스위치 튜토리얼

스위치는 전자 제품에서 필수적인 부품입니다. 거의 모든 전자 장치에는 스위치가 최소한 하나 또는 여러 개 있습니다. 그 이유는 장치를 사용할 때 여러 가지 작동 모드를 사용하는 것이 일반적이기 때문입니다. 켜거나 끄는 모드는 분명히 있을 것이고 조정이 가능한 여러 설정이 있는 경우도 있습니다. 자동차 창문은 창문을 올리거나 내릴 수 있는 순간 스위치에 의해 제어됩니다. 게이밍 스테이션에서는 게임 컨트롤에 스위치를 사용합니다. 전자 산업에서 스위치 응용 분야를 나열하면 끝도 없습니다. 오늘날 시장에는 여러 종류의 스위치가 있으며 스위치를 선택할 때 일반적으로 고려해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 얼마나 많은 극과 투가 필요한지, 스위치를 유지해야 하는지 순간적으로 작동해야 하는지, 최대 전류와 전압 정격과 같은 전기적 고려 사항은 무엇인지 등 몇 가지 질문을 고려해야 합니다. 이 기사가 스위치 세계의 이해를 돕는 역할을 할 수 있기를 바랍니다.

각 유형의 스위치를 살펴보기 전에 각 스위치에서 볼 수 있는 다양한 회로를 조사하는 것이 좋습니다. 스위치의 회로를 설명하는 데 사용되는 두 가지 용어가 있습니다. 바로 ‘극’과 ‘투’입니다. ‘극’은 스위치에 있는 회로의 수를 나타냅니다. 단극 스위치에는 한 번에 하나의 회로만 활성화할 수 있습니다. ‘투’라는 용어는 극을 연결할 수 있는 위치의 수를 나타냅니다. 그림 1은 단극 단투 스위치(SPST)의 회로 구성도를 보여줍니다.

그림 1: SPST 회로 구성도

SPST 스위치에는 극이 하나이므로 이 구성을 사용하는 회로는 하나만 있을 수 있습니다. 이 스위치는 열려 있거나 닫혀 있습니다. 단극 스위치는 상시 개방형 또는 상시 폐쇄형일 수 있습니다. 닫혀 있으면 스위치를 통해 전류가 흐를 수 있고 열리면 흐를 수 없습니다. 이제 지정된 시간에 전류가 흐를 수 있는 경로는 하나뿐이지만 전류가 흐를 수 있는 위치에 두 가지 옵션이 있다고 상상해 보겠습니다. 이를 단극 쌍투(SPDT)라고 합니다. 그림 2는 이 점을 보여줍니다.

그림 2: SPDT 회로 구성도

이러한 유형의 논리를 이용해 스위치를 쉽게 이해할 수 있습니다. SPDT와 유사한 또 다른 예는 쌍극 쌍투(DPDT)입니다. 이 스위치는 그림 2처럼 보일 수 있지만 극이 하나가 아니라 두 개가 있습니다. 그림 3은 DPDT에 대한 회로를 보여줍니다.

