リレーについて知っておくべきこと
自宅の暖炉を点けたり、ビルのエレベーターを使ったり、リモコンでテレビのスイッチを入れたりしたことがある人は、リレーを作動させたことがあるはずです。リレーは、何千台ものコンシューマー用、商用、工業用製品やシステムにおいて不可欠な機能を提供します。リレーは、1835年に長距離電信回路向けに、その後電話交換で開発されましたが、依然として信頼性が高く、静かで効率的です。
リレーとは？
非常に実用的な意味では、リレーは単に電気スイッチです。これらは、低電力信号を使用して、近接または距離にある高電力回路を制御します。リレーは、低消費電力信号を高電力回路から効果的に絶縁する（ガルバニック絶縁とも呼ばれる）ことができるように設計されており、ユーザーが安全かつ堅牢な電気操作をできるようにします。単一回路または複数の回路を制御するのに使用することができ、増幅器や回路のブレーカーとして機能します。オペレータに物理的な危険をもたらす可能性のある工業プロセスでは、離れた場所からの機器電源が制御できることでさらなる安全性も確保できます。さまざまなパッケージ、現在の容量、取り付けオプション、フットプリントがあり、一般的なスイッチと同じくらいユビキタスです。
リレーの仕組み
この件を理解するには、まずリレーを分類する必要があります。リレーには2つの基本的なタイプがあります。電気機械式リレー（EMR）とソリッドステートリレー（SSR）の違いは、可動部があるものと可動部がないものの違いです。
電気機械式バージョンは最も長く使われてきており、接点、電機子、スプリング、電磁石が含まれています。最もシンプルな操作では、ばねが電機子を所定の位置に保持します。電流が印加されると、電磁石は電機子を引き付け、その動きが接点のセットをクローズし、電流が回路に流れるようにします。
1950年代後半に初めて登場したソリッドステートリレーは、電気機械式リレーと同じ基本機能を実行しますが、完全に電子式で可動部品はありません。これらには、電流を制御するための入力回路、制御回路、出力回路があり、指定されたピックアップ電圧よりも高い電圧が印加されると、制御回路はリレーを起動します。電圧がドロップアウト電圧を下回ると、リレーは無効化されます。
電気機械式リレーとソリッドステートリレー
電気機械式リレーとソリッドステートリレーはいずれも信頼性の高いデバイスですが、それぞれに長所と短所があり、最終製品またはシステムの設計段階の早い段階で検討する必要があります。
電気機械式リレーは、高電流および危険な動作環境を含むさまざまなアプリケーションで確実に動作する、シンプルな動作をおこなう堅牢なデバイスです。この設計はほぼ2世紀近く前のもので、その性能特性と操作上の基礎はよく知られています。これは完全な電気的絶縁をおこない、高電流や電圧の過渡電流に耐え、電気ノイズ（EMI/RFI）に対する感度はありません。
しかし、電気機械式リレーの基本的な設計は、時間の経過とともに物理的な劣化が生じる可能性があります。また、接触アーキングの影響を受け、ピッチングや短絡が生じることもあります。接点は腐食や酸化することもあります。電気機械式リレーはその機械的性質から、衝撃や振動による接触バウンスを受ける可能性があり、独自のEMI/RFIノイズを生成し、外部磁場の影響を受ける可能性があります。
ソリッドステートリレーは、可動部品のない設計のため、電気機械式リレーよりも長寿命で、大幅に低い制御電力で動作します。また、より速いオン/オフサイクル、アーキングなし、接触バウンスもありません。また、外部からの機械的な衝撃、振動、磁場の影響も受けません。また、ソリッドステートリレーは電気機械式リレーよりもはるかに低い電圧範囲で動作するため、様々な電子デバイスには適用できますが、電力需要の高いデバイスには適用できません。
ソリッドステートリレーは独自の設計により、電圧または電流の過渡電流やEMI/RFIノイズの影響を受けやすくなることもあります。ソリッドステートリレーは、機械的リレーよりも多くの熱を発生させたり、周囲温度の影響を受ける可能性もあります。最後に、制御信号と負荷との間の完全な電気的絶縁は、通常の半導体スイッチでは不可能ですが、光電コンポーネントを使用して入出力を絶縁する光結合デバイスを使用することで、これを実現することができます。
リレーの一般的な用途
リレーは、広い意味では、大量の電流を小量の電流で安全に制御する必要があるあらゆるアプリケーションで使用されています。オペレータや機器のリスクのために、制御回路と負荷を直接接続することが不可能な場合によく使用されます。多くの電力を使用するアプリケーションでは、リレーを1本の安価な低電力ワイヤを使って、離れた場所で流れる電流を制御することができます。
設計のシンプルさと信頼性の高い動作を考えると、リレーは幅広い業界や市場のデバイスやシステムで使用されています。リレーはその登場以来、輸送や自動車関連のアプリケーション、電力システム、医療、航空宇宙、防衛、家電などに使用されています。後には、HVACが開発されたことで主流になり、住宅、商業、産業用HVACシステムで重要な役割を果たしてきました。最近では、リレーは自動車、代替エネルギー、データ通信または通信分野の電気自動車の分野で使用されています。以上の数々の用途からも、リレーが本当にユビキタスであることは容易にわかります。多くのシステムやデバイスは、共通リレーが提供する電力を安全に制御する機能なしには、非効率になったり、機能しなくなるとも言えます。
リレーの共通のタイプ
販売されている多くの種類のリレーは、それぞれが特定のアプリケーションニーズに対応すべく存在しています。メーカーは、個々の製品についてわずかに異なる用語を使っている場合がありますのでご注意ください。ご質問がある場合は、サプライヤーまたは認定代理店に問い合わせて回答を求めるのが最善です。以下は、販売されている主なタイプのリレーの一部です。
