다양하고 안정적인 신호 스위칭을 위한 전기 기계 계전기를 선택하고 적용하는 방법

통신 및 네트워크 장치, 자동화 테스트 장비(ATE), 보안 장치와 같은 응용 분야에서 하나 이상의 저수준 ~ 중간 수준 DC, AC(아날로그) 및 무선 주파수(RF) 신호를 안정적으로 전환하고 연결해야 하는 경우가 점점 더 늘어나고 있습니다. 전기 기계 계전기(EMR)는 이 작업을 처리하는 데 매우 적합합니다.

EMR은 입력/출력 분리와 함께 뛰어난 온/오프 성능을 제공하며, 다양한 극 구성으로 사용할 수 있어 설계자에게 유연성과 다목적성을 제공합니다. 또한 단일 계전기로 동일한 장치에서 다양한 신호 유형(AC, DC, 저주파, RF)을 지원할 수 있다는 것도 커다란 장점입니다.

가동 부품이 있고 물리적 접촉이 발생하지만, 오랜 세월 동안 응용되어 온 터라 완전한 특성화가 이루어졌습니다. 따라서 수년간 일관된 서비스를 제공할 수 있는 안정적인 '문제 해결사'라 할 수 있습니다. EMR이 원래 견고한 장치이긴 하지만, 설계자는 적절한 계전기(코일 및 접점 정격 모두)를 선택하고 올바르게 사용하여 수명을 최대한 보장할 수 있어야 합니다.

이 기사에서는 신호 계전기 유형과 응용 분야에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Omron Electronic Components의 예시를 사용하여 EMR을 선택하고 적용하는 방법을 살펴봅니다.

계전기 유형 및 차별점

EMR이란 응용 분야별 하위 유형이 많은 부품을 지칭합니다. 예를 들어 전력 계전기는 접점 정격이 2A 이상인 반면, 신호 계전기는 2A 이하의 접점 전류에 맞게 설계되었습니다.

신호 계전기는 비 RF 신호와 RF 신호의 두 가지 그룹으로 나눌 수 있습니다. 모든 계전기는 기본 연속성 파라미터와 전류 및 전압 처리 최대값에 따라 분류되지만, RF 계전기에는 추가적인 성능 지표가 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 분리: 고주파 신호는 접점이 분리되어 있어도 접점 간 부유 정전 용량을 통해 누출됩니다. 분리는 데시벨(dB) 단위로 측정됩니다.
• 삽입 손실: 고주파에서는 임피던스 불일치로 인한 반사뿐만 아니라 자기 유도, 저항 및 유전체 손실로 인해 신호 장애가 발생합니다. 삽입 손실도 dB 단위로 측정됩니다.
• 전압 정재파비(VSWR): 입력 신호파와 반사된 신호 사이의 구조적/파괴적 간섭으로 인해 발생합니다. 이 측정치는 최대 파형 값과 최소 값의 비율을 나타내는 값이며 단위 없이 표시됩니다.

부품 명세서(BOM) 간소화

계전기 구성은 접점 또는 극(P)의 개수와 상시(무전력을 의미) 개접점/폐접점 상황에 따라 정의됩니다(그림 1). 보통은 상시 개방(NO) 또는 상시 폐쇄(NC) 상태입니다. 단극(SP) 및 쌍극(DP) 구성이 가장 일반적이지만, 접촉 단자 극이 더 많은 장치도 사용할 수 있습니다. 투(T)는 액추에이터의 최종 위치입니다.

그림 1: 여러 유형의 EMR에 대한 접점 배열 및 산업 표준 명칭을 보여주며, Form 2C 계전기의 점선은 계전기 코일에 전류가 유입될 때 두 접점이 동시에 움직이는 비전도성 링크가 양측 전기자 모두에 있음을 나타냅니다. (이미지 출처: Sealevel Systems, Inc.)

다중 극과 NO/NC 투를 지원하는 EMR의 기능은 회로망을 간소화하고, 기판 공간을 절약하고, 부품 명세서(BOM)를 줄이고, 비용을 절감할 수 있는 방법을 강조합니다. 하나의 계전기로 극과 투의 구성에 따라 여러 회로 경로를 모두 온, 모드 오프 또는 각각의 조합으로 전환할 수 있기 때문입니다. 또한 동일한 계전기로 AC 신호와 DC 신호를 모두 전환할 수 있으므로 여러 회로 경로에서 동시에 작동할 수 있습니다.