그림 3: DPDT 회로 구성도

스위치와 관련하여 명심해야 할 한 가지는 서로 다른 회로가 유사한 용도로 사용될 수 있다는 것입니다. 순간 기능이 없는 간단한 켜기/끄기 스위치를 예로 들 수 있습니다. 이런 기능은 SPST 또는 SPDT로 구현할 수 있습니다. CW Industries의 GRS-2011-2019를 예로 들어 보겠습니다. 이 장치의 하단에는 SPST 스위치와 동일하게 단자가 2개 있습니다. 스위치가 연결되는 위치에 놓으면 전류가 흐를 수 있습니다. 스위치를 다른 위치에 놓으면 연결되지 않고 전류가 흐르지 않습니다. SPST 대신 GRS-2013A-2000과 같은 SPDT를 사용하여도 동일한 결과를 얻을 수 있습니다. 단자 중 두 개만 사용하고 하나는 사용하지 않고 두는 것입니다. 이는 상시 개방형 또는 상시 폐쇄형 SPST 스위치가 필요한 상황에 유용합니다. SPDT는 이러한 옵션 중 하나가 될 수 있습니다. SPDT를 다시 살펴보며 이 스위치 본연의 기능을 이해하는 것도 중요합니다. SPDT는 액추에이터를 위한 두 개의 위치 또는 세 개의 위치를 가질 수 있습니다. 이를 설명하기 위해 켜기-끄기-켜기 스위치를 생각해 보겠습니다. 이런 동작은 모터가 한 방향으로 회전했다가 정지한 다음 다른 방향으로 회전하는 모터 응용 분야에서 흔한 동작입니다. SPDT로 이 동작을 수행할 수 있지만 모든 SPDT 스위치가 이 동작을 수행할 수 있는 것은 아닙니다. GRS-2013A-2000은 켜기-끄기-켜기 스위치이므로 이 동작을 수행할 수 있습니다. C&K의 D508J12S205QA는 켜기-순간 스위치이므로 이를 수행할 수 없습니다. 즉 이 스위치는 일반적으로 켜기 위치에 있으며 일시적으로 꺼질 수 있음을 의미합니다. 이를 응용할 수 있는 제품으로는 식료품점의 계산대 라인에 있는 컨베이어가 있습니다. 간단히 반대 방향으로 전선을 연결하면 액추에이터가 눌릴 때까지 컨베이어의 모터가 작동하지 않습니다. 액추에이터가 눌리면 스위치 내부에 순간적으로 접촉이 일어나며 전류가 흐릅니다. 액추에이터가 해제되면 스위치가 상시 꺼짐 위치로 다시 이동하고 전류 흐름이 멈춥니다.

또한 스위치를 선택할 때 반드시 명심해야 할 사항으로 전기적 특성이 있습니다. 회로에서 50A를 요구하는 경우 정격이 10A인 스위치는 작동하지 않습니다. 스위치의 전압 및 전류 정격을 확인하는 것은 항상 중요합니다. 심지어 AC 전압 및 전류와 DC 전압 및 전류 사이에도 차이가 있습니다. 제조업체에서는 이러한 두 가지 모두에 대한 정격을 제공하지만 늘 그런 것은 아닙니다. 스위치 전압 정격을 계산할 때 전압 유형에 대한 제조업체의 요구 사항을 확인해야 합니다. 정격 전압이 125V_AC로 표시된 경우 AC 전압을 요구하는 것이며, 정격 전압이 125V로 표시된 경우 DC 전압을 요구하는 것입니다. 이런 전문 용어는 제품의 규격서 또는 도면에 표시됩니다. DigiKey 웹 사이트에는 더 세분화되어 있습니다. E-Switch의 PS1024ARED 제품은 AC 정격을 가졌으나, DigiKey는 온라인상에 125V로 명시해 놓았습니다. 정격이 ‘전압 정격 - AC’ 열에 표시되어 있기 때문입니다. 그림 4는 DigiKey 웹 사이트의 모습이며 그림 5는 PS1024ARED의 정격을 보여줍니다.

그림 4: PS1024ARED의 제품 특성

그림 5: PS1024A의 전기 사양 도면

DigiKey 웹 사이트에서는 보이지 않지만 도면 노트에는 이 스위치에 대한 몇 가지 다른 정격이 분명히 명시되어 있습니다. 첫 번째 정격은 125V_AC에서 3A이고 두 번째 정격은 250V_AC에서 1.5A입니다. 동일한 스위치에 대해 두 가지 정격을 갖는 것이 어떻게 가능할까요? 전력은 전압과 전류의 함수이기 때문입니다. 이 두 정격은 동일한 전력 정격을 가집니다. 전력 정격에 대한 식에 차례대로 숫자를 대입하면 동일한 수치를 얻게 됩니다.

