릴레이 선택 방법: 전자기계, 리드, SSR, FET

전기 기계 릴레이는 오늘날 ATE 어플리케이션에서 가장 널리 사용되는 릴레이입니다. 코일, 전기 기기, 전기적 접점으로 구성되어 있습니다. 코일이 활성화되면, 유도된 자기장으로 인해 접점을 열거나 닫는 펌프가 움직입니다. 그림 1 참조하십시오.

^{그림 1: 전기 기계 릴레이 타입: 코일을 통과하는 전류가 인버터를 접점 사이로 움직이는 자기장을 생성함}

전기 기계 릴레이는 낮은 전압/전류에서 높은 전압/전류, DC에서 GHz 주파수까지 광범위한 신호 특성을 지원합니다. 따라서 주어진 시스템 요구사항과 일치하는 신호 특성을 가진 전기 기계 릴레이를 거의 항상 찾을 수 있습니다. 전자기계 릴레이의 드라이브 회로는 릴레이 접점에서 온도 절연되어 있으며, 또한 접점 자체도 서로 절연되어 있습니다. 이러한 절연으로 인해 전기 기계 릴레이는 은동 절연이 필요한 경우에 적합합니다.

전자기계 릴레이의 접점은 다른 릴레이 타입보다 더 크고 견고한 경향이 있습니다. 접촉이 클수록 회로, 케이블 등에 있는 기생식 커패시턴스 때문에 예상치 못한 과전류를 견딜 수 있습니다. 그러나 불행한 단점은 더 큰 접점이 더 큰 패키지 크기를 필요로 하므로 스위치 모듈에 집적도로 놓을 수 없다는 점입니다.

전자기계 릴레이의 기계적 구조를 사용하면 스위칭 기능이 유연해지지만, 속도라는 한 가지 중요한 한계가 있습니다. 다른 릴레이와 비교할 때, 전기 기계 릴레이는 비교적 느린 디바이스입니다. 일반적인 모델은 5 ~ 15 ms 안에 스위치 및 안정이 가능합니다. 일부 어플리케이션에서는 작동 속도가 너무 느려질 수 있습니다.

전기 기계 릴레이는 일반적으로 다른 타입의 기계적 수명보다 더 짧습니다. 기술의 발전으로 인해 기계적 수명은 늘어났지만, 전자기계 릴레이는 여전히 비교할 수 있는 리드 릴레이만큼 많은 작동을 할 수 없습니다. 모든 릴레이의 경우와 같이, 스위치되는 전력의 양과 다른 시스템 고려사항은 릴레이의 전체 수명에 상당한 영향을 줄 수 있습니다. 실제로, 전기 기계 릴레이의 기계적 수명은 리드 릴레이보다 짧을 수 있지만, 유사한 부하 (특히 용량성 부하) 하에서의 전기적 수명은 리드 릴레이보다 훨씬 더 느린 속도로 감소할 수 있습니다. 전기 기계 릴레이의 접점은 더 크고 견고하기 때문에, 비슷한 사양의 리드 릴레이보다 수명이 더 긴 경우가 많습니다.

전자기계 릴레이는 래치 및 래치되지 않는 종류로 모두 사용할 수 있습니다. 래치되지 않는 릴레이는 릴레이를 계속 작동시키기 위해 코일을 통과하는 연속적인 전류가 필요합니다. 이는 전원이 끊어진 경우 릴레이가 다시 안전 상태로 전환되어야 하는 어플리케이션에서 자주 사용됩니다. 래치 릴레이는 영구 자석을 사용하여 전류가 코일에서 제거된 후에도 전류를 현재 위치에 유지합니다. 매우 낮은 전압 어플리케이션의 경우, 래치 릴레이를 선호합니다. 코일 히팅이 없으면 측정에 영향을 줄 수 있는 열전기력(EMF)이 최소화됩니다.

