 이 동작은 릴레이 코일 전체에 고전압 스파이크를 생성하여 축적이 허용되면 스위칭 NPN 트랜지스터를 손상시킬 수 있습니다.

따라서 반도체 트랜지스터의 손상을 방지하기 위해 프리휠링 다이오드라고도 알려진 "플라이휠 다이오드"가 릴레이 코일에 연결됩니다. 이 플라이휠 다이오드는 코일 전체의 역전압을 약 0.7V로 고정하여 저장된 에너지를 소산하고 스위칭 트랜지스터를 보호합니다. 플라이휠 다이오드는 공급이 극성 DC 전압인 경우에만 적용 가능합니다. AC 코일에는 다른 보호 방법이 필요하며 이를 위해 RC 스너버 회로가 사용됩니다.

NPN 달링턴 릴레이 스위치 회로

이전 NPN 트랜지스터 릴레이 스위치 회로는 LED 및 소형 릴레이와 같은 소형 부하를 전환하는 데 이상적입니다. 그러나 때로는 BC109 범용 트랜지스터의 범위를 넘어서는 더 큰 릴레이 코일 또는 전류를 전환해야 하며 이는 달링턴 트랜지스터를 사용하여 달성할 수 있습니다.

단일 스위칭 트랜지스터 대신 달링턴 트랜지스터 쌍을 사용하면 릴레이 스위치 회로의 감도와 전류 이득을 크게 높일 수 있습니다. 달링턴 트랜지스터 쌍은 표시된 대로 개별적으로 연결된 2개의 양극성 트랜지스터로 만들 수 있거나 표준(베이스, 이미터 및 컬렉터 연결 리드)이 있는 하나의 단일 장치로 사용할 수 있습니다.

2개의 NPN 트랜지스터는 도시된 바와 같이 연결되어 제1 트랜지스터( TR1) 의 콜렉터 전류가 제2 트랜지스터 (TR2) 의 베이스 전류가 된다 . TR1 에 양의 베이스 전류를 인가하면 스위칭 트랜지스터 TR2가 자동으로 "ON"됩니다 .

NPN 달링턴 구성

 

두 개의 개별 트랜지스터가 달링턴 스위칭 쌍으로 구성된 경우 일반적으로 작은 값 저항기(100~1,000Ω)가 주 스위칭 트랜지스터 TR2 의 베이스와 이미터 사이에 배치되어 완전히 꺼지도록 합니다. 플라이휠 다이오드는 릴레이 코일의 전원이 차단될 때 생성되는 역기전력으로부터 TR2를 보호하는 데 사용됩니다.

이미터 팔로워 릴레이 스위치 회로

릴레이 스위치 회로의 표준 공통 이미터 구성뿐만 아니라 릴레이 코일을 트랜지스터의 이미터 단자에 연결하여 이미터 팔로워 회로를 형성할 수도 있습니다. 입력 신호는 베이스에 직접 연결되고 출력은 그림과 같이 이미터 부하에서 가져옵니다.

 

이미터 팔로워 릴레이 스위치 회로

 

공통 컬렉터 또는 이미터 팔로어 구성은 수십만 옴 영역의 매우 높은 입력 임피던스와 릴레이 코일을 전환하기 위한 상대적으로 낮은 출력 임피던스를 갖기 때문에 임피던스 매칭 애플리케이션에 매우 유용합니다. 이전 NPN 릴레이 스위치 회로와 마찬가지로 트랜지스터 베이스에 양의 전류를 가하여 스위칭이 발생합니다.

이미터 달링턴 릴레이 스위치 회로

이것은 이전 Emitter Follower 회로의 달링턴 트랜지스터 버전입니다. TR1 에 적용된 매우 작은 양의 베이스 전류는 두 베타 값의 곱으로 인해 훨씬 ​​더 큰 콜렉터 전류가 TR2를 통해 흐르게 합니다 .

이미터 달링턴 구성

 

공통 이미터 달링턴 릴레이 스위치 회로는 전압 이득이 거의 1과 같은 전류 이득과 전력 이득을 제공하는 데 유용합니다. 이 유형의 이미터 팔로어 회로의 또 다른 중요한 특징은 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮다는 것입니다. 이는 대형 릴레이 코일과의 임피던스 매칭에 이상적입니다.

