3.7V 배터리로 5V 릴레이를 구동할 수 있을까?

3.7V 배터리로 5V 릴레이를 구동할 수 있습니다. 일반적으로 5V 승압 회로와 코일 드라이버를 사용합니다. 배터리를 코일에 직접 연결하면 전체 방전 구간에서 안정적인 동작을 보장하기 어렵습니다.

핵심 요점

• 3.7V는 공칭전압입니다. 실제 배터리 전압은 충전 상태와 부하에 따라 달라집니다.
• 5V 코일 전원과 3.3V GPIO 제어 신호는 역할이 다릅니다.
• 승압기는 배터리 전압이 가장 낮을 때도 필요한 5V 출력 전류를 공급해야 합니다.
• 5V·80mA 코일은 승압 효율 85%를 가정하면 3.7V 입력에서 약 127mA를 소비합니다.
• 사용 시간은 코일 통전 비율, 변환 손실, 대기전력과 실제 부하를 함께 계산해야 합니다.

1. 3.7V 배터리로 5V 릴레이를 직접 구동하면 생기는 문제

이 글은 4.2V 충전형 단일 셀 리튬이온·리튬폴리머 배터리와 일반적인 5V DC 비래칭 릴레이를 기준으로 설명합니다.

3.7V 배터리는 완충 시 약 4.2V이며, 방전하면서 전압이 낮아집니다. 부하 전류가 커지면 배터리 내부와 배선에서도 전압 강하가 생깁니다.

OMRON G5LE의 5V 코일 사양을 예로 보면 다음과 같습니다.

위 전류·저항·동작 특성은 코일 온도 23°C 기준입니다. 전류와 저항의 허용오차는 각각 ±10%입니다. 이때 동작 전압의 상한은 5V × 75% = 3.75V입니다.

완충된 4.2V 셀에서는 접점이 붙을 수 있습니다. 하지만 3.7V는 위 시험 조건의 동작 전압 상한보다 낮습니다. 특정 샘플이 작동해도 다른 샘플이나 다른 온도에서 같은 결과를 보장할 수는 없습니다.

3.75V는 권장 공급 전압이 아닙니다. 코일 온도, 부품 편차, 드라이버와 배선의 전압 강하를 고려해야 합니다.

이미 붙은 접점이 낮은 전압에서 유지되는 것과, 같은 전압으로 처음부터 접점을 붙이는 것도 다릅니다. 따라서 직결 가능 여부는 완충 상태에서 한 번 작동하는지만 보고 판단하면 안 됩니다.

2. 3.7V 배터리·5V 릴레이 구동 회로 연결법

5V는 코일에 공급하는 전압이고, 3.3V GPIO는 드라이버를 제어하는 신호입니다. COM·NO·NC 접점은 부하의 전원 경로를 개폐합니다. 이 구분은 릴레이 회로의 작동 원리와 접점 구조에서 자세히 확인할 수 있습니다.

릴레이 단품은 승압기와 드라이버로 연결하기

아래는 5V 승압기와 N채널 MOSFET인 Q1을 사용하는 구성입니다.

코일 전류는 GPIO를 통과하지 않습니다. GPIO는 Q1을 켜고 끄는 역할을 합니다.

Q1은 실제 GPIO 전압에서 도통저항 RDS(on)이 충분히 낮은 제품을 선택합니다. 문턱전압 VGS(th)만으로 선정하면 안 됩니다.

코일 양단에는 플라이백 다이오드 D1을 연결합니다.

• 캐소드(K): 승압기의 5V 출력 쪽
• 애노드(A): 코일과 Q1 드레인이 만나는 쪽

D1은 코일을 끌 때 생기는 전압 스파이크를 억제합니다. 코일 가까이에 배치하고 전류·역전압 정격을 확인합니다. 파나소닉의 DC 릴레이 구동 지침에서도 설명하듯, 일반 다이오드는 접점 복귀를 늦출 수 있습니다. 빠른 차단이 필요하면 실제 복귀 시간도 검토해야 합니다.

부하에도 같은 5V 승압 출력을 사용한다면 코일 전류와 부하 전류를 합산해 승압기를 선정해야 합니다.