계전기에 전원이 공급되고 원하는 접점 상태가 생성되었음을 사용자에게 알리기 위해 여분의 자극 쌍이 있는 EMR을 사용하여 보조 회로(예: LED 회로)를 구동하는 경우도 있습니다. 또한 숙련된 설계자는 단극 쌍투(SPDT) 장치만 있는 상황에서도 쌍극 쌍투(DPDT) 계전기를 사용하기도 하며, 그럴 경우 설계 주기 후반에 발견되는 문제나 감독 사항을 해결하기 위해 '만약을 대비한' 접촉 단자 쌍을 사용할 수 있기 때문입니다(SPDT 계전기와 DPDT 계전기의 실장 면적은 대부분의 경우 동일함).

Omron의 G6J-2P-Y DC12(그림 2)는 977Ω 코일을 사용하는 초슬림 DPDT(Form 2C) 계전기이며, 12.3mA에서 12V로 구동되도록 설계되었습니다. 이 제품군의 다른 제품은 모든 구동기 회로 또는 상황과 호환되도록 최대 24V_DC의 다양한 코일 전압/전류 페어링을 제공합니다.

그림 2: G6J-2P-Y DC12는 12V, 12.3mA 코일을 사용하는 초슬림 DPDT 계전기이며, 크기와 접점 정격은 동일하지만 코일 전압/전류 조합이 다른 계전기 제품군에 속합니다. (이미지 출처: Omron)

이 소형 계전기는 크기가 5.7mm × 10.6mm × 9mm에 불과하여 고밀도 인쇄 회로(PC) 기판에 적합합니다. G6J-2P-Y DC12에는 스루홀 단자가 제공되지만, 동일한 버전에서 유연성을 극대화할 수 있도록 짧은 표면 실장 단자와 긴 표면 실장 단자를 제공합니다. 이 계전기와 이 제품군의 다른 모든 계전기의 접점은 125V_AC에서 최대 0.3A, 30V_DC에서 1A를 처리할 수 있는 등급입니다.

계전기 및 RF

계전기의 용도는 단순한 '건식' 접점 폐쇄를 제공하거나 DC 전압/전류 및 저주파 AC 신호를 처리하는 데 국한되지 않습니다. 일부 모델은 ATE 같은 초고주파 응용 분야에 분명히 맞도록 설계되었습니다.

Omron G6K-2F-RF-V DC4.5는 차동 전송 신호 스위칭을 지원하는 소형 표면 실장 DPDT 계전기입니다. 이 11.7mm × 7.9mm × 7.1mm 계전기의 삽입 손실은 8GHz에서 3dB 이하입니다. 이 계전기는 상승 시간이 25ps인 200mV 차동 신호에 대한 눈(eye) 구성도에서 볼 수 있듯이 더 높은 주파수에서도 사용할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 8.1Gbit/s, 10Gbit/s 및 12.5Gbit/s 신호의 이 눈 구성도에서 볼 수 있듯이, G6K-2F-RF-V DC 소형 표면 실장 DPDT 계전기는 차동 전송 신호 스위칭을 사용하며 8GHz 이상으로 지정되어 있습니다. (이미지 출처: Omron)

이 GHz 범위 성능은 부분적으로는 차동 신호를 기본적으로 지원하는 전기 및 기계 설계 덕분입니다. 이를 통해 RF 분리(전기적 분리와 무관), 삽입 손실 및 VSWR에 따라 정의되는 바람직한 성능을 보장할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: G6K-2F-RF-V 기가헤르츠 계전기는 회로 기판의 물리적 레이아웃 문제를 완화하고 해당 레이아웃이 RF 성능에 미치는 악영향을 최소화하는 본질적 차동 설계를 사용합니다. (이미지 출처: Omron)

이 계전기는 고급 내부 레이아웃을 사용하여 PC 기판 레이아웃을 단순화하며 RF 성능을 저하시키는 기판의 복잡한 다층 신호 경로 라우팅이 필요하지 않습니다. 금속 케이스가 아닌 수지 케이스를 사용하여 금속 케이스를 통해 프로브 핀이 단락되어 계전기 실장을 검사하는 동안 기판과 부품이 손상되는 문제를 방지할 수 있습니다.

