パワーリレーの概要

パワーリレーの概要

Jeff Smoot/著

本題に関するその他の技術に関するブログで述べたように、リレーは基本的には他のスイッチを制御するスイッチです。リレーは、低電力の信号を使用して、高電力回路を制御します。低電力信号を起動させると、電磁石が通電され、電機子が移動して電気接点がクローズし、制御回路に電力が送られます。

この設計は、高電力回路から低電力信号を効果的に絶縁し、オペレータを損傷や機器から守ります。また、離れた場所からのデバイスやシステムの制御も可能になります。電気機械式リレーは1835年以降使われてきており、そのコンポーネントやバラエティは長年にわたってさらに洗練・改善されてきましたが、基本的な機能は変わりません。

パワーリレーとは?

どのような電気リレーも電力を制御しますが、すべてのリレーが正しい意味で「パワーリレー」と呼ばれるわけではありません。さらに正確に言うと、パワーリレーは、数アンペアからはるかに高い電流の高いレベルの電流スイッチングを処理するために特別に設計された製品のことです。より大きな電流を処理するためには、パワーリレー接点の組み込み容量、そしてより大きなサイズと堅牢なコイルとなります。一般的に10アンペア以上の電流を切り替える場合にパワーリレーが良い選択になります。使用例には、自動車システム、エレベーター、バルブアクチュエータ、またはモーター、ソレノイド、電源、電子バラストなどの初期電流サージが高いデバイスがあります。

アーク接触とパワーリレーの利点

その他の多くの電気部品同様に、すべてのリレーには、安全に取り扱えるよう電力に関していくつかの制限があります。モデルにはそれぞれ制御可能な電力の最大定格電力があり、電球などの低電力負荷から、大型モータなどの高電力負荷に至るまで効率的に適合させることができます。もしリレーの定格電力を超過すると、リレーに永久的な損傷をきたす可能性があります。

接点が完全にアライメントされていないと、リレー内でのアーク接触(接点がオープンだが互いに近接している場合に、リレー内の接点間のエアギャップを通る電流の流れのこと)にもつながりかねません。スパークや熱による危険だけがアーク放電の悪い影響というわけではありません。また、アーク放電は接点を侵食してリレーを損傷し、不要な電気的干渉を発生させて近隣の機器を損傷する可能性があります。

電気機械式リレーのアーク接触を示す図
電気機械式リレーでのアーク放電

この問題は、ヒーター、モーター、照明アレイ、その他の産業機器など、高電流デバイスの電気負荷を対処するために一般的に使用されているパワーリレーを使うことで解決できます。パワーリレーの持つ高い電流定格と電圧定格は、標準のリレーとは大きく異なるスイッチ接点材質を使うことによって主に実現されます。

リレー接点材質について

あるリレーの接点を通る電流は抵抗値で満たされます。これは、そのサイズと接点で使用される材質に依存します。抵抗を増やすと、リレー内の電力消費と発熱が増加します。接触抵抗を低下させるひとつの方法に、作る際にどの材質を選ぶかということがあります。

通常のリレーは、銀ニッケル接点を使います。この金属は、初めて導入されて以来多くのリレーに使用され、抵抗負荷(電流と電圧が互いに相合っている単純な負荷)の切り替えに適しています。

高負荷定格のリレー(パワーリレー)は、酸化銀カドミウム、酸化銀スズ、または金合金製の接点を使用しており、これは誘導負荷の切り替えに適しています(電流と電圧が互いに同期していないため、電流または電圧の大きなスパイクが発生することがあります)。これらの接点材質はいずれも、電気抵抗が少なく、高突入電流による接触溶接を低減します。酸化銀を使えば、一部の国で規制されているカドミウムを使った合金による環境上の懸念を回避します。

パワーリレーと信号リレーの比較

パワーリレーと信号リレーは、一般的なリレーの最も普及しているバリアントの2つであり、より直接的な比較の恩恵を受けることができます。パワーリレーは、寿命サイクルは少なくなりますが、より高い電圧と電流に対してより考慮されているということが重要になります。信号リレーは、より高い寿命サイクル数が期待できますが、より低い電圧と最小限の電流量に対応します。これらの用途の違いにより、構築の際はまったく異なるアプローチが必要となります。この構造の違いにより、パワーリレーは高電力デバイスの切り替えに最適な選択肢となりますが、低電力デバイスでの使用には適していません。パワーリレーに使用されている接点の特性は、低電力スイッチングに対しては理想的にはなりません。これは、スイッチする電圧が低くなればなるほど、接点間の物理的な接続が重要になり、使用されている材質ではなく、接点の圧力と清潔さによってコントロールされるためです。よりはっきりすることに、電源アプリケーションで使われる信号リレーは、過電圧や過電流によって壊滅的に故障をおこす可能性が最も高いです。たとえ故障しなくても、アーク防止や接触セルフクリーニングなどの重要な機能が足りていないでしょう。2つのタイプから選択する場合、従うべき最も重要なガイドラインは、スイッチする電力レベルとリレーの定格電力を必ず一致させることです。低電力デバイスの信号リレーについては、ブログ記事信号リレーの概要でご覧いただけます。

パワーリレーの種類

通常のリレーと同様に、パワーリレーには電気機械式とソリッドステート型の2つの基本タイプがあります。電気機械式パワーリレーは、電気コイル、磁場、スプリング、可動電機子、接点を使ってデバイスに対する電力を制御します。

高電力アプリケーション用のソリッドステートリレーは、可動部品なしでAC電源かDC電流を切り替えます。これらは、シリコン制御整流器(SCR)、TRIAC(交流用トライオド)、またはスイッチングトランジスタなどの半導体を代わりに使用して電流を切り替えます。ソリッドステートリレーは、高電力負荷の切り替えに使われますが、適切なパワーの半導体のコストの増加とその他の温度管理コンポーネントが必要になることから電力に対する要求が拡大するにつれ、コスト/利益の値は悪化します。

