릴레이를 얼마나 빠르게 닫을 수 있을까요?
이 질문에는 너무 많은 요소가 관여하기 때문에 명확한 답을 내리기는 어렵습니다. 그러나, 릴레이의 동작과 물리적 특성에 대해 배울 수 있는 흥미로운 기회입니다. 여기에는 전기자 (armature)가 솔레노이드 코어에 물리적으로 접촉하는 과정에서의 자기적 특성 (인덕턴스), 접점 전환 시간, 접점 바운스(contact bounce), 그리고 공급 전압의 영향에 대한 고려가 포함됩니다. 릴레이의 동적 특성을 이해하면, 릴레이의 규격서를 더 잘 해석하고 다음 설계에서는 개선할 수 있을 것입니다.
릴레이 닫힘 시간을 측정하기 위한 테스트 회로
질문에 답하기 위해, 그림 1의 시험 구성과 그림 2의 회로도를 사용해 실험을 수행해 볼 수 있습니다. 이 시험 구성에는 대표적인 산업용 릴레이와 소켓, 회로도에 표시된 릴레이 드라이버, 그리고 드라이버의 온/오프 제어를 위한 아두이노 나노 에브리가 포함됩니다. 또한 Digilent Analog Discovery 3, 프로브 어댑터 및 10X 프로브를 사용해 신호를 기록합니다.
그림 1: 릴레이 작동 시간을 측정하기 위한 시험 구성.
릴레이 드라이버가 다소 과하게 설계된 것처럼 보일 수도 있습니다. 그러나, 릴레이에서 접지를 기준점으로 삼기 위해서는 고측 드라이버 Q2 (소싱(sourcing) 구성)가 필요합니다. 이렇게 하면 저항값이 작은 션트 저항 (R5)을 설치할 수 있습니다. 전류가 흐르면 저항에 작은 전압 강하가 발생하므로 접지 위치에 있는 이 저항을 통해 릴레이의 전류를 쉽게 측정할 수 있습니다.
회로의 나머지 부분은 레벨 시프트를 위한 트랜지스터 Q1과 상시 닫힘 (N.C.)과 상시 열림 (N.O.) 표시 LED를 통해 릴레이의 상태를 감지하는 용도입니다.
릴레이 코일 양단에 연결된 D1 플라이백 다이오드도 잊지 말아야 합니다. 이 다이오드는 릴레이가 비활성화될 때 트랜지스터 Q2를 보호하기 위해 필요합니다. 이 다이오드는 릴레이의 활성화에는 영향을 주지 않지만, 릴레이 해제에는 엄청난 영향을 미칩니다. 아마도 다음에는 릴레이가 열리는 데 걸리는 시간에 대한 질문을 다룰 수 있을 것입니다.
그림 2: 고측 PNP 릴레이 드라이버 (Q2)와 전류 션트 (R5)가 사용된 회로도.
실험 결과
그림 3에서 결과를 확인할 수 있으며, 측정 화면은 세 개 입니다.
- 상단: 주황색 트레이스 (CH1)는 Q2의 컬렉터에서 측정한 릴레이 구동 전압입니다. 파란색 트레이스 (CH 2)는 R5 션트 저항에서 측정한 릴레이 전류입니다.
- 중앙: 파란색 트레이스 (CH 2)는 릴레이의 상시 닫힘 (N.C.) 접점에서 측정한 전압입니다.
- 하단: 파란색 트레이스 (CH 2)는 릴레이의 상시 열림 (N.O.) 접점에서 측정한 전압입니다.
기술 팁: Digilent Analog Discovery 3는 듀얼 채널 오실로스코프처럼 동작하며, 10배 프로브를 장착하면 ±250 VDC까지 측정할 수 있습니다. 4채널 오실로스코프를 사용했다면 그림 3의 합성 화면을 하나의 캡쳐 화면으로 구성할 수 있었을 것입니다.
그림 3: 코일 전류, 상시 닫힘 및 상시 열림 접점의 파형을 포함한 릴레이의 구동 파형.
그림 3의 데이터를 기반으로 다음을 관찰할 수 있습니다:
- N.C. 접점이 토글되는 4.7 ms에서 전기자의 움직임이 처음으로 관찰됩니다.
- 4.7 ms에서 7.6 ms까지 2.9 ms의 접점 전환 시간이 있습니다. 이 “전환 시간” 동안 N.C.와 N.O. 접점 모두 회로에 연결되지 않습니다.
- N.O. 접점과의 첫 번째 접촉은 7.6 ms에서 발생합니다.
- 접점은 7.6 ms에서 8.8 ms까지 1.2 ms 동안 바운스 (bounce) 합니다.
