릴레이 회로란? 작동 원리부터 접점·배터리 연결까지

릴레이 회로는 코일에 전류를 흘려 접점을 움직이고, 부하의 전원을 켜거나 끄는 회로입니다. 이 글은 저전압 DC 배터리 기기에 사용하는 전자기식 릴레이를 기준으로 원리와 연결 방법을 설명합니다.

핵심 요점

• 코일 전압과 접점에서 제어하는 부하 전압은 서로 다른 사양입니다.
• COM은 공통 접점입니다. 코일이 꺼져 있을 때 NO는 열리고 NC는 닫힙니다.
• 배터리는 공칭전압뿐 아니라 충전부터 방전까지의 전압 범위를 확인해야 합니다.
• DC 코일에는 구동 전류와 차단 순간의 전압 스파이크를 처리할 회로가 필요합니다.
• 릴레이가 정상인지 판단하려면 실제 부하를 연결한 상태에서 전압을 측정해야 합니다.

1. 릴레이 회로의 작동 원리: 코일과 부하 전원 구분하기

코일에 전류가 흐르면 자기장이 생겨 내부 접점을 움직입니다. 일반적인 비래칭 릴레이는 코일 전원을 끄면 접점이 원래 위치로 돌아갑니다.

릴레이 회로는 다음 두 부분으로 나누어 보면 이해하기 쉽습니다.

5V 릴레이라고 해서 접점에서 5V가 출력되는 것은 아닙니다. 5V 코일로 접점을 움직이면서, 접점 쪽에서는 별도로 공급되는 12V 부하 전원을 제어할 수 있습니다. 이때 접점 정격이 해당 부하에 맞아야 합니다.

릴레이 내부의 코일과 접점은 전기적으로 분리되어 있습니다. 다만 완성된 모듈이나 시스템의 절연 여부는 공통 GND, 점퍼와 배선 구성까지 확인해야 합니다.

2. 릴레이 회로도 읽는 법: COM·NO·NC와 a·b·c 접점

COM은 공통 접점이며 GND를 뜻하지 않습니다. NO와 NC는 일반적인 비래칭 릴레이에서 코일에 전원을 넣지 않은 상태를 기준으로 구분합니다.

하나의 COM이 NO와 NC 사이를 전환하는 구조는 c접점입니다. 이러한 명칭과 기호는 파나소닉의 릴레이 접점 용어 설명에서 확인할 수 있습니다.

배터리 기기를 평소에는 끄고 제어 신호가 있을 때만 켜려면 보통 COM과 NO를 사용합니다.

4핀·5핀 릴레이는 내부 회로도 확인하기

4핀 릴레이는 보통 코일 2핀과 접점 2핀으로 구성됩니다. 5핀 전환형은 코일 2핀에 COM·NO·NC가 더해집니다.

하지만 NO가 두 개인 5핀 제품도 있습니다. 핀 수나 외형만으로 배선을 정하지 말고, 데이터시트의 내부 회로도를 확인하세요. 핀 배치 그림이 위에서 본 모습인지, 아래에서 본 모습인지도 중요합니다.

3. 릴레이 회로 정격 읽기: 코일 전압과 접점 전류

코일 정격 전압과 동작 전압은 다릅니다

OMRON G5LE 데이터시트의 DC 5V 코일 사양을 예로 들면 다음과 같습니다.

정격 전류와 코일 저항은 코일 온도 23°C 기준이며, 각각 ±10%의 허용오차가 있습니다.

여기서 3.75V는 데이터시트 시험 조건에서의 동작 전압 상한입니다. 코일을 항상 3.75V로 구동하라는 뜻은 아닙니다. 실제 설계에서는 온도와 배선 손실을 고려해 정격에 맞는 전원을 공급해야 합니다.

처음 접점을 붙이는 데 필요한 전압과 이미 붙은 접점을 유지할 수 있는 전압도 구분해야 합니다.

접점의 AC 정격을 DC 부하에 그대로 적용하지 않기

같은 G5LE 표준형의 저항 부하 정격은 AC 120V에서 10A, DC 30V에서 8A입니다. 외관에 적힌 “10A”만으로 모든 DC 부하를 제어할 수 있다고 판단하면 안 됩니다.

