릴레이 코일에 다이오드를 배치하는 이유는 무엇입니까? 완벽한 플라이백 보호 ​​가이드

작은 부품 절약 회로

이 시나리오를 상상해보세요. 귀하는 전자 프로젝트를 마무리하고 있습니다. Arduino는 릴레이를 통해 12V 모터, 조명 또는 솔레노이드 밸브를 제어합니다. 코드가 완벽하게 업로드됩니다. 모든 연결이 체크아웃됩니다. 모든 것이 매력처럼 작동합니다.

그런 다음 문제가 시작됩니다. 마이크로 컨트롤러가 무작위로 재설정되기 시작합니다. 더 나쁜 것은 릴레이를 제어하는 ​​GPIO 핀이 완전히 죽는다는 것입니다.

이런 답답한 상황은 늘 일어납니다. 범인은? 누락된 다이오드 - 하나의 작고 저렴한 구성 요소.

릴레이 코일에 다이오드를 배치해야 하는 이유는 다음과 같습니다. 이는 역기전력(back EMF) 또는 유도성 반동이라고 불리는 파괴적인 전압 스파이크로부터 제어 회로를 보호합니다. 이러한 보호 기능이 없으면 트랜지스터 및 마이크로 컨트롤러와 같은 민감한 구성 요소가 심각한 손상을 입을 수 있습니다.

이 다이오드는 플라이백 다이오드, 스너버 다이오드, 프리휠링 다이오드 등 여러 가지 이름으로 불립니다. 비용은 저렴하지만 회로 오류에 대한 필수 보험을 제공합니다. 이런 일이 발생하는 정확한 이유와 이 간단한 솔루션을 올바르게 구현하는 방법을 살펴보겠습니다.

역기전력의 물리학

문제를 이해하는 것은 해결책을 이해하는 데 도움이 됩니다. 위험은 인덕터로서의 릴레이 코일의 기본 특성에서 비롯됩니다.

릴레이 코일 작동 방식

릴레이 코일은 기본적으로 인덕터입니다. 단단한 코일에 감겨진 와이어는 전류가 흐를 때 강한 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 계전기의 스위치를 기계적으로 작동시킵니다.

인덕터를 무거운 플라이휠처럼 생각해보세요. 회전하려면 노력이 필요하지만 일단 움직이면 추진력이 있어 계속 가고 싶어합니다. 인덕터는 전류 흐름의 변화에 ​​저항합니다.

릴레이 코일에 전압을 가하면 전류가 흐르기 시작합니다. 코일 주위에 자기장이 형성됩니다. 플라이휠이 운동 에너지를 저장하는 것처럼 인덕터는 이 자기장에 에너지를 저장합니다.

전원을 끊었을 때

릴레이를 끄면 결정적인 순간이 옵니다. 일반적으로 트랜지스터를 사용하여 접지에 대한 회로 경로를 열어 코일에 대한 전류를 차단함으로써 이를 수행합니다.

인덕터의 관점에서 보면 전류는 안정된 값에서 거의 즉각적으로 0으로 떨어집니다. 인덕터는 전류 변화에 맞서기 때문에 전류 흐름을 유지하기 위해 무엇이든 할 것입니다. 붕괴하는 자기장에 저장된 에너지는 어딘가로 이동해야 합니다.

이 급속한 자기장의 붕괴는 코일 전체에 새로운 전압을 유도합니다. 렌츠의 법칙에 따르면 이 유도 전압은 원래 공급 전압과 반대 극성을 갖습니다. 그 크기는 전류가 얼마나 빨리 변화하는지에 따라 달라집니다. 변화가 거의 즉각적으로 발생하기 때문에 유도된 전압은 엄청날 수 있습니다.

5V 또는 12V 전원에서도 이 역기전력은 쉽게 수백 또는 수천 볼트에 도달합니다. 짧지만 엄청나게 파괴적입니다.

"수격 현상" 비유를 생각해 보십시오. 길고 무거운 파이프를 통해 흐르는 고압의 물을 상상해 보세요.- 마지막에 밸브를 세게 닫으면 물의 운동량은 더 이상 갈 곳이 없습니다. 밸브에 충돌하여 배관 시스템 전체를 뒤흔드는 엄청난 압력 스파이크가 발생합니다. 인덕터에 대한 전류를 차단하면 이 현상과 전기적으로 동일합니다.

