비래칭 릴레이와 래칭 릴레이의 차이

저자: Nick Grillone (닉 그릴론), Same Sky

이 글에서는 엔지니어들의 제품 설계에 도움을 주기 위해 비래칭(non-latching) 릴레이와 래칭(latching) 릴레이의 차이를 비교해서 기술하고자 한다.

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1. 비래칭 릴레이와 래칭 릴레이의 차이점

비래칭 릴레이는 코일에 전원이 공급되는 동안에만 스위치가 켜진 상태를 유지하는 반면, 래칭 릴레이는 전원이 차단된 후에도 상태를 유지한다. 이 두 가지 릴레이 유형은 작동 방식이 다르기 때문에 각각 다른 상황에서 뛰어난 성능을 발휘한다. 기술이 계속 발전함에 따라 설계 엔지니어들은 이러한 릴레이 유형의 차이점을 더욱 잘 이해해야 한다.

Same Sky는 전력 릴레이의 두 가지 타입 모두의 제품을 제공한다. 두 유형 모두 중요하지만 사용되는 시나리오가 다르기 때문이다. 이 글에서는 두 가지 유형의 릴레이 간의 근본적인 차이점, 장점 및 단점은 물론 각 유형별 구현 모범 사례에 대해 자세히 살펴보고자 한다. 릴레이 관련 콘텐츠가 더 궁금하면 아래와 같은 블로그 게시글도 확인해보라.

2. 릴레이의 기초

래칭 릴레이와 비래칭 릴레이에 대해 더 자세히 알아보기 전에 릴레이 구조의 기본 사항을 이해해야 한다. 릴레이에 관한 상세 내용은 릴레이에 대해 알아야 할 사항이라는 블로그에 있다. 자세한 내용은 블로그에서 다루겠지만, 여기서는 핵심 기능에 대해 간략하게 살펴보고자 한다.

전자 기계식 릴레이는 전원이 공급될 때 자기장을 생성하는 코일, 접점을 열거나 닫기 위해 움직이는 전기자, 래칭 기능이 없는 설계에서 전기자를 기본 위치로 되돌리는 복귀 스프링으로 구성되어 있다. 접점은 SPST(단극 단투) 또는 SPDT(단극 쌍투)와 같은 다양한 배열로 구성할 수 있다.

기계식 장치에서는 스위칭이 즉각적으로 이루어지지 않으며 전기기계식 릴레이는 성능에 영향을 미치는 중요한 타이밍 특성을 다음과 같이 가지고 있다.

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작동 시간: 코일에 전원이 공급된 후 접점의 상태가 변하는 데 걸리는 시간
해제 시간: 코일 전원이 제거된 후 접점이 기본 상태로 돌아가는 데 걸리는 시간
접점 바운스: 스위칭 과정에서 발생하는 짧고 빠른 개폐 현상으로 디바운스 회로를 필요로 함
최소 펄스 폭: 릴레이를 안정적으로 스위칭 또는 래칭하는 데 필요한 가장 짧은 구동 펄스

이러한 매개변수들은 고속 시스템이나 래칭 릴레이를 사용하는 경우 더욱 중요하다.

3. 비래칭 릴레이란 무엇인가

단안정 릴레이라고도 하는 비래칭 릴레이는 단일 안정 상태를 가지는데 작동 상태를 유지하면 코일에 지속적인 전류가 흐른다. 코일에 전류가 흐르지 않게 되면 (즉, 코일에 전류가 흐르지 않게 되면) 복귀 스프링이 접점을 기본 안정 위치로 되돌린다. 따라서 비래칭 릴레이는 전원 손실 시 안전 상태로 복귀해야 하는 안전 필수 시스템에 이상적이다. 또한 구동 회로가 간단하고 구현 비용이 저렴하다는 장점도 있다.

그러나 작동 중에는 지속적인 전류 공급이 필요하기 때문에 전력 소비가 증가하며 릴레이가 장시간 작동하면 코일이 과열되어 수명이 단축될 수 있다. 다양한 종류의 비래칭 릴레이에 관한 설명은 Same Sky의 제품 목록이 소개된 비래칭 전력 릴레이 및 신호 릴레이를 클릭하면 볼 수 있다.