PNP 릴레이 스위치 회로

NPN 바이폴라 트랜지스터를 사용하여 릴레이 코일 및 기타 부하를 전환할 뿐만 아니라 PNP 바이폴라 트랜지스터를 사용하여 전환할 수도 있습니다. PNP 릴레이 스위치 회로는 릴레이 코일을 제어하는 ​​기능 측면에서 NPN 릴레이 스위치 회로와 다르지 않습니다. 그러나 작동 전압의 다른 극성이 필요합니다. 예를 들어 PNP 유형의 경우 컬렉터-이미터 전압 Vce가 음수여야 이미터에서 컬렉터로 전류 흐름이 발생합니다.

PNP 트랜지스터 구성

 

PNP 트랜지스터 회로는 NPN 릴레이 스위칭 회로와 반대로 작동합니다. 베이스가 이미터보다 더 음의 전압으로 순방향 바이어스될 때 부하 전류는 이미터에서 컬렉터로 흐릅니다. 릴레이 부하 전류가 이미터를 통해 컬렉터로 흐르려면 베이스와 컬렉터가 모두 이미터에 대해 음수여야 합니다.

즉, Vin 이 HIGH일 때 PNP 트랜지스터는 "OFF"로 전환되고 릴레이 코일도 마찬가지입니다. Vin 이 LOW 이면 기본 전압은 이미터 전압보다 낮고(더 음수) PNP 트랜지스터가 "ON"됩니다. 베이스 저항 값은 릴레이 코일을 구동하는 콜렉터 전류를 설정하는 베이스 전류를 설정합니다.

PNP 트랜지스터 스위치는 스위칭 신호가 NPN 트랜지스터에 대해 반대일 때, 예를 들어 CMOS NAND 게이트 또는 기타 논리 장치의 출력일 때 사용될 수 있습니다. CMOS 로직 출력은 로직 0에서 PNP 트랜지스터를 "ON"으로 전환하기에 충분한 전류를 싱크할 수 있는 구동 강도를 갖습니다. 그러면 전류 싱크는 PNP 트랜지스터와 반대 극성의 전원 공급 장치를 사용하여 전류 소스로 바뀔 수 있습니다.

PNP 콜렉터 릴레이 스위치 회로

이 회로의 동작은 이전의 릴레이 스위칭 회로와 동일하다. 이 릴레이 스위치 회로에서 릴레이 부하가 PNP 트랜지스터 컬렉터에 연결되었습니다. 트랜지스터와 코일의 ON-OFF 스위칭 동작은 Vin 이 LOW일 때 트랜지스터가 "ON"되고 Vin 이 HIGH일 때 트랜지스터가 "OFF"될 때 발생합니다.

PNP 수집기 구성

 

우리는 NPN 바이폴라 트랜지스터나 PNP 바이폴라 트랜지스터가 릴레이 스위칭을 위한 스위치나 다른 부하로 작동할 수 있다는 것을 확인했습니다. 그러나 전류가 두 가지 다른 방향으로 흐르기 때문에 이해해야 할 두 가지 다른 조건이 있습니다.

따라서 NPN 트랜지스터에서는 Emitter에 대한 HIGH 전압이 Base에 적용되고 Collector에서 Emitter로 전류가 흐르고 NPN 트랜지스터는 "ON"으로 전환됩니다. PNP 트랜지스터의 경우 Emitter에 대한 LOW 전압이 Base에 인가되고 Emitter에서 Collector로 전류가 흐르며 PNP 트랜지스터는 "ON"됩니다.

N채널 MOSFET 릴레이 스위치 회로

MOSFET 릴레이 스위칭 작동은 위에서 본 BJT(양극성 접합 트랜지스터) 스위치 작동과 매우 유사하며 이전 회로는 모두 MOSFET을 사용하여 구현할 수 있습니다. 그러나 MOSFET 회로의 작동에는 몇 가지 주요 차이점이 있습니다. 주된 차이점은 MOSFET이 전압으로 작동되는 장치이고 게이트가 드레인-소스 채널과 전기적으로 절연되어 있으므로 입력 임피던스가 매우 높아 게이트 전류가 MOSFET의 경우 0이므로 기본 저항이 필요하지 않습니다.

