PART2전기자기 회로
실험목적
- 1.자기 장치에 대해 이해할 수 있다.
- 2.자계의 특성에 대해 이해할 수 있다.
- 3.전자석의 대해 이해할 수 있다.
실험 1 :자기학 실험
이론
* 자기력 : 두 자석 사이, 또는 자석과 금속 조각 사이에 작용하는 힘. ⇒ 두 개의 자석 가운데를 각각 끈으로 매달고 같은 극끼리 또한 다른 극끼리 서로 가까이하여 어떤 한 힘이 작용하는가 알아본다.
ㆍ 인력: 서로 다른 두 극 사이에서 끌어당기는 힘(N극과 S극 사이)
ㆍ 척력 : 서로 같은 두 극 사이에서 서로 미는 힘(N극과 N극, S극과 S극)
* 자기장 : 자기력이 미치는 공간
⇒ 자석 주위에 철가루나 작은 쇠붙이를 가까이, 멀리 두고 끌려가는 모양을 관찰한다.
ㆍ자기장의 세기 : 자기장에서 자침의 N극이 받는 힘의 크기로 자극에 가까울수록 세다.
ㆍ자기장의 방향 : 자기장의 내의 어느 위치에 자침을 놓았을 때 자침의 N극이 가리키는 방향(N극에서 나와서 S극으로 들어간다)
▶자기력선: 자기장에서 자기장의 방향을 연속적으로 이은 선
⇒ 자석주위에 나침반을 여러개 놓고 N극이 가리키는 방향을 연속적으로 이은 곡선을 그린다.
ㆍN극에서 나와서 S극으로 들어간다.
ㆍ자기력선은 도중에 교차하거나 갈라지지 않는다.
ㆍ자기력선이 조밀할수록 자기력이 세다.
▶지구자기 : 지구상에서 나침반을 놓으면 N극은 북쪽을, S극은 남쪽을 가리킨다. 이것은 지구가 한 개의 큰 자석의 역할을 하기 때문이며 이러한 현상을 지구자기라 한다.
ㆍ지구자기의 S극 : 지리상의 북극 부근에 있다.
ㆍ지구자기의 N극 : 지리상의 남극 부근에 있다.
실험 과정
1. 자석 실험
- 자석을 block a 부분에 가까이 가져가 보자. N극이 붙는가? S극이 붙는가?
2. Reed SW 실습
M02보드에서 그림 2-3과 같이 멀티미터를 이용하여 block b의 REED 스위치 양단에 저항을 측정한다.
자석을 REED 스위치 근처에 접근시키고, 다시 멀티미터를 사용하여 저항을 측정한다. 그 결과를 표 2-1 해당란에 기록한다. 자석이 있을 때와 없을 때의 차이가 어떻게 나는가?
tab1실험 2-1.1
1.결선 방법
1.계측기 결선
전면 패널 Multimeter의 High 단자와 Block b에서 REED SW 좌측단자 간을 적색선으로, Low 단자와 REED SW 우측단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정방법
- 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm을 클릭하면 Digital Multi Meter 창이 나타나며 이때 를 클릭하면 저항값이 표시된다.
- 2자석을 REED SW에 가까이 하지 않은 상태에서 저항값을 측정하여 표 2-1에 기록한다.
- 3자석을 REED SW에 가까이 한 상태에서 저항값을 측정하여 표 2-1에 기록한다.
실험 과정
3. Reed Relay 실습
M02보드에 block c를 이용하여 그림 2-4와 같이 결선한다.
+5V를 인가하고 스위치를 ON 한 후, 멀티미터의 저항계를 사용하여 스위치의 저항을 측정하여 표 2-1에 기록한다.
전원스위치를 OFF 시키고, 저항을 다시 측정하여 표 2-1에 기록한다. 전원을 인가할 때와 인가하지 않을 때 저항값에 어떤 차이가 있는가?
tab2실험 2-1.2
1.결선 방법
1.M02 보드 좌측에 Fixed Power 5V 단자와 Block c의 REED RELAY 좌측단자 간을 적색선으로 연결하고, GND 단자와 REED RELAY 우측단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.계측기 결선
전면 패널 Multimeter의 High 단자와 Block c에서 REED RELAY SW 좌측단자 간을 적색선으로, Low 단자와 REED RELAY SW 우측단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정방법
- 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm을 클릭하면 Digital Multi Meter 창이 나타나며 이때 를 클릭하면 저항값이 표시된다. 이 저항값을 측정하여 표 2-1 해당란에 기록한다.
