S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER

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전력 전자 부품의 핵심 분야인 S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 에 대해서
분야별로 알아보는 시간을 가지고 있습니다. 이번 시간은 S.S.R  에 대해서 살펴보겠습니다.

제 2부 S.S.R

1. S.S.R의 개요

MAGNET RELAY가 전자력에 의한 동작으로 이루어지는 방식인 반면에 S.S.R은 기계적인 접점 구조가 없는『무접점 릴레이』로서 스위칭 반도체 소자를 사용하여 케이스에 수지 몰딩된 상태로 스위칭이 이루어 지는 방식으로 완전히 고체화된 전자 스위치이다.
S.S.R은 MAGNET RELAY에 비해 신뢰성이 높고 수명이 길며, 노이즈(EMI)와 충격에 강하고 소신호로 동작하며 응답 속도가 빠른 우수한 특성을 지니고 있어 산업기기, 사무기기 등의 광범위분야에서 정밀 제어시 적용하기에 적합하다.

2 S.S.R의 특징

1) PHOTO COUPLER로 입출력간 절연
S.S.R 입력과 출력의 전기적 절연을 위해 광소자(PHOTO COUPLER)를 사용하여 입력과 출력간을 절연시키고, 부하측의 노이즈가 입력측으로 FEED-BACK 되는 것을 차단한다.

2) 소신호동작
광소자 결합으로 입력 신호에 저전압, 저전류를 인가해도 S.S.R이 동작하므로 DTL, TTL, C-MOS 및 LINEAR IC 등으로도 직접 구동할 수 있다.

3) ZERO-CROSS 기능회로 내장
ZERO-CROSS 회로 내장형은 S.S.R 입력측에 신호가 인가되어도 부하 전원 전압의 ‘제로점’부근에서 스위칭이 이루어지기 때문에 TURN-ON시 돌입 전류 및 노이즈(EMI)를 억제시킨다.

4) 위상제어가능
MAGNET RELAY는 TURN-ON시간이 길고 채터링이 발생하여 위상 제어가 불가능한 반면 S.S.R은 스위칭이 빠르고 위상 제어가 가능하다.

5) 완전수지몰딩화
난연성 수지로 완전 몰딩되어 습기, 먼지, 가스 등에 영향 받지 않으며, 진동이나 충격 등에도 강하다.

6) 높은신뢰성
반도체 스위치 사용으로 아크, SURGE 등의 노이즈 발생 및 동작음이 없으며, MAGNET RELAY와 달리 기계적인 접점 마모가 없어 수명이 길고 신뢰성이 높다.

3 S.S.R의 응용분야

1) 공장자동화(FA)/설비
전기로, NC M/C, SEQUANCE 제어기, 공작기, 항온기, 초음파 세척기 등

2) 교통 조명제어기
교통신호기, 철도신호기, 전광표시판, DIMMER CON-TROLLER 등

3) 사무자동화(OA)
컴퓨터 주변기기, 복사기, FAX 등

4) 가정자동화(HA)
에어콘, 냉장고, 식기세척기, 전자레인지 등

5) 기타
ELEVATOR, 의료기, 사진현상기 등

4 S.S.R의 동작원리

4-1 동작개요(AC OUTOUT 기준)

S.S.R 입력측에 동작 전압(PICK-UP VOLTAGE) 이상의 HIGH-SIGNAL이 인가되면 PHOTO COUPLER가 동작하여 TRIGGER 회로에 의해 스위칭 소자(TRIAC 또는 SCR등)가 TURN-ON 되어 출력측에 전류가 흐르고, 입력 전압이 복귀 전압(DROP-OUT VOLTAGE) 이하의 LOW-SIGNAL이 되면 스위칭 소자가 TURN-OFF된다.
여기에서, PHOTO COUPLER는 광결합 소자로서 신호 전달 및 1, 2차간 절연 유지 회로이며, CR-SNUBBER는 ON-OFF시 전압 상승률(dv/dt) 및 과도 전압을 억제하여 스위칭 소자를 보호하기 위한 회로이다.

4-2. 부하(AC기준) 및 S.S.R 종류에 따른 동작파형
1) 저항성부하(히타, 백열구 등)
A. ZERO-CROSS형 S.S.R

B. RANDOM형 S.S.R

2) 유도성 부하(모타, 솔레노이드, 트랜스 등)
A. ZERO-CROSS형 S.S.R

B. RANDOM형 S.S.R

5 S.S.R 용어설명

1) 최대부하전류(On-state Load Current)
규정의 방열 조건(방열판, 주위온도 등)에서 출력측에 흘릴 수 있는 최대 전류치

2) 부하전압범위(Load Voltage Range)
출력측에 부하와 전원을 직렬로 접속하여 연속적으로 인가할 수있는 부하 전원 전압의 범위

3) 전압강하(ON-state Voltage Drop)
출력 ON 상태에서 출력측에 정격 부하 전류 통전시 출력 단자간에 측정되는 전압치

4) 누설전류(Off-state Leakage Current)
출력 OFF 상태에서 출력측에 정격 부하 전압을 인가할 때 흐르는 전류치

5) 입력전압범위(Input Voltage Range)
규정의 온도 조건에서 연속적으로 인가할 수 있는 입력 신호 전압의 범위

6) 동작전압(Pick-up Voltage)
출력측에 부하와 전원을 직렬로 접속하고 입력 신호 전압을 서서히 증가하여 출력이 ON 할 때의 입력 전압치