전압 스파이크 시각화

오실로스코프는 이 이벤트에 대한 가장 명확한 그림을 제공합니다. 릴레이 코일과 제어 트랜지스터 사이의 연결을 조사한다고 상상해 봅시다.

플라이백 다이오드가 있는 회로와 없는 회로를 비교하여 화면에 나타나는 내용은 다음과 같습니다.

그래프 1: 계전기켜는 중

트랜지스터가 켜지면 코일이 접지에 연결됩니다. 이 시점의 전압은 공급 전압(예: 12V)에서 거의 0V로 떨어집니다. 전류가 코일을 통해 흐르기 시작하고 릴레이가 활성화됩니다. 이는 정상적이고 안전한 작동입니다.

그래프 2: 계전기끄기(다이오드 없음)

트랜지스터가 꺼지면 접지 경로가 끊어집니다. 이 시점의 전압은 이론적으로 12V 공급 전압으로 복귀해야 합니다. 대신, 붕괴되는 자기장은 반대 극성의 막대한 전압을 유도합니다.

오실로스코프에는 날카롭고 깊은 음의 스파이크가 표시됩니다. 0V였던 트랜지스터 컬렉터의 전압은 접지 - 아래로 잠재적으로 -100V, -200V 이상으로 급락합니다. 이것은 역기전력(back EMF), 즉 유도성 반동이며 회로의 적입니다.

스파이크 길들이기

이제 문제를 시각화했으므로 솔루션인 플라이백 다이오드를 소개하겠습니다. 이 간단한 구성 요소는 파괴적인 역기전력 에너지에 대한 명쾌한 해답을 제공합니다.

플라이백 다이오드

다이오드는 전기의 일방통행-거리 역할을 합니다. 이는 전류가 한 방향(양극에서 음극으로)으로 쉽게 흐르도록 허용하지만 반대 방향으로는 전류를 거의 완전히 차단합니다.

이 응용 분야에서 다이오드에는 플라이백 다이오드, 스너버 다이오드, 프리휠링 다이오드 또는 억제 다이오드 등 기능을 설명하는 여러 이름이 있습니다. 이들은 모두 동일한 목적을 수행하는 동일한 구성 요소를 참조합니다.

다이오드는 릴레이 코일과 병렬로 연결됩니다. 적절하고 안전한 회로 작동을 위해서는 방향이 절대적으로 중요합니다.

안전한 경로 만들기

플라이백 다이오드의 천재성은 릴레이 "켜짐" 및 "꺼짐" 상태 동안의 동작에 있습니다. 두 가지 시나리오를 살펴보겠습니다.

시나리오 1:계전기에

회로가 릴레이를 활성화하면 전류는 양극 전원 공급 장치에서 릴레이 코일을 통해 제어 트랜지스터를 통해 접지로 흐릅니다.

플라이백 다이오드는 코일을 가로질러 연결되지만 반대 방향으로 연결됩니다. 음극(줄무늬 끝)은 양극 전원에 연결되고 양극은 트랜지스터 측에 연결됩니다. 이 상태에서 다이오드는 역-바이어스됩니다. 이는 닫힌 밸브처럼 작동하여 전류 흐름을 차단합니다. 본질적으로 회로에는 보이지 않으며 릴레이는 정상적으로 작동합니다.

시나리오 2:계전기끄다

여기서 마법이 일어납니다. 트랜지스터가 꺼지고 1차 전류 경로가 차단됩니다. 코일의 자기장이 붕괴되기 시작하여 큰 역기전력 전압이 유도됩니다.

다이오드가 없으면 이 전압이 트랜지스터 연결에 축적되어 엄청난 음의 스파이크가 발생합니다. 그러나 다이오드가 있으면 이 유도 전압은 새로운 경로를 찾습니다.

