DC 제어 릴레이 및 콘택터에 펄스 폭 변조(PWM) 구동 방식을 적용하면 에너지를 절약할 수 있습니다. 이 간단한 기법을 통해 릴레이의 소비 전력을 손쉽게 절반으로 줄일 수 있습니다. 이 글에서는 릴레이에 대해 간략히 소개한 후, 그림 1과 같이 아두이노 나노 에브리와 같은 마이크로컨트롤러를 사용해 PWM 구동 신호를 구현하는 방법을 보여줍니다.
그림 1: 아두이노 나노 에브리 마이크로컨트롤러, MOSFET 드라이버 및 릴레이가 브레드보드에 장착되어 있으며, 그 뒤로 Digilent Analog Discovery가 보입니다.
릴레이 이론에 대한 검토
릴레이는 전기기계식 소자입니다. 내부에 큰 전자석이 있어 자기장을 생성하고, 이 자기장이 전기자(armature)를 움직이면 결과적으로 개별 접점도 움직이게 됩니다. 이 전자석은 코일 형태의 인덕터로 전원이 차단될 때 발생하는 유도성 역전압(inductive kickback)을 포함한 모든 관련 특성을 가지고 있습니다. RL 시정수의 영향을 받으며 수식은 다음과 같습니다:
\tau = \dfrac{L}{R}
이 시정수는 릴레이의 근본적인 특성이자 에너지 절약형 PWM 기법의 핵심 요소입니다. 시정수는 전기자를 초기 작동시키고 위치를 유지하는 데 필요한 파형을 결정하기 때문에 이를 이해해야만 합니다.
본격적으로 시작하기에 앞서, 릴레이 내 자기장 특성을 설명하고 시정수와 릴레이 작동 시간 간의 관계를 설명하는 다음 글들을 살펴보면 도움이 될 것입니다.
릴레이 사양에 대한 검토
일반적인 릴레이 규격서에는 PWM 기법에 활용할 수 있는 다양한 정보가 포함되어 있습니다. 이번 예시에서는 그림 1에 보이는 CIT Relay & Switch의 J104D2C12VDC.20S를 중심으로 설명하며, 관련된 정적인 사양은 다음과 같습니다:
- 12 VDC 코일, 200 mW, 720 Ω
- 9.00 VDC 동작 전압 (정격 전압의 75%)
- 1.2 VDC 복귀 전압 (정격 전압의 10%)
- “정격 코일 전압보다 낮은 전압을 사용할 경우 릴레이의 동작이 보장되지 않을 수 있습니다.”
안타깝게도 규격서에는 접점이 닫히는 동적인 속도가 명시되어 있지 않습니다. 그러나 이는 실험에 의해 쉽게 확인할 수 있습니다. 그림 2에서, 주황색의 마이크로컨트롤러 명령 신호와 소형 션트 저항을 통해 측정한 파란색의 릴레이 구동 전류를 볼 수 있습니다. 전류는 약 8 ms에서 정상 상태(완전히 켜진 상태)에 도달합니다. 5.5 ms에서 전류가 일시적으로 감소하는 현상은 전기자가 움직이면서 공극(air gap)이 줄어들어 자기 특성이 변화하기 때문입니다.
기술 팁: PWM 기법을 릴레이에 적용할 때 정적(static)과 동적(dynamic)이라는 용어의 구분은 매우 중요합니다. 정적이라는 것은 움직이지 않는 상태를, 동적이라는 것은 움직이는 상태를 의미합니다. 예를 들어, 정적인 12 VDC 코일 사양뿐만 아니라 전력, 전류 및 코일 저항은 회로 이론 수업에서 배운 기본적인 옴의 법칙을 통해 쉽게 계산할 수 있습니다. 반면 초기 전류 변화와 같은 동적인 관계는 별도의 주의가 필요합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 전류는 8 ms에서 10 ms 사이의 짧은 구간을 제외하고는 항상 변화하는 동적인 특성을 가집니다. 릴레이의 기계적인 닫힘 시간 역시 이러한 동적 관계의 일부로 간주되며, 이 닫힘 시간은 LR 시정수에 의해 결정됩니다.
릴레이 동작 및 복귀 전압 사양의 중요성
규격서의 사양에서 초기 동작 전압과 복귀 전압이 크게 다르다는 점을 확인할 수 있습니다. 이는 릴레이의 자기 구조 내 공극을 고려한다면 당연한 일입니다. 초기 전원이 공급되지 않은 릴레이의 공극은 커서, 전기자 스프링을 끌어당기기 위해서는 상당한 자기장 세기(더 높은 전류)가 필요합니다. 그러나 일단 전기자가 닫힘 위치에 도달하면 공극은 줄어들어 거의 없어져, 이 위치에 전기자를 유지하는 데에는 훨씬 적은 자기장이 필요합니다. 이러한 유지력 감소가 릴레이 PWM 기법의 핵심입니다.