- 2M01 보드 좌측에 Fixed Power 5V 단자와 Block c의 REED RELAY 좌측단자 간을 적색선으로 제거한 상태에서 저항값을 측정하여 표 2-1해당란에 기록한다.
실험 과정
4. Relay 실습
M02보드에 block d를 이용하여 그림 2-5과 같이 결선한다.
전원공급기의 출력전압을 0으로 하면 저항계에 값을 측정하여 표 2-1 해당란에 기록한다.?
전원공급기의 출력전압을 서서히 증가시키면서 저항계의 값을 확인해보자. 저항계의 값이 바뀌는 전압을 측정하여 표 2-1 해당란에 기록한다.
tab3실험 2-1.3
1.결선 방법
1.M02 보드 좌측에 Variable Power V1 단자와 Block d의 4번 단자 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 5번 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.계측기 결선
전면 패널 Multimeter의 High 단자와 Block d의 2번 단자 간을 적색선으로, Low 단자와 3번 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정방법
- 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm을 클릭하면 Digital Multi Meter 창이 나타나며 이때 를 클릭하면 저항값이 표시된다. 이 저항값을 측정하여 표 2-1 해당란에 기록한다.
- 2전면 패널 좌측 메뉴 하단에서 quick launch 을 선택하고, Variable Power를 클릭한다.
- 33 CH DC 탭을 선택하고 을 클릭하면 DC 출력이 회로에 인가된다.
DC Voltage V1에서 를 클릭하여 전압을 증가시켜가면서 저항값을 측정하여 표 2-1해당란에 기록한다.
- 4측정이 끝나면 을 클릭하여 회로에 인가되는 전압을 차단한다.
실험 과정
M02보드에 block e를 이용하여 그림 2-6와 같이 결선한다.
3-4 단자 간에 전원공급기를 연결하고, 전원을 서서히 증가시키면서 1-2 단자 간에 연결된 저항계의 저항값을 측정하여, 저항값이 변하는 시점의 전압을 측정하고 표 2-1 해당란에 기록한다.
tab4실험 2-1.4
1.결선 방법
1.전원 결선
M02 보드 좌측에 Varible Power V1 단자와 Block e의 3번 단자 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 4번 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.계측기 결선
전면 패널 Multimeter의 High 단자와 Block e의 1번 단자 간을 적색선으로, Low 단자와 2번 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정방법
- 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm을 클릭하면 Digital Multi Meter 창이 나타나며 이때 를 클릭하면 저항값이 표시된다. 이 저항값을 측정하여 표 2-1 해당란에 기록한다.
- 2전면 패널 좌측 메뉴 하단에서 quick launch 을 선택하고, Variable Power를 클릭한다.
- 33 CH DC 탭을 선택하고 을 클릭하면 DC 출력이 회로에 인가된다.
DC Voltage V1에서 를 클릭하여 전압을 증가시켜가면서 저항값이 변화는 시점의 전압을 측정하여 표 2-1 해당란에 기록한다.
- 4측정이 끝나면 을 클릭하여 회로에 인가되는 전압을 차단한다.
실험 결과 보고서
1. 실험 결과표
2. 검토 및 정리
1) 리드 스위치, 리드 릴레이, 릴레이, SSR의 동작원리를 기술하시오.
2) 표 2-1의 SSR에서 전압이 증가할 때와 감소할 때 ON-OFF시 차이점이 무엇인지 기술하시오.
3. 실험 결과에 대해 토의한다.
REED SW
리드스위치는 코일 혹은 영구자석에 의해 양쪽에 리드편에 N극과 S극이 유도되어 자기흡인력에 의해 작동을 한다. 또 자계가 소거되면 리드편의 탄성에 의해 접점이 복귀된다.
유리관(Glass Capsule)
유리 성형과정에서 유리 내부는 진공상태로 제작되며, 불활성 가스(보통 질소)를 충전시킨다. 유리관 안에는 접점의 손상을 막기 위해 불활성 가스 봉입되어 있고 접점은 로듐(Rh) 또는 루테늄(Ru)등으로 도금이 되어 있다.
