회로) 회로 3. 스위칭

[22 유동수]

스위칭은 회로의 전류를 원할 때에 끊거나 흐르게 하는 행위입니다. 스위칭의 주체는 기계를 조작하는 사람이 될수도(드라이버), 회로 구성품의 일부(모스펫,릴레이)가 될 수도 있습니다. 스위치는 전류를 전선을 물리적으로 분리하는 물리적 스위칭, 회로의 임피던스값을 변화시키는 전기적 스위칭으로 크게 분류할 수 있습니다.

1) 물리적 스위칭

흔히 스위치 하면 떠오르는 부품들이 물리적 스위치입니다. 보통 사람이 조작하기 편하도록 직관적 형태의 버튼, 로터리 등으로 되어 있습니다. 스위치의 용도와 위치에 따라 형태도 천차만별입니다. 또한 래칭 기능이 있는지도 잘 보고 상황에 맞게 판단하여 선정해 사용하면 됩니다. (LVMS, HVMS처럼 규정에서 스위치의 형태를 정해주는 경우도 있음)

로터리, 푸시버튼, 키락 타입

스위치를 고를 땐 접점 용량을 잘 확인해야 합니다. 정격 전류보다 큰 전류를 스위칭하면 아크현상에 의해 용접이 되어버릴 수 있습니다.

또한 회로상에서 스위치는 스위칭하고 싶은 부하에 직렬로 연결해놓기만 하면 됩니다. 하지만 여건이 된다면 전원의 +쪽에 최대한 가깝게 위치시키는 것이 좋습니다. 그 이유는 LV-가 차량 프레임에 접지되므로, 혹시 전선 피복이 벗겨지거나 해서 프레임에 접촉한다면 스위칭 기능을 잃을 수 있기 때문입니다.

좌측에 비해, 우측의 화살표 부분에서 누전이 일어날 경우,이는 해당 노드와 -극 간의 단락을 의미하고, 스위칭의 효과가 없어진다

-릴레이

릴레이는 전류를 흘려 스위치를 열고 닫는 간접적 스위치이며, 분류해보면 물리적 스위치의 범주에 넣을 수 있습니다. 사용하는 방법도 굳이 설명하지 않아도 될 정도로 쉽습니다. 일반 스위치와 같이 접점 용량, 회로에서의 위치, 추가로 코일 사양을 고려하여 선정해 사용하면 됩니다.

2) 전기적 스위칭

전기적 스위칭은 회로 한 부분의 임피던스 값을 매우매우 크거나 작게 하여 전류를 컨트롤하는 방식입니다. 특성상 눈에 보이는 변화가 없기 때문에 Solid State 부품이라고도 합니다. 모스펫, 포토커플러 등을 그 예로 들 수 있습니다. 트랜지스터의 특성 때문에, 많은 경우 위와 달리 회로상의 위치가 중요합니다.

모스펫 스위치 회로의 일반적인 구성 방법, V_GS에 주목하자 

Hi-Side Switch

스위칭하고자 하는 부하의 +부분을 스위칭합니다. 주로 PMOS, PNP BJT를 사용할 때 구성합니다.

Low-Side Switch

스위칭하고자 하는 부하의 -부분을 스위칭합니다. 주로 NMOS, NPN BJT를 사용할 때 구성합니다.

오른쪽 그림의 GPIO라고 쓰인 부분에 몇V의 전압을 인가하냐로 모스펫의 ON/OFF여부가 결정되어, 스위치 기능을 만들어낼 수 있습니다. 모스펫의 임피던스 값은 V_GS에 의해 결정되기 때문에 스위칭하는 위치가 중요한 것입니다.

전기적 스위치는 사용횟수에 따른 수명 감소가 적다는 장점이 있습니다. 트랜지스터의 일종인 IGBT의 경우 수백Hz 이상의 스위칭도 가능한 수준입니다. 따라서 해당 스위치가 통상적인 차량 운행 환경에서 얼마나 사용될지를 고려해 스위치를 선정하면 됩니다.

스위칭의 기본 개념은 전류를 차단하거나 흘리는 것입니다. 하지만 이를 더 일반적으로 해석한다면, "해당 부분의 저항(임피던스)값을 아주 크게 만든다 >> 스위치의 양단에 전원 전압에 가까운 전압이 걸리고, 부하의 양단에는 0V에 가까운 전압이 걸린다.(옴의 법칙) >> 부하가 제 기능을 할 수 없다" 로 나타낼 수 있습니다. 처음에도 언급했듯 전기회로에서 어떤 경우든 완벽히 0의 값을 가지는 것은 존재하지 않는다는 사실을 명심한다면, 이러한 개념들을 더 효과적으로 이해해 볼 수 있을 것입니다.

[20 강정원]

군복무중에도 카페에 이렇게 글을 남긴다는게 쉽지 않은 일인데.. 정말 존경하고 감사합니다. 남은 군생활 화이팅!

[22 유동수]

기억이 남아있을 때 최대한 적어보려 합니다.. 응원 감사해용ㅎㅎ

[22 정민규]

카투사가 군대냐