접점 사양은 다음 조건과 함께 확인합니다.

• 부하 전압과 연속 전류: 실제 DC 사용 조건이 정격 범위에 들어가는지 확인합니다.
• 부하 종류와 돌입전류: 모터, 솔레노이드, 커패시터 입력 회로는 켜거나 끄는 순간의 조건도 확인합니다.
• 개폐 횟수: 해당 부하 조건에서의 전기적 수명을 확인합니다.

기계적 수명은 무부하 조건의 개폐 수명입니다. 실제 전류를 차단하는 회로에서는 전기적 수명이 더 직접적인 판단 기준입니다.

4. 릴레이 구동 회로 연결: 드라이버·다이오드·배터리

아래는 5V DC 코일을 N채널 MOSFET인 Q1으로 구동하는 예입니다. GPIO는 Q1을 제어하고, 코일 전류는 코일용 5V 전원에서 공급합니다.

코일과 MOSFET 드라이버 연결

이 구성에서는 GPIO가 Q1을 켜면 코일에 전류가 흐릅니다. 풀다운 저항은 MCU가 시작되거나 GPIO가 입력 상태일 때 게이트가 떠 있는 것을 막습니다.

Q1은 실제 GPIO 전압에서의 도통저항 RDS(on)을 보고 선정합니다. 문턱전압인 VGS(th)만으로 충분히 켜지는지 판단하면 안 됩니다.

플라이백 다이오드의 방향 확인

코일 전류를 끊으면 역기전력으로 전압 스파이크가 생깁니다. 이를 억제하는 플라이백 다이오드는 코일 양단에 다음 방향으로 연결합니다.

• 캐소드(K, 일반적으로 띠가 있는 쪽): 코일의 +5V 쪽
• 애노드(A): 코일과 Q1 드레인이 만나는 쪽

다이오드는 코일 가까이에 배치하고, 코일 전류와 역전압을 견디는 부품을 사용합니다. 극성을 반대로 연결하면 Q1이 켜질 때 전원이 단락될 수 있습니다.

파나소닉의 릴레이 구동 회로 지침에서 설명하듯, 일반 다이오드는 접점 복귀 시간을 늘릴 수 있습니다. 빠른 해제가 필요하면 클램프 방식도 함께 검토해야 합니다.

배터리와 COM·NO 접점 연결

코일이 켜질 때 부하에 전원을 공급하려면 다음과 같이 연결합니다.

1. 보호회로가 있는 배터리팩의 +출력을 적절한 정격의 퓨즈를 거쳐 COM에 연결합니다.
2. NO를 부하의 +입력에 연결합니다.
3. 부하의 −입력을 배터리팩의 −출력에 연결합니다.

코일에는 앞서 설명한 5V 전원을 공급합니다. 이 전원은 같은 배터리에서 변환해 만들 수도 있습니다.

코일용 다이오드만으로 모터나 솔레노이드 등 부하에서 발생하는 서지까지 억제할 수는 없습니다. 부하 쪽 보호 소자는 별도로 검토해야 합니다.

VCC·GND·IN 단자가 있는 릴레이 모듈은 드라이버가 포함될 수 있습니다. 모듈의 전원 전압, HIGH·LOW 중 켜지는 신호, 내장 다이오드 유무를 확인하세요.

5. 배터리 릴레이 회로 설계: 전압 범위와 코일 소비전력

3.7V 배터리는 고정된 3.7V 전원이 아닙니다

3.7V는 리튬이온 셀의 공칭전압입니다. 4.2V 충전형 셀도 방전하면서 전압이 낮아지고, 부하 전류가 커지면 추가 전압 강하가 생깁니다.

따라서 완충 상태뿐 아니라 기기의 방전 종료 조건까지 코일이 동작하는지 확인해야 합니다. 전압 범위가 맞지 않을 때는 3.7V 배터리로 5V 릴레이를 구동하는 방법을 참고해 승압 전원과 구동 조건을 검토하세요.

코일 소비전력은 통전 시간과 함께 계산하기

일반적인 비래칭 릴레이는 코일을 켜 둔 동안 계속 전력을 소비합니다.