트랜지스터 측의 음전압 스파이크는 다이오드의 양극을 음극보다 음극으로 만듭니다. 이는 즉시 순방향-으로 다이오드를 바이어스하여 닫힌 스위치처럼 작동하게 합니다. 이는 하나의 코일 끝에서 다이오드를 통과하고 다시 다른 코일 끝으로 돌아가는 작은 폐쇄 루프를 생성합니다.

인덕터가 필사적으로 유지하려고 하는 전류는 이제 이 루프를 통해 순환하거나 "자유회전"할 수 있습니다. 자기장에 저장된 에너지는 다이오드와 코일의 내부 저항 내에서 열로 안전하게 방출됩니다.

이 프로세스는 전압 스파이크를 안전한 수준으로 고정합니다. 수백 음의 볼트로 치솟는 대신, 트랜지스터의 전압은 이제 약 -0.7V(표준 실리콘 다이오드의 순방향 전압 강하)로 고정됩니다. 모든 제어 트랜지스터 또는 마이크로컨트롤러는 이 레벨을 쉽게 처리할 수 있습니다.

누락으로 인한 높은 비용

이 단계를 건너뛰면 어떻게 되나요? 결과는 '만약'이 아니라 '언제'의 문제입니다. 실망스러울 정도로 간헐적으로 발생하는 문제부터 치명적인 영구적 손상까지 다양합니다. EMF 이론이 어떻게 실제{2}}세계의 실패로 해석되는지 이해하면 이 구성 요소의 필요성이 강조됩니다.

프라이드 트랜지스터 및 MOSFET

BJT(양극성 접합 트랜지스터) 또는 금속-산화물-반도체 전계-효과 트랜지스터(MOSFET) - 등 스위칭 소자 -가 일반적으로 첫 번째 히트를 칩니다.

모든 트랜지스터에는 지정된 최대 항복 전압이 있습니다. BJT의 경우 이는 콜렉터-이미터 전압(Vceo)인 경우가 많습니다. MOSFET의 경우 이는 드레인-소스 전압(Vds)입니다. 이들 단자의 전압이 최대 정격을 초과하면 트랜지스터가 영구적으로 손상됩니다.

보호되지 않은 릴레이 코일의 역 EMF 스파이크는 견고한 트랜지스터의 경우에도 쉽게 이러한 정격을 초과합니다. 12V 계전기는 100V 이상의 스파이크를 생성할 수 있는 반면, 일반적인 BC547 트랜지스터의 Vceo 정격은 45V에 불과할 수 있습니다.

항복 전압을 초과하면 트랜지스터는 두 가지 일반적인 방식으로 고장납니다. "짧게" 실패하여 영구적인 연결이 생성될 수 있습니다. 귀하의 릴레이는 영원히 켜져 있습니다. 또는 "개방"에 실패하여 연결이 영구적으로 끊어질 수도 있습니다. 이제 릴레이가 다시는 켜지지 않습니다.

마이크로 컨트롤러 "침묵의 살인자"

Arduino, Raspberry Pi, ESP32 또는 기타 마이크로 컨트롤러를 사용하는 애호가 및 엔지니어의 경우 위험이 더욱 커집니다. 우리는 지원 포럼과 초기 프로젝트에서 이런 현상을 셀 수 없이 보아 왔습니다. 모든 것이 몇 주기 동안 작동하다가 이상하게 작동하기 시작합니다. 그 원인은 플라이백 다이오드가 누락된 경우가 많습니다.

손상은 미묘하고 디버깅하기 어려울 수 있습니다.

무작위 재설정: 막대한 전압 스파이크로 인해 전자기 에너지 폭발이 발생합니다. 이는 공유 전원 및 접지선을 통해 전파되어 마이크로컨트롤러의 Vcc 핀에 도달합니다. 이로 인해 순간적인 전압 강하 또는 스파이크가 발생하여 절전-감지 회로가 트리거되고 자발적인 재설정이 발생할 수 있습니다. 뚜렷한 이유 없이 프로젝트가 재부팅됩니다.