래칭 기능이 없는 릴레이의 기본 구조

4. 래칭 릴레이란 무엇인가

래칭 릴레이는 쌍안정 릴레이라고도 하는데 코일 전원이 차단되어도 마지막으로 스위칭된 위치를 유지하는 특징을 지닌다. 래칭 릴레이는 영구 자석 또는 기계식 래치를 사용해 전기자를 고정하는데 짧은 전기 펄스로 리셋 또는 스위칭을 한다. 래칭 릴레이는 유지 전류를 필요로 하지 않으므로 대기 전력 소모를 크게 줄이거나 없애는 장점이 있다. 코일이 매우 짧은 시간 동안만 사용되므로 열 발생이 적어 열화 현상이 줄어들게 된다.

또한, 래칭 릴레이는 전원이 손실되어도 마지막 상태를 유지하므로 이러한 작동 상태 유지가 중요한 시스템에 필수적이다. 그러나 설계 및 엔지니어링에는 항상 장단점이 존재한다. 래칭 릴레이는 일반 릴레이보다 더 복잡한 구동 회로를 필요로 하며 단일 코일형의 경우에는 극성 반전 회로가 필요하다.

영구 자석을 사용하는 경우 과전류로 인해 자석이 탈자되거나 과도한 기계적 충격으로 인해 자석이 분리되어 고장이 발생하기도 한다. 실제 옵션은 Same Sky의 다양한 제품을 소개한 래칭 전력 릴레이에 있다.

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래칭 릴레이의 기본 구조

5. 싱글 코일 래칭 릴레이와 더블 코일 래칭 릴레이의 차이점

싱글 코일 래칭 릴레이와 더블 코일 래칭 릴레이는 모두 코일 전원이 차단된 후에도 스위칭 상태를 유지하지만 작동 방식은 다르다. 싱글 코일 래칭 릴레이에는 릴레이를 잠그고 해제하는 데 사용되는 코일이 하나 있다. 그러나 더블 코일 래칭 릴레이는 두 개의 별도 코일을 사용한다. 하나는 릴레이를 래칭하는 데 사용되며 다른 하나는 래칭을 해제하는 데 사용된다.

두 종류의 래칭 릴레이 모두 지속적인 전원 공급 없이도 상태를 유지한다. 싱글 코일 릴레이는 리셋을 위해 코일의 극성을 반전시켜야 하며 더블 코일 릴레이는 리셋을 위해 별도의 핀을 쌍으로 사용한다. 이로 인해 핀 수가 더 많아지고 크기가 약간 커지지만 오히려 극성 반전이 필요 없으므로 회로가 더 간단해진다.

6. 비래칭 릴레이와 래칭 릴레이의 비교

다음 표는 래칭 릴레이와 비래칭 릴레이의 차이점을 비교해서 보여준다.

특징	비래칭 릴레이	래칭 릴레이
대기 코일 전력	더 높음	없음
전력 손실 동작	기본 위치로 돌아감	마지막 위치를 유지
드라이브 복잡성	단순	더 복잡함
크기/비용	일반적으로 더 낮음	일반적으로 더 높음
일반적인 사용 사례	안전 필수 혹은 단순 제어 시스템	에너지 효율적임

7. 래칭 또는 비래칭 릴레이 구현을 위한 모범 사례

최고 품질의 릴레이라 할지라도 올바른 용도에 사용될 경우 최적의 성능과 긴 수명을 보장하려면 모범 사례를 준수해야 한다. 적절한 크기 선정, 신중한 배치, 잘 설계된 회로와의 통합은 시스템의 사용 기간 동안 수 년간 문제없이 작동하느냐 아니면 조기 고장으로 이어지느냐의 차이를 결정짓는 중요한 요소가 된다. 숙련된 설계자의 모든 노하우와 기술을 이 글 한 부분에 담을 수는 없지만 몇 가지 간단하면서도 효과적인 방법을 통해 상당한 이점을 얻을 수 있다.

직류를 사용하는 비래칭 릴레이 코일의 경우 가장 중요한 단계 중 하나는 코일 양단에 플라이백 다이오드를 사용하는 것이다. 이 간단한 부품 하나만으로 코일의 전원이 차단될 때 발생하는 전압 스파이크를 억제함으로써 구동 전자 장치와 주변 회로를 손상으로부터 보호할 수 있다. 또한, 돌입 전류를 줄이면 릴레이, 접점 및 상류 전원 경로의 부품들을 더욱 보호하여 전반적으로 신뢰성을 향상시키게 된다. 이는 특히 턴온 시 큰 전류 서지를 발생시킬 수 있는 용량성 또는 자화성 부하를 스위칭할 때 중요한 요소이다.

