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개폐기

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목차

1. 개요

개폐기는 전기 회로를 열고 닫아 전류의 흐름을 제어하는 장치이다. 접촉 방식, 극 및 던지기 수, 평상시 열림/닫힘 상태 등 다양한 방식으로 분류되며, 스위치, 푸시 버튼, 슬라이드 스위치, 토글 스위치, 릴레이 등 여러 종류가 있다. 개폐기는 전력용, 전자 기기용, 배전용 등 다양한 분야에서 사용되며, 아크 및 채터링과 같은 문제 해결을 위한 기술이 적용된다. 한국에서는 알프스알파인, 파나소닉, SMK 등이 개폐기를 제조하며, 관련 사고 사례도 존재한다.

2. 접촉 방식

단절전 채널 접속(Make-Before-Break, MBB)은 스위치가 전환될 때 새로운 연결이 이루어진 후에 기존 연결이 끊어지는 방식으로, 두 회로가 일시적으로 동시에 연결되는 상태를 거친다. 반대로 접속전 채널 단절(Break-Before-Make, BBM)은 기존 연결이 먼저 끊어진 후에 새로운 연결이 이루어지는 방식이다.

2. 1. 접점 용어

가장 단순한 경우, 스위치는 외부 회로에 연결하기 위한 두 개의 전도성 조각, 주로 금속으로 만들어진 '접점'으로 구성된다. 이 접점들이 서로 닿으면 회로가 완성되어 전류가 흐르고("닫힘"), 떨어지면 회로가 끊어져 전류가 흐르지 않게 된다("열림"). 접점 재료는 부식에 강해야 하는데, 대부분의 금속은 시간이 지나면 전기 절연체 역할을 하는 산화물을 형성하여 스위치 작동을 방해할 수 있기 때문이다. 또한, 접점 재료는 전기 전도도, 경도(마모 저항성), 기계적 강도, 비용, 낮은 독성 등을 고려하여 선택된다. 접점 표면의 산화물 형성, 표면 거칠기, 접촉 압력 등은 기계식 스위치의 접촉 저항과 습윤 전류(접점을 깨끗하게 유지하는 데 필요한 최소 전류)에 영향을 미친다. 때로는 접점 표면을 전기 도금하여 귀금속으로 덮어 전도성을 높이고 부식을 방지하기도 한다. 접점은 서로 마찰하며 오염 물질을 제거하도록 설계될 수도 있다. 전도성 플라스틱과 같은 비금속 재료도 사용된다. 특정 스위치에는 절연성 산화물 형성을 막기 위해 최소 습윤 전류값이 명시되기도 한다.

"켜짐" 위치에 있는 토글 스위치


3극 1방향(TPST 또는 3PST) 칼 스위치. 동적 제동을 위해 3상 풍력 터빈의 권선을 단락시키는 데 사용된다. 사진은 스위치가 열린(끊어진) 상태이다.


전자공학에서 스위치는 접점의 배열 방식에 따라 분류된다. 한 쌍의 접점이 서로 붙어 전류가 흐를 수 있는 상태를 '닫힘'(closed)이라고 한다. 반대로 접점이 절연된 간격으로 떨어져 있어 정상 전압에서 전류가 흐를 수 없는 상태를 '열림'(open)이라고 한다. 접점이 닫히는 동작을 '메이크'(make), 열리는 동작을 '브레이크'(break)라고 부르기도 한다.

스위치 접점의 구성을 설명하는 데 '극'(pole)과 '던지기'(throw)라는 용어도 사용된다.

  • 극(Pole): 하나의 물리적 작동 장치(예: 스위치 레버)로 제어되는 전기적으로 분리된 스위치 회로의 수를 의미한다. 예를 들어, '2극'(double-pole) 스위치는 하나의 레버로 동시에 작동하는 두 개의 분리된 접점 세트를 가진다.
  • 던지기(Throw): 각 극이 연결될 수 있는 (열린 상태를 제외한) 별도의 경로 수를 의미한다. '단방향'(single-throw) 스위치는 접점이 닫히거나 열리는 두 가지 상태만 가진다. '쌍방향'(double-throw) 스위치는 하나의 공통 접점을 두 개의 다른 접점 중 하나에 연결할 수 있다.


푸시 버튼 스위치처럼 작동시키지 않으면 특정 상태를 유지하는 스위치의 경우, 접점은 다음과 같이 구분된다.

