이전 게시글에서는 릴레이를 닫는 데 걸리는 시간을 측정하여 릴레이의 특성을 살펴보았습니다. 이번 게시글에서는 릴레이를 여는 데 걸리는 시간을 측정하여 상반된 질문에 답해 보겠습니다. 두 질문 사이의 많은 유사점과 함께 몇 가지 예상치 못한 놀라운 점도 발견할 수 있을 것입니다.
이전 게시글을 아직 읽어보지 않았다면 꼭 읽어보시기 바랍니다. 특히 시정수와 L/nR 표기의 의미에 대한 내용을 주의 깊게 살펴보십시오.
테스트 회로
테스트 절차는 이전 게시글에서 사용한 것과 거의 동일합니다. 그림 1은 재사용 하였습니다. 테스트 회로에는 대표적인 산업용 릴레이와 소켓, 그림 2에 표시된 릴레이 드라이버, 그리고 드라이버를 토글하기 위한 아두이노 나노 에브리가 포함됩니다. 또한 Digilent Analog Discovery 3와 프로브 BNC 어댑터가 사용됩니다. 10배 프로브를 통해 Analog Discovery는 최대 ±250VDC의 전압을 측정할 수 있습니다.
고측 드라이버와 R4의 위치를 약간 수정하였습니다. 원래의 MPSA56를 전압이 더 높은 주)2N5401로 교체하였습니다. 릴레이가 비활성화될 때 더 높은 전압이 발생하기 때문에 필요한 부분입니다. R4 저항은 플라이백 다이오드 D1과 직렬로 연결되도록 이동하였습니다.
주) 2N5401은 단종이므로 실험을 따라하신다면 2N5401YBU의 사용이 권장됩니다.
기술 팁: 이러한 고전압 상황에서 1N4001 다이오드를 사용하는 것에 대해 의문을 제기할 수도 있습니다. 어쨌든, 릴레이 K1의 유도성 역전압 (inductive kickback)은 거의 100 볼트를 발생시킵니다. 그러나 릴레이가 비활성화되는 동안 약 0.7 VDC의 다이오드 전압 강하만 발생하므로, 이러한 상황에서 1N4001 다이오드는 스트레스를 받지 않습니다. 순방향, 즉 릴레이가 활성화된 상태에서는 24 VDC가 인가됩니다. 예상되는 전압과 전류는 1N4001 다이오드의 설계 최대치 내에 있습니다.
유도성 역전압과 플라이백 다이오드
에너지는 인덕터의 자기장에 저장됩니다. 트랜지스터 Q2를 끄면, 자기장이 붕괴하면서 K1 코일 양단에 전압 스파이크가 발생합니다. 릴레이를, 더 정확히는 릴레이 내부의 인덕터를 의인화한다면, 인덕터는 트랜지스터 Q2가 꺼지기 전후로 전류를 일정하게 유지하려고 애쓴다고 표현할 수 있습니다.
인덕터의 “전류를 일정하게 유지하려는” 특성이 전압을 발생시킵니다. 이 전압을 억제하지 않으면, 전류를 유지하기 위해 수백 볼트에서 천 볼트 이상까지 상승할 수 있습니다. 이러한 과도한 전압을 클램핑하지 않으면 트랜지스터 Q2를 파괴시킬 것입니다.
릴레이 구동에 고측 드라이버 (Q2)를 사용하고 있다는 점을 상기하고, 이 전압 스파이크의 극성을 잠시 살펴보시기 바랍니다. 많은 독자들은 저측 NPN 트랜지스터로 릴레이를 구동한 그들의 이전 실험을 바탕으로 양 전압의 스파이크를 예상할 것입니다. 그러나 이 예제에서는 그렇지 않습니다. 대신, Q2가 꺼지면 Q2의 컬렉터에서 측정되는 전압은 24 VDC에서 음의 전압으로 즉시 변합니다. 이 스파이크의 크기는 R4의 저항값과 다이오드 D1의 순방향 도통에 의해서만 제한됩니다. 그림 2의 회로도를 검토하여 Q2의 컬렉터가 음전압이 되면 다이오드 D1은 순방향 바이어스되는 것을 이해해 보시기 바랍니다.
그림 1: 릴레이 작동 시간을 측정하기 위한 시험 구성.
그림 2: 고측 PNP 릴레이 드라이버 (Q2)와 전류 션트 (R5)가 사용된 회로도.