アルミニウム製ヒートシンクに取り付けられたソリッドステートリレーの画像
アルミ製ヒートシンク付きソリッドステートリレー

パワーリレーの構成と定格

通常のリレーと同様に、パワーリレーは接点の構成または種類によって分類され、同時に制御できるデバイスの数を指定します。最も一般的な分類は次のとおりです。

  • SPST – 単極、短投
  • DPDT – 両極、両投
  • 3PDT – 3極、双投
  • SP3T – 単極、3投

リレーの接点は、リレーに電力が印加されていないときの状態に応じて、ノーマリーオープン(NO)またはノーマリークローズド(NC)としてリストされます。

リレーの定格は、リレーによって安全かつ効率的に切り替えることができる電力量を指します。この定格は通常、ACかDC、またはその両方で表され、アンペアで表されます。リレーの定格レベルは、安全係数を持つスイッチされるデバイスの定格と同じ大きさでなければなりません。

非パワーリレーと全く同じように、パワーリレーは「Form」という用語を使用して説明することができます。「1 Form A」や「2 Form C」は、そのリレーについて2つのことを示しています。「Form」の前に来る数字は、1つのユニット内に複数のリレースイッチが存在する可能性があることから、リレーで使用可能な接点の数を示します。Form Aはリレーがノーマリーオープン、フォームBはリレーがノーマリークローズドであることを意味します。Form CはSPDTリレーにのみ適用され、どの位置がノーマリークローズド位置とみなされるか、およびリレーがブレークビフォアメーク(break-before-make)であることを示します。Form DはForm Cと同じですが、メークビフォアブレークタイプです。他にも多くのフォームがありますが、この4つは最も一般的に使用されています。言い換えると、

  • Form A – ノーマリーオープン
  • Form B – ノーマリークローズド
  • Form C – ブレークビフォアメーク SPDT スイッチ
  • Form D – メークビフォアブレーク SPDT スイッチ

パワーリレーの選択

アプリケーションに合った正しいパワーリレーを選択するプロセスはとても簡単で、以下の手順から構成されています。

  1. 必要な負荷電圧定格とタイプを特定する
  2. 必要な負荷電流定格を特定する
  3. 必要な回路/スイッチの配置を決定する
  4. 必要な制御電圧とタイプを決定する
  5. 必要な取り付けのタイプを決定する

ソリッドステートリレーの場合、手順は同じですが、負荷タイプ(誘導または抵抗)を識別し、標準または特殊なアプリケーションSSRが必要かどうかを決定する必要があります。また、デバイスから放熱される熱量とその管理ソリューションを決定する必要があります。

その他の設計に関する考慮すべき項目

パワーリレーは、通常のリレーのように動作します。つまり、デバイス仕様の段階で同様の考慮すべき事項があります。これらの考慮事項には以下のようなものがありますので注意してください。

  • 入力電力サージ:あるデバイスでは、起動時に著しい電力サージを発生させることがあります。これは、デバイスの損傷を避けるためには、リレー仕様の前に決定する必要があります。
  • コイル抑制:リレーのサイクル時に高電圧過渡電流を生成できます。コイル抑制は、これらの過渡現象から機器を保護するために回路内に追加のコンポーネントを使用しますが、リレーのライフサイクルを短縮する可能性があります。あなたが特定のコイル抑制戦略が必要かどうかを判断する必要があります。
  • ラッチ:ラッチ・リレーは、起動電力が除去された後でも、最後の接点位置を維持します。この機能は、一部のアプリケーションで必要とされる場合があります。
  • ノイズ:EMIまたはRFIノイズはリレーによって生成される可能性があります。これは高出力デバイスでより顕著になります。デバイスまたはシステムによるこのノイズに対する感度は、事前に決定する必要があります。
  • 接点バウンス:リレーサイクルとして、接点は、電気パルスを生成する接点バウンスとして知られる、複数の非常に短い開閉サイクルを通る可能性があります。アプリケーションの感度によっては、望ましくない影響が生じる可能性があります。接点バウンスが問題となるかどうかを判断するには、仕様決めの前に決定する必要があります。
接点バウンスとその結果生じる急激な電圧変化を示すグラフ
接点バウンスとその結果生じる急激な電圧変化

概要

リレーは、デバイスやシステムを離れた場所から安全に電気制御し、コントローラを動作電流から隔離する、既に定評のある効率的かつ効果的なデバイスです。パワーリレーは、電気機械式またはソリッドステートリレーのいずれかで、より高い電圧と電流を処理するための追加の堅牢な機能を備えています。製品のリレー電源スイッチング要件を決定する際、CUI Devicesでは、幅広い電源リレーと信号リレーを使用して低レベルまたは高レベルの電流スイッチングニーズに対応します。

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Jeff Smoot

Jeff Smoot

バイス・プレジデント(エンジニアリング担当)

2004年にCUI Devicesに入社して以来、Jeff Smootは製品の開発、サポートおよび市場投入に重点を置いて、同社の品質管理およびエンジニアリング部門を活性化してきました。顧客の成功を第一に考えたJeffはアプリケーション・エンジニアリングチームの立ち上げを主導し、設計プロセスにおけるエンジニアに対し、現場やオンラインでのエンジニアリング設計・技術サポートを強化しました。仕事以外では、アウトドア(スキー、バックパッキング、キャンプ)を楽しみ、妻や4人の子供と共に時間を過ごします。そしてJeffはずっとデンバー・ブロンコスを応援しています。