MOSFET은 처음에는 채널이 닫혀 있고 트랜지스터는 "OFF" 상태인 전도성 채널을 통해 전도됩니다. 이 채널은 Gate 단자에 인가되는 전압이 천천히 증가함에 따라 전도성 폭이 점차 증가합니다. 즉, 트랜지스터는 게이트 전압이 증가함에 따라 채널을 강화하여 작동하므로 이러한 유형의 MOSFET을 강화 MOSFET 또는 E-MOSFET이라고 합니다.

NMOS(N채널 강화 MOSFET)는 게이트 단자의 양 전압이 MOSFET을 "ON"으로 전환하고 게이트의 0 또는 음 전압이 이를 "OFF"로 전환하므로 가장 일반적으로 사용되는 MOSFET 유형으로, MOSFET 계전기로 이상적입니다. 스위치. PNP BJT처럼 반대 전압에서 작동하는 보완 P 채널 강화 MOSFET도 사용할 수 있습니다.

N채널 MOSFET 구성

 

위의 MOSFET 릴레이 스위치 회로는 공통 소스 구성으로 연결됩니다. 0 전압 입력, LOW 조건, V GS 값에서는 채널을 열 수 있는 게이트 드라이브가 충분하지 않으며 트랜지스터는 "OFF"입니다. 그러나 V GS 가 MOSFET의 낮은 임계 전압 V T 이상으로 증가하면 채널이 열리고 전류가 흐르며 릴레이 코일이 작동됩니다.

그런 다음 강화 모드 MOSFET은 상시 개방형 스위치로 작동하므로 계전기와 같은 소형 부하를 전환하는 데 이상적입니다. E형 MOSFET은 "OFF" 저항은 높지만 "ON" 저항은 적당하므로(대부분의 응용 분야에 적합) 특정 스위칭 응용 분야에 대해 하나를 선택할 때 R DS 값을 고려해야 합니다.

P-채널 MOSFET 릴레이 스위치 회로

PMOS(P채널 강화 MOSFET)는 음의 게이트 전압으로만 작동한다는 점을 제외하면 N채널 강화 MOSFET과 동일하게 구성됩니다. 즉, P 채널 MOSFET은 동일한 방식으로 작동하지만 그림과 같이 순방향 바이어스를 통해 트랜지스터를 "ON"시키려면 게이트가 소스보다 더 음수여야 하므로 반대 극성으로 작동합니다.

P-채널 MOSFET 릴레이 스위치 회로

 

이 구성에서 P 채널 소스 터미널은 +Vdd 에 연결되고 드레인 터미널은 릴레이 코일을 통해 접지에 연결됩니다. 게이트에 높은 전압 레벨이 적용되면 P 채널 MOSFET이 "OFF"됩니다. "OFF"된 E-MOSFET은 매우 높은 채널 저항을 가지며 거의 개방 회로처럼 작동합니다.

LOW 전압 레벨이 게이트에 적용되면 P 채널 MOSFET이 "ON"으로 전환됩니다. 이로 인해 릴레이 코일을 작동하는 e-MOSFET 채널의 낮은 저항 경로를 통해 전류가 흐르게 됩니다. N채널 및 P채널 e-MOSFET은 모두 뛰어난 저전압 릴레이 스위칭 회로를 구성하며 다양한 디지털 로직 게이트 및 마이크로 프로세서 애플리케이션에 쉽게 인터페이스할 수 있습니다.

논리 제어 릴레이 스위치 회로

N채널 강화형 MOSFET은 "OFF" 상태(게이트 바이어스 없음)에서 채널의 저항이 매우 높아 전류 흐름을 차단하므로 트랜지스터 스위치로 매우 유용합니다. 그러나 고임피던스 게이트의 임계 전압 VT보다 큰 상대적으로 작은 양의 전압으로 인해 드레인 터미널에서 소스 터미널로 전류 전도가 시작됩니다.

