섹션:
- 릴레이 코일 서지의 기본 사항
- 범용 다이오드를 사용한 억제
- 제너 다이오드 추가
- 코일 서지 흡수 기능이 내장된 릴레이
- 배리스터 및 CR(Capacitor/Resistor) 회로
- 요약
릴레이 코일 서지의 기본 사항
많은 기본적인 릴레이 회로에서, 릴레이 코일에 인가된 전압이 해제될 때 손상이 발생할 수 있습니다. 전원 공급이 차단되면, 코일(인덕터)에 저장된 에너지는 극성이 반전되어 에너지를 소산할(전류가 흐를) 경로를 찾게 됩니다. 이 시간 동안, 크고 어쩌면 위험할 수 있는 전압 전위가 부품 접합부에 형성됩니다.
이 전압은 소스에 따라 역기전력(Back ElectroMotive Force(Back-EMF, BEMF), Counter ElectroMotive Force(CEMF)), 플라이백 전압(flyback voltage) 등으로 불릴 수 있습니다. 릴레이에 관한 한, 이 용어들은 동일한 현상을 나타냅니다. 이 전압은 일반적으로 V = -L(di/dt) 로 표현됩니다. 이 전압 스파이크는 인접한 부품을 손상시키거나 파괴할 수 있으며 주변의 마이크로컨트롤러나 다른 신호를 방해할 수 있는 전기적 잡음이 유도될 수도 있습니다. 취약한 부분이 있을 경우 어떤 유형의 억제책이라도 적용되어야 합니다.
V = -L(di/dt) 또는 e = -L(di/dt), 억제가 전혀 가해지지 않은 이 유도 전압의 시각적인 표현이 아래에 나와 있습니다.
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범용 다이오드를 사용한 억제
릴레이 코일의 역기전력(BEMF)을 억제하는 일반적인 해결책은 범용 다이오드를 션트로서의 역할을 할 수 있도록 코일의 양단에 연결하는 것입니다. 정상 릴레이 동작 중에는 다이오드가 전압원을 차단하도록 되어 있지만, 릴레이의 전원이 해제되면 극성이 반전된 유도 플라이백 전압을 전도하도록 되어 있기도 합니다. 이 부품에는 여러 다른 이름이 있을 수 있지만, 이 기본 용도로 사용되는 경우라면 기능은 동일합니다. 문서에서는 이들을 플라이백 다이오드, 환류 다이오드(freewheeling diode), 스너버 다이오드(snubber diode), 억제 다이오드(suppressor diode), 클램프 다이오드(clamp diode) 또는 캐치 다이오드(catch diode)로 설명할 수 있습니다.
이 간단한 회로의 예가 아래에 나와 있습니다.
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앞 글은 억제 다이오드를 추가함으로써 보다 자주 발생할 수 있는 접점 융착(contact sticking)을 설명하고 있습니다. 다이오드가 릴리즈 시간(release time)에 미치는 영향을 추정하기 위해 계산을 할 수도 있지만, 최소 요구 사양을 결정하기 위해 여러 부품을 테스트해보는 것도 마찬가지로 효과적입니다. 이 게시글에서는 현장에서의 적용(DIY)과 제조업체 권장사항 모두에 공통적인 일반적 방식만 살펴보겠습니다.
다이오드 선택에 "일반적 방식"이라는 문구를 사용하는 것은 일종의 면책이자 이유가 있습니다. 개별 회로, 비용 및/또는 이용 가능성, 오차 범위 등에 따른 옵션이 너무나도 많습니다. 이들 중 어느 것도 틀린 것은 아니지만, 어느 것도 정확한 과학은 아닙니다. 그들은 단순히 실용적입니다. 아래에 다양한 옵션이 설명되어 있습니다.
우선, 일부 문서 및 전자부품 포럼에서 권장하는 하한 값은 전압원(릴레이 코일 전압)과 정격 전류(릴레이 코일 전류)입니다. Digi-Key 부품 번호 Z6256-ND (제조업체 부품 번호 LY1N-DC24)를 예로 들어, 코일 전압은 24VDC이며 코일 전류는 36.9mA임을 확인할 수 있습니다. 이 두 가지 특정 값은 항상 제조업체의 문서에서 확인할 수 있어야 합니다. 다음은 LY 시리즈의 규격서입니다: 여기를 클릭하십시오.