코일 소비 에너지(Wh) = 코일 전력(W) × 통전 시간(h)

정격 코일 전력이 0.4W인 릴레이를 가정하면 다음과 같습니다.

이는 코일만 계산한 값입니다. 배터리 용량을 정할 때는 전원 변환 손실, MCU와 부하의 소비 에너지도 반영해야 합니다.

5V 코일 전류로 3.7V 배터리 용량(mAh)을 단순히 나누면 전압 차이와 변환 손실이 빠집니다. 전압이 다른 회로는 전력과 에너지를 기준으로 계산하는 편이 정확합니다.

배터리 용량과 출력 전류는 따로 확인하기

배터리 용량이 1,000mAh라고 해서 1,000mA를 항상 안전하게 공급할 수 있다는 뜻은 아닙니다. 다음 조건을 함께 확인해야 합니다.

• 셀의 허용 연속 방전 전류
• 순간 최대 전류와 허용 시간
• PCM과 전원 회로의 전류 제한
• 커넥터와 배선의 허용 전류 및 저항
• 저온이나 노화에 따른 전압 강하

PCM은 배터리를 보호하는 회로이며, 코일 전압을 일정하게 유지하는 전원 장치는 아닙니다.

배터리팩을 제조사에 의뢰할 때는 평균 전류와 함께 부하의 시동 전류, 지속 시간, 릴레이 통전 비율을 전달하세요. 이 정보가 있어야 셀과 보호회로의 출력 조건을 맞출 수 있습니다.

6. 릴레이 회로 오작동 점검: 접점 상태와 전압 강하

딸깍 소리는 내부 기구가 움직였다는 뜻입니다. 실제 부하에 필요한 전압과 전류가 전달된다는 보장은 아닙니다.

부하가 켜지는 순간의 코일 전압 측정

코일과 부하가 같은 배터리를 쓰면 배터리 공통 전원에서의 코일 전압 강하가 문제가 될 수 있습니다.

예를 들어 공통 전류 경로의 저항을 0.20Ω으로 가정해 보겠습니다. 부하가 켜지면서 전류가 2A 증가하면 추가 전압 강하는 다음과 같습니다.

2A × 0.20Ω = 0.40V

코일 전압이 부족해 접점이 떨어지면 부하 전류가 줄고 전압이 회복될 수 있습니다. 이 과정이 반복되면 릴레이가 계속 딸깍거립니다.

승압기를 쓴다면 배터리 전압과 함께 승압기의 5V 출력도 측정해야 합니다. 짧은 전압 강하는 멀티미터에 표시되지 않을 수 있으므로, 시동 순간의 변화는 오실로스코프로 확인하는 것이 좋습니다.

닫힌 접점 양단의 전압 강하 측정

접점이 닫혀 있는데 부하 전압이 낮다면, 부하에 전류가 흐르는 상태에서 COM과 NO 사이의 전압을 측정합니다.

측정 경로에 2A가 흐르고 전압 강하가 0.10V라면 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

• 경로 저항: 0.10V ÷ 2A = 0.05Ω
• 경로 손실: 0.10V × 2A = 0.20W

이 값은 계산 예시이며 합격 기준이 아닙니다. 측정 위치에 따라 단자나 납땜부의 저항도 포함될 수 있습니다. 데이터시트의 접점 저항 시험 조건과 비교해 판단하세요.

저항·도통 모드로 검사할 때는 측정 회로의 전원을 끄고 병렬 경로를 분리해야 합니다.

7. 배터리 릴레이 회로와 MOSFET 스위치의 선택 기준

제어 회로와 부하 사이의 전기적 절연이나 기계식 접점이 필요하다면 릴레이가 유용합니다. 다만 일반 비래칭 릴레이는 코일을 켠 동안 유지 전력을 소비합니다.

MOSFET으로 부하를 직접 스위칭하면 코일 유지 전력이 필요하지 않습니다. 대신 실제 게이트 전압에서의 도통저항과 부하 전류에 따른 발열을 확인해야 합니다. 역방향 전류도 차단해야 한다면 내부 바디 다이오드와 스위치 구성까지 검토해야 합니다.

절연, 소비전력, 전류 방향을 함께 비교하려면 릴레이와 MOSFET의 차이와 선택 기준을 참고하세요.

릴레이 회로 FAQs