죽은 GPIO 핀: 이는 가장 직접적이고 파괴적인 오류입니다. 음의 전압 스파이크가 제어 트랜지스터를 구동하는 GPIO 핀으로 다시 이동할 수 있습니다. GPIO 핀에는 내부 보호 다이오드가 있지만 유도 코일의 지속적인 에너지가 아닌 작은 정전기 방전 이벤트용으로 설계되었습니다. 역기전력은 이러한 내부 다이오드와 핀 로직을 압도하고 파괴하여 영구적으로 쓸모 없게 만들 수 있습니다.

ADC 판독 오류: 스파이크로 인한 전기 소음은 릴레이 드라이버 회로에만 국한되지 않습니다. 전자기 간섭(EMI)으로 방출되어 민감한 아날로그 신호를 손상시킵니다. 모든 릴레이 스위치가-꺼질 때마다 아날로그--디지털 변환기(ADC) 판독값에 잡음이 많고 신뢰할 수 없게 된다는 것을 알 수 있습니다.

전반적인 불안정성: 전반적인 결과는 근본적으로 신뢰할 수 없는 회로입니다. 책상에서는 작동하지만 현장에서는 실패할 수 있습니다. 10분 동안 작동하다가 충돌이 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 디버깅하는 데는 몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있습니다. 이 모든 것은 구성 요소의 가격이 1달러 미만이기 때문입니다.

시스템 소음 및 간섭

문제는 직접 연결된 구성요소 이상으로 확장됩니다. 역 EMF에서 발생하는 날카로운 고-전압 펄스는 매우 강력한 EMI 소스입니다.

이 전기 잡음은 인접한 PCB 트레이스에 결합되어 I2C 또는 SPI와 같은 통신 버스를 방해하고 다른 민감한 회로 작동을 방해할 수 있습니다. 이는 디지털 로직 결함, 오디오 증폭기 소음 및 전원 공급 장치 조정기 불안정성을 유발할 수 있습니다. 잘 설계된 시스템은 조용한 시스템이며, 보호되지 않은 릴레이는 발생할 수 있는 가장 큰 소음원 중 하나입니다.

실용적인 다이오드 배치 가이드

이론을 이해하는 것은 한 가지입니다. 올바른 구현은 또 다른 것입니다. 이 실용적인 가이드는 일반적이고 위험한 실수를 방지하면서 항상 릴레이 코일에 적합한 다이오드를 배치하고 선택하도록 보장합니다.

오리엔테이션의 황금률

플라이백 다이오드 사용 시 가장 중요한 측면은 방향입니다. 거꾸로 하는 것은 효과가 없을 뿐만 아니라 - 위험합니다.

규칙은 간단합니다. 음극(줄무늬 또는 띠로 표시된 끝)은 항상 릴레이 코일 전원 공급 장치의 양극 측에 연결되어야 합니다. 양극(표시되지 않은 끝)은 코일의 음극 측(스위치 측, 일반적으로 트랜지스터의 컬렉터 또는 드레인에 연결됨)에 연결됩니다.

+12V로 구동되고 NPN 트랜지스터로 전환되는 계전기에 대한 "이것을 하세요/하지 마세요" 시나리오를 통해 이를 시각화해 보겠습니다.

올바른 설치:

+12V 공급 장치는 하나의 릴레이 코일 측에 연결됩니다.

다른 코일 측은 NPN 트랜지스터의 컬렉터에 연결됩니다.

플라이백 다이오드는 두 개의 릴레이 코일 단자에 배치됩니다.

줄무늬 끝(음극)은 +12V 코일 측에 연결됩니다.

줄무늬가 없는- 끝(양극)은 트랜지스터-컬렉터 코일 측에 연결됩니다.

부정확하고 위험한 설치:

+12V에 연결된 양극(비-줄무늬 끝)과 트랜지스터 -에 연결된 음극(줄무늬 끝)을 사용하여 다이오드 뒤로 -을 설치하면 직접 단락 회로가 생성됩니다.

트랜지스터가 켜져 릴레이를 활성화하면 다이오드의 음극이 접지에 연결됩니다. 양극이 +12V에 있으므로 다이오드는 순방향-바이어스가 되어 전원 공급 장치가 제공할 수 있는 만큼의 전류를 전도합니다. 이로 인해 다이오드가 즉시 파괴되고 제어 트랜지스터가 파괴될 가능성이 높으며 전원 공급 장치가 손상되거나 화재가 발생할 수 있습니다.

