制御回路をコイル誘導電圧から保護しながらリレーの性能と信頼性を最大化する
このアプリケーション ノートでは、特にソリッド ステート スイッチを使用するときの、電磁リレー コイルを無励磁にする方法に関連した問題と、それらがリレーの寿命に与える影響を取り上げます。
これは主にリレーの電源遮断サイクルに関係しており、論点は以下のとおりです。
- コイル電源遮断時のリレー システムのアーマチュアとスイッチングの動力学。
- コイル誘導電圧がどのように発生するか。
- ソリッド ステート スイッチを保護する手法。
- 単純なコイル抑制ダイオードがリレー スイッチングの動力学と接点の寿命に及ぼす悪影響。
- ダイオード抑制を使用した場合の接合接点間の典型的な「固着」と接点を開く力の低減。
- ツェナー ダイオードを通常ダイオードに追加することで電圧抑制と信頼性の高いスイッチング性能の両方を達成できる理由。
典型的なクラッパータイプのリレーにおける電源遮断または「ドロップアウト」は通常、次のように起こります。コイルへの給電が遮断されると、磁束が減衰して磁気保持力 (アーマチュアを吸着し続けようとする力) が減少し、磁気保持力がバネの力 (アーマチュアを切り離そうとする力) を下回ってアーマチュアが開き始めます。アーマチュアが開くにつれて、バネの力はアーマチュアの位置に従って減少します。ただし、反磁気力はアーマチュアの位置とコイル電流の減衰の両方に従って減少します (この両方がコイル磁束を減少させます)。リレー コイルの電流が遮断されると、コイル磁束 (コイル巻数に関係する) の減衰に伴って数百ボルトまたは数千ボルト単位の誘導電圧過渡がコイル全体に発生する場合があります。図 1 に示すように、単純な直列スイッチング回路では、この誘導電圧 + コイル供給電圧はコイル遮断スイッチ全体に見られます。
図 1. コイル V および I の動作および復帰の動力学、ダイオードなしの典型的な DC リレー
今日の論理制御システムでは、DC コイル リレーを作動させるためにソリッド ステート スイッチが使われることが多く、このスイッチはさまざまな抑制手法によってコイル電源遮断による誘導電圧から保護されています。これらの手法はしばしばコイル シャンティング手段によって実現され、コイル電流の突然の遮断とそれによる高いコイル磁束減衰速度を軽減するよう設計されています。
よく見られる方法のひとつに、単純に汎用ダイオードでコイルをシャントする方法があります。ダイオードを配置することで、コイル誘導電圧の逆極性を持つ電源電圧および伝導をブロックします。これにより、電源遮断されたコイル内の電流の流れを外部的にコイルにシャントバックする経路が形成され、コイル誘導電圧の大きさがダイオードの順降下電圧に抑えられます。その結果、コイル電流と磁束の減衰が緩やかになります (図 2 を参照)。
図 2. コイル V および I の動作および復帰の動力学、ダイオードありの典型的な DC リレー
このダイオードによるシャントはソリッド ステート スイッチを最大限に保護しますが、リレーのスイッチング能力に悪影響を及ぼす可能性があります。アーマチュアを開く合力は磁気拘束力とバネの収縮力との差であることを認識するのが重要です。それぞれの力は変化するため、合力は時間とアーマチュアの位置の両方によって変わります。アーマチュアと接点バネの移行をもたらすアーマチュア システムの運動量の速度とエネルギを生み出すのは、この合力です。
磁束がゆっくり減衰するということは (減衰が最も遅くなるのは、コイルで単純なダイオード シャントを使用する場合)、アーマチュアの引き離しを加速させる合力積分が小さくなることを意味します。実際、硬い NO 接点バネによる引き離し力の急速な損失は、ゆっくり減衰する磁力と相まって、実際に合力が逆転する期間をもたらす可能性があります。この期間中は、磁束がさらに減衰するまでアーマチュアの速度が低下、停止、または瞬間的に反転します。最終的には、バネの復帰力によって移行が継続されます。