종종 스위치에는 AC 정격만 있고 DC 정격은 없습니다. AC 스위치의 DC 정격을 결정하는 데 사용할 수 있는 경험 규칙이 있습니다. 스위치의 최고 전류 정격에 상관없이 전류는 동일하게 유지되며 DC 전압은 30V로 설정됩니다. PS1024A는 125V_AC에서 3A, 250V_AC에서 1.5A의 두 가지 정격을 가집니다. 이 규칙에 따라 이 스위치는 3A 정격을 가지며 이를 최대 30V_DC에 사용할 수 있음을 의미합니다. 이 규칙은 Carling Technologies에서 가져온 일반적인 규칙이며 ‘경험 DC 규칙’으로 불립니다. 종종 스위치에는 마력(HP) 정격도 있습니다. 이유는 유도 부하가 매우 높은 유입 전류를 가질 수 있기 때문입니다. HP 정격은 AC 모터와 함께 사용되는 스위치용으로 설계되었습니다. 그렇다고 해서 이러한 스위치를 다른 장치에서 사용할 수 없다는 것을 의미하지는 않지만 이 때문에 스위치에 해당 정격이 부여되었습니다.

푸시 버튼 스위치

푸시 버튼 스위치는 스위치의 한 종류입니다. 이 스위치에는 액추에이터가 있습니다. 액추에이터를 덜 형식적인 용어로 나타내면 버튼이라고도 할 수 있습니다. 이러한 스위치는 주로 패널에 실장되거나 보드에 장착됩니다. 그림 6은 NKK 스위치의 KB16CKW01-5F-JF를 보여줍니다.

그림 6: KB16CKW01-5F-JF.

KB16CKW01-5F-JF의 흥미로운 점은 얼마나 많은 단자를 가지고 있는가입니다. 이 장치는 단자가 3개만 있어야 하는 SPDT이지만 이 장치에는 5개의 단자가 있습니다. 이유는 장치에 불이 들어오기 때문입니다. 많은 스위치에 점등 기능이 있으며 공칭 조명 전압을 갖습니다. 이 특별한 스위치의 조명 전압은 2.1V_DC입니다. 설명서에는 2번 단자가 공통 단자이고 LED는 그림 7에서처럼 L(+) 단자와 L(-) 단자는 전원이 단절되어 있다고 명시되어 있습니다.

그림 7: KB16CKW01-5F-JF의 설명서

종종 스위치의 제품 페이지 하단에 부속품이 나열되어 있습니다. DigiKey 웹 사이트의 KB16CKW01-5F-JF 제품 페이지 하단을 보면 스위치와 함께 제공되는 4가지 부속품을 볼 수 있습니다.

이러한 부속품은 DigiKey 웹 사이트의 KB16CKW01-5F-JF 페이지 하단 또는 해당 시리즈 규격서의 설명서에서 찾을 수 있습니다. 종종 제조업체는 전체 스위치 시리즈를 생성합니다. 이들은 함께 사용되는 독점 제품 그룹입니다. KB16CKW01-5F-JF는 설명서에 나와 있는 특정 부속품을 사용하도록 특별히 설계되었습니다. 보호 가드 부속품은 시리즈 규격서의 D34 페이지에서 찾을 수 있습니다. 그림 8은 주문 가능한 부품 번호 AT494와 함께 보호 가드를 보여줍니다.

그림 8: KB16CKW01-5F-JF의 설명서

한 부품에서 다른 부품으로의 일부 변경 사항이 사소한 것일 수 있기 때문에 스위치 제조업체는 하나의 규격서에 전체 시리즈를 표시하는 경우가 자주 있습니다. 종종 부품 번호가 다른 경우는 색상이 다를 뿐입니다. LED 부속품 AT635F가 이에 대한 좋은 예입니다. 설명서에는 옵션으로 나열된 AT635 번호만 있습니다. 앞에서 언급한 제품의 접미사는 ‘F’입니다. 그림 9는 ‘F’ 접미사가 녹색 LED로 표시하는 순서 체계임을 보여줍니다. 순서 체계의 왼쪽에는 AT635의 기본 LED 번호가 있습니다. 가운데 열에는 빨간색, 호박색, 녹색의 옵션이 있습니다. ‘녹색’이라고 표시된 상자에는 그 아래에 5F가 표시되어 있습니다. 즉 AT635F의 경우 LED가 녹색임을 의미합니다.