전원을 공급하기 전에 항상 다이오드 방향을 다시 한번 확인하세요.- 스트라이프는 양극 공급 장치로 이동합니다.

올바른 다이오드 선택

일반적인 조언에서는 "그냥 1N4001을 사용하세요"라고 하지만 보다 전문적인 접근 방식에는 특정 회로 요구 사항에 따라 다이오드를 선택하는 것이 포함됩니다. 고려해야 할 주요 기준은 다음과 같습니다.

기준 1: 역전압(V_R)

다이오드의 최대 역전압(V_R 또는 V_RRM)은 역-바이어스되었을 때 차단할 수 있는 최대 전압입니다. 우리 회로에서는 릴레이가 켜져 있을 때 이런 일이 발생합니다. 다이오드 양단의 전압은 단순히 릴레이 코일의 공급 전압과 같습니다. 따라서 다이오드의 V_R은 코일의 공급 전압을 초과해야 합니다. 경험에 따르면 안전한 마진을 위해 공급 전압의 최소 두 배인 V_R을 선택합니다. 12V 릴레이의 경우 50V V_R(예: 1N4001)의 다이오드가 완벽하게 작동합니다. 24V 릴레이의 경우 50V가 닫힙니다. 1N4002와 같은 100V가 더 안전합니다.

기준 2: 순방향 전류(I_F)

다이오드의 평균 순방향 전류 정격(I_F)은 릴레이 코일에서 끌어오는 연속 전류와 같거나 그 이상이어야 합니다. 환류 시 다이오드를 통과하는 전류는 코일을 통해 흐르는 전류와 동일합니다. 데이터시트에서 코일 전류를 찾거나 옴의 법칙(전류=전압 / 코일 저항)을 사용하여 계산하세요. 대부분의 소형 신호 및 전력 계전기는 1A 미만에서 전력을 잘 소비하므로 일반적으로 1N400x 시리즈와 같은 표준 1A 다이오드로 충분합니다.

기준 3: 스위칭 속도(t_rr)

이것은 더 발전되었지만 중요합니다. 역회복 시간(t_rr)은 다이오드가 "꺼지고" 전류 차단을 다시 시작하는 데 걸리는 시간입니다. 릴레이가 자주 전환되지 않는 간단한 온/오프 애플리케이션의 경우(예: 몇 초에 한 번) 표준 복구 다이오드 속도는 문제가 되지 않습니다.

그러나 펄스{0}}PWM(펄스 폭 변조) 신호 -(아마도 DC 모터 속도 또는 가열 요소 전력 - 제어)로 릴레이 코일을 구동하는 경우 릴레이는 초당 수백 또는 수천 번 전환합니다. 이 시나리오에서는 표준 다이오드가 고주파수에서 전압 스파이크를 효과적으로 클램핑하기에는 너무 느릴 수 있습니다.

PWM 애플리케이션의 경우 빠른 복구를 사용하거나 쇼트키 다이오드를 사용해야 합니다. 이는 역 복구 시간이 훨씬 짧고 고주파수 스위칭용으로 설계되었습니다.-

이 표는 명확한 선택 지침을 제공합니다.

5V 또는 12V 릴레이의 간단한 켜기/끄기 제어와 관련된 대부분의 취미 프로젝트의 경우 1N4007은 매우 우수하고 사양이 다양하며 쉽게 사용할 수 있는 선택입니다. 모든 PWM 제어의 경우 1N5817(최대 20V) 또는 1N5819(최대 40V)와 같은 쇼트키 다이오드가 탁월한 옵션입니다.

고급 보호 시나리오

표준 다이오드는 DC 릴레이 애플리케이션의 95%를 해결하지만 다른 시나리오와 구성 요소도 알아 둘 가치가 있습니다. 이는 과도 전압 억제에 대한 보다 포괄적인 이해를 보여줍니다.

AC 릴레이 취급

간단한 다이오드는 AC 코일이 있는 릴레이에 작동하지 않는다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. AC 코일에 다이오드를 배치하면 하나의 AC 반-사이클에서 전도되어 다이오드와 잠재적으로 회로를 파괴하는 단락이 생성됩니다.