また、同様に重要なこととして、典型的な電力リレーの接点が接触し、急速に立ち上がる (例: 抵抗性) 媒体または高電流負荷が電圧源に接続すると、接合接点間で微小な溶融界面が生じ、微細溶接または固着状態が発生することを知っておく必要もあります。この状態は次に接点を開くときに分離しなければなりません。
この「固着」力は、通常は移動するアーマチュアの運動量によって補助された引き離し合力の範囲内にあるため、固着を分離して接点を移行させることができます。ただし、アーマチュア速度が損失または反転し (上記の単純なダイオード シャンティングの状況下で起こる)、それに伴って接点固着の分離に必要なアーマチュア運動量が低下すると、固着を分離できず、接点の「溶着」が起こる可能性があります。
コイル電流の減衰が急速なほど磁気ホールドバックは小さくなり、したがってアーマチュア運動量と接点固着の分離能力は高くなります。
明らかに、これは抑制を使用しない場合に最適になります。ただし、ツェナー ダイオードを汎用ダイオードと直列に接続することで、最適に近い減衰速度を得ることもできます。コイルへの給電が遮断されると、この直列構成を通じてコイル電流がシャントされ、コイル エネルギが消散するまでツェナー電圧 (+ ダイオードの順降下電圧) に等しい電圧が維持されます。これを図 3 に示します。
図 3. コイル V および I の動作および復帰の動力学、ダイオードと 24V ツェナーを備えた典型的な DC リレー
ツェナー電圧は、コイル スイッチ電圧をスイッチ定格にとって許容できるレベルに抑えられるように、適切な値が選択されています。これはコイル スイッチ保護とリレー スイッチング性能との最良の妥協案であり、制御回路をコイル誘導電圧から保護しながらリレーの最大限の性能と信頼性を保証するには、この方法を採用するのが得策です。
リレーをテストした後にコイル抑制なしで性能定格を確立することは、標準的な業界慣行です。目的の用途でコイル誘導電圧の抑制が必要な場合は、使用する抑制を組み込んでリレーの性能を評価することをお勧めします。
制御回路をコイル誘導電圧から保護しながらリレーの性能と信頼性を最大化する
このアプリケーション ノートでは、特にソリッド ステート スイッチを使用するときの、電磁リレー コイルを無励磁にする方法に関連した問題と、それらがリレーの寿命に与える影響を取り上げます。
これは主にリレーの電源遮断サイクルに関係しており、論点は以下のとおりです。
- コイル電源遮断時のリレー システムのアーマチュアとスイッチングの動力学。
- コイル誘導電圧がどのように発生するか。
- ソリッド ステート スイッチを保護する手法。
- 単純なコイル抑制ダイオードがリレー スイッチングの動力学と接点の寿命に及ぼす悪影響。
- ダイオード抑制を使用した場合の接合接点間の典型的な「固着」と接点を開く力の低減。
- ツェナー ダイオードを通常ダイオードに追加することで電圧抑制と信頼性の高いスイッチング性能の両方を達成できる理由。
典型的なクラッパータイプのリレーにおける電源遮断または「ドロップアウト」は通常、次のように起こります。コイルへの給電が遮断されると、磁束が減衰して磁気保持力 (アーマチュアを吸着し続けようとする力) が減少し、磁気保持力がバネの力 (アーマチュアを切り離そうとする力) を下回ってアーマチュアが開き始めます。アーマチュアが開くにつれて、バネの力はアーマチュアの位置に従って減少します。ただし、反磁気力はアーマチュアの位置とコイル電流の減衰の両方に従って減少します (この両方がコイル磁束を減少させます)。リレー コイルの電流が遮断されると、コイル磁束 (コイル巻数に関係する) の減衰に伴って数百ボルトまたは数千ボルト単位の誘導電圧過渡がコイル全体に発生する場合があります。図 1 に示すように、単純な直列スイッチング回路では、この誘導電圧 + コイル供給電圧はコイル遮断スイッチ全体に見られます。
図 1. コイル V および I の動作および復帰の動力学、ダイオードなしの典型的な DC リレー
