핫 스위칭
핫 스위칭은 릴레이 수명 단축
전기 신호가 전송되고 있는 상태에서 릴레이를 열거나 닫는 경우를 "핫 스위칭"이라고 합니다. 핫 스위칭은 릴레이 수명에 중대한 영향을 미칩니다. 신호를 핫 스위칭할 때에는 그렇지 않을 때보다 릴레이에 열이 더 발생하며, 접점이 더 빨리 침식됩니다. 이 두가지 요인으로 인해 릴레이에 결함이 더 빨리 발생합니다. 스위칭 시스템 공급업체들은 핫 스위칭이 릴레이 수명에 얼마나 영향을 끼치는지 정보를 제공할 수 있습니다. 그러나, 이 정보를 참조하기 이전에 테스트 조건을 면밀히 검토해야 합니다. 일반적으로 공급업체들은 저항과 부하를 이용하여 릴레이를 테스트합니다. 그러나, 실제 사용할 때의 부하는 유도성(Inductive)과 용량성(Capacitive)일 수 있으며, 이러한 부하 조건일 때에는 단순한 저항성 부하일 때보다 릴레이 수명이 짧아집니다.
용량성 부하
릴레이의 핫 스위칭에 대한 전압, 전류량이 항상 명확한 것은 아닙니다. 예를 들어, 릴레이가 임피던스가 작은 소스 신호를 임피던스가 큰 부하에 연결할 때 스위칭되는 전류량은 상대적으로 적을 것으로 기대될 것입니다.
그러나, 릴레이가 닫힐 때 케이블과 부하에 커패시턴스가 존재한다면 마치 커패시터에 충전되는 것처럼 릴레이를 통하여 높은 돌입 전류가 흐를 수 있습니다.
이처럼 릴레이가 신호를 용량성 부하에 연결할 때는 릴레이도 또한 높은 돌입 전류 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들면, 이것은 스위칭 시스템이 UUT의 극을 변경할 때, 또는 이전 상태에서 임피던스가 큰 부하가 충전되었을 경우 발생할 수 있습니다. 이러한 이유로, 몇몇 케이블 테스트 시스템은 릴레이를 작동하기 전에 케이블 조립체에 잔존할 수 있는 전하를 방전하는 방법을 제공합니다. 위에서 언급한 대로, 스위칭 모듈 스펙에서는 릴레이를 저항성 부하에 연결할 경우의 최대 전압/전류/전력 만을 규정합니다. 따라서, 긴 케이블을 사용하거나 또는 용량성 부하가 있는 환경에서의 사용은 규격과 관계 없이 릴레이에 결함이 발생할 수 있음을 알고 있어야 하며, 별도의 대책이 마련되어야 합니다.
스위칭 시스템은 일반적으로 연결부에 용량성 부하가 존재합니다. Y 축과 X 축 연결의 매트릭스에서의 많은 릴레이 작동은 추가적으로 용량성 부하가 발생할 수 있으며, 핫 스위칭시 릴레이 수명을 단축할 수 있습니다.
케이블과 PCB 회로선에서의 저항은 그러한 돌입 전류 영향을 줄일 수 있으므로 릴레이 수명을 늘리는데 도움이 되지만, 신호 전압이 커지면 그 효과는 급속도로 줄어듭니다.
전원 신호 핫 스위칭
하나의 잠재적 위험 상황은 켜진 상태의 전원 신호를 부하에 스위칭 연결하는 것입니다. 부하는 일반적으로 디커플링 커패시터를 갖고 있으며 전원과의 갑작스런 연결은 높은 돌입 전류를 발생시킵니다.
이러한 돌입 전류는 전원 공급기의 전류 제한 기능과 관계 없이 발생합니다. 왜냐 하면, 이것은 전원 공급기의 출력 디커플링 커패시터로부터 부하의 입력 디커플링 커패시터로의 전하 교환에 기인한 것이기 때문입니다.
아울러, 전원 공급기의 전류 제한 기능은 피드백 메커니즘에 의존합니다. 전원 공급기는 출력 전류를 감지하고 전류가 정해진 값에 도달하면 출력 전입을 낮추기 시작합니다. 이 동작은 얼마 간의 시간이 걸리며, 전류를 핫 스위칭하는 것으로부터 릴레이를 보호할 수 없는 시간입니다. 오직 릴레이만이 전류를 제한할 수 있으며, 릴레이의 핫 스위칭 사양을 테스트할 때 사용하는 방법입니다. 테스트 방법에 대해서는 릴레이 수명 테스트를 참조하십시오.