리드 접점편(Contact Plate)
두 리드 접점은 니켈/철(52% 니켈)의 합금으로 구성되어 있다. 자기장에 의해 영향을 받으려면 리드는 강자성이어야 한다. 강자성 재료들: 철, 코발트, 니켈
자석이 리드 센서/스위치 근접하게 될 때, 디바이스는 활성화하고, 리드 센서/스위치 근방에서 제거 될 때, 장치는 비활성화시킨다.
그러나, 리드 스위치 접점을 활성화에 관여 자기 상호 작용은 반드시 명확하지 않다. 상호 작용에 대해 생각하는 한 가지 방법은 자석이 리드 스위치의 금속 부분에 자극을 유발하여 전기 접점 사이에 흡인력의 결과로 리드 스위치 활성화에 기인한다.
또 다른 방법은 자석이 전기 접점을 통해 자속을 유도한다는 것이다. 자속이 충분히 높은 경우, 접점 간에 자기 인력은 리드 스위치가 닫히는 원인이 된다.
아래 그림은 전형적인 리드 스위치와 리드 센서를 활성화하기 위한 거리의 예이다.
위 그림과 같이, 리드 스위치에 자기 방향 및 위치는 상대적인 거리 활성화에 중요한 역할을 한다. 또, 활성화 영역 (돌출부)의 크기는 자석의 강도와 리드 스위치의 민감도에 의존된다.
리드 센서/스위치에 대하여 적당한 자석의 방향은 기계 시스템, 자기 강도와 리드 스위치 또는 리드 센서의 감도에 대한 허용 오차 범위에 걸쳐 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는데 중요한 고려사항이다.
리드 릴레이(Reed Relay)
리드릴레이는 아래 그림과 같이 리드스위치와 그 외주에 감겨진 자계를 발생시킨 코일을 일체화한 것으로 각각에 접점단자, 코일단자가 접속되어 에폭시수지에서 몰드하고 있다. 동작원리는 코일에 통전하면 2개의 리드편 겹침 부분에 자기흡인력이 발생하여 서로 흡착(ON), 전류를 끊으면 자신의 탄성력으로 2개의 리드편이 떨어져(OFF) 복귀한다. 종류로는 튜브러형, DIP형, SIP형, PC기판장착형, 표면실장형이 있다.
리드릴레이와 일반릴레이와의 큰 차이점은 ①전기회로와 자기회로가 동일 매체(리드편)로써 행해지고 있는 점. ②스위치와 코일이 분리되어 있기 때문에 영구자계에 의한 구동이 가능하다는 점이다.
그 특징으로는 ①소형․경량 ②미소전력에 의한 고속동작 ③접점이 주위분위기의 영향을 받지 않는다 ④구조가 단순하고 저렴하다는 장점이 있고, ①대전력의 ON/OFF에서는 접점용착을 일으키기 쉽다 ②한 개의 코일에 리드스위치를 다수 넣어 다접점을 구성했을 때에 동작순서를 규정할 수 없다 ③접점간에 이물이 들어가면 없앨 수가 없다는 등의 단점이 있다. 실제의 리드릴레이는 용량적으로 1～0.5A이하의 경우에 사용된다.
Relay
릴레이(계전기)란 코일에 전류를 흘리면 자석이 되는 성질을 이용하고 있다. 코일이 전자석으로 되었을 때 철판을 끌어당겨, 그 철판에 붙어있는 스위치부의 접점을 닫거나 열기도 한다. 릴레이가 좋은 점은 전기적으로 독립된 회로를 연동시킬 수 있다는 점이다.
5V와 같은 저전압계로 구성된 회로의 동작에 의해 AC 100V계의 회로를 ON/OFF시키든가, 대전류의 회로를 ON/OFF시킬 수 있다. 릴레이는 기계적으로 접점을 닫거나 열기 때문에 일반적으로 고속 동작은 할 수 없다. 릴레이에도 여러 종류가 있으며, 코일에 가하는 전압(구동전압), 접점용량 등에 따라, 적절한 것을 선택할 필요가 있다.
5V와 같은 저전압계로 구성된 회로의 동작에 의해 AC 100V계의 회로를 ON/OFF시키든가, 대전류의 회로를 ON/OFF시킬 수 있다. 릴레이는 기계적으로 접점을 닫거나 열기 때문에 일반적으로 고속 동작은 할 수 없다. 릴레이에도 여러 종류가 있으며, 코일에 가하는 전압(구동전압), 접점용량 등에 따라, 적절한 것을 선택할 필요가 있다.