  • 평상시 열림 (Normally Open, NO 또는 n.o.): 스위치를 작동시켜야 접점이 닫히는 유형이다. Form A 접점이라고도 한다.[4]
  • 평상시 닫힘 (Normally Closed, NC 또는 n.c.): 평소에는 접점이 닫혀 있다가 스위치를 작동시키면 열리는 유형이다. Form B 접점이라고도 한다.[4]


두 가지 유형의 접점을 모두 가진 스위치를 '전환 스위치'(changeover switch) 또는 '쌍방향 스위치'(double-throw switch)라고 하며, Form C 접점이라고도 한다.[4] 전환 방식에 따라 다음과 같이 나뉜다.

  • 단절전 채널 접속 (Make-Before-Break, MBB): 새로운 회로가 연결된 후 기존 회로가 끊어지는 방식으로, 두 회로가 일시적으로 동시에 연결된다. '단락형'(shorting)이라고도 한다.
  • 접속전 채널 단절 (Break-Before-Make, BBM): 기존 회로가 먼저 끊어진 후 새로운 회로가 연결되는 방식으로, 두 회로가 동시에 연결되는 순간이 없다. '비단락형'(non-shorting)이라고도 한다.


이러한 용어들을 조합하여 스위치 유형을 나타내는 약어가 만들어졌다. 예를 들어, 'SPST'(Single Pole, Single Throw)는 가장 기본적인 켜고 끄는 스위치를 의미하고, 'SPDT'(Single Pole, Double Throw)는 하나의 공통 단자를 두 개의 다른 단자 중 하나에 연결하는 스위치를 의미한다. 전기 설비 배선(주택 및 건물 배선 등)에서는 보통 '-way'라는 접미사를 사용하는데, 이 용어는 영국 영어와 미국 영어에서 다르게 사용될 수 있어 주의가 필요하다(예: 'two-way'와 'three-way' 스위치의 의미가 다름).

아래 표는 다양한 스위치 유형의 전기 사양, 약어, 명칭, 설명 및 기호를 보여준다.

전자 사양 및 약어약어
확장		영국
주 전원
배선
이름		미국
전기
배선
이름		설명개략도기호 (IEC 60617)
SPST
(1P1T)		단극, 단방향One-wayTwo-way간단한 온-오프 스위치: 두 단자가 서로 연결되거나 분리된다. 예: 조명 스위치.
SPST-NO
Form A[4]		단극, 단방향, 평상시 열림간단한 온-오프 스위치. 평상시에는 두 단자가 연결되지 않은(열린) 상태이며, 스위치를 작동시키면 닫힌다. 예: 푸시 버튼 스위치.
SPST-NC
Form B[4]		단극, 단방향, 평상시 닫힘간단한 온-오프 스위치. 평상시에는 두 단자가 연결된(닫힌) 상태이며, 스위치를 작동시키면 열린다. 예: 푸시 버튼 스위치.
SPDT
Form C[4]		단극, 쌍방향Two-wayThree-way간단한 접속전 채널 단절(BBM) 전환 스위치: 공통 단자(C 또는 COM)가 L1 또는 L2 단자에 연결된다.
SPCO
SPTT, c.o.		단극 전환
또는
단극, 중앙 꺼짐 또는
단극, 3방향		  SPDT와 유사하다. 일부 제조사는 중앙에 안정적인 꺼짐 위치가 있는 스위치를 SPCO/SPTT로, 없는 스위치를 SPDT로 구분하기도 한다. 
    직렬 스위치 또는 2회로 스위치 
DPST
(2P1T)		이중 극, 단방향Double poleDouble pole하나의 작동 장치로 제어되는 두 개의 SPST 스위치와 같다.
DPDT
(2P2T)		이중 극, 쌍방향하나의 작동 장치로 제어되는 두 개의 SPDT 스위치와 같다.
DPCO이중 극 전환
또는 이중 극, 중앙 꺼짐		  개략적으로 DPDT와 같다. 일부 제조사는 중앙에 안정적인 위치가 있는 스위치를 DPCO로, 없는 스위치를 DPDT로 구분하기도 한다. 중앙 위치가 있는 DPDT/DPCO 스위치는 중앙에서 꺼짐 상태(L1, L2 모두 연결 안 됨)이거나, 켜짐 상태(L1과 L2가 동시에 연결됨)일 수 있다. 이러한 스위치의 위치는 보통 각각 "on-off-on"과 "on-on-on"으로 표기된다. 
  중간 스위치4방향 스위치극성 반전 등에 사용하기 위해 내부적으로 배선된 DPDT 스위치. 스위치 외부로는 4개의 선만 나온다. 크로스 스위치, 크로스오버 스위치, 반전 스위치라고도 불린다.
2P6T2극, 6방향공통 단자(COM)를 6개의 다른 단자(L1~L6) 중 하나에 연결할 수 있는 전환 스위치이며, 동일한 작동 장치로 제어되는 두 번째 극(2P)이 있다.
 



