두 종류의 릴레이에서 ‘꺼짐’이 다른 이유
기계식 릴레이(mechanical relay)는 코일(coil)의 자력으로 금속 접점(contact)을 붙였다 떼는 스위치입니다. 접점이 떨어지면 물리적인 간격이 생기지만, 그 간격이 사용 목적에 필요한 절연을 제공하는지는 해당 제품의 정격과 시험 조건으로 판단해야 합니다. 접점은 반복 개폐와 부하를 켜는 순간 흐르는 돌입 전류(inrush current) 때문에 마모될 수 있습니다.
무접점 릴레이는 입력 회로가 출력 반도체를 제어합니다. 교류 출력형에는 트라이액(triac)이나 사이리스터(thyristor)를, 직류(DC, direct current) 출력형에는 전력 트랜지스터(power transistor)나 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)을 쓰는 제품이 있습니다. 전력 MOSFET 릴레이처럼 교류와 직류 모두에 쓸 수 있는 제품도 있지만, 입력 단자의 제어 전압 범위와 출력 단자의 부하 전압·전류 정격을 따로 확인해야 합니다. ‘입력 5 V로 제어한다’는 표시만 보고 출력이 5 V 부하용이라고 해석하지 않습니다.
OFF 누설전류(off-state leakage current)는 제어 입력을 끈 뒤에도 출력 단자를 지나 부하 쪽으로 흐를 수 있는 작은 전류입니다. 일부 SSR에는 출력 소자를 보호하는 RC 스너버(snubber, 전압 변화를 완화하는 저항·커패시터 회로)가 있어 꺼진 상태에도 이 경로로 전류가 흐릅니다. 낮은 전력의 표시등이나 전자식 입력은 누설만으로 희미하게 켜지거나 해제되지 않을 수 있습니다. 기계식 접점의 ‘열림’과 같은 무전류 상태를 SSR이라는 이름만으로 기대하면 안 됩니다.
부하 전류가 너무 작아도 교류 SSR이 불안정할 수 있습니다
최소 부하전류(minimum load current)는 SSR 출력이 정상적으로 켜지고 꺼지기 위해 필요한 부하 전류의 하한입니다. 트라이액형 교류 SSR은 켜진 상태를 유지하는 유지전류(holding current)가 필요합니다. 부하가 너무 작으면 입력을 켰는데도 출력이 유지되지 않거나, 누설전류 때문에 입력을 끈 뒤에도 부하가 완전히 해제되지 않을 수 있습니다.
아래에서 VAC는 교류 전압, VDC는 직류 전압을 나타냅니다.
예를 들어 G3NA-210B-UTU라는 교류 출력 SSR의 사양표에는 부하 전압 범위가 24~240 VAC, 40°C에서 최소 부하전류가 0.1 A로 지정돼 있습니다. 아래 누설전류·전압강하·방열판 예시도 이 모델의 명세를 사용합니다. 20 mA만 사용하는 부하를 이 제품에 연결한다면 입력 전압이 범위 안에 있어도 정상 전환을 보장할 수 없습니다. 반대로 전력 MOSFET 릴레이 중에는 훨씬 작은 전류를 전환하도록 정격이 지정된 제품도 있습니다. ‘모든 SSR은 0.1 A 이상이 필요하다’거나 ‘무접점이니 어떤 미소 부하도 된다’는 두 판단 모두 잘못입니다. 사용할 제품의 최소 전류와 부하의 최저 운전 전류를 비교하세요.
꺼진 상태도 별도로 봐야 합니다. 같은 예시 모델의 OFF 누설전류 최대값은 100 VAC에서 5 mA, 200 VAC에서 10 mA입니다. 이 수치는 그 모델의 지정 전압 조건에서의 상한이며 모든 SSR의 누설값이 아닙니다. 부하가 꺼지는 데 필요한 해제 전류·전압과 SSR의 누설 사양을 대조하고, 실제 부하를 연결한 상태에서 OFF 전압과 전류를 측정합니다. 부하 없이 고입력저항 전압계로 출력만 재면 누설 경로 때문에 높은 전압이 보이더라도 실제 부하 상태를 알기 어렵습니다.
누설로 부하가 꺼지지 않으면 부하와 병렬로 누설전류를 우회시키는 블리더 저항(bleeder resistor)이나 누설이 더 낮은 출력 소자를 검토할 수 있습니다. 블리더 저항은 켜졌을 때에도 전력을 소모하므로 저항값·정격·발열을 계산해야 합니다. 부하 정격을 확인하지 않고 임의의 저항 하나를 붙여 해결한 것으로 처리하지 않습니다.
켜진 출력의 전압 강하를 열로 계산합니다
기계식 접점에도 작은 저항이 있지만, 반도체 SSR은 켜진 상태에도 출력 양단에 의미 있는 ON 전압강하(on-state voltage drop)가 남을 수 있습니다. 같은 예시 모델의 명세에는 최대 1.6 V(RMS, 실효값)가 적혀 있습니다. RMS는 교류 파형이 저항에서 내는 열 효과와 같은 직류값으로 나타낸 전압·전류의 크기입니다. 이 1.6 V를 계산용 전압강하로 가정하고 실효 부하 전류가 8 A라면 손실전력 P의 규모는 P ≈ 1.6 V × 8 A = 12.8 W입니다. W는 와트로, 1초에 소모되는 에너지의 크기를 나타냅니다. 측정값이나 모든 제품의 손실이 아닙니다. 실제 출력 전압강하, 전류 파형, 주변 온도로 다시 확인합니다.
