전기 기계 계전기를 사용하여 최신 인터페이스 문제 해결

시스템 통합의 어려움 중 하나는 기존 서브 시스템을 새 시스템이나 다른 시스템과 연동하는 것입니다. 양쪽의 입력/출력 특성이 표준이고 알려진 경우, Texas Instruments SN74AUP1T57DCKR과 같은 레벨 시프터/변환기 IC를 사용하면 입력과 출력에서 서로 다른 디지털 신호 레벨을 수용하고 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 두 인터페이스가 표준이고 잘 정의된 경우 SN74AUP1T57DCKR과 같은 기성 IC를 사용하면 문제를 빠르고 쉽게 해결할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

문제는 이전 시스템과 신규 시스템 간의 상호 연결이 쉽게 구현되지 않는 경우가 많다는 것입니다. 인터페이스의 한쪽 또는 양쪽 특성을 알 수 없거나 잘 정의되어 있지 않아 표준 부품을 사용하지 못하는 경우가 많습니다.

저는 이 문제를 두 가지 상황에서 직면했었습니다. 거의 200년의 역사를 가진 전기 기계 계전기(EMR)의 최신 버전을 사용하여 각 사례의 문제를 쉽고 깔끔하게 해결할 수 있었습니다. 1835년경에 발명된 EMR은 일반적으로 미국 과학자 Joseph Henry의 공으로 인정받고 있습니다.

계전기는 광 커플러나 무접점 계전기(SSR)와 비교하면 구식으로 보일 수 있지만, '옛날 방식'의 장점이 매우 유용한 경우도 많이 있습니다. 계전기는 매년 수억 개가 판매됩니다. 대부분은 교체용으로 사용되지만 새로운 설계에 적용되는 경우도 상당합니다.

계전기 유형은 세 가지 일반 그룹, 즉 2A 미만의 접촉 전류를 위한 소형 신호 장치, 더 높은 전류를 위한 전력 계전기, 무선 주파수(RF) 계전기로 나뉩니다. RF 계전기는 일반적으로 메가헤르츠 및 기가헤르츠 범위의 작은 신호를 처리합니다. 또한 자동화 테스트 장비(ATE)용 오디오 계전기나 리드 계전기와 같은 다른 자매품도 있습니다. 또한 계전기는 기본 단극/단투(SPST) 버전부터 여러 접점이 있는 장치까지 접점 구성이 다양합니다.

솔직히 말씀드리자면 저는 다음과 같은 여러 가지 이유로 EMR을 정말 좋아합니다.

• 강하고 신뢰성이 높습니다.
• 거의 완벽한 전기(옴)적 분리를 지원합니다.
• 입력 및 출력 전류/전압 정격이 대부분 독립적입니다.
• 다양한 코일 및 접점 등급으로 제공됩니다.
• 일반적으로 호환되는 소켓 핀아웃 버전이 있어 배선과 디버깅이 간소화됩니다.
• 보통 여러 개의 상시 개방(NO)/상시 폐쇄(NC) 접점이 함께 제공되므로 유용합니다.
• 전기자 위치로 시각적 표시를 제공하여 전원이 공급되는지 여부를 보여줍니다.
• 열거나 닫을 때 기분 좋은 '딸깍' 소리가 선명하게 들립니다.

간단히 말해, 번거롭지 않고 유연하며 명쾌한 해결책이 됩니다. 신뢰성에 대해 말하자면, 제 사양 내에서 사용되는 고품질 계전기는 수백만 주기, 수십 년 동안 지속됩니다.

제가 처리하던 '신호'는 구동 시스템이 두 전선 사이의 기본적인 연속성 연결을 확인하는 '건식 접점'이라고도 하는 접점 폐쇄였기 때문에 제 상황은 비교적 간단했습니다. 제가 어떤 문제를 겪었는지와 각 문제를 간단한 계전기 하나로 어떻게 해결했는지를 살펴보겠습니다.

과제 1: 난방 제어 시스템 업그레이드

저는 친구가 난방 전용 시스템 컨트롤을 단순한 온도 기반 켜기/끄기 기능만 있는 기본적인 구형 온도 조절기에서 보다 정교하고 스마트한 Wi-Fi 지원 장치로 업그레이드하도록 '자원'하여 도와주었습니다. 구형 온도 조절기 컨트롤은 Honeywell의 고전 제품 T87F와 유사했습니다(그림 2). T87F는 1960년대 초에 출시되어 더 이상 판매되지 않지만 매우 안정적인 이종 금속 열 스트립과 밀폐 봉인 수은 스위치 덕에 수백만 대가 설치되었으며, 여전히 많은 제품이 사용되고 있습니다.

그림 2: 1960년대에 출시되고 수백만 대가 설치된 T87F Honeywell 온도 조절기는 매우 안정적인 이중 금속 열 스트립과 밀폐 봉인 수은 스위치 덕에 여전히 많은 제품이 사용되고 있습니다. (이미지 출처: 뉴욕 역사 협회)

기존 온도 조절기를 잠깐 살펴보니 선이 두 개 밖에 없어서 "이게 어려운 일이겠어?"라고 생각했습니다. 특히 출력 동작이 단순 접촉 폐쇄였기 때문에 더욱 쉽게 생각했었으나 완전한 착각이었음이 드러났습니다. 스마트 온도 조절기 설명서에는 2선식 장치에서 더 스마트하고 새로운 3선식 장치로 전환할 때 사용할 수 있는 다양한 구성과 배선 옵션이 나와 있습니다.

