반도체 릴레이(solid state relay, SSR)
반도체 릴레이(solid state relay, SSR)는 전기기계 릴레이와 다르게 움직이는 부품을 포함하지 않는 전자 스위치이다. 무접점 릴레이라고도 한다. 반도체 릴레이의 종류는 빛에 반응하는 반도체 릴레이, 전압에 반응하는 반도체 릴레이와 두가지 모두 반응하는 반도체 릴레이가 있다. 빛에 반응하는 반도체 릴레이는 부하에서 광학적으로 분리된 상태이며 낮은 전압 신호로 제어한다. 일반적으로 빛에 반응하는 반도체 릴레이에서 제어 신호는 빛에 반응하는 다이오드가 동작하도록 발광 다이오드에 전압을 가한다. 광다이오드가 턴온되면, 연속된 사이리스터, 실리콘 제어 정류기, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 스위치가 부하에 연결된다.
광학적으로 분리된 양방향성 반도체 릴레이
반도체 릴레이의 제어선에 전압이 인가되면 발광 다이오드에서 빛이 발생되어서 광센서 다이오드에 도달한다. 빛에 노출된 광센서 다이오드는 금속 산화막 전계효과 트랜지스터의 소스와 게이트사이에 전압을 인가해서 턴온하게 된다. 반도체 릴레이는 1개의 금속 산화막 전계효과 트랜지스터기반나 직류 부하용으로 병렬로 여러개의 금속 산화막 전계효과 트랜지스터를 연결하여 구성한다.
모든 금속 산화막 전계효과 트랜지스터에서 본질적인 다이오드 기질은 역방향으로 도전된다. 즉, 1개의 금속 산화막 전계효과 트랜지스터는 양방향의 전류를 차단할 수 없다는 것을 뜻한다. 교류 (양방향) 동작용으로, 2개의 금속 산화막 전계효과 트랜지스터는 소스 핀끼리 묶어서 연속하여 배열한다. 드레인 핀은 출력핀에 연결한다. 그러면 다이오드 기질은 릴레이가 오프되었을 경우에 전류를 차단하기 위해서 교대로 반대 바이어스를 가한다. 릴레이가 온되었을 경우에, 공통 소스는 동시에 신호 수준이 상승하고 게이트는 광다이오드에 의하여 소스보다 높은 전압이 걸리게 된다.
반도체 릴레이는 직류 부하용으로 사용될 경우에 공용 소스로 접속을 제공할 수 있어서 여러개의 모스펫은 병렬로 연결할 수 있다. 발광 다이오드가 턴오프될 경우에, 릴레이의 턴오프 속도를 증가시키기 위하여 사용하는 게이트 방전회로를 공통으로 사용하는 경우도 있다.
장점
반도체 릴레이는 전기 기계식 릴레이보다 반응속도가 빠르다; 반도체 릴레이의 스위치 반응속도는 발광 다이오드의 소비전력과 오프 시간에 의하여 좌우된다. 일반적으로 반도체 릴레이는 수 밀리세크내에 반응한다.
반도체 릴레이는 제어 논리와 높은 전압 부하사이를 분리하여 동작할 수 있다.
움직이는 부품이 없어서 마모되는 곳이 없기 때문에 수명이 길다.
무한으로 깔끔하게 동작한다.
전기적 노이즈가 적다.
턴온하는 동안에 스파크가 발생되지 말아야 하는 환경에서 사용할 수 있다.
완전히 무소음 동작이다.
단점
닫혔을때 임피던스가 높다.
열렸을때 역으로 새는 전류 (수 µA)가 존재한다.
순간적인 전압으로 인하여 스위치가 실패할 가능성이 있다.
일반적으로 전기 기계식 릴레이와 비교해서 가격이 더 비싸다.
릴레이 구조와 사용 용도
릴레이의 사용목적은 작은 전력으로 큰 전력을 제어하기 위하여 사용된다.
자동차에서 에어컨용 팬, 전조등, 경음기 등 전류소비가 심한 제품들을 안전하고 편리하게 제어하기 위해서 릴레이를 사용하고 있다.릴레이가 작은 전력으로 큰 전력을 제어 할 수 있다는데, 그렇다면 어떻게 그렇게 되는지 릴레이의 구조를 알아 보도록 하자.
여러분들은 초등, 또는 중학교 과정에서 전자석의 원리를 배웠을 것이다. 릴레이는 이 전자석의 원리를 이용한 것으로,내부에는 전자석 1개와 스위치 1개 해서 총 4핀의 외부 입출력 접점을 가지고 있다.
물론 3핀 또는 5핀 등 응용된 릴레이들이 있긴 하지만, 기본적인 릴레이의 개념을 익히게 되고 자세한 스펙만 알 수 있다면 이렇게 응용된 3pin, 5pin 등의 릴레이도 더욱 편리하고 자유롭게 사용 할 수 있다.
자동차용 릴레이는 전세계 공통으로 85,86,87,30 번 이렇게 4개의 번호를 공통으로 접점부위에 명칭으로 사용 된다. 85,86번은 릴레이의 코일(자석효과)부분으로 극성에 상관없이 +,- 를 연결하면 딸깍 하는 소리와 함께 스위치를 통전 상태로 연결시킨다. 쉽게 말하자면 85번, 86번 핀 중 임의의 핀을?(접지)에 연결 시켜 놓고서 다른 핀에 +입력을 가하면 혹은 그 반대로 연결하게 되면, 자석효과에 의해 스위치를 닫는다(통전시킨다). 이때 87번의 접점과 30번의 접점이 통전이 되는 것이다. 따라서 87번과 30번은 85번과 86번의 +,- 입력 여부에 의해 수동적으로 통전, 단선이 되는 것이다.