같은 모델은 40°C에서 부하 전류 상한이 지정 방열판을 쓸 때 10 A, 쓰지 않을 때 4 A로 달라집니다. 따라서 명판의 ‘10 A’만 보고 방열판 없이 8 A를 흘리면 안 됩니다. 방열판(heat sink)은 소자의 열을 넓은 면적으로 내보내는 금속 부품입니다. 설치 방향·주변 온도·공기 흐름까지 반영한 데이터시트(datasheet, 제조사가 부품의 정격과 측정 조건을 정리한 문서)의 온도별 허용 전류 곡선과 소자 표면·방열판 온도를 확인하세요. 전력 MOSFET 출력형에서는 전압강하 대신 온저항(on-resistance)과 P≈I²R로 손실 규모를 가늠합니다. 여기서 I는 암페어(A) 단위의 부하 전류, R은 옴(Ω) 단위의 켜진 출력 저항이며, 이 저항도 온도에 따라 바뀝니다.
입력 방식과 AC·DC 출력 방식을 따로 고릅니다
교류 출력 트라이액형은 전류가 0이 되는 순간에 꺼질 수 있습니다. 직류에는 그런 주기적인 영점이 없어서 교류 전용 SSR에 직류 부하를 연결하면 입력을 꺼도 출력이 계속 켜져 있을 수 있습니다. 직류 부하에는 직류 출력 정격을 가진 제품을, 교류·직류 겸용이 필요한 경우에는 양방향 출력과 두 부하 유형의 정격이 명시된 제품을 고릅니다. MOSFET 출력형이라고 해서 극성·전압·양방향 차단이 자동으로 보장되는 것도 아닙니다.
제로크로스(zero-cross) 기능이 있는 교류 SSR은 교류 부하 전압이 0 V 가까이 올 때 켜서 전환 잡음을 줄입니다. 그 때문에 제어 입력을 바꾼 바로 그 순간에 출력이 바뀌는 것은 아닙니다. 실제 한 교류 SSR의 동작·해제 시간 사양은 입력 종류에 따라 반주기 또는 그 이상에 1 ms를 더한 범위입니다. 반주기는 50 Hz에서 10 ms, 60 Hz에서 약 8.3 ms입니다. ‘무접점이므로 마이크로초 단위로 언제나 스위칭한다’는 식으로 고속 제어를 설계하면 안 됩니다. 특히 교류 제로크로스 출력으로 임의의 고주파 펄스폭변조(PWM, pulse-width modulation)를 구현한다고 가정하지 마세요.
광커플러 부품으로 교류 스위치를 직접 구성한다면 트라이액 게이트 드라이버(triac gate driver)와 부하 전류를 끊는 전력 트라이액을 구별하세요. MOC3021 계열은 제로 크로싱 기능 없이 트라이액을 트리거하는 드라이버이고, MOC3041 계열은 제로 크로싱 부근에서만 트리거하도록 만든 드라이버입니다. 둘 다 외부 전력 트라이액을 구동하는 부품이지, 부하를 바로 연결하는 완성된 SSR은 아닙니다. 제어 회로가 드라이버의 입력 LED에 필요한 점화 전류를 공급할 수 있는지 확인한 뒤, 외부 트라이액의 부하 전압·전류·서지·방열 정격과 게이트 연결을 별도로 검토하세요. 전환 시점과 OFF 상태는 실제 부하를 연결해 확인해야 합니다.
입력 쪽은 반드시 입력 동작 전압·전류와 극성을 따로 확인합니다. 예시 제품군에는 5~24 VDC 입력을 받는 모델과 100~240 VAC 입력을 받는 모델이 따로 있습니다. 같은 외형의 SSR이라고 입력 방식까지 같지 않습니다. 제어 회로가 낼 수 있는 전압과 전류, 입력과 출력 사이의 절연 정격, 실제 배선에서 다른 접지 경로가 생기는지도 함께 살펴야 합니다. 광절연(optical isolation)은 빛으로 제어 신호를 전달해 입력과 출력의 직접 전기 연결을 없애는 방식입니다. 입력에 광절연이 있어도 OFF 출력이 정비를 위한 물리적 단로를 제공하는 것은 아닙니다.
선정과 검증은 네 상태에서 마칩니다
- 부하가 AC인지 DC인지, 정상 전류와 시작 순간의 돌입 전류, 가장 작은 운전 전류를 기록합니다. 제어 입력 사양과 출력 사양을 서로 다른 표에서 확인하고, 출력이 부하 전원 범위와 전류·서지(surge, 순간적인 전압·전류 증가) 조건을 모두 만족하는지 봅니다.
- OFF에서 부하가 실제로 해제되는 전류·전압 한계를 찾습니다. SSR 누설전류 최대값과 비교하고, 전원 최고값에서 실제 부하를 연결해 OFF 전압·전류를 확인합니다. 부하 없이 나온 전압 한 개로 합격을 정하지 않습니다.
- ON에서 출력 양단의 전압강하, 부하 전류, SSR과 방열판 온도를 기록합니다. 데이터시트의 방열판 유무·주변 온도별 허용 전류를 대조하고, 반복 스위칭 뒤 온도가 충분히 안정된 상태에서 다시 확인합니다.
- 입력을 켜고 끌 때 부하의 실제 전환 지연과 해제 상태를 측정합니다. 교류형은 제로크로스 방식과 최소 부하전류를, 직류형은 극성과 OFF 차단을 확인합니다. 전원이 다시 들어올 때 의도하지 않게 켜지지 않는지도 시험합니다.
SSR은 접점 마모가 없지만 모든 고장에서 출력이 열리는 소자는 아닙니다. 과전류·과열·서지로 단락되거나 열리는 고장 모두를 고려해야 합니다. 정비를 위해 확실한 전원 분리가 필요한 회로라면 별도의 정격 있는 차단 수단을 두고, 그 동작을 SSR의 제어 입력 OFF와 구별하세요.