래칭 릴레이의 경우 가장 큰 장점은 작동 제어의 정밀도에 있다. 전용 드라이버 IC 또는 H-브리지를 사용하면 단일 코일 설계에서 극성 반전이 간소화되어 일관된 작동이 보장된다. 펄스 폭 제어 또한 매우 중요하다. 펄스가 너무 짧으면 릴레이가 작동하지 않을 수 있지만 너무 길면 코일이 불필요하게 과열되어 에너지가 낭비된다. 까다로운 환경에서는 진동 및 충격 보호도 고려해야 한다. 이는 기계적 충격으로 인해 래칭 방식에서 의도치 않은 스위칭이 발생할 수 있기 때문이다.

두 가지 유형의 릴레이 모두에 적용되는 일반적인 권장 사항이 있다. 릴레이가 최대 한계까지 작동하지 않도록 접점 정격을 낮춰야 하며 적절한 환기를 확보해야 한다. 열 관리를 통해 열 축적을 처리하면서도 특히 먼지가 많거나 습한 환경에서는 적절한 밀봉 옵션을 선택해야 한다. 이러한 몇 가지 조치만으로도 설계자는 래칭 및 비래칭 릴레이 모두의 신뢰성과 수명을 크게 향상시킬 수 있다.

8. 비래칭 릴레이와 래칭 릴레이의 선택

적합한 릴레이를 선택하려면 먼저 애플리케이션의 요구 사항을 이해해야 한다. 코일 전압과 전류는 사용 가능한 전원과 일치해야 하며 접점 정격은 부하 유형에 적합해야 한다. 모범 사례 섹션에서 언급했듯이, 릴레이 크기를 결정할 때는 릴레이가 최대 용량으로 지속적으로 작동하지 않도록 적절한 디레이팅을 적용해야 한다.

릴레이의 최대 스위칭 전압은 시스템의 작동 요구 사항과 같거나 그 이상이어야 할 뿐 아니라 전력 예산도 고려해야 한다. 안전 고려 사항과 환경 조건도 결정에 영향을 미쳐야 하며 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 적절한 기능을 갖춘 릴레이를 선택하는 것도 필수적인 요소이다.

위의 내용들은 릴레이 선택에 대한 일반적인 요구 사항이지만 비래칭 릴레이와 래칭 릴레이에 관해 다음과 같이 몇 가지 구체적인 질문에 따라 선택이 달라져야 한다.

질문	추천
전원 공급이 중단되면 애플리케이션이 기본 상태로 복귀해야 하나?	비래칭 릴레이
전원 공급이 중단된 후에도 애플리케이션의 상태를 유지해야 하나?	래칭 릴레이
사용하는 애플리케이션에는 최소한의 대기 전력이 필요한가?	래칭 릴레이
구동 회로는 최대한 단순해야 할까?	비래칭 릴레이

9. 결론

래칭 릴레이와 논래칭 릴레이 중 하나를 선택할 때에는 에너지 효율, 설계 복잡성, 적용 분야의 요구 사항 등을 종합적으로 고려해야 한다. 비래칭 릴레이는 간단한 작동과 안전한 고장 방지 기능을 제공하며 래칭 릴레이는 저전력 성능과 상태 유지 기능을 제공한다. Same Sky는 두 가지 유형의 릴레이를 모두 제공함으로써 엔지니어와 설계자가 각자의 설계 과제에 맞는 최적의 솔루션을 찾을 수 있도록 지원한다.

10. 핵심 요약

비래칭 릴레이에서 코일이 계속 작동 상태를 유지하려면 지속적인 전원이 필요한데 전원이 차단되면 자동으로 기본 위치로 복귀한다
래칭 릴레이는 전류를 소모하지 않고 마지막 스위칭 상태를 유지하므로 대기 전력을 줄이고 정전 시에도 작동 상태를 보존한다
단일 코일 래칭 릴레이는 극성 반전을 이용해서 릴레이를 설정하거나 재설정하지만이중 코일 래칭 릴레이는 구동 회로를 단순화하기 위해 별도의 제어 핀을 사용한다

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