AC 코일의 역 EMF를 억제하는 올바른 방법은 양극 전압용으로 설계된 구성 요소를 사용하는 것입니다. 가장 일반적인 두 가지 솔루션은 다음과 같습니다.

RC 스너버 네트워크: 이는 직렬로 연결되고 AC 코일과 병렬로 배치된 저항기와 커패시터로 구성됩니다. 고주파-스파이크 에너지를 흡수합니다.

MOV(금속 산화물 배리스터): MOV는 전압-의존 저항입니다. 정상 작동 전압에서는 저항이 매우 높습니다. 전압 스파이크가 발생하면 저항이 급격하게 떨어지면서 과도 에너지가 회로의 나머지 부분에서 멀어지게 됩니다. AC 코일과 직접 평행하게 배치됩니다.

AC 릴레이에는 표준 플라이백 다이오드를 사용하지 마십시오.

제너 및 TVS 다이오드

특정 고성능 DC 애플리케이션의 경우 단일 플라이백 다이오드에는 한 가지 작은 단점이 있을 수 있습니다. 즉, 릴레이 전원 차단 및 개방 시간이 약간 늘어날 수 있다는 것입니다.{1}} 이는 환류 전류가 상대적으로 천천히 감소하기 때문에 발생합니다.

가장 빠른 릴레이 끄기-시간이 중요한 애플리케이션에서는 두 가지 대안을 사용할 수 있습니다.

제너 다이오드: 제너 다이오드는 표준 플라이백 다이오드와 직렬로 배치될 수 있습니다. 제너 다이오드를 사용하면 클램프 전압을 더 높지만 여전히 안전한 수준(예: 12V 시스템의 경우 24V)으로 높일 수 있습니다. 이렇게 높은 코일 전압으로 인해 전류(및 자기장)가 훨씬 더 빨리 감쇠되어 릴레이 해제 시간이 더 빨라집니다.

과도 전압 억제(TVS) 다이오드: TVS 다이오드는 연속적으로 배치된 2개의 제너 다이오드와 유사하며, 과도 전압 스파이크를 흡수하도록 특별히 설계되었습니다. 단방향 TVS 다이오드는 플라이백 다이오드를 대체할 수 있습니다. 매우 빠른 응답 시간과 강력한 에너지 흡수 기능을 제공하지만 일반적으로 표준 다이오드보다 가격이 더 비쌉니다.

대부분의 프로젝트에서 이러한 대안은 불필요하지만 고속, 높은-신뢰성 시스템을 설계하는 엔지니어에게는 귀중한 도구입니다.

결론: 작은 구성 요소

우리는 모든 릴레이 코일 내에 숨겨진 위험, 즉 전원이 차단될 때 생성되는 강력한 역기전력을 탐색하는 것부터 시작했습니다. 자기장의 붕괴로 인해 발생하는 이러한 전압 스파이크는 트랜지스터, 마이크로컨트롤러 및 전반적인 시스템 안정성을 조용히 파괴합니다.

솔루션은 간단하면서도 우아합니다. 플라이백 다이오드를 코일과 평행하게 배치하는 것입니다. 이 작은 구성 요소는 유도 에너지가 소멸되는 안전한 경로를 제공하여 전압 스파이크를 클램핑하고 전체 제어 회로를 위험으로부터 보호합니다.

우리는 이 다이오드를 생략하면 부품이 튀겨지는 것부터 미친 듯이 무작위로 재설정되는 것까지 심각한 결과를 초래한다는 것을 배웠습니다. 또한 우리는 실용적이고 실수 없는 구현 가이드를 마련했습니다.-

황금률을 기억하십시오. 다이오드의 줄무늬는 항상 코일 전원 공급 장치의 양극에 연결됩니다.

플라이백 다이오드를 추가하는 것은 선택적인 조정이나 고급 기술이 아닙니다. 이는 근본적이고 협상할 수 없는 모범 사례입니다.- 몇 센트의 비용으로 이 소형 다이오드는 유도성 부하를 전환하는 모든 전자 프로젝트의 신뢰성과 수명을 보장하여 마음의 평화를 제공합니다.

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