극이나 던지기 수가 더 많은 스위치는 약어의 'S'나 'D'를 숫자로 바꾸거나(예: 3PST, SP4T), 때로는 'T'(Triple, 3중)나 'Q'(Quadruple, 4중) 문자를 사용하여 표기하기도 한다.

3. 개폐기의 종류

확장영국
주 전원
배선
이름미국
전기
배선
이름설명개략도기호 IEC 60617SPST
(1P1T)단극, 단방향One-wayTwo-way간단한 온-오프 스위치: 두 단자는 서로 연결되거나 서로 분리된다. 예: 조명 스위치.SPST-NO
Form A[4]단극, 단방향, 평상시 열림간단한 온-오프 스위치. 두 단자는 일반적으로 연결이 끊어진(열린) 상태이며 스위치가 활성화되면 닫힌다. 예: 푸시 버튼 스위치.SPST-NC
Form B[4]단극, 단방향, 평상시 닫힘간단한 온-오프 스위치. 두 단자는 일반적으로 연결된(닫힌) 상태이며 스위치가 활성화되면 열린다. 예: 푸시 버튼 스위치.SPDT
Form C[4]단극, 2방향Two-wayThree-way간단한 break-before-make 전환 스위치: C(COM, 공통)는 L1 또는 L2에 연결된다.SPCO
SPTT, c.o.단극 전환
또는
단극, 중앙 꺼짐 또는
단극, 3방향SPDT와 유사하다. 일부 공급업체는 중앙에 안정적인 꺼짐 위치가 있는 스위치에 대해 SPCO/SPTT를 사용하고 없는 스위치에 대해 SPDT를 사용한다.직렬 스위치 또는 2회로 스위치DPST
(2P1T)이중 극, 단방향Double poleDouble pole단일 메커니즘으로 제어되는 두 개의 SPST 스위치와 동일하다.DPDT
(2P2T)이중 극, 2방향단일 메커니즘으로 제어되는 두 개의 SPDT 스위치와 동일하다.DPCO이중 극 전환
또는 이중 극, 중앙 꺼짐개략적으로 DPDT와 동일하다. 일부 공급업체는 중앙에 안정적인 위치가 있는 스위치에 대해 DPCO를 사용하고 없는 스위치에 대해 DPDT를 사용한다. 중앙 위치가 있는 DPDT/DPCO 스위치는 중앙에서 "꺼짐" 상태일 수 있으며 L1 또는 L2에 연결되지 않거나 "켜짐" 상태로 L1과 L2 모두에 동시에 연결될 수 있다. 이러한 스위치의 위치는 일반적으로 각각 "on-off-on" 및 "on-on-on"으로 참조된다.중간 스위치4방향 스위치극성 반전 응용 프로그램에 대해 내부적으로 배선된 DPDT 스위치: 스위치 하우징 외부로 6개의 와이어가 아닌 4개의 와이어만 가져온다. 크로스 스위치, 크로스오버 스위치 또는 반전 스위치라고도 한다.2P6T2극, 6방향L1, L2, L3, L4, L5 또는 L6에 연결할 수 있는 COM(공통)이 있는 전환 스위치; 단일 메커니즘으로 제어되는 두 번째 스위치(2P, 2극)가 있다.



극 또는 던지기 수가 더 많은 스위치는 "S" 또는 "D"를 숫자로 바꾸거나(예: 3PST, SP4T 등) 경우에 따라 문자 "T"( "트리플"의 경우) 또는 "Q"( "쿼드러플"의 경우)로 설명할 수 있다. 이 문서의 나머지 부분에서는 모호성을 피하기 위해 ''SPST'', ''SPDT'' 및 ''중간''이라는 용어를 사용한다.

스위치는 일반적으로 작동되면 설정된 위치를 유지한다. 바이어스 스위치는 조작자가 놓으면 다른 위치로 스프링이 작용하는 메커니즘을 포함한다. 순간 푸시 버튼 스위치는 일종의 바이어스 스위치이다. 가장 일반적인 유형은 "누르면 닫힘"(또는 평상시 열림, NO) 스위치로, 버튼을 누르면 접촉하고 버튼에서 손을 떼면 끊어진다. 예를 들어 컴퓨터 키보드의 각 키는 평상시 열림 "누르면 닫힘" 스위치이다. 반면에 "누르면 열림"(또는 평상시 닫힘, NC) 스위치는 버튼을 누르면 접촉을 끊고 버튼에서 손을 떼면 접촉한다. 누르면 열림 스위치의 예로는 전자석에 의해 닫힌 문을 열기 위해 사용되는 버튼이 있다. 가정용 냉장고의 내부 램프는 문이 닫히면 열린 상태를 유지하는 스위치에 의해 제어된다.