그림 9: KB16CKW01-5F-JF의 설명서

촉각 스위치

촉각 스위치는 푸시 버튼 스위치와 유사하지만 보통 훨씬 작습니다. 리셋 스위치가 있는 개인 가정용 라우터를 상상해 보겠습니다. 일반적으로 스위치가 실수로 눌리지 않도록 플라스틱 안에 움푹 들어가 있습니다. 보통 이런 유형의 스위치를 누르려면 클립이나 이쑤시개를 동원해야 합니다. 이러한 유형의 스위치는 일반적으로 촉각 스위치이자 순간 스위치이며 켜기 또는 끄기 스위치로 사용되지 않습니다. 이러한 동작은 무언가를 초기화하거나 개수를 세거나 멈추게 하거나 어떤 본연의 기능에 주로 사용됩니다. 이 스위치들은 전압 및 전류 정격이 매우 낮은 편입니다. APEM Inc.의 MJTP1230은 촉각 스위치의 한 예입니다. 이 스위치는 SPST-NO, 즉 단극 단투 상시 개방 회로입니다. 액추에이터를 누를 때까지 전류가 이 스위치를 통해 흐를 수 없다는 뜻입니다. 액추에이터가 해제되면 스위치가 자동으로 다시 열리고 전류가 흐르지 않습니다. 그림 10은 MJTP1230의 실례입니다.

그림 10: MJTP1230

이 스위치에는 다리가 4개 달려 있습니다. 촉각 스위치에선 흔한 경우입니다. 연결할 수 있는 회로가 두 개이기 때문이 아니라 두 개의 다리를 추가하여 보드에 납땜할 때 스위치에 물리적 지지력을 추가하기 위해서입니다. 한쪽의 두 다리는 스위치의 위치와 관계없이 영구적으로 연결됩니다. 스위치의 다른 쪽도 동일한 규칙으로 다리가 항상 연결되어 있습니다. 액추에이터를 누르면 스위치의 양쪽 절반이 이어집니다. 회로에 관한 한 이 스위치는 그림 1의 회로 구성도를 따릅니다.

딥 스위치

딥 스위치는 ‘이중 인라인 패키지’ 스위치입니다. 이들은 브레드 기판에 들어갈 수 있도록 설계되었습니다. 이 스위치는 작은 SPST 스위치의 집합체입니다. 이 스위치가 사용되는 예로 무대 조명용 DMX 컨트롤을 들 수 있습니다. 모든 조명 기구에는 지정할 수 있는 주소가 있습니다. 최신 DMX 제어형 조명에서는 마이크로 컨트롤러를 사용하여 디스플레이에서 숫자를 위아래로 움직이기만 하면 주소를 지정하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 이전의 DMX 제어형 조명에는 해당 조명 기구에 적절한 이진수 주소를 부여하도록 변경할 수 있는 딥 스위치가 있었습니다. 이러한 유형의 스위치는 대개 표면 또는 스루홀 실장형이지만 패널 실장형 옵션도 있습니다. 그림 11은 CTS Electrocomponents의 딥 스위치인 208-4를 보여줍니다.

그림 11: 208-4

로커 스위치

로커 스위치도 시장에서 매우 인기가 높습니다. 이 유형의 스위치에는 각 위치에서 앞뒤로 움직이는 오목한 액추에이터가 있습니다. 소비자 가전에 사용되는 많은 켜기/끄기 스위치는 로커 스위치입니다. 이들은 보통 패널에 장착되지만 보드에 직접 실장될 수도 있습니다. 그림 12는 ZF Electronics의 CRE22F2BBRLE를 나타냅니다.

그림 12: CRE22F2BBRLE

이 스위치는 SPST 스위치이므로 켜거나 끌 수만 있습니다. 이 스위치는 불이 켜지므로 중간 단자가 있습니다. 조명이 있는 SPST 스위치에는 일반적으로 3개의 단자가 있습니다. 바깥쪽 단자는 전류가 전원에서 접지로 흐를 수 있도록 합니다. 중간 단자는 조명에 사용됩니다. 스위치가 열려 있으면 조명에 전류가 흐르지 않습니다. 스위치가 닫히면 전류가 전원에서 조명을 통해 접지로 흐릅니다.