R4를 쇼트시킨 결과
대부분의 시스템은 저항 R4를 빼는 대신, 플라이백 다이오드를 릴레이 코일에 직접 병렬로 연결합니다. 이러한 구성은 매우 일반적이어서, 이번 실험에 사용된 산업용 릴레이와 같은 제품들은 그림 3에 나와 있는 다이오드 모듈을 옵션으로 포함할 수도 있습니다.
그림 3: 이번 실험에 사용된 Finder 브랜드의 플라이백 다이오드 및 LED 표시 모듈.
이 병렬 다이오드는 효과적이며 비교적 간단하게 사용할 수 있습니다. 그러나 안타깝게도 릴레이는 천천히 열리게 됩니다. 이는 이전 게시글에서 언급한 시정수와 관련이 있습니다:
\tau = \dfrac{L}{R}
여기서 L은 릴레이 코일의 인덕턴스이며, R은 릴레이 내부 저항입니다. 원래의 구동 전압 (이 실험에서는 24 VDC)에 비교하면, 다이오드는 사실상 단락에 가깝습니다.
학교에서 배웠던 커패시터 방전 회로를 떠올려 보십시오. 저장된 에너지가 저항을 통해 소모되는 초기 조건이 주어진 과도 응답 문제들과 다르지 않습니다. 에너지는 인덕터의 자기장에 저장되어 있습니다. 전원이 차단되면 릴레이 단자들은 단락되어, 모든 에너지는 인덕터 내부 저항에서 소모되고 아주 작은 양만 다이오드에서 소모됩니다.
그림 4에서 결과를 확인할 수 있으며, 측정 화면은 3개 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. 이 N.C. 접점은 다시 닫힘 상태로 전환되고 있습니다.
- 하단: 파란색 트레이스 (CH 2)는 릴레이의 상시 열림 (N.O.) 접점에서 측정한 전압입니다. 현재 우리는 릴레이의 전원을 차단하고 있다는 점을 기억하십시오. N.O. 접점은 다시 열림 상태로 전환되고 있습니다.
그림 4: 코일 전류, 상시 닫힘 및 상시 열림 접점의 파형을 포함한 릴레이의 비활성화 파형.
그림 4의 데이터를 기반으로 다음을 관찰할 수 있습니다:
- N.O. 접점이 토글되는 8.0 ms에서 전기자의 움직임이 처음으로 관찰됩니다.
- 8.0 ms에서 9.5 ms까지 1.5 ms의 접점 전환 시간이 있습니다. 이 “전환 시간” 동안 N.O.와 N.C. 접점 모두 회로에 연결되지 않습니다.
- N.C. 접점과의 첫 번째 접촉은 9.5 ms에서 발생합니다.
- 접점은 9.5 ms에서 14.0 ms까지 4.5 ms 동안 바운스 (bounce) 합니다.
이전 게시글에서 언급한 전류의 흔들림도 여전히 존재합니다. 접점 전환 시간 동안의 이러한 변화는, 전기자의 금속판이 인덕터의 금속 코어로부터 멀어지면서 인덕턴스가 변하기 때문일 것입니다.
이전 게시글과 비교해보면, 병렬 플라이백 다이오드가 있는 릴레이는 다소 느리게 열리는 것을 알 수 있습니다. 이 L/R 시스템의 릴레이는 8.0ms에서 비활성화가 시작되어 마지막 바운스가 종료되는 14 ms에서 닫힙니다.
열리는 속도 증가시키기
시정수를 변경함으로써 릴레이의 속도를 증가시킬 수 있습니다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 플라이백 다이오드에 저항을 직렬로 추가하는 것입니다. 이 동작을 이해하기 위해서는 릴레이 구동 회로와 릴레이 해제 회로를 서로 독립적으로 고려해야 합니다. 이 구간별 동작은 고측 드라이버 Q2가 수행하는 스위칭 동작과 플라이백 다이오드 D1의 동작을 포함합니다. 이들은 서로 독립적이며 동시에 동작하지 않습니다. 릴레이가 Q2에 의해 전원이 공급될 때 플라이백 다이오드는 동작하지 않습니다. 마찬가지로, 자기장이 붕괴되어 D1이 순방향 바이어스될 때 Q2는 구동되지 않습니다.