이 값들을 다이오드 선택에 적용한다면, 다이오드 - 정류기 - 단일 카테고리 내에서 ‘전압 - DC 역방향(Vr)(최대)’ 및 '전류 - 평균 정류(Io)'라는 필터를 사용하십시오. 선택을 간소화하려면, '다이오드 유형’에서 “표준” 및 "쇼트키"만 선택하십시오.
다이오드 전압 레벨을 코일 전압의 2배에서 3배로 올리는 권장안이 보다 보편적입니다. 말 그대로, 앞서 언급한 예제 부품 번호인 Z6256-ND (제조업체 부품 번호 LY1N-DC24)에서는 48VDC에서 72VDC가 될 것입니다. 권장되는 순방향 전류 값은 여전히 "적어도 부하 전류(코일 전류)만큼 커야 한다"고 명시되어 있으므로 더 높은 값은 허용됩니다. 일부 자료에서는 올바른 다이오드 전압 레벨로 심지어 10배를 권하기도 하지만, 이는 논란의 여지가 있거나 특정 용도에 적용되는 것입니다.
해당 자료가 특정 제조업체 자료인 경우 해당 업체만의 가이드라인이 있을 수 있습니다. 하지만, 이 마저도 정확한 계산에 근거하지는 않습니다. 오차 범위를 크게 가져가는 "안전 수칙"이라고 하면 가장 적절할 것입니다.
Panasonic은 ‘Relay Technical Information’ 가이드에 아래와 같은 기본 정보를 제공합니다.
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이 게시글에서 마지막으로 권하고 싶은 것은 자주 볼 수 있는 것으로 다이오드 전압 레벨이 50VDC인 1N4001에서부터 1000VDC인 1N4007까지 있는 1N400x 표준 다이오드를 사용해 설계하는 것입니다. 역기전력 억제를 위해, 서로 다른 제조업체 간의 작은 전기적 사양의 차이는 무시할 수 있습니다.
1N400x 설계를 사용하는 이유는 간단하고 실용적입니다. 많은 릴레이의 경우 50VDC, 1A 다이오드로도 충분히 보호가 될 것입니다. 1000VDC, 1A 버전은 높은 전류를 흘리지 않을 대부분의 DC 릴레이에 적용될 수 있을 것입니다. 1N400x 설계는 또한 매우 보편적이고, (재고가 있어서)손쉽게 구할 수 있으며, 저렴합니다. 많은 전기제품 DIY 고객은 이런 1N400x 제품 중 일부를 가지고 있을 것이므로 신속하고 임시적인 릴레이 억제책을 위해 사양의 계산과 추가 부품 구매를 고려할 필요가 없습니다.
단일 다이오드 제품을 찾으시려면 다음 링크를 사용하십시오: 여기를 클릭하십시오.
목록에서 1N400x 제품을 찾으려면, '결과 내 검색’에 1N400을 입력하고 엔터를 누릅니다 (또는 돋보기 아이콘을 클릭합니다).
제너 다이오드 추가
앞서 ‘범용 다이오드’ 부분에서 설명한 바와 같이, 억제 다이오드의 추가로 릴레이 접점의 릴리즈 시간이 늘어날 수 있습니다. 이로 인해 릴레이에 손상을 주어 릴레이 수명을 단축시킬 수 있습니다. 한 가지 해결책은 표준 다이오드에 직렬로 제너 다이오드를 추가하는 것입니다. 많은 포럼과 제조업체 문서에서는 코일 전압 수치에 가까운 제너 전압을 권장합니다.
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범용 다이오드 하나만 사용함으로써 느려질 수 있는 릴레이의 스위칭 속도를 제너 다이오드가 향상시킵니다. 앞서의 작동/릴리즈 그래프와 비교하여, 표준 다이오드와 제너 다이오드가 직렬로 함께 사용된 아래 그래프에서의 릴리즈 시간 차이에 주목하십시오.
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제너 다이오드 제품을 찾으시려면 다음 링크를 사용하십시오: 여기를 클릭하십시오
'전압 - 제너(공칭)(Vz)'라는 이름의 필터를 찾아보십시오.
트랜지스터로 구성된 회로에서는 트래지스터 양단에 제너 다이오드를 추가하는 옵션도 있습니다. 이 경우, 제너 전압은 트랜지스터의 Vce(콜렉터-에미터 접합 간 전압)보다 약간 작아야 합니다. 일반적으로 안전한 전력 정격을 위해서는, 코일 전력 수치의 두 배인 mW(또는 W) 수치를 선택하십시오.
