SSR(Solid state relay)무접점 릴레이의 원리와 용도 – 전장설계 기초 교육 Part9

1. SSR(Solid state relay)의 원리와 용도

출처:samwon act 홈페이지

SSR은 무접점 릴레이 라고도 불리는데, 무접점이라고 불리는 이유는, 릴레이 처럼 코일에 전원을 투입하여, 기구적으로 연결 하는 방식이 아닌, 포토 커플러(Photo coupler) 방식으로 동작 합니다.

• 포토 커플러 방식은 빛으로 신호를 On/Off 하여 기계적으로 접점을 On/Off 하지 않아 반영구적으로 사용 가능.

SSR은 신호를 빠르게 주고 받거나, 반복적으로 신호를 주고 받을 때, 사용되며, 접점 용량을 키운 SSR로 저항성 히터(ex:시즈 히터)히터를 컨트롤 할 때, 사용 됩니다.

• SSR은 릴레이에 비해 구조가 간단.
• SSR은 빛으로 신호를 전달하기 때문에 릴레이 보다 속도가 빠르고, 노이즈에 강함.
• SSR과 릴레이는 구조 및 동작 방식은 다르나, 전원을 투입하고 접점을 개폐한다는 점은 같음. [릴레이 설명 글]

1.1. SSR(Solid state relay)의 원리

출처:panasonic 메뉴얼

SSR은 구조적으로 빛을 발산하는 발광 다이오드와, 스위치 역활을 하는 포토다이오드(트랜지스터 or Mosfet) 로 구성되어 있습니다.

위 그림으로 간단히 설명 드리면 1,2번 Pin 에 전원을 공급하여, 소자 내부에 LED 가 빛을 확산하면, 그 빛을 수광 소자가 받아드려 역전류 방향으로 전류를 흐르게 하여 3,4번 Pin 이 전류가 흐르게 되는 구조입니다.

출처:applepop 블로그

발광 다이오드와, 스위치 역활을 하는 포토다이오드는 전류가 흐르는 방향이 반대로 되어 있습니다.

• 포토 다이오드에 역방향전압을 걸고, 빛을 조사하지 않으면, 전류가 흐르지 않음.
  • pn 접합 부근에 공핍층이 생김
    • 가운데에 p형은 +, n형은 – 가 이동되는 현상.

즉, 포토 다이오드는 빛을 전기로 바꾸어주므로 전류의 방향이 P->N, 에서 N->P로 바뀐다.

• 포토 다이오드는 광이 입사하지 않을 때, 일반적인 다이오드 특성과 같다.
• 광이 입사할 때, 역방향 전류가 입사 광량에 비례하여 흐르게 된다.

1.2. SSR(Solid state relay)의 용도

출처:celduc 메뉴얼

SSR은 릴레이와 거의 같은 역활을 하지만, 조금 다르게 쓰는 용도도 있습니다.

[릴레이 설명 글]에서도 설명을 드렸지만 릴레이의 주요 용도로는

• 시퀀스(Sequence)회로.
• 부하단보다 출력접점의 허용용량이 높을 때.
• 다른장비 및 기기와 Interface(주고받는)할 때.

입니다.

여기에서 SSR의 특징을 다시한번 말씀드리면

• 동작속도가 매우 빠름.
• 릴레이와 다르게 기계적으로 접점을 개폐하지 않기 때문에 반영구적.
• 입력신호의 전압 범위가 넓다.

라는 장점을 가지고 있습니다.

이러한 특징을 활용하여 주로 사용하는 용도를 말씀드리겠습니다.

1.2.1. Vision Trigger 신호 및 자주 반복하는 신호 구성 시,

출처:Nalayang

제가 예전에 전장설계 시, Vision Trigger 신호의 출력 신호 전압은 거의 5V 였습니다.

불과 3~4년 밖에 지나지 않아 지금도 거의 동일하다고 판단 되는데요. 보통 릴레이는 전압 폭이 20~26V 정도(Sanwon ACT 릴레이 기준)입니다.

• 위 그림을 보시면 SSR 은 전압 범위가 보통 4~32VDC.

Sanwon ACT 릴레이 같은경우, Omron社, Parasonic社 제품 릴레이를 자체 제작한 릴레이 보드에 끼워 맞춰 판매하는 방식이라 위 언급한 메이커 릴레이를 검색하여 산다면 5V 릴레이를 구하여 사용할 수 있지만 릴레이를 사용하지 않는 이유는 3가지가 더 있습니다.

• 전압은 맞출 수 있지만, 자체 제작한 릴레이 소켓의 내부 LED(동작 표시등) 의 전압이 맞지 않음
  • LED는 들어올 수 있지만, Samwon ACT 에 전화 문의 결과 보증은 하지 못한다는 답변.
• 동작속도가 SSR이 더 빠름.
  • 동작속도는 크게 차이나지 않을수도 있으나 장비특성에 따라 그 조금의 속도 차이로 인해 Trigger 신호가 무시되는 경우 발생.
  • 빠른 Tact Time 을 요구하는 장비같은 경우 Vison Trigger 신호는 초당 10개 이상 발생할 수도 있다. (ex: 종이컵 생산라인, 2차전지 Lamination 장비 등)
• 접점이 기구적으로 구성되어 있어 접점 소손이 있을 수 있음. 즉, 개폐수명이 있음.

릴레이 사용을 완전히 못하는건 아닙니다만, ‘적합하지 않다.’ 라고 표현드리고 싶습니다.

1.2.2. 저항성 Heater를 제어할 때,

Heater를 제어한다고?! 라고 생각하실 수도 있지만, SSR은 Heater 제어하기에 적합한 제어기기 입니다.

출처:Woonyoung

위 회로를 보시면 투광 다이오드와 수광 다이오드가 있는데, 수광 다이오드 쪽을 자세히 보시면 양 방향으로 걸려있습니다. 이렇게 걸려 있으면, AC 를 제어 할 수 있습니다.

출처:Nalayang

위 회로는 실제로 쓰일만한 회로를 간단히 표현하였습니다. 위 회로에 대해서 간단히 설명드리면, Temp Controller 에서 제어 신호를 SSR에게 넘겨주어 그 신호를 바탕으로 Heater 가 제어되는 형태입니다.

• 부하가 Heater 이면 ELB 사용 [누전차단기 설명 글]
• 부하가 Controller 같이 민감한 장치면 [회로 보호용 차단기 설명 글]

주의 하실점이 있는데, SSR은 할로겐 히터(Halogen heater)와 같이 Coil이 있는 Lamp heater에는 적합하지 않습니다.

이유를 간단히 설명드리면, SSR로 제어할 시, 출력을 0% or 100% 만 출력하게 됩니다. 유도성 부하는 초기기동시 6~7배 해당하는 순간부하 전류가 자주 반복하기 때문에 Heater는 금방 소손이 됩니다.

유도성 부하에 관해서는 [배선용 차단기 설명글 – 1.2.1 유도성 부하] 참조 바랍니다.

• SSR로 Heater를 제어할 시, 저항성 Heater만 제어.
• Lamp Heater는 SCR(위상각 제어)사용