차량의 엔진룸에는 위와같이 릴레이 박스가 있어서, 릴레이 및 퓨즈가 관리하기 편리하게 잘 정돈되어 있다. 그림과 같이 릴레이의 뒷면을 보면 85,86,87,30 4pin 이다. 그렇다면 이 릴레이를 쓰는 이유는 무엇인가?
자동차의 구성품 중에는 상당히 전력소비가 심한 것들이 있다. 냉각용 팬, 야간운행을 위한 전조등, 쾌적한 실내를 위한 에어컨, 안전을 위한 경음기 등은 한마디로 말해 전기를 많이 잡아 먹는 제품들이다.
차량의 엔진룸에는 위와같이 릴레이 박스가 있어서, 릴레이 및 퓨즈가 관리하기 편리하게 잘 정돈되어 있다. 그림과 같이 릴레이의 뒷면을 보면 85,86,87,30 4pin 이다. 그렇다면 이 릴레이를 쓰는 이유는 무엇인가? 자동차의 구성품 중에는 상당히 전력소비가 심한 것들이 있다. 냉각용 팬, 야간운행을 위한 전조등, 쾌적한 실내를 위한 에어컨, 안전을 위한 경음기 등은 한마디로 말해 전기를 많이 잡아 먹는 제품들이다. 차량의 엔진룸에는 위와같이 릴레이 박스가 있어서, 릴레이 및 퓨즈가 관리하기 편리하게 잘 정돈되어 있다. 그림과 같이 릴레이의 뒷면을 보면 85,86,87,30 4pin 이다. 그렇다면 이 릴레이를 쓰는 이유는 무엇인가? 자동차의 구성품 중에는 상당히 전력소비가 심한 것들이 있다. 냉각용 팬, 야간운행을 위한 전조등, 쾌적한 실내를 위한 에어컨, 안전을 위한 경음기 등은 한마디로 말해 전기를 많이 잡아 먹는 제품들이다.
전기를 많이 잡아 먹는 것이 릴레이와 무슨 상관인가?? 하고 말씀하실 분들이 있을텐데, 자동차는 12V 라는 직류전압을 사용하며, 이 전원은 자동차 엔진이 회전할 때 알터네이터 라는 전기 발생장치에 의하여 발전된 전기가 배터리에 축적되어 사용되는 것이다. 배터리의 전원을 사용하기 위해서는 배선을 연결하여 전원을 공급하게 되는데, 여기서 가장 중요한 것은 배선의 선택에 있다. 사용할 제품이 와이퍼인지, 전조등인지에 따라 배선의 굵기가 결정되는 것인데, 전조등은 일반적으로 55W이다. 와이퍼의 소비전력이 20W 라고 가정한다면, 전조등은 와이퍼보다 2배 이상의 전력 소비를 함으로 와이퍼 보다는 전조등의 전원 공급용 배선을 두꺼운 것을 사용해 줘야 할 것이다. “그럼 두꺼운 배선을 사용하면 되지 릴레이랑은 상관이 없지 않느냐..?” 두꺼운 배선을 남용하게 되면, 배선의 무게도 늘어 나고, 원가도 상승하며 또한 55W 정도의 고전력을 사용하는 제품을 제어하는 스위치에도 심한 무리가 가게 된다. 전기 장치는 자신의 용량을 초과하거나, 한계에 다다르면 열이 발생하는데, 이것이 심할수록 열이 심하게 발생하며, 최악의 경우 화제로 이어진다. 따라서 고전력을 소비하는 제품의 연결배선은 차량의 실내로 유입되거나, 그 연결선의 길이가 필요이상으로 긴 것은 위험하다. 따라서 전력소비가 심한 제품들이 밀집해 있는 자동차 실외의 엔진룸 부분에서 해결을 하게 되는데,배터리의 릴레이 박스를 통해 제품과 가장 가깝고 간편하게 연결됨으로 위에서 언급된 문제점을 해결 한다. 이러한 것들은 실내에서 운전자의 조작에 의해 제어되어야 하기 때문에 실내에서 릴레이 박스로 배선이 연결되는데, 릴레이는 작은 전기 신호로도 제어가 가능하기 때문에 배선의 굵기도 얇고, 간단해 진다. 이렇게 되면 전력소비가 심한 제품들은 배터리에서 릴레이를 거치며 바로 제품으로 연결되어, 고전류 배선이 실내로 유입될 필요가 없어 화제위험도 줄어 들며, 배선의 길이도 짧아지고, 전기적으로 좋은 효율을 보이게 된다. 영화에서 차량이 추돌 또는 전복 시 차량이 불이 나고 폭발을 하는 경우가 있는데, 이 경우는 사고로 인한 기름 누출과 충격시 전기 배선등이 파손, 쇼트를 일으켜 불꽃을 발생시켜서 폭발사고로 이어지는 것이다. 전기 제품을 작동시키는 대에는 크게 제어부와 작동부가 있는데, 제어와 작동을 연계하시는 가장 중요한 부품이 바로‘릴레이’ 이다. 이러한 의미로 볼 때 릴레이 라는 것은 전기의 힘으로 스위치를 개폐하는‘전자스위치’ 라 할 수 있겠다.