5V 릴레이 모듈의 3.3V 입력 호환성 확인하기

드라이버가 내장된 모듈도 전원 단자와 입력 조건은 제품마다 다릅니다. “5V 모듈”이라는 표시는 3.3V GPIO 호환성을 보장하지 않습니다.

5V로 풀업된 입력을 MCU에 연결한다면 GPIO의 허용 입력 전압도 확인합니다. 조건이 맞지 않으면 추가 드라이버나 레벨 변환 회로를 사용해야 합니다.

3. 5V 릴레이용 승압 회로 선택: 출력 전류와 시작 조건

코일 전류의 허용오차와 추가 부하 반영하기

이하 계산에서는 앞의 코일 전류 79.4mA를 약 80mA로 반올림합니다. 코일 전력은 5V × 0.08A = 0.40W입니다.

승압기의 출력 능력을 정확히 80mA에 맞추면 여유가 부족할 수 있습니다. 코일 저항에 −10% 허용오차만 적용하면, 23°C·5V 조건의 계산 전류는 다음과 같습니다.

5V ÷ (63Ω × 0.9) ≈ 88.2mA

실제 선정에서는 사용 온도와 출력 전압 오차를 반영합니다. 모듈의 LED, 입력 회로와 같은 5V 전원을 사용하는 다른 부하도 추가해야 합니다.

승압 모듈의 전류 표시와 입력 조건 읽기

모듈의 “2A·3A” 표시가 출력 전류인지, 내부 스위치의 전류 제한인지 확인합니다. 스위치 전류 제한은 5V 출력 전류와 같은 값이 아닙니다. 출력 능력은 입력 전압과 인덕터 전류의 변동에도 영향을 받습니다.

동작 가능한 최저 입력 전압과 처음 시작할 수 있는 최저 전압은 다를 수 있습니다. TI TPS61023의 입력 범위와 시동 사양도 두 조건을 별도로 명시합니다.

승압기의 저전압 차단 기능인 UVLO를 배터리 보호 조건으로 그대로 사용해서도 안 됩니다. 기기의 방전 종료 전압은 셀 사양에 맞춰 정해야 합니다.

5V 출력이 안정된 뒤 릴레이 켜기

승압기 전원을 제어할 수 있다면 다음 순서로 구성합니다.

1. Q1을 OFF 상태로 유지합니다.
2. 승압기를 켜고 5V 출력이 정상 범위에 들어왔는지 확인합니다.
3. Q1을 켜서 릴레이를 동작시킵니다.
4. 종료할 때는 Q1을 먼저 끈 뒤 필요에 따라 승압기를 끕니다.

시작 대기시간은 승압기 사양과 실제 부하 조건으로 정합니다.

일부 승압기는 정지 상태에도 입력에서 출력으로 전류가 흐를 수 있습니다. EN을 끄는 것만으로 코일 전원이 완전히 차단된다고 가정하면 안 됩니다. 출력 차단 기능과 실제 코일 OFF 상태를 함께 확인하세요.

4. 3.7V 배터리 입력 전류와 PCM 발열 계산

5V 코일 전류보다 배터리 입력 전류가 커지는 이유

승압기는 전압을 높이는 대신 배터리에서 더 큰 전류를 가져옵니다. 변환 손실도 포함해야 합니다.

평균 입력 전류 ≈ 출력 전압 × 출력 전류 ÷ (입력 전압 × 효율)

5V·80mA 코일과 승압 효율 85%를 가정하면 다음과 같습니다.

이는 코일만 구동하며 효율이 일정하다고 가정한 계산입니다. 실제 효율은 입력 전압과 부하에 따라 달라집니다. 3.0V는 계산용 입력값이며, 모든 배터리에 적용하는 방전 종료 전압은 아닙니다.

입력 전압은 승압기 VIN 단자에서 측정한 전압을 사용합니다. 셀 전압만 측정하면 PCM과 배선의 전압 강하가 빠질 수 있습니다.

표의 값은 평균 전류입니다. 승압기 내부 스위치와 인덕터의 순간 전류는 별도로 검토해야 합니다.