3. 1. 전력용 개폐기

상당한 전력을 전환하도록 설계된 스위치는 과도 상태와 지속적인 작동 전류를 견딜 수 있는 능력이 중요하다. 스위치가 켜진 상태에서는 저항이 거의 0에 가까워 접점에서 전력 손실이 매우 적고, 꺼진 상태에서는 저항이 매우 높아 역시 전력 손실이 적다. 그러나 스위치를 켜고 끄는 순간에는 저항값이 변하면서 일시적으로 스위치 자체에서 상당한 전력이 소모될 수 있다.

이 때문에 부하 전류를 차단하도록 설계된 전원 스위치는 사용자가 조작하는 속도와 관계없이 켜짐과 꺼짐 사이의 전환이 최대한 짧은 시간에 이루어지도록 내부에 스프링 메커니즘을 갖추고 있는 경우가 많다.

전원 스위치는 일반적으로 두 가지 유형으로 나뉜다. 하나는 레이저 포인터처럼 버튼을 누르고 있는 동안에만 회로가 연결되는 순간 작동 스위치이고, 다른 하나는 손전등처럼 한 번 조작하면 켜짐 또는 꺼짐 상태가 유지되는 일반적인 스위치이다. 이 두 가지 기능을 모두 가진 이중 작동 스위치도 있다.

전기 변전소에서 사용되는 고전압 단로기. 이러한 스위치는 주로 회로를 격리하는 데 사용되며 일반적으로 부하 전류를 차단할 수는 없다. 최대 100만 볼트까지의 고전압에 사용할 수 있으며, 세 개의 상(phase)이 동시에 차단되도록 갱(gang) 방식으로 작동한다.


=== 나이프 스위치 ===

나이프 스위치는 한쪽 끝에 경첩이 달린 평평한 금속 날, 절연된 손잡이, 그리고 고정 접점으로 구성된다. 스위치를 닫으면 전류가 경첩과 날을 통해 고정 접점으로 흐른다. 일반적으로 밀폐되지 않은 구조이며, 날과 접점은 용도에 따라 구리, 강철, 황동 등으로 만들어진다. 고정 접점에는 스프링이 사용되기도 한다. 여러 개의 날을 하나의 손잡이로 동시에 조작할 수도 있다. 부품들은 절연된 베이스에 장착되거나 대형 스위치보드에 직접 고정된다. 전기 접점이 외부에 노출되어 있기 때문에, 사람이 실수로 접촉할 위험이 없거나 전압이 낮은 경우에만 사용된다.

나이프 스위치는 작은 크기부터 수천 암페어(A)의 전류를 다루는 대형 장치까지 다양하게 제작된다. 전기 송배전에서는 여러 개의 스위치를 동시에 작동시키는 갱 작동 방식 스위치가 최고 전압 회로까지 사용된다.

나이프 스위치의 단점은 개방 속도가 느리고, 작동 시 작업자가 전기가 흐르는 부분에 가까이 있어야 한다는 점이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 산업용 전력 분배에서는 회로 격리용으로 금속으로 둘러싸인 안전 단로 스위치가 사용된다. 때로는 스위치를 열 때 발생하는 아크(arc, 전기 불꽃)를 빠르게 소멸시키기 위해, 잠시 전체 전류를 흘려보낸 후 빠르게 분리되는 스프링 장착 보조 날개가 추가되기도 한다.

=== 고압 교류 부하 개폐기 ===

고압 교류 회로에 사용되는 부하 개폐기의 종류는 다음과 같다.

고압 교류 부하 개폐기 종류
대분류세부 분류추가 설명
구분 개폐기주상 설치PAS(전주 부착 공기 스위치), PGS(전주 부착 가스 스위치)
지중선 인입UGS(지중 가스 스위치), UAS(지중 공기 스위치)
트립 방식지락 트립형 구분 개폐기 (GR 부착 PAS, PGS, UGS, UAS)
과전류 축세 트립 부착 지락 트립형 구분 개폐기 (SOG 부착 PAS, PGS, UGS, UAS)
고압 교류 기중 부하 개폐기 (AS)기본형-
퓨즈 부착형한류 퓨즈 부착 고압 교류 기중 부하 개폐기
고압 교류 진공 부하 개폐기 (VS)-
고압 교류 가스 부하 개폐기 (GS)-
전자 개폐기 (Electromagnetic Switch)전자 접촉기 (Electromagnetic Contact) 와 열동식 과전류 릴레이 (Thermal Relay)를 조합한 것



