아두이노 전기적 스위치 - 릴레이

안녕하세요. 메카럽입니다.

이번 포스팅에서는 지난 포스팅에 이어서 스위치의 종류인 릴레이에 대해 알아보도록 하겠습니다.

그럼 본론으로 들어가서 강전과 약전, 또는 중전과 약전이란 표현이 있습니다. 발전소, 변전소, 고압 전동기 등을 다루는 강한 전기의 영역과 전자회로, 통신, 제어처럼 상대적으로 약한 전기의 영역을 구분하는 말이기도 합니다. 상대적이긴 하지만 강전은 인체에 치명적인 수준, 약전은 치명적이지 않은 수준 정도로 구분하기도 합니다.

아두이노 예제에서 다루고 있는 택트 스위치나 작은 트랜지스터가 약전의 영역 내에서의 스위치라면, 릴레이는 약전과 강전을 이어주는 전기적 스위치입니다. 릴레이는 주로 가정의 200V 전원이나 수십 수백 V의 전원을 제어하고자 할 때 쓰이는 부품으로 전등, 선풍기, 에어컨 등 전기제품을 켜고 끄는 스위치로 사용됩니다.

릴레이 내부 모델

위 그림은 일반적인 전자기식 릴레이의 내부 구조를 나타내고 있습니다. 전자기식 릴레이는 1번~2번 핀을 이어주는 스위치 기능을 수행하고, 이 스위칭 기능을 3번~4번 핀 사이의 코일이 맡습니다. 코일에 전원을 공급하면 코일은 전자석이 되어 자성을 띄게 됩니다. 이어 1번~2번 핀 간의 스위치를 끌어당겨 ON 상태로 만드는 원리입니다. 제어 신호를 인가하여 릴레이를 구동시켜보면 동작 순간 "딸깍"거리며 접점이 붙는 소리를 확인할 수 있습니다.

릴레이의 분류

릴레이 내부 스위치의 개수, 접점에 연결된 상태에 따라 여러 가지로 분류되며 이를 위 그림과 같이 나타내었습니다. 기본적으로 하나의 입력과 하나의 출력을 하는 릴레이, 하나의 입력과 둘의 출력을 하는 릴레이가 있습니다. 릴레이는 접점의 상태에 따라 세 가지로 나뉘는데, 전원 인가 전 접점이 OFF 상태인 릴레이를 A 접점 또는 노말 오픈 타입이라고 합니다. 이는 전원이 인가되지 않았을 때 각 접점이 떨어져 있기에 불리는 이름이고 전원이 인가되지 않아도 상시로 ON 상태를 유지하는 릴레이를 B접점 또는 노말 클로즈 타입이라 부릅니다. 두 개의 접점 중 하나에 연결된 릴레이를 C 접점이라 부르는 등 접점의 형태에 따른 분류로도 나뉩니다. 만들고자 하는 시제품의 전기적 특성에 따라 취사선택하도록 합니다.

이제 릴레이와 digitalWrite( ) 함수를 사용하여 아두이노 자신의 전원을 제어해보겠습니다. 이번 예제는 아두이노의 디지털 포트로 전원을 제어할 수 있다는 것을 보여주는 데 의미가 있으며, 이 예제를 응용해서 외부의 전원, 신호를 제어하는데 사용할 수 있습니다. 릴레이는 강전 제어에 활용할 수 있어 220v 전원과 전구 제어 예제 등을 사용할 수 있지만, 위험성 때문에 9V 수준의 예제를 사용하였습니다.

준비물 : 아두이노 우노, F-M 점퍼선, M-M 점퍼선, 릴레이(5V), 9V건전지

전원 제어회로

아래 예제는 아두이노와 릴레이를 이용하여 아두이노의 전원을 제어하는 예제입니다. 위 그림의 회로를 살펴보면, 릴레이 입력부의 Vcc단자에 아두이노의 5V 전원을, GND 단자는 아두이노의 GND를 연결합니다. 릴레이 제어용 전원은 5V, 12V 등 여러 사양이 있으며, 아두이노의 digitalWrite( ) 함수로 릴레이를 제어하기 위해서는 5V 모델을 고르도록 합니다. IN 단자에는 디지털 출력단자를 연결합니다. IN 단자는 제어 신호 단자를 의미하는데 제조사나 모델별로 IN, SIG 등 조금씩 다르게 표기되어 있습니다.

9V 배터리의 +극은 아두이노의 Vin단자와 연결하고, -단자를 릴레이 모듈의 NC 단자에 연결, 릴레이의 COM 단자를 아두이노의 GND와 연결합니다.

릴레이에 전원이 인가되지 않은 상태에서는 9V 전지의 -단자가 연결되고, 전원이 인가된 후 신호선으로 HIGH 신호가 들어오면 -단자가 개방됩니다. 즉, 이 회로는 아두이노의 디지털 출력에 따라 COM-NC 단자의 접점의 연결과 떨어짐으로 9V 전지의 -선 연결을 제어합니다.

아래 예제를 아두이노 우노에 업로드하고 D2 단자를 통해 3초 간격으로 릴레이를 제어하여 우노의 전원을 On,/Off 시키는 내용입니다.

int Dout=2; void setup( ) {  serial.begin(9600);  pinMode(Dout, OUTPUT);  digitalWrite(Dout, LOW); } void loop( ) {  digitalWrite(Dout, LOW);  delay(3000);  Serial.println("Dout is LOW");  digitalWrite(Dout, HIGH);  delay(3000);  Serial.println("Dout is HIGH"); }

스케치가 업로드되면 아두이노는 릴레이 신호선에 LOW신호를 줍니다. 노말 클로즈 단자는 LOW 신호에 상태가 바뀌지 않으므로 초기상태와 달라지는 점은 없습니다. 이어 신호선으로 HIGH 신호가 인가되면, 릴레이의 연결 상태가 바뀌며 접점이 바뀌는 소리가 들립니다. 이때 우노의 GND선에 연결된 전지의 -선이 개발되며 우노의 전원이 차단됩니다.

우노의 전원이 차단되면 digitalWrite( ) 함수 또한 제 기능을 하지 못하므로 릴레이의 접점 또한 원래 상태로 돌아가고, 우노에는 전원이 다시 들어오게 됩니다.

1채널 릴레이를 사용하는 것보다 다채널을 사용하는 경우에는 신호선 외에 전원과 접지선을 각각 한 개의 선으로 구성할 수 있어 배선에 유리합니다.