7) 복귀전압(Drop-out Voltage)
출력 ON상태에서 입력 신호 전압을 서서히 감소하여 출력이 OFF 할 때의 입력 전압치

8) 동작시간(Turn-on Time)
입력측에 동작 전압 이상의 신호를 인가하고 난 후 출력이 ON 될 때 까지의 지연 시간

9) 복귀시간(Turn-off Time)
입력측에 인가되어 있는 신호가 복귀전압의 LOW-SIGNAL이 된 후 출력이 OFF 할 때까지의 지연시간

10) 절연저항(Isolation Resistance)
입/출력-CASE 간에 500VDC를 인가했을 때의 저항치

11) 절연전압(Isolation Voltage)
입/출력-CASE 간에 1분간 인가하여 견딜 수 있는 전압치

6 S.S.R 보호회로
1) 과전류로부터 보호
S.S.R 스위칭 소자의 전류자승시간( i2t ) 정격을 초과하여 과전류가 흐르면 S.S.R을 파괴할 우려가 있으므로 돌입 전류 또는 부하 쇼트 등의 돌발적으로 발생 될 수 있는 과전류로부터 S.S.R을 보호하기 위해서는 속단 FUSE를 사용하는 것이 좋으며, 속단 FUSE의 규격은 『Is(S.S.R의 i2t ) 정격 > IF(FUSE의 i2t 정격) > IL(부하의 전류)』의 조건하에서 선정한다.

2) 과전압으로부터 보호
전원측이 환경에 따른 심한 변동이나 부하측에 유기되는 역기전압의 영향으로 S.S.R에 과전압이 인가되어 스위칭 소자의 전압 정격을 초과하게 되면, 오동작 또는 파괴의 우려가 있으므로 VARISTOR를 S.S.R 출력측에 병렬로 결선하여 S.S.R을 보호한다. 부하 전원 전압 대비 VARISTOR 선정은 아래표의 내용과 같이 추천한다.

3) RC-NETWORK
유도성 부하(모타, 솔레노이드, MAGNET 등)에서는 전류와 전압의 위상차로 인하여 부하 전류가 스위칭 소자의 HOLDING 전류 이하로 떨어져 S.S.R의 접점이 닫힐때 출력측에 전압이 크게 상승하여 S.S.R이 콘트롤을 상실할 우려가 있으므로, 이 전압 상승률(dv/dt)을 제한하여 S.S.R을 보호하기 위해서는 출력측에 병렬로 CR-NETWORK 회로를 접속하나, 일반적으로 CR-NETWORK는 S.S.R에 내장되어 별도 부착이 불필요하다.

7 S.S.R & MAGNET RELAY비교

8. S.S.R 응용회로
1) 백열구의 점멸제어
백열구는 스위칭시 큰 SURGE 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 정격 이내에서 사용한다.

2) 히타의 온도제어

3) 솔레노이드밸브의 구동
SOLENOID VALVE는 수 CYCLE 동안 돌입 전류가 흐른 뒤 정상 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 정격 이내에서 사용한다.

4) 단상 유도전동기의 ON/OFF 제어
초기 동작시 큰 돌입 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 전류 정격 이내에서 사용한다.

5) 단상유도 전동기의 정.역제어
두개의 S.S.R중 OFF 하고 있는 쪽의 출력 단자에 전동기의 LC특성에 의해 부하 전원의 2배의 전압 걸리므로 부하 전원의 2배에 전압 정격의 S.S.R를 사용한다.

6) 단상 S.S.R로 삼상부하제어
부하 전원이 항상 연결되어 있어 전동기의 절연 약화와 감전에 주의해야 하며, 안전상 사용치 않을 시 전원 차단을 위해 NFB를 OFF 하는 것이 좋다

7) 삼상히타 온도제어

8) 삼상 유도전동기의 ON/OFF 제어
초기 동작시 큰 돌입 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 전류 정격 이내에서 사용한다.

9. HEATSINK 선정

S.S.R은 반도체 스위칭 소자의 사용으로 P,N 접합부 사이의 접촉 저항에 의해 전류 도통시 전력 손실이 발생하여 열에너지로 변환되어 발열을 하므로, 이로인해 S.S.R 스위칭 소자의 접합부 온도 정격을 초과하면 오동작, 파손 등의 불량을 초래할 우려가 있으므로 S.S.R에 적정 방열판을 부착하여 충분히 방열 시키므로서 S.S.R을 보호 할 필요가 있다.
S.S.R 스위칭 소자의 접합부에서 전력 손실에 의해 발생된 열이 주위공간으로 방열되는 흐름은,

와 같으며, 스위칭 소자의 접합부 온도(Tj)는 다음공식에 의해 계산한다.

10. STANDARD HEATSINK

1) UHS118 Series

MODEL Length(mm) UHS118-1-45 45 UHS118-1-60 60 UHS118-1-80 80 UHS118-1-120 120 UHS118-1-150 150

2) UTHS11 Series

MODEL Length(mm) UHS11-1-80 80 UHS11-1-105 105 UHS11-3-80 80 UHS11-3-105 105 UHS11-3-150 150

3) UHS120V80-3-110

4) UHS124V128-3-105

11. 방열판선정가이드

S.S.R 모델별로 차이는 있으나 주위온도 상온에서 부하 전류가 S.S.R 출력 전류 정격의 60% 이하 조건하에 선정된 방열판으로 주위온도가 높거나 부하전류가 큰 경우에는 S.S.R 또는 방열판을 변경하여 적용해야한다.

다음호에는 NOISE FILTER에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.