주상 설치형 구분 개폐기


전자기 개폐기(전자 접촉기 + 열동식 과전류 릴레이)


개방형이든 폐쇄형이든 관계없이 개폐기 유닛을 통틀어 Switchgear|스위치기어영어[12]라고 부른다. 일본에서는 특히 금속 상자에 들어있는 개폐 장치를 스위치기어라고 지칭하는 경우가 많다.[13]

3. 2. 전자 기기용 스위치

일반적으로 전력 회로·전력 기기에 사용하는 대형의 것을 개폐기, 전자 기기에 사용하는 소형의 것을 스위치라고 부르는 경우가 많다.[12][13]

'스위치'라는 용어는 기계적인 접점 외에도, 능동 소자에 의해 전자적으로 제어되는 다양한 반도체 전자 장치에도 사용된다. 이러한 장치들은 전자식 스위치에서 더 자세히 다룬다.

전자 기기에 사용되는 대표적인 스위치 종류는 다음과 같다.
토글 스위치

3. 3. 배전용 스위치

산업용 전력 분배에서는 회로를 격리하기 위해 금속으로 밀폐된 안전 단로 스위치가 사용되기도 한다. 이러한 스위치에는 개방 시 발생하는 아크를 빠르게 소멸시키기 위해 스프링이 달린 보조 날개가 장착되는 경우도 있다.

일반적인 배전용 스위치의 종류는 다음과 같다.

배선 방식에 따라 단극 스위치와 양극 스위치로 나눌 수 있다.

그 외에도 특정 회로 구성에 사용되는 스위치들이 있다.

3. 4. 기타 스위치

더러운 물 펌프에 사용되는 플로트 스위치


개폐기는 다양한 기계적 자극에 반응하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 진동에 반응하는 트렘블러 스위치, 기울기에 반응하는 틸트 스위치, 공기 압력에 반응하는 압력 스위치, 액체 수위에 반응하는 플로트 스위치, 열쇠 회전으로 작동하는 키 스위치, 직선 또는 회전 운동에 반응하는 리미트 스위치나 마이크로 스위치, 자기장 유무에 반응하는 리드 스위치 등이 있다. 이러한 스위치 중 다수는 특정 환경 조건의 변화나 기계의 움직임에 따라 자동으로 작동하도록 설계된다. 가령, 리미트 스위치는 공작 기계에서 공구의 정확한 위치나 작동 상태를 확인하는 데 사용되며, 난방 또는 냉방 시스템의 세일 스위치는 공기 덕트 내 공기 흐름이 적절한지 감지한다. 압력 스위치는 유체 압력 변화에 따라 작동한다.

이 외에도 다양한 종류의 스위치가 특정 용도에 맞게 사용되고 있다.

4. 스위치의 작동 원리 및 특성

스위치 회로 설계에서는 두 가지 기본적인 접점 전환 방식이 있다. '''단절전 채널 접속'''(make-before-breakeng, MBB) 방식은 새로운 회로를 연결한 후 기존 회로를 끊는 방식으로, 두 회로가 일시적으로 동시에 연결되는 상태를 거친다. 반면, '''접속전 채널 단절'''(break-before-makeeng, BBM) 방식은 기존 회로를 먼저 끊은 다음 새로운 회로를 연결하는 방식이다.[15]

세 개의 푸시 버튼 스위치(Tactile Switches). 주요 눈금은 인치이다.


가장 일반적인 형태의 개폐기는 수동으로 조작하는 전기 기계 장치로, 하나 이상의 전기 접점 세트를 가지고 외부 회로에 연결된다. 각 접점 세트는 두 가지 상태 중 하나를 가진다. 접점이 서로 닿아 전기가 흐를 수 있는 '닫힘' 상태와, 접점이 떨어져 전기가 흐르지 않는 '열림' 상태이다. 이 두 상태 사이를 전환하는 작동 방식에는 주로 두 가지 유형이 있다. 하나는 스위치를 눌러 상태를 바꾸면 그 상태가 유지되는 '''교번 작용'''(alternate actioneng) 방식이고(예: 켜짐/꺼짐 유지), 다른 하나는 누르고 있는 동안만 상태가 바뀌고 손을 떼면 원래 상태로 돌아가는 '''순간 작용'''(momentary actioneng) 방식이다(예: 누를 때 켜지고 뗄 때 꺼짐).