전기 기계 릴레이는 다양한 스위치 모듈에서 사용됩니다. 견고함 때문에 스위칭 속도가 가장 중요하지 않은 여러 어플리케이션에 적합하며, 다양한 기능을 사용하면 범용 스위칭 설정, 멀티플렉서, 행렬을 포함한 모든 타입의 스위칭 설정에서 사용할 수 있습니다.

전기 기계 릴레이와 마찬가지로 리드 릴레이에는 기계적으로 작동되어 경로를 열고 닫는 물리적 접촉이 있습니다. 그러나 리드 릴레이의 경우, 접점은 전자기계 릴레이에 사용되는 것보다 훨씬 작고 질량이 낮습니다. 드라이 리드 릴레이는 리드 스위치를 둘러싼 코일로 구성됩니다. 리드 릴레이 스위치는 두 개의 겹치는 자성체 블레이드 (리드라고 함)로 구성되며, 이 두 개의 자성체 블레이드는 불활성 가스로 채워진 유리 캡슐 내에 밀봉되어 있습니다. 리드의 겹치는 끝에 접점이 있습니다. 코일이 활성화되면, 두 개의 리드가 서로 끌어당겨져 접점이 닫히고 릴레이를 통과하는 경로가 완성됩니다. 코일이 활성화 해제되면, 막대의 스프링 힘으로 접점이 분리됩니다. 그림 2를 참조하십시오.

^{그림 2: 드라이 리드 릴레이: 코일을 통과하는 전류는 두 개의 리드 접점을 함께 만드는 자기장을 생성합니다.}

더 작고 가벼운 접점과 다른 작동 메커니즘 덕분에, 리드 릴레이는 동급의 전기 기계 릴레이보다 약 10배 더 빠르게 전환할 수 있습니다. 또한 리드 릴레이의 기계적 수명은 전기 기계 릴레이보다 훨씬 깁니다. 그러나 단점은 리드 릴레이의 접점이 작아져서 회로를 닫을 때 호가 손상될 수 있다는 점입니다. 호가 접점 위로 점프하면 접점 표면의 작은 부분을 녹일 수 있습니다. 접점이 녹은 부분이 다시 고정될 때 여전히 닫혀있는 경우, 접점이 서로 용접될 수 있습니다. 구획의 스프링 힘은 드라이브 전류가 꺼진 후 용접을 기계적으로 깨지는데 충분하지 않기 때문에 릴레이를 사용할 수 없습니다. 또한 전기 기계 릴레이는 호에서 손상될 수 있지만, 이로 인해 필요한 에너지는 훨씬 높습니다.

리드 릴레이는 접점 손상에 매우 민감하기 때문에, 시스템 커패시턴스로 인한 돌입 전류는 특히 위험할 수 있습니다. 돌입 전류는 저항이나 페라이트와 같은 직렬 임피던스를 릴레이와 커패시턴스 사이에 배치하여 제어할 수 있습니다. 시스템의 모든 커패시턴스는 반응성 DUT(Device Under Test)에 있든 차폐 케이블에 있든 관계없이 돌입 전류의 원인이 될 수 있습니다.

리드 릴레이를 구성하는 강자성 재료로 인해 동급의 전기 기계 릴레이보다 열기전력(EMF)이 더 높습니다. 따라서 리드 릴레이는 매우 낮은 전압 어플리케이션에 이상적이지 않습니다. 열전압(EMF)을 사용하면 측정에 에러가 발생할 수 있는 충분한 노이즈가 발생할 수 있기 때문입니다.

리드 릴레이의 크기가 작고 고속이므로 많은 스위칭 어플리케이션에 적합합니다. 리드 릴레이는 범용 모듈보다 행렬 및 멀티플렉서 모듈에서 더 자주 발견됩니다.

SSR은 LED가 있는 광 민감 MOSFET 디바이스를 사용하여 디바이스를 작동시킵니다. 그림 3 참조하십시오.