이러한 접점 변화 외에도, 릴레이 전류가 일시적으로 감소하는데, 이는 전기자가 움직이면서 발생합니다. 아마도, 전기자의 철판이 코일의 금속 코어와 물리적으로 접촉하면서 릴레이의 인덕턴스가 변하기 때문일 것입니다. 코일 인덕턴스의 갑작스러운 변화가 릴레이 전류의 완만한 상승을 방해하였습니다. 이 현상은 전기자가 코일에 접촉한 상태를 유지하면 발생하지 않습니다.
릴레이의 닫힘 시간을 어떻게 줄일 수 있을까요?
릴레이의 닫힘 시간을 줄이기 위해 스텝 모터에서 사용하는 몇 가지 기법을 적용할 수 있습니다. 사실 문제의 본질은 동일합니다. 구체적으로는, 어떻게 인덕터에 전류를 강제로 흘릴 수 있는가입니다. 인덕터의 시정수 (\tau)는 다음과 같이 정의됩니다:
\tau = \dfrac{L}{R}
RL 시정수를 줄이기 위해 외부 저항을 사용하여 릴레이 닫힘 시간 줄이기
우리가 선택한 인덕터는 릴레이 또는 스테퍼 모터 코일로 인덕턴스값이 고정되어 있으며, 저항값도 고정되어 있습니다. 그러나, 외부에 저항을 추가하여 L/nR (n은 코일 저항값의 배수) 시스템을 구현함으로써 \tau 를 낮출 수 있습니다. 예를 들어, 직렬 저항을 2배로 늘리면 L/2R 시스템이 되어 \tau 는 절반으로 감소합니다. 마찬가지로, L/4R 시스템은 \tau 가 1/4로 감소합니다.
외부 저항 추가에 따른 단점은 더 높은 전압이 필요하고 전력을 추가로 소모한다는 것입니다. 위에 예를 든 24VDC 릴레이는 L/2R 시스템에서 48 VDC를, L/4R 시스템에서는 96 VDC를 필요로 합니다. 릴레이 전력도 각각 2배, 4배로 증가합니다.
고전압 펄스 폭 변조 (PWM) 드라이버를 사용하여 릴레이 닫힘 시간 줄이기
객관적으로 릴레이를 L/4R 시스템으로 구성하는 것은 미친 짓입니다. 반면, 96 VDC로 PWM 구동하는 것이 완전 불가능한 것은 아닙니다. 이 방식은 자기장이 빠르게 형성되도록 하며, 초기 고전압 펄스 이후에는 낮은 “유지” 전압으로 PWM을 조절할 수 있습니다.
시정수를 줄여 얻은 실험 결과
그러한 의미에서, L/2R 시스템에서 상황이 어떻게 개선되는지 살펴보겠습니다. 이번 실험을 위해 그림 2의 회로도와 같이 R4를 추가하고, 공급 전압도 48 VDC로 증가시키겠습니다. 결과는 그림 4와 같습니다.
그림 4: L/2R 환경에서 동작하는 릴레이의 구동 파형.
그림 3과 그림 4의 정상 상태 전류는 동일하다는 점에 주목하십시오. 전압을 두 배로 늘렸지만, R4 직렬 저항은 코일 저항과 거의 동일합니다. 따라서 두 저항은 전압을 균등하게 분배하는 형태가 됩니다.
그림 4에 표시된 결과는 그림 3보다 눈에 띄게 개선되었습니다. 가장 중요한 변화는 N.C. 접점을 변경하는 데 걸리는 시간으로, 4.7 ms에서 2.4 ms으로 줄었습니다. 이는 L/2R 계산에서 제시한 속도가 2배로 빨라지는 것과 일치합니다. 전환 시간은 약간 줄었고, 바운스 시간도 약간 개선되었지만 큰 의미는 없습니다. 이는 인덕턴스(자기장의 형성)가 릴레이 활성화의 제한 요소임을 시사합니다. 스프링 장력 및 금속 간 바운스의 물리적인 관계는 상대적으로 일정합니다.
다시 한번, 릴레이 전류의 일시적 감소에 주목하십시오. 이는 릴레이 코일에 금속 전기자 철판이 접근함에 따라 인덕턴스가 변화하기 때문입니다.
결론
이번 실험은 정말 재미있었습니다!
인덕턴스와 릴레이 동작에 대해 새로운 것을 배우셨나요?
더 중요한 것은, 이제 릴레이의 규격서를 더 잘 읽고 이해할 수 있게 되셨기를 바랍니다.
여러분의 의견과 제안은 언제나 환영합니다.
감사합니다,
APDahlen
추신: 이 글에 대한 연재로 "열리는데 걸리는 시간"에 대한 후속 글이 게시되었습니다.
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.