저렴한 스마트 플러그는 왜 이렇게 거추장스러울까요?

스마트 플러그는 전력망의 전기를 안전하게 처리하기 위해 물리적인 공간이 필요하기 때문에 부피가 큽니다. 플라스틱 쉘 안에는 스마트 플러그가 고전압 교류를 저전압 직류로 변환하고, 물리적인 기계식 스위치를 수용하며, 고전력 회로와 저전력 로직을 분리하고, 화재 없이 폐열을 방출해야 합니다.

저렴한 모델은 이러한 전자 부품을 작게 만드는 데 실제 엔지니어링 비용이 들기 때문에 특히 더 번거롭습니다.

주요 내용

• 고전압 간격 규칙은 회로 기판이 주 전원 트레이스와 마이크로컨트롤러 사이에 몇 밀리미터의 물리적 간격을 유지하도록 강제합니다.
• 전기 기계식 릴레이는 15암페어 공기 간격을 가로질러 구리 접점을 아크 없이 닫을 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다.
• 저렴한 플러그는 맞춤형 적층 평면 부품 대신 일반적인 기성품 변압기와 방사형 커패시터를 사용합니다.
• 열 방출은 연속 부하에서 열 축적을 방지하기 위해 플러그 하우징 내부에 빈 공기 공간이 필요합니다.

실제로 쉘 안에 무엇이 들어 있나요?

스마트 플러그는 단순한 어댑터가 아닙니다. 전체 컴퓨터, 라디오 방송국, 산업용 전원 스위치가 하나의 인클로저에 crammed 되어 있습니다.

일반적인 보급형 스마트 플러그를 열어보면 두 가지 별도의 작동 섹션을 발견할 수 있습니다.

1. 고전압 측: 벽에서 직접 공급되는 120V(북미) 또는 230V(유럽 및 기타 지역) 교류 전류를 처리합니다. 연속적으로 10~15암페어의 전류를 처리하도록 설계된 고전압 구리 버스 바를 사용합니다.
2. 저전압 로직 측: 3.3V 마이크로컨트롤러(예: Espressif Systems ESP8266 또는 ESP32 칩)와 Wi-Fi 또는 Zigbee 무선 모듈을 실행합니다.

120V AC에서 3.3V DC로 변환하려면 하드웨어가 필요합니다. 플러그에는 소형 변압기, AC를 DC로 변환하는 브리지 정류기, 전기 리플을 평활화하는 필터 커패시터, 전압 조정기가 필요합니다.

소형 스위칭 모드 전원 공급 장치조차도 엄격한 물리적 한계가 있습니다. 변압기의 자기 코어와 구리 권선은 포화 및 과열 없이 특정 지점 이하로 축소될 수 없습니다.

안전 표준에서 물리적 간격을 의무화하는 이유는 무엇인가요?

전기는 저항이 가장 적은 경로를 따라 얇은 공기를 통과하거나 회로 기판을 가로질러 흐를 수 있습니다. UL Standards와 같은 안전 테스트 실험실은 절연 거리 및 연면 거리 규칙을 엄격하게 시행합니다.

절연 거리는 두 개의 전도성 부품 사이의 공기 중 최단 거리입니다. 연면 거리는 절연 재료 표면을 따라 두 부품 사이의 최단 거리입니다.

소비자 가전제품이 주 전압에 노출될 경우, 전기 안전 규정에서는 일반적으로 고전압 핀과 사용자가 접근할 수 있는 저전압 회로 사이에 3~6밀리미터의 누설 거리를 요구합니다. 설계자들은 표면 추적을 방지하기 위해 유리 섬유 회로 기판을 가로질러 물리적인 라우팅 슬롯을 절단하는 경우가 많습니다.

이러한 보드 레이아웃을 무한정 압축할 수는 없습니다. 가정용 전력선에 전기 서지가 발생하면, 트레이스를 서로 0.5밀리미터 더 가깝게 배치한 플러그가 아크를 발생시키고 단락되어 벽면 콘센트를 녹일 수 있습니다.

왜 아직도 기계식 릴레이를 사용할까요?

20달러 미만의 거의 모든 스마트 플러그는 전기 기계식 릴레이를 사용하여 전원을 켜고 끕니다. 작동 소리를 들을 수 있습니다. 스위치를 작동할 때 나는 날카로운 기계적 클릭음은 밀봉된 플라스틱 큐브 내부에서 물리적인 레버가 움직이는 소리입니다.