^{그림 3: 솔리드 상태 릴레이(SSR) 캡슐화된 LED 빛은 감광성 MOSFET을 작동시켜 전류가 흐르게 합니다.}

SSR은 전기 기계 릴레이보다 더 빠른 대안입니다. 스위칭 시간이 LED의 전원을 켜고 끄는데 소요되는 시간에 따라 달라지기 때문에 각각 대략 1 ms와 0.5 ms입니다. 기계적 부품이 없기 때문에, 전자기기 또는 리드 릴레이의 수명은 더 높습니다.

SSR은 고전압 어플리케이션에 유용합니다. LED의 작동으로 컨트롤 회로와 MOSFET 사이에 전기 절연막이 형성되기 때문입니다. 그러나 MOSFET이 스위칭하기 때문에 접점 사이에 전류 장벽이 없습니다. MOSFET에 게이트 드라이브가 없으면 MOSFET의 드레인 소스 채널 저항이 매우 높아 접점 사이의 연결이 끊어집니다.

전자기기 및 리드 릴레이에서와 같이 물리적 금속이 아닌 트랜지스터를 통해 연결되기 때문에, SSR의 접촉 저항은 더 커집니다. 기술 개선으로 인해 SSR의 접촉 저항이 지속적으로 향상되지만, 현재 100 Ohm 이상의 저항을 가진 SSR을 생산하는 것은 드문 일이 아닙니다.

SSR은 전자기계 릴레이만큼 강력하지 않습니다. 리드 릴레이와 마찬가지로, 신호 레벨이 등급보다 높은 신호 레벨에서 사용될 때 서지 전류 및 손상에 매우 민감합니다. 용접할 금속 접점은 없지만, MOSFET 손상으로 인해 릴레이를 사용할 수 없습니다.SSR은 행렬 및 멀티플렉서에서 일반적으로 사용됩니다. 

SSR과 같이, FET 스위치는 기계적인 디바이스가 아닙니다. FET 스위치는 일련의 CMOS 트랜지스터를 사용하여 스위치를 구현합니다. 컨트롤 회로는 SSR과 달리 LED를 구동하는 대신 트랜지스터의 게이트를 직접 구동합니다. 트랜지스터 게이트를 직접 구동하면 LED의 전원을 켜고 끄는 시간이 문제가 되지 않아 스위칭 속도가 훨씬 빨라집니다. 일반적으로 FET 스위치는 여기에서 설명한 스위치 중 가장 빠른 스위치입니다. 또한 패키지에 기계적 부품이나 LED가 없기 때문에 FET 스위치를 아주 작게 만들 수 있습니다. 그러나 FET 스위치의 가장 큰 한계는 물리적 절연 장벽이 없기 때문에 저전압 신호에만 사용할 수 있다는 것입니다.

FET 스위치는 FET 기반이기 때문에 SSR의 장점과 단점이 많습니다. 예를 들어, 스위칭 수명은 높지만 전자기기 또는 리드 릴레이보다 경로 저항도 훨씬 높습니다.

FET 스위치는 고속 저전압 어플리케이션의 멀티플렉서와 행렬 구성에 가장 자주 사용됩니다.

전기 기계 릴레이는 패키지 크기, 스위칭 속도, 기계적 수명에 제한이 있긴 하지만 모든 문제를 해결할 수 있는 좋은 솔루션입니다. 리드 릴레이는 패키지 크기, 밀도, 속도에 따라 향상되지만, 서지 전류가 발생할 수 있는 경우 강도가 떨어집니다. SSR은 기계적 릴레이에 좋은 대안이지만, 경로 저항이 더 높고 접점 사이에서 절연되어 있지 않습니다. FET 스위치는 빠르고 저렴한 솔루션을 제공하지만 낮은 전압에서만 작동하는 한계가 있습니다.

어플리케이션의 경우, 주어진 릴레이 타입을 선택하기 전에 모든 시스템 파라미터를 고려해야 합니다. 이 정보를 사용하면 어플리케이션에 적절한 혜택을 줄 수 있습니다.