PCM에는 배터리의 전체 부하 전류가 흐릅니다

같은 배터리로 모터, 통신 회로와 릴레이를 함께 구동한다면 PCM에는 이들의 전류가 합쳐져 흐릅니다.

PCM·PCB·배선의 합계 저항을 0.10Ω, 해당 경로의 총전류를 2A로 가정하면 다음과 같습니다.

• 전압 강하: 2A × 0.10Ω = 0.20V
• 경로 손실: (2A)² × 0.10Ω = 0.40W

이 손실은 해당 경로에 분산됩니다. 특정 MOSFET이나 연결부에 저항이 집중되면 그 부분의 온도가 더 높아질 수 있습니다.

배터리 출력이 떨어지거나 보호회로가 뜨거워진다면 PCM 전류 경로의 저항과 발열 점검을 통해 MOSFET, PCB와 연결부를 나누어 확인하세요.

PCM의 과전류 차단값은 계속 사용할 수 있는 전류와 다릅니다. 셀의 허용 방전 전류, PCM의 연속 전류 능력, 리드선과 커넥터 정격을 함께 맞춰야 합니다.

5. 5V 릴레이 소비전력과 3.7V 배터리 사용 시간

1,000mAh 배터리로 얼마나 사용할 수 있을까?

3.7V·1,000mAh 배터리의 명목 에너지는 다음과 같습니다.

배터리 에너지 ≈ 3.7V × 1Ah = 3.7Wh

코일 전력 0.40W, 승압 효율 85%, 다른 소비전력은 없다고 가정하면 연속 사용 시간은 다음과 같습니다.

사용 시간 ≈ 3.7Wh × 0.85 ÷ 0.40W ≈ 7.9시간

이는 명목 에너지를 모두 사용할 수 있다고 가정한 계산입니다. 실제 사용 시간에는 방전 종료 전압, 온도, 배터리 노화와 추가 부하가 영향을 줍니다.

1,000mAh를 5V 코일 전류 80mA로 바로 나누면 안 됩니다. 배터리와 코일의 전압이 다르고 승압 손실도 있기 때문입니다.

릴레이 통전 비율과 대기전력 함께 계산하기

0.40W 코일을 하루 중 10%만 켠다면, 코일의 시간 평균 전력은 0.04W입니다.

배터리 측 평균 전력은 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

평균 배터리 전력 ≈ 코일 전력 × 통전 비율 ÷ 승압 효율 + 기타 평균 전력

기타 평균 전력에는 MCU, 표시 LED, 실제 부하와 코일 OFF 기간의 대기 소비를 포함합니다. 각 항목은 배터리 측 소비전력으로 환산해야 합니다.

코일 드라이버로 MOSFET을 사용해도 코일 유지 전력은 남습니다. 오래 켜 두는 기기라면 릴레이와 MOSFET의 소비전력 비교를 통해 부하를 MOSFET으로 직접 제어할 수 있는지 검토하세요.

6. 3.7V 배터리·5V 릴레이 회로의 오작동 점검

배터리팩 출력, 승압기 출력, 코일 양단 전압을 구분해서 측정합니다. 한 지점만 보면 전압이 어디에서 떨어지는지 알기 어렵습니다.

측정 결과는 다음처럼 구분할 수 있습니다.

• 배터리팩 출력부터 떨어짐: 셀의 출력 능력, PCM, 배선과 부하 전류를 확인합니다.
• 배터리 출력은 안정적이지만 5V가 떨어짐: 승압기의 출력 능력, 전류 제한과 시작 조건을 확인합니다.
• 5V 출력은 안정적이지만 코일 전압이 낮음: 드라이버의 전압 강하와 연결 상태를 확인합니다.

짧은 전압 강하는 멀티미터에 표시되지 않을 수 있습니다. 반복해서 딸깍거리거나 MCU가 재시작된다면 오실로스코프로 전원 변화와 제어 신호를 함께 확인하는 것이 좋습니다.

배터리 제조사에 검토를 요청할 때는 목표 사용 시간, 최대·피크 전류와 지속시간, 사용 온도, 기기의 방전 종료 전압을 전달하세요.

3.7V 배터리·5V 릴레이 FAQs