그림 2: 마이크로컨트롤러의 PWM 신호(주황색)와 릴레이 드라이버 전류(파란색: 10으로 나눈 값)를 보여주는 Digilent Analog Discovery 파형. 10 ms의 턴온 시간 뒤에 PWM 신호가 이어짐.
기술 팁: 그림 2를 자세히 살펴보면 릴레이 전류를 직접 측정한 것이 아님을 알 수 있습니다. 실제로는 릴레이와 플라이백 다이오드에 공급되는 전류를 측정하고 있습니다. 회로 이론에 따르면, 인덕터의 전류는 순간적으로 변하지 않습니다. 대신, 시간에 따라 누적된 전류를 다루고 있으며, 이는 커패시터가 전압을 시간에 따라 적분하는 것과 유사합니다. 실제 릴레이 전류는 PWM 충전 사이클 사이를 감소하는 기울기의 전류로 채우고 있을 것입니다.
PWM 릴레이 구동의 2단계 절차 설명
PWM 기반 에너지 절약 기법은 두 단계로 이루어집니다. 이 방법은 릴레이의 동작 및 복귀 사양 간의 차이와 직접적으로 관련이 있습니다. 단계는 다음과 같습니다:
-
동작: 첫 번째 단계는 정격 전압을 사용하여 릴레이를 작동시키는 것입니다. 최대 전력이 인가되면, 릴레이는 그림 2의 처음 6 ms 구간에서 볼 수 있듯이 빠르게 닫힙니다. 전류가 정상 상태에 도달하면 다음 단계로 넘어갈 수 있습니다. 그림 2에서 이 정상 상태 전류는 대략 16 mA로, 12 VDC / 720 Ω로 계산됩니다.
-
유지: 이 단계에서 릴레이를 PWM합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 PWM 듀티 사이클은 50%입니다. 이전 기술 팁에서 설명했듯이, 이 파형은 릴레이 전류를 직접 측정한 것이 아닙니다. 대신, 그림 2는 전원 공급 장치에서 릴레이로 공급되는 전류를 보여줍니다. 그에 따라, 공급 전류가 정상 상태에 비해 상당히 감소한 것을 확인할 수 있습니다. 이 펄스 신호에 의해 공급되는 실제 RMS 전류는 여러분이 직접 계산해 보시기 바랍니다.
PWM 기법의 장점과 문제점
PWM 기법의 가장 큰 장점은 에너지 소비 절감입니다. 이번 예시에서 볼 수 있듯이, 50% 듀티 사이클로 전류를 줄임으로써 코일에서 소모되는 에너지를 상당히 감소시켰습니다. 추가 실험을 통해 듀티 사이클을 더 낮추면 더 큰 에너지 절감 효과를 얻을 수 있을 것입니다.
그러나 이러한 에너지 소비 절감은 몇 가지 단점도 있습니다:
-
릴레이 동작 성능 저하: 규격서를 자세히 보면, 최소 유지 전압이 아닌 "복귀 전압"이 명시되어 있습니다. 이 둘은 동일한 개념이 아닙니다. 듀티 사이클을 줄일 수는 있겠지만, 어느 지점에서는 릴레이가 닫힌 상태를 유지하지 못할 수 있습니다. 특히 진동이 있는 환경에서는 문제가 더 쉽게 발생합니다.
-
전자파 간섭(EMI): 전기적인 간섭은 두 가지 형태로 나타납니다:
-
국부 간섭(Local Interference): PWM 신호가 스위칭되는 신호에 간섭을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 고차 고조파 성분을 포함하는 PWM 코일 구동 신호는 아날로그 소신호에 간섭을 유발할 수 있습니다.
-
방사 간섭(Radiated Interference): PWM 구동 신호와 그 고조파가 PCB로부터 방사되어 주변 장치에 간섭을 유발할 수 있습니다.
-
기술 팁: 시정수를 조정하면 릴레이의 닫힘 시간을 줄일 수 있습니다. 시정수의 수식은 \tau = L/R 입니다. 인덕턴스를 바꿀 수 없기에, 저항 R을 늘리면 닫힘 시간이 줄어들 것입니다. 앞서 언급한 릴레이 닫힘 시간 관련 글에서는 이를 L/2R 또는 L/4R로 설명하였으며, 숫자는 저항의 배수를 의미합니다. 저항을 4배로 늘리면 인덕턴스로 인한 닫힘 시간을 4배 줄일 수 있습니다. 단점은 전압도 4배로 높여야 한다는 점입니다.