로커 스위치 사용 시 확인해야 할 또 다른 사항은 실제 단자의 물리적 크기입니다. 이 스위치는 주로 패널에 장착되기 때문에 빠른 연결 형식 단자를 사용하여 개별 전선으로 종단 처리되는 경우가 많습니다. CRE22F2BBRLE에는 폭이 6.35mm인 단자가 있습니다. 이 항목은 DigiKey 웹 사이트에서 제품 특성의 ‘종단 스타일’에 명시되어 있습니다. 일반적인 단자의 크기는 2.79mm, 4.75mm, 6.35mm입니다. 빠른 연결은 DigiKey 웹 사이트의 ‘단자 – 빠른 연결, 빠른 분리 커넥터’ 페이지에서 찾을 수 있습니다.

스냅 작동 리미트 스위치

종종 제조업에서는 사물을 세는 스위치가 필요합니다. 특정 지점을 통과하는 제품 수를 세어야 하는 생산 라인을 상상해 봅시다. 제품은 일정한 하중이 있을 수 있으며 스위치를 작동시킬 수 있습니다. 이 생산 라인에는 제품을 세기 위해 약간만 움직이면 되는 스위치가 필요할 수 있습니다. Omron의 D2VW-5L2-1HS는 이와 같은 작업을 수행하는 데 사용할 수 있는 스냅 작동 리미트 스위치의 한 예입니다. 그림 14는 이러한 공정에 사용할 수 있는 D2V2-5L2-1HS의 암이 확장되는 방식을 보여줍니다.

그림 13: D2VW-5L2-1HS

켜기/끄기 스위치처럼 회로를 유지하는 스냅 작동 리미트 스위치가 있습니다. 대부분은 순간 스위치입니다. SPST-NO 또는 SPST-NC 스냅 작동 리미트 스위치를 찾는 것은 매우 흔한 일입니다. 앞서 언급한 멋진 방법은 상시 개방형 또는 상시 폐쇄형 SPST 대신에 SPDT 회로를 사용하는 것이었습니다. 응용 분야에 따라 상시 개방 또는 상시 폐쇄가 필요하더라도 해당 스위치로 작업할 수 있으므로 좋은 방법입니다.

스냅 작동 리미트 스위치의 가장 일반적인 부속품은 액추에이터 암입니다. 주로 롤러가 있고 때로는 평평한 막대가 있으며 여러 가지 유형의 구성으로 이루어져 있습니다. 그림 15는 D2VW 시리즈의 몇 가지 액추에이터 형식을 보여줍니다.

그림 14: 액추에이터 형식

토글 스위치

토글 스위치는 시장에서 인기가 좋은 또 다른 형식입니다. 이 스위치는 주로 로커 스위치처럼 패널에 실장됩니다. 순간 스위치 기능에 사용할 수도 있지만 일반적으로 유지 스위치 기능에 사용됩니다. 일반적인 모양은 작은 야구 방망이와 같은 액추에이터와 패널 장착을 위한 나사형 부싱을 가지고 있습니다. 그림 16은 E-Switch의 200MSP3T1B1M2QEH를 보여줍니다.

그림 15: 200MSP3T1B1M2QEH.

토글 스위치의 일반적인 부속품은 잠금 와셔와 실장용 육각 너트입니다. 이러한 부속품은 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지 하단에 있는 ‘관련 제품’ 영역에서 찾을 수 있습니다. 그림 17에서 보듯이 200MSP3T1B1M2QEH의 제품 페이지에 이 두 가지가 모두 나열되어 있습니다.

그림 16: 관련 제품인 잠금 와셔와 육각 너트

촉각 스위치의 다른 일반적인 부속품은 안전 덮개와 부츠입니다. 그림 18과 19는 이러한 부속품을 각각 보여줍니다. 안전 덮개는 CW Industries의 GTS447A101HR용 부속품이며 부츠는 NKK 스위치의 M2012SS1W01용 부속품입니다.