코일 서지 흡수 기능이 내장된 릴레이
릴레이를 아직 구입하지 않았거나 회로 설계에 적용하지 않았다면, 서지 억제 기능이 내장된 릴레이를 구입할 기회입니다. 이 기능으로 시제품에 추가 부품을 포함시켜야 한다 거나 적용을 하는게 이로울 수 있는 곳에 나중에 추가할 필요가 없어집니다.다이오드, 배리스터 또는 CR(capacitor/resistor) 회로를 포함하고 있을 수 있습니다(아래 사진 이후의 배리스터와 CR 회로에 관한 글을 참조하십시오).
다만, 릴레이 내부의 다이오드가 고장나면 문제가 발생할 수 있습니다. 대부분의 제조업체들은 고객이 향후에 수리할 수도 있다는 생각으로 릴레이를 만들지는 않기 때문에 내부 서지 억제 부품이 고장나면 릴레이 전체를 교체해야 할 수 있습니다. 제조업체에서는 내부 서지 억제 부품의 사양을 공개하지 않을 수도 있기 때문에 아무리 의욕이 넘치고 숙련된 DIY인이라도 일치하는 부품을 찾을 때면 어려운 업무가 될 것입니다. 이 내장된 억제 기능은 Digi-Key의 필터 옵션 또는 제조업체의 모델 번호 구조 정보에서 찾을 수 있습니다. 이러한 옵션(다이오드, 배리스터 또는 RC(CR 동일) 회로)을 찾기 위해서는 Digi-Key의 ‘특징’ 필터를 사용하십시오.
제품 색인 > 계전기 > 신호 계전기, 최대 2A 여기를 클릭하십시오
제품 색인 > 계전기 > 전력 계전기, 2A 이상 여기를 클릭하십시오
제조업체 규격서에 억제 기능이 내장된 모델 번호가 나와있을 수 있습니다. 이 모델 번호로 Digi-Key에 기재된 제품 기능을 확인하는 데 사용하거나 Digi-Key 웹사이트에서 제품 코드를 검색하는 데 사용할 수 있습니다. Digi-Key에 특정 모델이 없다면, Digi-Key에서 가격, 리드 타임 그리고 최소 주문 수량에 대한 견적을 제조업체에 요청할 수도 있을 것입니다.
아래는 앞서 언급한 Omron LY 시리즈의 다이오드 및 CR 회로 옵션을 보여주는 예시입니다.
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아래는 MKS 시리즈 규격서에서 발췌한 또 다른 예시입니다.
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배리스터 및 CR(Capacitor/Resistor) 회로
이 억제 옵션이 본 게시글에서 자세하게 다뤄지지는 않았지만, AC 및 DC 릴레이 모두에 유용합니다. 의심스러운 사양이 있다면, 각 제조업체의 문서에 나와 있는 권장 사항을 찾아보시기 바랍니다.
Panasonic의 ‘Relay Technical Information’ 문서는 앞서 소개된 다이오드와 다이오드+제너 그래프의 출처로, 배리스터와 CR 회로에 대한 내용도 다루고 있습니다: 여기를 클릭하십시오
요약
접점이 릴리즈되는 동안 부품의 손상을 방지하기 위해서는 릴레이 코일 서지 억제 기능이 필요할 수 있습니다. 범용 다이오드는 쉽고 저렴한 해결책이 될 수 있지만, 릴리즈 시간이 느려져 문제를 유발할 수도 있습니다. 제너 다이오드를 추가하면 릴리즈 속도를 개선할 수 있지만, 부품이 추가됨으로 인해 대규모 생산 시 비용이 증가합니다. 배리스터와 CR 회로 또한 AC 및 DC 릴레이 제품에 모두 사용될 수 있습니다.
대부분의 경우 많은 일반적이고 저렴한 제품들이 저 전압/전류 릴레이의 요구 사항을 충족하거나 초과하기 때문에 다이오드 사양에 대한 정확한 계산이 필요하지는 않습니다. 절대적으로 필요한 경우 계산을 할 수 있지만, 부품 수준의 코일 서지 억제 필요성 또는 그 값을 판단함에 있어 샘플 테스트와 성능 관찰도 마찬가지로 유용합니다.