개폐기는 사람이 직접 조작하여 시스템에 제어 신호를 보내거나(예: 컴퓨터 키보드 버튼), 회로의 전력 흐름을 제어하는 데 사용된다(예: 전등 스위치). 자동으로 작동하는 개폐기는 기계의 움직임을 감지하고 제어하는 데 쓰인다. 예를 들어, 차고 문이 완전히 열렸는지 확인하거나, 공작 기계가 다음 작업을 준비할 위치에 도달했는지 감지하는 데 사용될 수 있다. 또한, 압력, 온도, 유량, 전류, 전압, 힘과 같은 물리량을 감지하는 센서로 작동하여 시스템을 자동으로 제어하기도 한다. 대표적인 예로 온도 조절기는 온도를 감지하여 난방 시스템을 제어하는 온도 작동 개폐기이다. 다른 전기 회로의 신호에 의해 작동하는 개폐기는 릴레이라고 부른다. 대형 개폐기는 모터 구동 메커니즘을 통해 원격으로 조작되기도 한다. 일부 개폐기는 유지보수 시 기계의 우발적인 작동을 막거나 감전을 예방하기 위해 시스템의 전원을 확실히 차단하고, 필요한 경우 자물쇠로 잠글 수 있는 가시적인 격리 지점을 제공하는 안전 장치 역할을 한다.

이상적인 개폐기는 닫혔을 때 전압 강하가 전혀 없고, 허용 전압이나 전류에 제한이 없으며, 상태 전환 시 상승 시간과 하강 시간이 0이고, 켜짐과 꺼짐 상태 사이에서 불안정한 중간 상태(바운싱) 없이 즉시 전환되어야 한다.

하지만 실제 개폐기는 이러한 이상적인 특성을 갖지 못한다. 접점 표면의 거칠기나 산화 피막 때문에 접촉 저항이 발생하고, 처리할 수 있는 전류와 전압에 한계가 있으며, 상태 전환에 시간이 걸린다. 또한, 스위치가 전환될 때 접점이 여러 번 짧게 붙었다 떨어지는 접점 바운스 현상이 발생하기도 한다. 회로 분석에서는 계산을 단순화하기 위해 이상적인 개폐기를 가정하는 경우가 많지만, 이는 실제 결과와 차이를 유발할 수 있다. 특히 전화 교환기처럼 수많은 개폐기가 사용되는 시스템 설계에서는 이러한 비이상적인 특성들의 영향을 고려해야 한다.

가장 기본적인 스위치는 외부 회로에 연결되는 두 개의 전도성 부품, 주로 금속으로 만들어진 '접점'으로 구성된다. 접점이 서로 닿으면 회로가 닫혀 전류가 흐르고, 떨어지면 회로가 열려 전류가 끊긴다. 접점 재료는 부식에 강해야 하는데, 대부분의 금속은 공기 중에서 산화물을 형성하여 전기 절연체 역할을 함으로써 스위치 작동을 방해할 수 있기 때문이다. 접점 재료는 또한 전기 전도도, 경도(마모 저항성), 기계적 강도, 비용, 낮은 독성 등을 고려하여 선택된다. 접점 표면의 산화물 층 형성, 표면 거칠기, 접촉 압력 등은 기계식 스위치의 접촉 저항과 습윤 전류 요구량에 영향을 미친다. 때로는 접점 표면을 전기 도금하여 귀금속으로 얇게 코팅하기도 하는데, 이는 전도성을 높이고 부식을 방지하기 위함이다. 접점이 서로 마찰하며 움직이도록 설계하여 표면의 오염 물질을 제거하기도 한다. 전도성 플라스틱과 같은 비금속 재료가 사용되기도 한다.

상당한 전력을 차단하도록 설계된 스위치는 과도 상태와 지속적인 작동 전류를 모두 견딜 수 있어야 한다. 스위치가 켜져 있을 때는 저항이 거의 0에 가까워 전력 손실이 적고, 꺼져 있을 때는 저항이 매우 높아 역시 전력 손실이 적다. 하지만 스위치가 켜지거나 꺼지는 순간에는 일시적으로 상당한 전력이 스위치 자체에서 소모될 수 있다. 이 때문에 부하 전류를 차단하는 전원 스위치는 사용자가 스위치를 조작하는 속도와 관계없이 켜짐과 꺼짐 사이의 전환이 매우 빠르게 이루어지도록 스프링 메커니즘을 사용하는 경우가 많다.