- 汎用：一般的な電気機械式リレーは、12～230 VのACまたはDC電流を使用し、2～30アンペアを制御します。
- 信号: リレーは、通常2A未満の低電力負荷を制御するために使用されます。詳細については、当社のブログ記事信号リレー入門をご覧ください。
- パワー：リレーは、高電力負荷を制御するように設計されており、発熱が少なく、アーク放電が低減されます。詳細については、当社のブログ記事パワーリレー入門をご覧ください。
- 機械制御式：大型産業用途向けのヘビーデューティで頑丈なリレー。
- ラッチ：リレーは、反転電圧信号を受信するまで、設定状態またはリセット状態（オンまたはオフ）を維持します。
- リード：電磁石を使用して1つ以上の密閉されたリードスイッチを制御する、コンパクトで高速な動作リレーで、外部汚染物質や湿気に対する耐性を提供します。
- ゼロスイッチング：リレーは、制御電圧が印加され、負荷電圧がゼロに近いときに負荷をオンにし、制御電圧が除去されたときに負荷をオフにします。
- ピークスイッチング：リレーは、制御電圧が印加され、負荷電圧がそのピークに達したときに負荷をオンにし、制御電圧が除去され、電流負荷がゼロに近いときに負荷をオフにします。
- インスタントオン：リレーは、ピックアップ電圧が印加されるとすぐに負荷をオンにします
- 時間遅延：時間に基づいてイベントを制御するために、タイマを内蔵した制御リレー。
- アナログスイッチング：リレーは、入力電圧の関数として出力電圧を制御し、リレーの定格内で無限出力電圧を可能にします。
- 光結合：ソリッドステートリレーは、内部光源に反応してスイッチングすることにより、制御回路と電源回路間を絶縁します。
- 軍用/ハイレル：リレーは、過酷な環境条件でも動作するように特別に設計されています。
また、リレーは、接点がオープンで回路が通電されていない場合にノーマリーオープン（NO）になるか、接点がクローズしていて回路が通電されていない場合にノーマリークローズド（NC）になる可能性があります。つまり、リレーは通常、電源が投入されていない場合にNOまたはNCのいずれかとして指定されます。
リレーの定格と構成
リレーは、デバイスを通して安全にスイッチできる電力量に基づいて定格付けされます。定格はACまたはDCで、通常はアンペアで表されます。リレーの定格は、制御するデバイスと同じくらい大きくなければなりません。
リレーは複数の回路を同時に制御できるため、その特性を識別するための構成の指定がされています。この指定は、次のとおりです。
- SPST - 単極、単投
- DPDT - 双極、双投
- 3PDT – 3極、双投
- SP3T – 単極、3投
リレーが持つ極と投の量だけでなく、リレーの重要な側面を説明するもう一つの簡単な方法として「Form」という用語を使用します。「1 Form A」や「2 Form C」などのフレーズを読み取ると、2つの重要な情報をすばやく確認することができます。このフォームのタイプは、スイッチがノーマリーオープンか、ノーマリークローズドかを示し、SPDTスイッチの場合は、ブレークビフォアメイクか、メイクビフォアブレークかを示します。それに加えて、1または2以前のフォームは、リレーで使用可能なこれらのスタイルの接点の数を示します。一般的なスタイルには、次のようなものがあります。
- 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
リレーの選択ステップと尋ねるべき質問
あなたの設計に適したリレーを選択するには、現在の製品またはシステムのニーズ、将来の予想されるニーズに関する情報が必要です。ただし、必要なリレーを指定する前に知っておくべき基本的な事実がいくつかあります。
- スイッチングが必要な最大電圧ACまたはDC（負荷電圧定格）は？
- サージの可能性（負荷電流定格）など、最大負荷電流は？
- 制御電流の電圧範囲は？ACまたはDCか？
- PCB、プラグイン、DINレール、またはパネル実装のどの取付けスタイルが必要か？
- スイッチする回路の数は？
- どのような負荷タイプ（誘導または抵抗）が必要か？
- 抵抗熱蓄積のための温度管理ソリューションが必要か？
これらの問いを進めていく中で、リレー自体の実際のパフォーマンスと要件へ考慮する必要がある物理的な現実があります。上記の質問に答える際には、これらの項目を必ず考慮してください。
- 入力電力サージ – 個々のリレーが正しく指定されていない場合、デバイスはサージによって破壊され、システムさえも脅かす可能性があります。
- 接点バウンス – 電気機械式リレーのこの傾向は、時間の経過とともに接点を劣化させるだけでなく、システムに影響を与えるEMI/RFIも生成します。
- アーキング – 接点ギャップを横切るこの放電は、接点を劣化させ、ノイズを発生させ、危険な環境で危険となる可能性があります。
- 環境要因 – リレーは堅牢ですが、性能特性は環境振動、熱、湿度、磁場の影響を受ける可能性があります。
概要
何年にもわたって使われてきている製品の場合、ベーシックなリレーが、消費者、産業、防衛市場の何万ものデバイスやシステムで使用されています。リレーは、電信システムの単純なコンポーネントとして始まり、最初のコンピュータの開発にも使用されてきましたが、今日では、遠隔から安全かつ効率的に電気駆動デバイスを制御するための基本的な機能を提供し続けています。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するため、CUI Devicesでは定格2～40Aのパワーリレーと信号リレーを幅広く取り揃えています。
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