계전기 및 전력 소비

전력 소비는 거의 모든 회로와 시스템에서 중요한 파라미터입니다. 공급 장치의 크기를 정의하고 배터리 구동 설계의 실행 시간에 영향을 미치며 관련 열이 열 성능에 영향을 미칩니다. 전력 소비는 계전기를 구동해야 하는 전체 시간 동안 코일을 구동된 상태로 유지해야 하는 기존의 비 래칭 계전기에 영향을 미칩니다.

기본 온/오프 설계에 대한 대안 아키텍처(정식 명칭은 단일 사이드 스테이블)는 이러한 문제를 해결합니다. 래칭 계전기(유지 계전기라고도 함)는 일단 구동되면 코일 전력이 제거된 후에도 해당 위치에 유지되도록 설계되었습니다.

래칭 기능을 구현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. G6JU-2P-Y DC3 및 이 제품군의 다른 제품은 '설정' 입력 펄스가 인접한 영구 자석을 통해 작동 상태를 유지하도록 하는 단일 권선 래칭 기술을 사용합니다. '리셋' 입력 펄스(설정된 입력의 극성이 반대인 입력)는 계전기를 래칭 해제 상태로 전환합니다.

계전기 및 신뢰성

계전기에는 가동 부품과 물리적 전기 접점이 있으므로 보통은 온/오프 주기가 적절한 횟수만큼 반복되면 신뢰성이 떨어진다고 생각합니다. 하지만 그렇지 않습니다.

우선 다양한 레벨에서 AC와 DC를 전달할 때 개접점과 폐접점으로 인해 발생하는 다양한 영향은 잘 알려져 있으며, 이는 계전기의 규격서에도 자세히 설명되어 있습니다. 정의된 조건을 준수한다면 조기 접촉 마모는 문제가 되지 않습니다.

또한 수십 년간 사용되고 있으며, 현장의 수많은 장치로부터 얻은 경험, 야금 연구 및 개발, 모델링 및 분석, 제어 수명 테스트, 생산 및 제조 개선, 기타 기술적 요인으로 인해 코일 및 접점 설계와 제조는 제대로 파악되고 성숙하며 정교한 공정 및 결과 부품으로 혁신되었습니다.

계전기 내구성은 접점 및 코일 내구성과 관련이 있습니다. 코일 내구성 표준값은 40,000시간 이상이며, 이는 코일에 정격 전압이 계속 적용되면 열이 발생하여 분리 성능이 저하되기 때문입니다. 계전기를 간헐적으로 사용하는 경우 코일 내구성은 훨씬 더 향상됩니다.

규격서에서 자주 언급되는 두 가지 요소로 내구성을 평가하기도 합니다.

• 기계적 내구성은 기계적 오작동과 특성을 고려하여 계전기가 무부하 상태에서 접점을 열고 닫을 수 있는 횟수입니다.
• 전기적 내구성은 계전기가 정격 부하(예: 125V_AC, 0.3A/30V_DC, 1A)에서 접점을 열고 닫을 수 있는 횟수입니다.

계전기 접점은 단일 접점, 트윈 접점, 크로스바 트윈 접점(장기적 내구성 수준 순서) 등 다양한 구성으로 제공됩니다(그림 5). 크로스바 트윈 접점 설계는 매우 안정적인 접점 저항을 제공하며 접촉 장애를 최소화합니다. G6J-2P-Y 제품군에는 금 합금으로 도금된 은 접점이 있는 두 갈래 크로스바(크로스바 트윈 접점과 유사)가 있습니다.

그림 5: 계전기 접점은 기본 단일 접점에서 일관된 성능과 안정적인 접점 저항을 제공하는 수명이 긴 크로스바 트윈 접점으로 개선 및 발전했습니다. (이미지 출처: Omron)

이러한 계전기는 이미 신뢰성이 널리 알려져, 다운타임 또는 서비스 중단이 허용되지 않거나 계전기 성능이 핵심적으로 고려되는 모든 응용 분야에 적합한 선택이 될 수 있습니다.

결론

EMR은 현재 많은 시스템에서 중요한 문제 해결 부품으로 활용되며 많은 신호 경로 문제를 해결합니다. 대체할 수 없는 고유한 신호 처리 속성, 잘 정의된 성능, 장기적인 신뢰성을 제공합니다. 신호 계전기는 DC, 저주파, 심지어 GHz 범위의 RF 응용 분야에도 사용할 수 있으므로 적용 범위가 넓습니다.