전원 스위치는 일반적으로 순간 켜짐-꺼짐 스위치(예: 레이저 포인터의 버튼처럼 누를 때만 작동)와 일반 켜짐-꺼짐 스위치(예: 손전등 스위치처럼 켜거나 끈 상태를 유지)로 나뉜다. 이 두 기능을 모두 가진 이중 작동 스위치도 있다.



전동기와 같이 인덕턴스가 큰 유도 부하의 전원을 차단할 때는 전류가 즉시 0으로 떨어지지 못하고 열린 접점 사이에서 전기 아크(스파크)가 발생할 수 있다. 유도 부하용 스위치는 이러한 아크를 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 아크는 전자파 간섭을 일으킬 수 있으며, 이를 억제하기 위해 저항과 축전기를 직렬로 연결한 스너버 회로를 사용하기도 한다.[8]

백열전구를 켤 때는 필라멘트가 차가운 상태에서 저항이 낮아 정상 상태 전류의 약 10배에 달하는 큰 돌입 전류가 순간적으로 흐른다. 필라멘트가 가열되면서 저항이 증가하면 전류는 정상 값으로 안정된다. 백열등 부하용으로 설계된 스위치는 이러한 높은 돌입 전류를 견딜 수 있어야 하며, 종종 'T-정격'(Tungsten ratedeng)으로 표시된다.[9]

4. 1. 접촉 바운스 (채터링)

오실로스코프는 켜짐과 꺼짐 사이에서 바운스하는 스위치로 인해 전압 변동이 발생하는 것을 보여준다(Vhigh 이상 및 Vlow 미만으로 진동함). 2.6 ms 동안 여러 번 진동하다가 안정화됨


접촉 바운스(Contact bounce) 또는 채터링(Chattering)은 기계식 스위치, 릴레이, 배터리 접촉 등에서 흔히 발생하는 문제이다. 이는 인터페이스에서 전기적 접촉 저항(ECR) 현상 때문에 발생한다. 스위치나 릴레이의 접점은 보통 탄성이 있는 금속으로 만들어지는데, 접점이 서로 부딪힐 때 운동량과 탄성 때문에 완전히 붙기 전에 한 번 이상 튕겨져 나오는 현상을 말한다.

이 때문에 전류가 0에서 완전한 상태로 깨끗하게 전환되지 않고, 짧은 시간 동안 여러 번의 펄스 형태로 흐르게 된다. 이러한 현상은 일반적인 전원 회로에서는 큰 문제가 되지 않지만, 빠른 속도로 반응하는 일부 아날로그 전자 회로나 논리 회로에서는 켜짐-꺼짐 펄스를 데이터 신호로 잘못 해석하는 문제를 일으킬 수 있다.[5] 마이크로 접점 설계에서는 표면 구조를 제어하고 금속 표면에 부동태화층이 생기는 것을 최소화하는 것이 채터링을 줄이는 데 중요하다.

해먼드 오르간의 경우, 건반 아래에 여러 개의 접점 막대가 눌리는 구조를 가지고 있다. 이때 발생하는 스위치의 바운스와 비동기적 닫힘 현상을 '해먼드 클릭'이라고 부르며, 일부러 이 효과를 사용하거나 강조하는 연주도 있다. 몇몇 전자 오르간에는 이 소리 효과를 스위치로 켜고 끌 수 있는 복제 기능이 내장되어 있기도 하다.[6]

4. 1. 1. 디바운싱

슈미트 트리거와 커패시터를 사용한 SPST 스위치 바운스 필터


접점 바운스의 영향은 다음과 같은 방법으로 제거할 수 있다.

이러한 모든 방법을 디바운싱(Debouncing)이라고 한다.

4. 2. 아크 및 소호

개폐되는 전력이 충분히 클 때, 스위치가 열리면서 접점 사이에 작은 틈이 생기면 그 사이의 전자가 공기를 이온화시켜 가스 플라스마를 형성할 수 있다. 이를 전기 아크라고 부른다.[7] 이 플라스마는 저항이 낮아 접점 사이 거리가 벌어져도 전류가 계속 흐르게 만들며, 매우 뜨거워 접점의 금속 표면을 손상시킬 수 있다. 이는 진공 스위치에서도 발생할 수 있는 문제이다. 전기 아크는 접점을 심하게 마모시키고(접점의 열화) 상당한 전자기 간섭 (EMI)을 유발하므로, 아크 억제 방법이 필요하다.[7]

전압이 충분히 높으면 스위치가 닫힐 때 접점이 가까워지면서도 아크가 발생할 수 있다. 접점 사이 공기의 절연 파괴 전압을 넘어서는 전위가 형성되면, 접점이 완전히 닿기 전까지 아크가 발생하고 유지된다.