今日の論理制御システムでは、DC コイル リレーを作動させるためにソリッド ステート スイッチが使われることが多く、このスイッチはさまざまな抑制手法によってコイル電源遮断による誘導電圧から保護されています。これらの手法はしばしばコイル シャンティング手段によって実現され、コイル電流の突然の遮断とそれによる高いコイル磁束減衰速度を軽減するよう設計されています。
よく見られる方法のひとつに、単純に汎用ダイオードでコイルをシャントする方法があります。ダイオードを配置することで、コイル誘導電圧の逆極性を持つ電源電圧および伝導をブロックします。これにより、電源遮断されたコイル内の電流の流れを外部的にコイルにシャントバックする経路が形成され、コイル誘導電圧の大きさがダイオードの順降下電圧に抑えられます。その結果、コイル電流と磁束の減衰が緩やかになります (図 2 を参照)。
図 2. コイル V および I の動作および復帰の動力学、ダイオードありの典型的な DC リレー
このダイオードによるシャントはソリッド ステート スイッチを最大限に保護しますが、リレーのスイッチング能力に悪影響を及ぼす可能性があります。アーマチュアを開く合力は磁気拘束力とバネの収縮力との差であることを認識するのが重要です。それぞれの力は変化するため、合力は時間とアーマチュアの位置の両方によって変わります。アーマチュアと接点バネの移行をもたらすアーマチュア システムの運動量の速度とエネルギを生み出すのは、この合力です。
磁束がゆっくり減衰するということは (減衰が最も遅くなるのは、コイルで単純なダイオード シャントを使用する場合)、アーマチュアの引き離しを加速させる合力積分が小さくなることを意味します。実際、硬い NO 接点バネによる引き離し力の急速な損失は、ゆっくり減衰する磁力と相まって、実際に合力が逆転する期間をもたらす可能性があります。この期間中は、磁束がさらに減衰するまでアーマチュアの速度が低下、停止、または瞬間的に反転します。最終的には、バネの復帰力によって移行が継続されます。
また、同様に重要なこととして、典型的な電力リレーの接点が接触し、急速に立ち上がる (例: 抵抗性) 媒体または高電流負荷が電圧源に接続すると、接合接点間で微小な溶融界面が生じ、微細溶接または固着状態が発生することを知っておく必要もあります。この状態は次に接点を開くときに分離しなければなりません。
この「固着」力は、通常は移動するアーマチュアの運動量によって補助された引き離し合力の範囲内にあるため、固着を分離して接点を移行させることができます。ただし、アーマチュア速度が損失または反転し (上記の単純なダイオード シャンティングの状況下で起こる)、それに伴って接点固着の分離に必要なアーマチュア運動量が低下すると、固着を分離できず、接点の「溶着」が起こる可能性があります。
コイル電流の減衰が急速なほど磁気ホールドバックは小さくなり、したがってアーマチュア運動量と接点固着の分離能力は高くなります。
明らかに、これは抑制を使用しない場合に最適になります。ただし、ツェナー ダイオードを汎用ダイオードと直列に接続することで、最適に近い減衰速度を得ることもできます。コイルへの給電が遮断されると、この直列構成を通じてコイル電流がシャントされ、コイル エネルギが消散するまでツェナー電圧 (+ ダイオードの順降下電圧) に等しい電圧が維持されます。これを図 3 に示します。
図 3. コイル V および I の動作および復帰の動力学、ダイオードと 24V ツェナーを備えた典型的な DC リレー
ツェナー電圧は、コイル スイッチ電圧をスイッチ定格にとって許容できるレベルに抑えられるように、適切な値が選択されています。これはコイル スイッチ保護とリレー スイッチング性能との最良の妥協案であり、制御回路をコイル誘導電圧から保護しながらリレーの最大限の性能と信頼性を保証するには、この方法を採用するのが得策です。
リレーをテストした後にコイル抑制なしで性能定格を確立することは、標準的な業界慣行です。目的の用途でコイル誘導電圧の抑制が必要な場合は、使用する抑制を組み込んでリレーの性能を評価することをお勧めします。
