전자 회로 설계 - Relay, SSR 사용과 회로 설계

 

1. Relay는 무엇인가?

- 전자석에 금속으로 된 스위치를 달고, 전기를 넣으면 스위치가 붙고, 전기를 끊으면 스위치가 떨어지게 만든것을 릴레이(계전기)라고 함

OMRON Miniature Power Relays

 

사용 이유

(1) 보호

- 모터를 구동할 때 역기전력이 발생할 수 있으며, 돌입 전류가 큰 전자부를 구동할때 순간적으로 peak 전류가 튈 수 있는데 이런 성분이 제어 회로로 들어오지 못하게 막는 용도

- 또는, 제어용 스위치가 용량이 작을때 릴레이를 제어함으로써 스위치 보호

 

(2) 용량 확장

- MCU에서 모터를 구동한다고 가정하자. 보통 MCU의 I/O 전류는 아래와 같다.

STM32F103 Current Characteristic

위와 같이 I/O 전류는 수십mA 이내이므로, I/O로 고용량의 전자부를 직접 제어할 수 없다.

 

- I/O 직접 제어하지 않고, TR을 하나 추가한다고 가정하자. NPN Transistor KTC3876의 IC 전류는 아래와 같다.

NPN Transistor(KTC3876) Maximum Ratings

MCU I/O보다는 전류 용량이 커졌지만, 여전히 고용량의 모터나, 전압 레벨이 다른(AC 전원을 사용하는) 전자부를 구동하기 위해서는 용량이 부족하기 때문에 Relay를 사용한다.

 

2. SSR(Solid State Relay ; 무접점 릴레이)

OMRON Solid State Relay

- 1번 Relay와 달리 전자석 대신 TR이나 FET를 사용하여 내부에 기계 부품이 없음

- 때문에 기계적 마모, 고장이 없고 소음이 없고, 스파크 일어나지 않고, 스위칭 속도가 빠르고, 내식성, 내진동성이 좋음

- 기본 누설 전류가 있으므로 주

 

보통 MCU의 IO level은 3.3V이다. 3.3V 이상의 입력이 들어가야 동작하는 Relay나, SSR은 어떻게 회로를 꾸며야 할까?

AC WATER PUMP 제어를 위한 회로를 예로 설명하겠다.

 

3-1. SSR 제어 회로1

MCU 출력으로 PhotoCoupler를 On-Off

 

 

Relay 제어(Source 구동)

- PhotoCoupler를 사용하여 회로 분리

① TR의 IB대비 Ic에 흐를수 있는 전류(hFE)를 최저 20배라고 놓고 설계

② PhotoCoupler의 증폭률은 50%로 설계

③ 위 회로는 PhotoCoupler의 출력에 SSR의 입력 전류가 그대로 흐르게 된다.

PhotoCoupler의 출력의 Ic의 maximum 값은 50mA로, SSR의 입력 전류가 이 값을 넘어가면 회로가 파손 될수 있고, 파손되지 않더라도 PhotoCoupler에 열이 많이 날 수 있다.

대표사진 삭제

PhotoCoupler(PC357NJ0000F) Maximum Ratings

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CTR (Current Transfer Ratio)

• 사용 소자 : 포토커플러(optocoupler)에서 사용
• 정의 : LED의 입력 전류(IF​)에 대해 포토트랜지스터에서 출력되는 전류(IC​)의 비율

 

CTR = IC / ​IF ​​× 100 (%)

• 설명 :

- CTR은 LED에서 발생한 광 신호가 포토트랜지스터에 얼마나 효과적으로 전달되는지 표시

- CTR은 퍼센트(%)로 표현되며, 일반적으로 50%에서 200% 사이의 값

 

hFE (DC Current Gain)

• 사용 소자 : BJT(바이폴라 접합 트랜지스터)에서 사용
• 정의 : 베이스 전류(IB​)에 대해 컬렉터 전류(IC​)의 비율

hFE​ = IC / ​IB​​

• 설명 :

- hFE는 트랜지스터의 증폭 능력

- hFE는 특정 온도와 전류에서 정해지며, 일반적으로 데이터시트에 제공

- 트랜지스터의 작동 영역에 따라 hFE 값이 달라질 수 있음

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3-2. SSR 제어 회로2

MCU 출력으로 PhotoCoupler를 On-Off & 출력단에 Tr 추가

 

Relay 제어(Sink 구동)

- PhotoCoupler를 사용하여 회로 분리

① TR의 IB대비 Ic에 흐를수 있는 전류(hFE)를 최저 20배라고 놓고 설계

② PhotoCoupler의 증폭률은 50%로 설계

③ 위 회로는 3-1의 회로와 달리 TR을 하나 추가해서 SSR의 입력 전류가 그대로 흐르지 않게 했다.

PhotoCoupler의 출력의 Ic의 maximum 값은 50mA이지만, TR Ic mamimum 값은 600mA로, 더 많은 마진을 가질 수 있다.

PNP Transistor(KN2907) Maximum Ratings

 

4. SSR 사용시 주의사항

- DC-DC, DC-AC로 종류가 나뉘므로 용도에 맞게 선정

- 일정 이상의 전류(Trigger Current)가 흘러야 Turn on 됨

- 누설 전류가 생각보다 큼(Leakage Current) ; LED는 Turn off 되어도 불이 들어올 수 있음

SSR(SSR-10DA) Specification