몇몇 릴레이는 큰 돌입 전류를 견뎌낼 수 있습니다. 이런 릴레이는 닫힐 때 큰 와이핑 동작을 하는 접점이 있으며, 접점은 고온을 견딜 수 있는 물질로 되어 있습니다. 이런 릴레이가 갖는 단점은 전류의 세기에 따라 변하는(전류의 세기가 커지면 저항이 감소하는) 큰 접촉 저항을 갖고 있다는 것이며, 낮은 전압/전류 신호의 스위칭에는 적합하지 않다는 것입니다.
솔리드 스테이트(반도체) 릴레이는 일반적으로 커패시터 간의 돌입 전류를 처리하는 능력이 정상 상태 전류 처리보다 몇 배 이상 크기 때문에 전원 공급기 핫 스위칭에 더 강력한 것으로 간주됩니다. 자세한 내용은 최소 스위칭 능력을 참조하십시오.
결함 요인
신호를 핫 스위칭하는 스위칭 시스템에서 일반적인 릴레이 결함 요인은 다음과 같습니다.
- 접점의 녹음: 접점 녹음은 높은 돌입 전류에 의해 발생되는데, 접점이 닫힐 때 접점면이 녹거나 금속이 연해짐.
- 접점 저항의 변동 또는 간헐적 변동: 접점면 물질의 부식으로 인한 낮은 전류에서의 현상.
- 닫힘 동작 불능: 접촉면의 심각한 부식으로 인한 결함이며, 접촉면에 물질 잔해를 형성. 접촉면에 물질 잔해의 경우, 전기기계식 릴레이(EMR)는 외부에 노출되어 있으므로 더 심각. 반면에, 리드 릴레이는 밀폐되어 있음.
아크(Arc) 현상
릴레이가 신호를 스위칭할 때(특히 고전력 신호가 열리면) 접점 사이에 아크 또는 여러 아크가 형성될 수 있습니다. 이러한 아크는 접점 부식이 발생할 수 있는 시간을 증가시키며 부하가 유도성 부하일 때 특히 손상될 수 있습니다. 릴레이가 열리면 인덕터의 필드가 방전될 때 인덕턴스가 고전압 스파이크를 생성합니다. 전기기계식 릴레이의 전류 정격은 접점 양단의 전압이 증가함에 따라 감소하며, 유도성 부하가 있는 경우 이를 더욱 줄여야 합니다.
솔리드 스테이트 릴레이의 전류 정격은 기계식 릴레이만큼 저하되지 않지만 유도성 부하는 릴레이 출력 트랜지스터의 브레이크다운 전압을 초과하는 전압 스파이크를 생성하여 여전히 고장을 일으킬 수 있습니다. 솔리드 스테이트 릴레이의 데이터 시트에는 핫 스위칭 시 허용되는 최대 스위칭 에너지가 포함될 수 있으며, 일반적으로 밀리줄(mJ)로 표시됩니다. 유도성 부하에 저장된 에너지는 0.5*L*I*I 로 계산할 수 있으며, 여기서 L은 인덕턴스이고 I는 전달되는 전류입니다.
릴레이의 잦은 열고 닫음
짧은 시간에 전력 릴레이를 자주 작동하면 생성된 아크가 접점을 부식시킬 뿐만 아니라 릴레이 온도를 증가시키기 때문에 추가적인 문제가 발생할 수 있습니다. 아크가 더 자주 생성될수록 더 많은 부식이 발생하고 릴레이가 더 뜨거워집니다. 온도가 높을수록 릴레이의 기계 부품, 특히 접점을 제자리에 고정하는 플라스틱 부품이 손상됩니다. 일부 릴레이는 릴레이 케이스에서 형성되는 플라즈마의 제거에 도움이 되도록 일정한 간격으로 고전류/전압 신호의 차단을 위하여 외부에 개방된 통풍구를 패키지에 포함할 것을 요구합니다.
아크는 DC 전압이 오랫동안 아크를 유지할 수 있기 때문에 DC 신호에서 특히 문제가 됩니다. 아래 이미지는 30V를 스위칭하는 릴레이가 (a) 시각에 열렸을 때 어떤 일이 발생했는지 보여줍니다. 릴레이 접점 부분 (a)에서 아크가 생성되고 갭이 생성되었습니다(매우 높은 전류 릴레이에서는 플라스틱 케이스를 통해서도 아크가 보임). 아크는 충분히 냉각될 때까지 계속 발생되는 플라즈마를 생성합니다. 이 예(릴레이가 정격을 초과하여 사용되는 경우)에서 아크는 소멸될 만큼 충분히 냉각되기 전에 1초 동안 지속되었습니다(b).
전류는 시간 a와 시간 b사이에 흐르고 있으며 릴레이 패키지는 이 시간 동안 상당한 전력을 낭비해야만 합니다. 이러한 유형의 아크는 솔리드 스테이트 릴레이에서 발생하지 않습니다.