이러한 아크 발생을 최소화하고 접점 손상을 막기 위해 일반적으로 스위치 메커니즘을 빠르게 움직이도록 설계한다. 스프링을 이용한 티핑 포인트 메커니즘은 사용자가 스위치를 조작하는 속도와 관계없이 접점이 순간적으로 빠르게 열리거나 닫히도록 돕는다. 사용자가 스위치 레버를 움직이면 스프링에 장력이 쌓이다가 특정 지점(티핑 포인트)을 넘어서면 축적된 힘이 방출되어 접점이 급격하게 움직인다.

개폐 전력이 더 커질 경우, 다른 아크 억제 방법들이 사용된다. 뜨거운 플라스마는 대류 현상으로 위로 상승하는 성질이 있다. 이를 이용하여 아크 경로 사이에 여러 개의 비전도성 날을 설치하면, 상승하는 아크가 날 사이로 길게 늘어져 결국 유지되지 못하고 꺼지게 된다. '퍼퍼(puffer)' 장치는 스위치 접점 사이에 순간적으로 고속의 가스를 불어넣어 아크를 강제로 길게 늘여 빠르게 소멸시키는 방식이다.

매우 큰 전력을 다루는 스위치는 아크를 더 효과적으로 끄기 위해 공기 대신 다른 매질 속에 접점을 두기도 한다. 예를 들어, 접점을 진공 상태에 두거나, 광유 또는 육불화황 가스에 담가 작동시키는 방식이 있다.

교류 전력의 경우, 전류의 크기가 주기적으로 0이 되는 지점이 있다. 이 특성 때문에 교류 회로에서는 스위치를 열 때 아크가 자연스럽게 소멸되기 쉬운 경향이 있다. 따라서 제조업체들은 같은 스위치라도 직류 회로에서 사용할 때는 교류 회로에서보다 더 낮은 전압이나 전류 정격을 적용하기도 한다.

4. 3. 습윤 전류

''습윤 전류''는 기계식 스위치가 작동하는 동안 접점에 쌓일 수 있는 산화 피막을 뚫기 위해 필요한 최소 전류이다.[10] 이러한 산화 피막은 특히 습도가 높은 환경에서 잘 생긴다. 절연성 산화 피막 형성을 막기 위해 특정 스위치 설계에서는 최소 습윤 전류 값이 명시되기도 한다. 충분한 습윤 전류를 확보하는 것은 접촉 압력이 작은 섬세한 스위치를 센서 입력으로 사용하는 제어 공학 시스템 설계에서 매우 중요하다. 만약 습윤 전류가 부족하면 접점의 산화 때문에 스위치가 전기적으로 '열린'(끊어진) 상태로 남아 제대로 작동하지 않을 수 있다.

5. 관련 사고

참조

[1] 웹사이트 Switch http://www.thefreedi[...] Farlex 2008-12-27
[2] 백과사전 Switch Houghton Mifflin
[3] 웹사이트 RF Switch http://www.herley.co[...]
[4] 웹사이트 "Engineer's Relay Handbook, 5th edition, Chapter 1.6 by RSIA (formerly NARM)" http://www.esterline[...]
[5] 서적 Chambers Science and Technology Dictionary Edinburgh
[6] 문서 Features of Technics E-33
[7] 웹사이트 Lab Note #105 Contact Life – Unsuppressed vs. Suppressed Arcing http://www.arcsuppre[...] Arc Suppression Technologies 2011-04
[8] 웹사이트 Cornell Dubilier Capacitors – CDE (En-US) https://www.illinois[...] 2017-10-05
[9] 서적 Electrical Power Systems Technology https://books.google[...] The Fairmont Press, Inc. 2009-01-01
[10] 서적 Process/Industrial Instruments and Controls Handbook (5th Edition) McGraw Hill
[11] 서적 The New York Times complete manual of home repair https://books.google[...] Times Books 1978
[12] 웹사이트 必要な機能を1つのモジュールに集約 ABBのスイッチギア http://www.abb.co.jp[...] 2015-09-15
[13] 웹사이트 24kVスイッチギア(C-VIS)：日立受変電システム http://www.hitachi.c[...] 2015-09-15
[13] 웹사이트 製品情報：スイッチギヤ：社会インフラシステム社：東芝 https://www.toshiba.[...] 2015-09-15
[14] 뉴스 夕食の買い物にカミナリ 主婦ら9人重軽傷 朝日新聞 1973-09-05
[15] 웹인용 "Engineer's Relay Handbook, 5th edition, Chapter 1.6 by RSIA (formerly NARM)" http://www.esterline[...]

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