릴레이 코일의 저항은 약 1 kΩ입니다. L/2R 시스템을 구성하기 위해 D1과 직렬로 동일한 1 kΩ 저항을 추가하겠습니다. 그림 5에서 시험 결과를 확인하실 수 있습니다:
그림 5: L/2R 환경에서 동작하는 릴레이의 비활성화 파형.
그림 5는 릴레이 비활성화의 첫 징후가 N.O. 접점이 열리는 5.2 ms에서 발생하는 것을 보여줍니다. 이는 대략 2배가 안되는 속도 증가입니다. 닫힘과 열림 시간 간의 L/2R 시스템에 따른 이 눈에 띄는 속도 차이에 대해 추측해 볼 수 있습니다. 아마도 전기자가 코어에 붙으면서 자성체가 추가되고 그로 인해 인덕턴스를 변화시키기 어려운 것과 관련이 있을 것입니다. 아마도 (자성체가 적어) 부담이 없는 닫힘 과정의 코어는, 철 전기자가 자기력으로 부착되어 부담이 큰 코일이 자기장을 붕괴시키는 것보다 더 빠르게 자기장을 형성할 수 있을 것입니다.
이는 나중에 탐구해 볼 가설입니다. 어떻게 생각하시나요?
기타 관찰 사항으로는, 접점 변환 시간이 약간 감소하고 바운스 시간은 소폭 증가하였습니다. 그러나 릴레이가 꺼질 때 Q2의 컬렉터 전압은 약 -20 VDC로 급격하게 변화하였습니다. 이는 트랜지스터 양단에 50 VDC의 전압 강하가 발생한 것과 비슷하며, 선택한 2N5401 트랜지스터의 V_{CE} 정격 내에 있습니다.
플라이백 다이오드 경로에 직렬 저항을 추가해서 이 과정을 더 수행해 볼 수 있습니다. 그림 6은 저항 R4를 6.6 kΩ으로 변경했을 때의 결과를 보여줍니다. 이제 첫 번째 변화가 관찰되는 시간은 2.4 ms입니다. 그 대가로 Q2의 V_{CE} 전압이 크게 증가하였습니다. 트랜지스터는 이제 -100 V 스파이크와 24 VDC 전원 간의 차이를 견뎌야 하며, 이는 트랜지스터의 V_{CE} 설계 최대 전압에 근접합니다. 다시 말해, 접점 전환 시간은 약간 줄었지만 접점 바운스에는 뚜렷한 변화가 없습니다.
그림 6: L/8R 환경에서 동작하는 릴레이의 비활성화 파형.
교훈
우리가 스스로를 궁지에 몰아넣은 걸까요?
엔지니어들의 집단적 지성은 릴레이를 더 빠르게 비활성화하는 것이 바람직한 목표라고 말합니다. 잠정적 이론은 코일 에너지를 소비하면 접점을 더 빠르게 움직일 수 있다는 것입니다. 부하가 걸린 상태에서 접점이 열리면 아크가 자연스럽게 발생하며, 접점이 빠르게 움직일수록 이 아크를 빠르게 소멸시킬 수 있어서 릴레이 수명이 길어질 수 있습니다.
하지만, 논란의 여지가 있는 이번의 제한된 실험은 이 이론을 뒷받침하지 못합니다. 대신, 릴레이의 접점 변환 시간이 L/nR 시정수와 어느 정도 관련이 있음을 보여줍니다. 이 글에서 접점 변환 시간을 이중 폴 (double-pole) 접점 기준으로 정의하였으며, 이는 전기자가 N.C. 또는 N.O. 접점과 연결되지 않은 상태에서 움직이고 있는 시간입니다.
이 모순된 생각은 접점 바운스 시간과 바운스 특성에서도 확인됩니다. 농구공처럼, 더 빠르게 움직이는 접점의 운동 에너지가 더 커서 더 높이 튀고 더 오랫동안 튈 것 같지 않나요? 하지만 그런 현상은 나타나지 않습니다.
이번 실험은 흥미로운 경험이었습니다. 이 “단순한” 릴레이를 더 잘 이해하기 위해 다음에는 무엇을 해야 할까요?
여러분의 의견과 제안을 환영합니다.
감사합니다.
APDahlen
추신: 다음 기사는 속도 문제를 해결할 방법을 설명하고 있습니다: MOSFET 능동 클램프: 릴레이의 병렬 플라이백 다이오드 대신 고려해야 할 이유