RF 신호의 핫 스위칭
RF 신호를 핫 스위칭할 때 약간 다른 문제가 발생할 수 있습니다. 소스 신호의 VSWR이 높은 경우(즉, 소스 임피던스가 50 Ω이 아닌 경우) 개방 위치의 릴레이는 닫히기 전에 접점 전체에 매우 높은 전압을 갖거나 릴레이가 열릴 때 높은 전압이 생성될 수 있습니다. 삽입 손실은 반사된 신호를 감쇠하여 최대 전압을 감소시키지만 전압은 여전히 손상을 일으킬 만큼 충분히 높을 수 있습니다.
작동 조건은 RF 신호의 핫 스위칭 조건에 큰 영향을 미치기 때문에 핫 스위칭 전력은 달리 명시되지 않는 한 일반적으로 낮은 소스 VSWR로 지정됩니다. 릴레이가 열악한 소스/부하 VSWR로 작동되면 핫 스위치 성능이 저하되며 성능 저하 정도는 조건에 따라 크게 달라집니다. 높은 RF 전력의 가장 일반적인 이유는 소스가 송신기(또는 증폭기)이고 출력 소스 임피던스의 전력 손실을 방지하기 위해 높은 출력 VSWR을 갖는 것이 일반적이기 때문입니다.
기타 고려 사항
신호를 핫 스위칭하는 스위칭 시스템을 설계할 때 고려해야 할 몇 가지 다른 사항이 있습니다. 예를 들어, 핫 스위칭 릴레이는 스위칭 시스템에서 공진 파형을 유도할 수 있습니다. 전류의 급격한 증가와 전압 레벨의 변화는 매우 갑작스러운 릴레이 닫음으로 인해 스위칭 시스템에 대한 외부 연결과 트레이스에서 생성된 공진 회로를 자극할 수 있습니다.
명심해야 할 또 다른 사항은 기계식 릴레이의 AC 전력 정격이 DC 정격 전력보다 높다는 것입니다. 그 이유는 DC 신호를 스위칭할 때 릴레이 접점이 한 방향으로 이루어지는 경향이 있으므로 접점이 더 빨리 부식되기 때문입니다. AC 신호를 스위칭할 때는 양방향으로 발생하고 아크는 지속 시간이 더 짧습니다. 두 효과 모두 릴레이 수명을 연장합니다.
AC 반응형 부품(인덕터 및 커패시터)에서 파생된 AC 신호를 처리할 때 문제가 될 수 있으며 릴레이 핫 스위치 정격을 줄일 수 있습니다. AC 공급 시스템에는 일반적으로 문제를 일으킬 수 있는 많은 반응 구성 요소(필터, 변압기)가 있습니다. 유도성 소스 또는 부하는 신호를 차단할 때 장기간의 아크를 생성할 수 있으며, 용량성 부하는 경로를 닫을 때 높은 돌입 전류를 생성할 수 있습니다.
전자 릴레이(Electromagnetic Relays)
일부 전자 릴레이의 경우 최상의 접촉 저항 안정성을 달성하기 위해 실제로 핫 스위칭이 필요합니다. 이 릴레이는 최소 스위칭 정격을 가지며 이는 매우 낮을 수 있습니다. 이 최소값 이하에서는 접점이 더러워지고 높은 저항이 발생할 수 있습니다. 일부 응용 분야에서는 시스템의 잔류 케이블 전하와 정전 용량이 접점을 청소하는 데 필요한 서지를 제공할 수 있습니다. 기본적으로 RF 스위칭을 위한 릴레이는 잦은 DC 핫 스위치 작동 후에 문제가 발생할 수 있습니다. 이 작동은 접점에서 금을 제거하고 특히 낮은 주파수에서 손실 및 주파수 변형을 불러올 수 있습니다. 가능하면 RF 애플리케이션에서 DC 스위칭을 피하는 것이 가장 좋습니다.
솔리드 스테이트 릴레이
솔리드 스테이트 릴레이는 정격 내에서 사용할 때 "무한" 수명을 제공할 수 있습니다. 아크를 일으키지 않으며 기계식 계전기와 같은 접촉 문제도 없습니다. 스위칭이 빠를수록 생성되는 열이 줄어듭니다. 무접점 릴레이는 핫 스위치 환경에서 긴 수명이 필요한 애플리케이션에 적합한 솔루션입니다.
결론
대부분의 경우 신호를 "콜드 스위칭"하는 것이 가장 좋지만 응용 분야에 따라 항상 가능하지 않을 수 있습니다. 위에 제공된 몇 가지 조언을 염두에 두면 성공적으로 핫 스위칭을 사용할 수 있고 스위칭 시스템을 최대한 활용할 수 있습니다.
