계전기

1. 개요[편집]

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전기로 작동시키는 스위치를 계전기라 부른다. 영어로는 relay(릴레이).
명칭과 기능이 따로 논다는 느낌이 들 텐데, 그 이유는 다음 문단의 자세한 설명을 읽으면 쉽게 이해할 수 있다.

전기 스위치는 전기 회로에 전류가 흐르게 하거나 흐르지 않게 하는 차단 장치인데, 일반 가정에서 사용하는 스위치는 회로에 스위치가 직접 연결되어 있는 방식이다.[1] 가정용 전기는 전압이 높지 않기 때문에 이렇게 해도 별로 위험하지 않기 때문이다.

하지만 수만에서 수십만 볼트의 고전압 전류가 흐르는 회로를 열거나(전류가 차단) 닫아야(전류가 흐름) 하는 상황도 있기 마련인데, 이러한 스위치를 사람 손으로 직접 조작하는 것은 매우 위험하다. 높은 전압의 전류는 공기의 절연을 파괴하고 아크 방전을 일으켜서 사람을 지져버릴 수 있기 때문이다.[2] 그래서 고전압 회로의 스위치를 사람이 직접 조작하지 않고, 고전압 스위치를 여닫기 위한 별도의 저전압 회로를 만들고, 그 저전압 회로의 스위치를 사람이 조작하여 간접적으로 고전압 회로를 개폐한다면 훨씬 안전하게 사용할 수 있다. 이 저전압 회로를 계전기(Relay)라고 부른다. 정확히 말하면 저전압 회로와 고전압 회로 사이의 접점, 즉 고전압 회로를 여닫는 장치(대개 전자석이다) 부분을 계전기라 부르는 것.

물론 계전기는 위의 예시처럼 극단적인 고전압 회로에서도 쓰이지만, 실생활에서 볼 수 있는 대부분의 전자제품에 들어갈만큼 흔한 물건이다. 전기 주전자에서 물이 끓으면 스위치가 자동으로 내려가는 것도 계전기가 작동해서 스위치를 끄는 것이며[3], TV를 끄고 잠시 뒤에 작게 들리는 탁 소리도 내부의 계전기가 작동하는 소리이다. 아래의 용도 문단에서 설명하겠지만 사실상 안 쓰이는 곳이 없을 정도로 흔한 회로이다.

전기 공학에서는 비교적 낮은 전력을 제어하는 계전기는 릴레이로, 높은 전력을 제어하는 계전기는 마그네트 스위치(파워 릴레이, 흔히 MC라고 말하는 그것)로 부른다. 원리는 같으나 이름만 다르게 쓴다.

보통 전자석 코일에는 직류가 사용되나, 교류를 사용하는 계전기 또한 있다. 별도의 직류 전원 없이 220V 전원만으로 계전기를 작동시켜야 하는 용도에 사용된다.

2. 역사[편집]

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“전자석을 이용해, 전류를 흘리면 회로가 닫히고 전류가 끊기면 회로가 열리는 스위치”는 전기 회로와 전자석에 대한 초보적인 지식만 있으면 누구나 생각해 낼 수 있는 장치이다. 때문에 계전기는 19세기 초부터 여러 사람에 의해 독자적으로 발명되었으며, 특히 전보 관련 발명에 자주 포함된 장치이다. 당시엔 “계전기”같은 별도의 명칭은 없었으나 기능을 보면 명백히 계전기이다.

특허에 계전기가 포함된 것은 욕심쟁이로 악명높은 새뮤얼 모스의 전보 특허(1840년)가 처음인데, 이 특허에서는 계전기를 “증폭기”라 표현하고 있으며 이를 이용해 전기 신호를 매우 먼 거리로 전달할 수 있다고 설명하였다. 물론 이 “증폭”은 우리가 오늘날 알고 있는 진공관이나 트랜지스터 등을 이용한 증폭 회로와는 전혀 다르고, 하나의 전기 회로에 연결된 계전기를 다른 회로에 연결하면 회로 1을 여닫을 때마다 계전기도 열렸다 닫혔다 하며 회로 2를 여닫을 것이고, 회로 2에도 계전기를 설치하고 여기에 또 회로를 연결하면…. 하는 식으로 무한 연쇄가 가능하다는 것이다. 이것이 당시의 유선통신, 즉 전신기의 원리이다.

계전기라는 명칭은 이처럼 “전기 신호를 넘겨준다”는 의미이며 영어 명칭인 릴레이 역시 전달한다는 의미로, 이처럼 “전기 신호를 한 회로에서 다른 회로로 넘겨주는 장치”라는 의미에서 붙은 명칭인 것이다. 오늘날엔 전보와 모스 통신(전신)이 별로 이용되지 않으므로 계전기는 주로 회로 개폐에 이용되지만, 계전기라는 명칭은 남아 있다. 다만 오늘날엔 "마그네틱 스위치"처럼 보다 구체적인 명칭을 이용하는 경우도 많다.