트라이악 또는 MOSFET과 같은 솔리드 스테이트 스위치는 존재하며 공간을 거의 차지하지 않지만, 일반 가정용 플러그에는 심각한 단점이 있습니다. 솔리드 스테이트 스위치는 흐르는 전류에 비례하는 꾸준한 열을 발생시킵니다. 휴대용 공간 히터의 12암페어 부하에서는 솔리드 스테이트 스위치가 상당한 열 와트를 발생시켜 대형 알루미늄 방열판이 없으면 밀봉된 플라스틱 플러그를 태울 것입니다.

반면에 물리적 릴레이는 은-니켈 또는 은-주석 산화물로 만들어진 스프링 장력 접점을 사용합니다. 일단 닫히면 접촉 저항이 거의 0이 되어 최대 부하에서도 거의 열을 발생시키지 않습니다.

문제는 부피입니다. 125V AC에서 표준 15암페어 회로를 차단할 수 있는 릴레이는 표준화된 물리적 풋프린트를 가지고 있습니다. 그 작은 플라스틱 릴레이 블록만으로도 케이스 내부에서 약 15x20x15밀리미터의 데드 볼륨을 차지합니다.

저가형 플러그가 고급형 플러그보다 훨씬 두꺼운 이유는 무엇인가요?

공구 및 부품 선택이 외부 부피를 결정합니다. 소형화는 비싼 제조 선택입니다.

저가형 브랜드는 표준 기성 부품을 사용합니다. 그들은 평평한 보드 위에서 수직으로 세우거나 어색하게 옆으로 놓아야 하는 키가 큰 원통형 전해 커패시터를 사용합니다.

다층 보드 생산 비용을 절감하기 위해 저가형 제조업체는 간단한 단면 또는 양면 인쇄 회로 기판을 사용합니다. 이를 위해서는 넓은 평면에 부품을 수평으로 분산시켜야 합니다.

더 컴팩트한 플러그는 내부를 작은 샌드위치처럼 위아래로 쌓인 두세 개의 작은 보드로 분할합니다. 한 보드는 고전압 릴레이 및 전력 변환을 처리하고, 다른 보드는 Wi-Fi 라디오 및 마이크로컨트롤러를 담습니다.

보드를 쌓으려면 맞춤형 리본 케이블, 핀 헤더, 특수 솔더 리플로우 공정 및 맞춤형 평면 변압기가 필요합니다. 이러한 엔지니어링은 내부 어셈블리의 제조 비용을 쉽게 두 배로 늘립니다.

라디오 배치로 인해 문제가 더 악화되나요?

스마트 플러그는 전파 간섭가 높은 재질로 둘러싸여 있습니다. 두꺼운 구리 플러그, 두꺼운 스위칭 트레이스, 내부 변압기에서 발생하는 전자기 노이즈가 모두 무선 주파수 신호를 방해합니다.

릴레이가 클릭될 때마다 2.4GHz Wi-Fi 또는 Thread 연결이 끊어지지 않도록 하려면 무선 안테나가 명확한 공간을 확보해야 합니다. PCB 트레이스 안테나는 구리 전력 평면 및 라인 전압 부품에서 떨어져 있어야 합니다.

엔지니어들은 종종 안테나를 케이스의 가장 바깥쪽 가장자리, 전면 근처로 밀어 넣습니다. 이렇게 하면 플라스틱 하우징이 거실 쪽으로 앞뒤로 확장되어 벽면 콘센트에 걸린 어색한 벽돌 모양이 됩니다.

콘센트를 막지 않는 플러그 구매 방법

표준 듀플렉스 콘센트의 두 번째 콘센트에 대한 액세스를 잃는 데 지치셨다면, 둥글거나 순전히 사각형 모양의 플러그 구매를 중단하세요.

특히 가로로 직사각형인 디자인을 찾아보세요. 세로 높이가 38mm(약 1.5인치) 이하인 플러그는 아래 콘센트의 접지 단자에 침범하지 않고 상단 콘센트에 놓일 수 있습니다.

또는 스마트 플러그를 완전히 건너뛰세요. 배선에 자신감이 있다면 대신 벽 내장형 스마트 콘센트를 설치하세요. 벽 내장형 장치는 변압기, 릴레이 및 무선 장치를 건식 벽체 뒤의 전기 정션 박스 안에 직접 숨겨 벽에 표준 플러시 콘센트를 남겨둡니다.