릴레이 PWM 구동 신호의 아두이노 마이크로컨트롤러 코드 구현
PWM 릴레이 제어를 위한 아두이노 코드는 아래와 같습니다. 이 코드는 그림 1에 있는 두 개의 릴레이를 제어하여 500 ms마다 한 번씩 켜지거나 꺼지는 동작을 수행합니다. 코드 자체는 비교적 단순합니다. 처음 10 ms 동안 digitalWrite()를 실행한 뒤, 릴레이가 활성화된 나머지 시간 동안 analogWrite()를 실행합니다. 이 10 ms의 시간은 릴레이를 완전히 닫힌 상태로 만들어 전류가 안정적인 상태에 도달하게 됩니다. 이후 PWM 신호를 활성화하여 릴레이를 닫힌 상태로 유지합니다.
#define RELAY_1_PIN 3
#define RELAY_2_PIN 5
void setup() {
pinMode(RELAY_1_PIN, OUTPUT);
pinMode(RELAY_2_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(RELAY_1_PIN, HIGH);
delay(10);
analogWrite(RELAY_1_PIN, 128);
delay(450);
digitalWrite(RELAY_2_PIN, HIGH);
delay(10);
analogWrite(RELAY_2_PIN, 128);
delay(450);
digitalWrite(RELAY_1_PIN, LOW);
delay(500);
digitalWrite(RELAY_2_PIN, LOW);
delay(500);
}
결론
이러한 2단계 릴레이 구동 기법은 마이크로컨트롤러 코드 몇 줄만으로 간단히 구현할 수 있습니다. 이미 사용 중인 릴레이 구동 하드웨어에서도 동작할 가능성이 큽니다. 이 기법을 한 번 직접 시도해 보시기를 바랍니다. 또한 이 글의 마지막에 있는 질문들과 사고력 문제들에 대한 답변도 찾아보시길 바랍니다.
감사합니다,
APDahlen
Industrial Control and Automation Index로 돌아가기.
저자 소개
미합중국 해안경비대(USCG) 소령(LCDR)으로 전역한 Aaron Dahlen은 디지키에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있습니다. 27년간의 군 복무 동안 기술자 및 엔지니어로서 쌓아온 그 만의 전자 및 자동화에 대한 지식은 12년간의 교단을 통해 (상호 연계되어) 더욱 향상되었습니다. 미네소타 주립대학, Mankato에서 전기공학 석사(MSEE) 학위를 받은 Dahlen은 ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology, 미국 공학 기술 인증 위원회) 공인 전기공학 과정을 가르치고, EET(Electrical Engineering Technology, 전기공학 기술) 과정의 프로그램 조정관으로 일했으며, 군 전자 기술자에게 부품 수준의 수리에 대해 가르쳤습니다. 미네소타 주 북부의 집으로 돌아와 이런 류의 연구와 글쓰기를 즐기고 있습니다.
질문
-
PWM 기법에 필요한 두 단계를 설명해 보세요.
-
그림 2의 활성 시간이 10 ms에서 3 ms으로 줄어든다면 어떤 일이 발생할까요?
-
듀티 사이클이 특정 임계값 이하로 줄어들 경우 "릴레이 동작 성능이 저하된다"라는 것은 무엇을 의미하나요?
-
릴레이 플라이백 다이오드란 무엇이며, 이 기법에서 왜 필요한지 설명해 보세요.
-
그림 2는 MOSFET 드라이버 관점에서의 전류를 보여줍니다. 릴레이 코일 관점에서의 전류로 바꿔 설명해 보세요.
-
PWM 듀티 사이클의 하한을 결정하는 요인은 무엇일까요?
-
릴레이의 동작 전압과 유지 전압은 공극과 어떤 관계가 있나요? 일반적인 영구자석을 예로 들어 설명해 보세요.
-
선택한 릴레이에 대해 L/4R 회로의 회로도를 그려 보세요. 이때 다양한 저항과 동작 전압을 반드시 포함해야 합니다.
-
앞 문제에서 구성한 회로의 전력 손실을 계산해 보세요.
-
릴레이와 관련하여 정적 및 동적이라는 용어를 설명해 보세요.
사고력 문제
릴레이 규격서를 찾아 각 사양이 정적인지 동적인지 구분해보세요.
-
그림 2의 전류 파형에서 발생하는 일시적 감소의 원인은 무엇인가요? 접은 종이를 사용해 이 가정을 어떻게 증명할 수 있을까요?
-
"블로킹 코드"란 무엇인가요? 이 글에서 제시된 코드를 어떻게 “논블로킹 코드”로 개선할 수 있을까요?
-
TVS 다이오드는 릴레이의 차단 속도를 높이는 데 사용될 수 있습니다. 이 기법에서도 사용할 수 있을까요?
-
PWM 신호와 관련된 EMI를 최소화하기 위해 어떤 예방 조치를 취할 수 있을까요?
-
그림 2는 전원 공급 장치 관점에서의 전류를 보여줍니다. PWM 신호에 대한 RMS 전류를 계산하고, 릴레이가 전체 시간의 25% 동안 활성화된다고 가정했을 때 20년 제품 수명 동안의 에너지 절약량을 계산해보세요.
영문 원본: Enhancing Energy Efficiency Using PWM Drive for DC Relays