단, 과거에는 계전기에는 무조건 전자석이 들어가는게 상식이었으나 오늘날엔 전자석이 일절 사용되지 않는 반도체 계전기(솔리드 스테이트 릴레이)도 등장하였으며, 이런 경우에는 마그네틱(자석) 스위치라는 용어를 쓸 수 없다.

3. 용도[편집]

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최초의 계전기는 상술했듯이 유선 통신(전보, 모스 통신)에 널리 이용되었으며, “전기 신호를 회로에서 회로로 넘겨준다”는 기능을 이용해 전기 스위치로도 이용되었다.

5V, 수 mA를 사용하는 저전압 저전류 전자회로인 제어 회로를 사용하여 220V, 16A가 흐르는 고전압 고전류 회로를 제어하는데 사용된다. 심한 경우는 릴레이를 이중으로 사용하는 경우도 있다.[4]

예로는 자동차의 방향지시등이 있다. 방향지시등이 일정 주기로 깜빡거리게 하는 것은 타이머 회로인데, 타이머 회로에서 나오는 전력은 방향지시등을 밝히기에는 너무 적다. 따라서 타이머 회로와 계전기가 연결되고 릴레이가 방향 지시등을 작동시킨다. 자동차의 방향지시등을 켜면 들리는 똑↘딱↗거리는 소리가 바로 계전기의 스위치가 붙었다 떨어졌다 하는 소리다. 집적회로가 없던 시절의 옛 자동차는 이 계전기로 발진 회로를 구성하여 자동적으로 깜빡일 수 있도록 하였다.[5] 방향 지시등 외에도 브레이크등, 전조등, 상향등 같은 다른 등화장치나 열선이나 자동차 에어컨 등 다른 자동차 부품에도 많이 쓰인다. 그래서 자동차에는 아예 릴레이만 모아두는 릴레이 박스가 있다.

아예 수만 볼트의 고압이 흐르는 스위치의 경우 사람이 직접 조작할 수 없기 때문에 사람이 작동시키는 스위치는 저전압의 스위치 회로에 연결하고, 계전기를 이용해 이를 고압 회로에 연결하면 안전하게 회로를 여닫을 수 있다.

또한 “전류를 이용해 여닫을 수 있는 스위치”라는 성질을 이용해 논리 소자(?)로 이용되기도 했다. 진공관도 없던 시절에는 이런 스위치 소자의 기능을 계전기가 담당했으며, 20세기 중반까지도 엘리베이터의 컨트롤 시스템 등에는 계전기가 이용되었다.[6] 당시 사람들은 미래에는 계전기 기술이 더욱 발전해 로봇을 이용한 각종 미래 테크놀로지를 작동시키는 역할을 할 것이라 상상했으며, 당시 제작된 SF 영상물을 보면 미래의 로봇에 계전기가 장착되어 있는 모습을 흔히 볼 수 있다(대표적으로 금지된 세계에 등장하는 로봇인 “로비”).

실제로 계전기를 스위치 소자로 이용한 컴퓨터가 만들어진 적도 있다. 그레이스 호퍼 제독이 세계 최초로 진짜 버그를 찾아낸 컴퓨터 하버드 마크 II(Harvard Mark II)는 릴레이 기반 컴퓨터였다. 일본 후지츠는 심지어 1958년에 릴레이 기반 컴퓨터를 만들기도 했다(FACOM 128). 1958년이면 진공관은 물론이고 트랜지스터가 컴퓨터에 이용되던 시절인데도 이런 구식 기술을 이용해 컴퓨터를 만든 것. 물론 이 시대의 계전기는 이미 새뮤얼 모스가 만든 케케묵은 계전기와는 차원이 다른, 작고 새끈한 계전기였지만…

FACOM 128 컴퓨터에 사용된 계전기. 수많은 계전기들을 하나의 작은 부품으로 압축한 모듈이다.

등장 당시에는 획기적인 신기술(?)이었던 진공관은 트랜지스터 등장 후 오늘날에는 음향기기 정도를 제외하면 거의 사용되지 않지만, 계전기는 여전히 다양한 전자제품에서 절찬리에 사용되는 부품이다.

참고로 후지츠 FACOM 128은 누마즈 공장에 보존중으로, 지금도 작동이 된다. 뒷쪽 캐비닛에 빽빽히 꽂혀 있는 것들이 수많은 계전기들이다.