"ON"으로 전환하기 위해 베이스 전류가 필요한 양극성 접합 트랜지스터와 달리 e-MOSFET는 절연 게이트 구조로 인해 게이트에 전압만 필요하므로 게이트로 전류가 흐르지 않습니다. 그러면 그림과 같이 N 채널 또는 P 채널 e-MOSFET이 일반적인 TTL 또는 CMOS 로직 게이트에 의해 직접 구동되는 데 이상적입니다.

논리 제어 릴레이 스위치 회로

 

여기서 N채널 E-MOSFET은 디지털 논리 게이트에 의해 구동됩니다. 대부분의 로직 게이트의 출력 핀은 제한된 양의 전류만 공급할 수 있으며 일반적으로 약 20mA를 넘지 않습니다. e-MOSFET은 전압으로 작동되는 장치이고 게이트 전류를 소비하지 않으므로 MOSFET 릴레이 스위치 회로를 사용하여 고전력 부하를 제어할 수 있습니다.

마이크로컨트롤러 릴레이 스위칭 회로

디지털 논리 게이트뿐만 아니라 마이크로 컨트롤러, PIC 및 프로세서의 출력 핀과 채널을 사용하여 외부 세계를 제어할 수도 있습니다. 아래 회로는 MOSFET 스위치를 사용하여 릴레이를 인터페이스하는 방법을 보여줍니다.

마이크로 컨트롤러 릴레이 스위치 회로

튜토리얼 요약

이 튜토리얼에서는 NPN 또는 PNP의 양극 접합 트랜지스터와 N 채널 또는 P 채널의 향상 MOSFET을 모두 트랜지스터 스위칭 회로로 사용할 수 있는 방법을 살펴보았습니다.

때로는 전자 또는 마이크로 컨트롤러 회로를 구축할 때 트랜지스터 스위치를 사용하여 모터, 램프, 발열체 또는 AC 회로와 같은 고전력 장치를 제어하고 싶을 때가 있습니다. 일반적으로 이러한 장치에는 단일 전력 트랜지스터가 처리할 수 있는 것보다 더 큰 전류 또는 더 높은 전압이 필요하며 이를 위해 릴레이 스위칭 회로를 사용할 수 있습니다.

바이폴라 트랜지스터(BJT)는 매우 훌륭하고 저렴한 릴레이 스위칭 회로를 만들지만 BJT는 작은 베이스 전류를 더 큰 부하 전류로 변환하여 릴레이 코일에 전원을 공급하므로 전류로 작동되는 장치입니다.

그러나 MOSFET 스위치는 "ON" 상태가 되어 게이트 전압을 부하 전류로 변환하는 데 게이트 전류가 거의 필요하지 않기 때문에 전기 스위치로 이상적입니다. 따라서 MOSFET은 전압 제어 스위치로 작동할 수 있습니다.

많은 응용 분야에서 바이폴라 트랜지스터는 더 빠른 스위칭 동작, 훨씬 더 높은 입력 임피던스 및 더 적은 전력 소비를 제공하는 강화형 MOSFET으로 대체될 수 있습니다. 매우 높은 게이트 임피던스, "OFF" 상태에서 매우 낮은 전력 소비, 매우 빠른 스위칭 기능이 결합된 MOSFET은 많은 디지털 스위칭 애플리케이션에 적합합니다. 또한 게이트 전류가 0인 경우 스위칭 동작으로 인해 디지털 게이트 또는 마이크로 컨트롤러의 출력 회로에 과부하가 걸릴 수 없습니다.

그러나 E-MOSFET의 게이트는 나머지 구성 요소로부터 절연되어 있기 때문에 게이트의 얇은 산화물 층을 파괴할 수 있는 정전기에 특히 민감합니다. 그런 다음 부품을 취급할 때나 부품을 사용할 때 특히 주의해야 하며 e-MOSFET을 사용하는 모든 회로에는 정전기 및 전압 스파이크로부터 적절한 보호 기능이 포함되어 있는지 확인해야 합니다.

또한 BJT 또는 MOSFET의 추가 보호를 위해 항상 플라이휠 다이오드와 릴레이 코일을 사용하여 트랜지스터 스위칭 동작으로 생성된 역기전력을 안전하게 소멸시킵니다.