릴레이의 특성
최근에는 저렴하고 고성능인 반도체 스위치가 보급되어 릴레이의 용도는 적어졌다. 특히 스피드나 소비 전력 내구성 등의 코일로 기계 접점을 동작시키는 릴레이는 가동부가 없는 반도체 스위치에 비해 훨씬 떨어진다. 그러나 ON 저항이 적은 것 OFF 때에 절연 저항이 큰 것, 내압이나 전류용량이 큰 것 등 릴레이에는 반도체 스위치에서 얻어지지 않는 우수한 특성이 있다.
전자회로에서 사용하는 소형 릴레이의 예를 나타낸다. 일반적으로 리드 릴레이라고 하는 것은 소형, 고속, 저 소비 전력의 특징이 있다. 릴레이를 전자회로에서 사용하는 경우, 접점의 부하 전류가 너무 적으면 개폐가 정확하게 안 된다.
메이커에 따라서는 개폐되는 최소부하의 표준을 카탈로그에 기재하고 있다. 일반적으로 말해서 접점의 전류 용량이 클수록 미소전하의 개폐에는 부적당하다. 릴레이에 한하지 않고 스위치 등의 기계접점에서 수 십~수 백 mA의 전류를 흘리도록 한다.
또, 부하 전압이 미소할 경우, 코일의 여자에 의한 접점의 열기전력이 문제가 되는 경우도 있다. 열기전력의 크기는 보통 1mA 이하이다. 특히 저 열 기전력을 특징으로 하는 제품도 있다.
SSR(Soled State Relay)
MAGNET RELAY가 전자력에 의한 동작으로 이루어지는 방식인 반면에 SSR은 기계적인 접점 구조가 없는 [무접점 릴레이] 로서 스위칭 반도체 소자(예를 들면 파워 트랜지스터, SCR 또는TRIAC)를 사용하여 케이스에 수지 몰딩된 상태로 스위칭이 이루어지는 방식으로 완전히 고체화된 전자 스위치이다.
SSR은 MAGNET RELAY에 비해 신뢰성이 높고 수명이 길며, 노이즈(EMI)와 충격에 강하고 소신호로 동작하며 응답 속도가 빠른 우수한 특성을 지니고 있어 산업기기, 사무기기 등의 광범위 분야에서 정밀 제어시 적용하기에 적합하다.
종류
SSR의 장점
◆ PHOTO COUPLER로 입출력 간 절연
SSR 입력과 출력의 전기적 절연을 위해 광소자(PHOTO COUPLER)를 사용하여 입력과 출력 간을 절연시키고, 부하측의 노이즈가 입력측으로 FEED-BACK되는 것을 차단한다.
◆ 소신호동작
광소자 결합으로 입력 신호에 저전압, 저전류를 인가해도 SSR이 동작하므로 DTL, TTL, C-MOS 및 LINEAR IC 등으로도 직접 구동할 수 있다.
◆ 저잡음
무접점이기 때문에 채터링이 적고, 그리고 on,off에 따른 돌입전류도 적으므로, 잡음의 영향이 적다
◆ 소음 :
기계적 릴레이는 물리적이기 때문에 소음이 발생하지만 SSR은 무접점이기에 소음이 발생하지 않는다.
◆ 충격, 진동
릴레이는 물리적소자이기에 충격 및 진동에 약하지만 SSR은 전자부품이므로 충격및 진동에 강하다.
◆ 위상제어
기계식 릴레이는 접점 스위칭 시 불꽃(Arc)을 동반하며 수명이 떨어지고 속도가 느린 반면 SSR은 스위칭 속도가 빠르기 때문에 위상제어가 가능합니다.(모터의 속도제어, 조명 밝기조절)
SSR의 단점
◆ 발열
기계식 릴레이는 스위칭 시 순간적으로 높은 온도에 도달하지만 한번 스위칭 되면 오래 사용할 수 있기 때문에 열 설계에 많은 주의를 하지 않아도 된다. SSR은 전류에 온도가 상승하기 때문에 신경을 써야 한다.
◆ 위상제어시 제로크로스 회로 내장의 SSR 사용불가
위상제어시 턴 온 시간 은 최대 1/2 사이클 지연되는 경우가 있어 제로크로스 회로 내장의 SSR은 위상제어를 할 수 없다. 때문에 비 제로 크로스형 SSR을 사용한다.