그림 17: GTS447A101HR용 안전 덮개

그림 18: M2012SS1W01용 부츠

회전식 스위치

여러 작동 모드 중에서 선택할 수 있는 스위치가 필요한 경우가 있습니다. 이러한 응용 분야에서 회전식 스위치가 요구될 수 있습니다. 이 스위치에는 단극에서부터 몇 개의 극이 있지만 대개 꽤 많은 투가 있을 수 있습니다. Electroswitch의 C7D0124N-C는 회전식 스위치의 한 예입니다. 이 스위치는 SP24T입니다. 즉 전류가 흐를 수 있는 24가지 옵션이 있지만 전류는 한 번에 하나씩만 흐릅니다. 회전식 스위치의 일반적인 부속품은 노브, 다이얼 판, 잠금 와셔, 육각 너트입니다. 이전 제품과 마찬가지로 이러한 부속품은 DigiKey 웹 사이트의 ‘관련 제품’ 탭에서 찾을 수 있습니다. 그림 20은 C7D0124N-C를 보여줍니다.

그림 19: C7D0124N-C

또한 회전식 스위치는 ‘차단 전에 연결’인지 또는 ‘연결 전에 차단’인지에 따라 구분할 수 있습니다. 또 다른 전문 용어인 ‘단락’ 또는 ‘비단락’으로 이를 설명할 수 있습니다. ‘단락’이라 함은 ‘단절 전 접속’을 의미합니다. 즉 스위치가 한 위치에서 다른 위치로 이동할 때 개방 회로가 전혀 없다는 뜻입니다. 이 스위치는 원하는 위치로 완전히 이동할 때까지 일시적으로 2개의 활성 회로를 갖게 됩니다. CTS Electrocomponents의 212T0111S332RA는 ‘단절 전 접속’ 회전식 스위치의 한 예입니다. 이와 반대가 ‘비단락’ 또는 ‘접속 전 단락’입니다. 즉 스위치가 새 회로의 위치에 놓이기 전에 첫 번째 회로가 완전히 끊어짐을 뜻합니다. E-Switch의 KC52A30.001NPS는 ‘접속 전 단절’ 회전식 스위치의 한 예입니다.

키록 스위치

키록 스위치는 매우 일반적인 스위치 형식입니다. 차량 시동 스위치는 꺼짐-켜기-순간 스위치의 한 예입니다. 키를 자동차 시동 스위치에 삽입하면 스위치가 켜기 위치에 있지만 차량이 시동될 때까지 켜기 위치에서 아무 작업도 수행하지 않습니다. 순간 위치는 차량을 시동하는 위치이며 이때 키는 켜기 위치로 돌아갑니다. 시동을 끄려면 키를 끄기 위치로 돌려야 합니다. 키록 스위치의 예로는 그림 21에 나와 있는 Honeywell Sensing and Productivity Solutions의 84829-07이 있습니다.

그림 20: 84829-07

결론

오늘날 시장에는 다양한 종류의 스위치가 있습니다. 모두 회로를 연결하는 동일한 용도로 사용됩니다. 여기에는 유지 스위치 기능과 순간 스위치 기능이 있습니다. 기능이 유지되는 스위치는 수동으로 이동할 때까지 해당 위치를 유지합니다. 반대로 순간 기능이 있는 스위치는 자동으로 기본 상태로 돌아갑니다. 응용 분야에 따라 필요한 스위치 유형이 좁아집니다. 스위치 회로는 최대 허용 전류 및 전압과 같은 물리적 파라미터와 함께 스위치 선택에 있어서 가장 중요한 결정 요소입니다. 스위치 형식은 교체가 가능합니다. 전자 회로는 로커 스위치와 마찬가지로 토글 스위치에서도 잘 작동합니다. 스위치 형식은 엔지니어의 개인적인 선호도와 스위치를 배치할 환경에 따라 주로 결정됩니다.