우선 새 온도 조절기는 24VAC 변압기를 통해 전원을 공급해야 했기 때문에 난방, 환기 및 에어컨(HVAC) 컨트롤러와 온도 조절기 사이에 추가 리드가 필요했습니다. 다행히 사용되지 않은 세 번째 리드가 이미 준비되어 있었습니다(누군지 모르지만 감사합니다!). 그래서 이 부분은 문제가 되지 않았습니다.

시스템 컨트롤러 공급업체(이번 사례에서는 어느 정도 신생 업체였음), 열만 사용하는지 아니면 열과 AC를 함께 사용하는지 여부, 새 온도 조절기를 기존 컨트롤러에서 전기적으로 분리하는 방법에 따라 새로운 3선 시스템을 기존 2선 접점 폐쇄에 연결하는 다양한 방법이 있었습니다.

광절연기 또는 SSR이라는 옵션이 있었지만, 전압 및 전류 레벨을 정확하게 알 수 없었고, SSR 출력에 작은 전압 강하가 있기 때문에 ‘켜져 있는’ SSR 출력이 실제 접점 폐쇄처럼 보이는지 확신할 수도 없었습니다. 더 쉽고 걱정할 필요도 적은 옵션은 IDEC RY2S-UAC24V와 유사한 절연용 계전기를 사용하는 것이었습니다. 이 범용 쌍극 쌍투(DPDT) 계전기는 기본 변환/절연 회로에 24VAC 코일과 3A 접점이 있습니다(그림 3). 당연히 이 상황에서는 스위칭 속도가 문제가 되지 않았습니다.

그림 3: 최신 스마트 온도 조절기를 간단한 새 2선식 난방 시스템 컨트롤러에 연결하는 문제는 24VAC 코일이 있는 계전기로 해결했습니다. (이미지 출처: Bill Schweber)

다행히 첫 시도부터 모든 것이 잘 작동했습니다! 이보다 더 좋을 수는 없습니다.

과제 2: 보안 시스템 다이얼러를 유선에서 셀룰러로 업데이트

다른 친구로부터 지금은 단종된 가정용 보안 시스템의 유선 다이얼러를 최신 무선 셀룰러 장치로 교체하도록 도와달라는 요청을 받았습니다. 간단한 2선 폐쇄로 기존 장치와 새 장치가 작동했기 때문에 드롭인 교체가 되기를 바랐지만 그렇지 않았습니다.

이전 다이얼러는 '개방'에서 '폐쇄' 접점 쌍으로 전환해야 작동하는 반면, 새 다이얼러의 설명서에는 접지에서 '개방 회로'로 전환해야 작동한다고 나와 있습니다. 하지만 아쉽게도 '개방 회로'는 모호한 용어입니다. '플로팅'(실제로 개방)을 하라는 뜻일까요? 아니면 개방형 콜렉터 출력을 통해 라인을 분리하는 것으로 충분할까요?

이에 더해서 다이얼러를 구동하는 경보 제어 장치의 출력 핀에 관한 설명서에는 전기적 특성이 명확하지 않아서 개방형 콜렉터 구조일 수도 있고 아닐 수도 있다고 나와 있습니다. 따라서 제어 장치의 출력이 다이얼러의 입력 요구 사항과 잠재적으로나마 전기적 호환이 되는지 확신할 수 없었습니다.

고민 끝에 문제를 이렇게 정리했습니다. 제가 가진 것은 불명확한 구조로 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달되는 출력이고, 제가 원하는 것은 그 출력이 접지에서 개방으로 전달되는 DC 신호처럼 보이게 하는 것이었습니다.

그리고 이번에도 EMR이 구세주가 되었습니다. 이번 사례에서는 5V DC(VDC) 코일과 1A 접점이 있는 KEMET UA2-5NU 범용 DPDT 계전기와 유사한 EMR이 이 문제를 유연하고 위험 없이 해결할 수 있는 방법인 것 같았습니다. 제어 장치의 활성 출력과 공급 레일 사이에 코일을 연결한 다음 NC 모드에서 전원이 공급되지 않는 계전기 접점을 사용하여 다이얼러의 입력을 실제 접지에 연결했습니다(그림 4). 제어 장치의 출력이 낮아지면(풀다운) 코일에 전원을 공급해 NC 계전기 접점이 개방되고 다이얼러 입력에 실제 개방 회로를 제공했습니다.

그림 4: 저전압 DC 계전기가 경보 시스템 트리거의 제대로 정의되지 않은 출력과 새로운 무선 다이얼러 사이의 변환 및 신호 반전을 실현했습니다. (이미지 출처: Bill Schweber)

문제가 해결되었습니다! 이 계전기는 레벨 시프터와 신호 인버터의 기능을 모두 수행하며 보너스로 전기적 분리를 제공했습니다.

결론

이 두 EMR 솔루션은 간단하면서도 명쾌하고 효과적인 해결책입니다. 좋아하지 않을 이유가 없죠. 단순성, 기능, 유연성을 제공할 수 있는 검증된 부품을 고려하는 데 주저하지 말라는 교훈을 얻을 수 있습니다. 이와 같은 제 자원봉사는 앞으로도 계속될 것입니다. 예측하기도 어렵고 좌절도 있지만 결국에는 보람을 느끼는 일이기 때문입니다.