APDahlen Applications Engineer
SSR（ソリッドステートリレー）の内部を見ると、ガルバニック絶縁、ダーリントン出力、サージ抑制といった定番の回路構成が確認できます。本稿では、SSRを部品レベルで詳細に解析します。さらに、放熱、および負荷に対するシンク接続とソース接続に関する基本的な事項について検討します。その結果、SSRは電気的に柔軟に使用できることがわかります。しかし、実際の配線の制約によっては、一方の回路構成が他方より有利になる場合があります。
主な要点
- 小型SO6パッケージのフォトダーリントン（図1）は放熱マージンがほとんどありません。
- 入力電圧の低さは、SSRにとって見過ごされがちな危険要因です。入力電圧が十分でない場合、トランジスタは完全にオンになりません。
- 一般的に言えば、ガルバニック絶縁用に設計されたSSRは、シンク型でもソース型でもありません。しかし、最適な構成は、実際のハードウェア実装レベルで決まることがよくあります。
- シンク型とソース型の区別は、設置レベルでの区別となります。必ずしもSSR自体に付けられる分類ではありません。
この記事は、DigiKey Field Guide for Industrial Automationの一部です。
分類： Select It → リレー
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Technician - 難易度レベルの説明
著者： Aaron Dahlen | MSEE | DigiKeyのシニアアプリケーションエンジニア
最終更新日： 026年5月26日
図1： TLP127 フォトトランジスタを搭載したWAGO製SSRのPCB実装例
DINレール取り付け型SSRの構造解析
ケーススタディとして、図1に示す WAGO 859-794 を取り上げます。これは、24V DCの産業環境下で動作するように設計されたDINレール取り付け型SSRです。内部設計は、ToshibaのTLP127ダーリントンフォトトランジスタを中心に構成されています。Toshibaのオプトカプラファミリの最新製品である TLP187(TPL,E のデータシートもご参照ください。
WAGOのSSRの簡略回路図を図2に示します。中央にはダーリントンペアの TLP127 フォトトランジスタが示されています。
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左側は入力回路です。これには、600W（ピーク）のSTMicroelectronicsのTVSによるサージ保護、電流制限抵抗、インジケータダイオード、コンデンサフィルタ、および TLP127 内部のフォトダイオードが含まれます。
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右側は出力回路です。より高い耐圧を持つ第2のTVSが組み込まれています。ステアリングダイオードはトランジスタの極性保護を行います。最後に、TLP127 内部のダーリントンペアには、フライバック抑制ダイオードが内蔵されています。
技術的なヒント： TLP127 内部のダーリントントランジスタは放熱能力が非常に低いことに注意してください。そのため、VCEを低く抑え、発熱を最小限に抑えるには、トランジスタを完全オン（飽和）状態で動作させることが重要です。
入力電圧と入力抵抗によってトランジスタの導通状態が決まります。これらが連携して入力ダイオードに最適な電流を供給し、フォトダーリントン回路を完全にオン状態にします。この用途では、直列抵抗は公称入力電圧24V DCに合わせて選択されます。
入力電圧は、SSRにとって見過ごされがちな危険要因です。入力電圧が十分でない場合、トランジスタは完全にオンになりません。線形領域で動作するトランジスタは、飽和領域で動作するトランジスタに比べて高温になりやすく、トランジスタの寿命が短くなります。そのため、SSRにはさまざまな入力電圧に対応した製品が用意されています。
図2： WAGO 859-794 SSRの簡略回路図
DCソリッドステートリレーは、シンク型とソース型のどちらに分類されますか？
SSRの場合、シンク型とソース型の区別は、実際には極性の問題です。
慣用的な電流の流れ（正極から負極）を前提とすると、図2の回路図は以下のことを示しています。
- 入力回路： 電流はA1に流入し、A2から流出します。
- 出力回路： 電流はAに流入し、-2から流出します。
ここで注意すべき点は、これは入力スイッチや出力負荷の配置については何も示していないということです。実際には、WAGOのSSRは次の4通りの方法で使用できます。
- 入力スイッチをA1側に配置し、負荷をAに接続
- 入力スイッチをA1側に配置し、負荷を -2に接続
- 入力スイッチをA2側に配置し、負荷をAに接続
- 入力スイッチをA2側に配置し、負荷を -2に接続
SSR自体は、本質的にシンク型でもソース型でもありません。
分かりやすくするために、この記事の残りの部分では、入力スイッチをA1側に配置し、A2端子が24V DCのリターンに接続されていると仮定します。これにより、シンク型（図3）およびソース型（図4）の出力構成に焦点を当てることができます。
シンク出力構成
図3は、シンク出力構成で接続されたSSRの配線図を示しています。定義上、シンク構成では、負荷の一方の側が電圧レール（24V DC）に常時接続され、SSRがリターン（接地）レールに負荷電流を吸い込みます。
確認のため、入力回路と出力回路の両方で電流の流れが正しいことを見てください。入力回路では、電流がA1に流入し、A2から流出するため有効です。出力回路も、電流がAに流入し、-2端子から流出するため有効です。
技術的なヒント： 24V DC産業用制御盤において、「グランド」という用語は混乱を招くことがあります。多くの設計者は24V DC電源をフローティング状態に設定しています。一般的に「グランド」と呼ばれるものは、「24V DC電源のリターン」、あるいは単に「リターン」と表現する方が適切です。図3と図4では、右側のレールに「Return（リターン）」とラベルが付けられていることからも分かります。
同時に、制御盤内には保護接地（PE）が存在することを認識しておく必要があります。露出した金属面はすべて接地されています。
図3： 負荷の一端が24V DCに接続されたシンク構成のSSR
ソース出力構成
図4は、ソース構成のSSRの配線図を示しています。この場合、負荷の一端はリターンレールに常時接続され、電流はSSRから供給されます。
図4： 負荷の一端がリターンレールに接続されたソース構成のSSR
SSRの設置において、シンク型とソース型のどちらが適していますか？
ソケットの設計は、SSRの推奨される接続方法を示唆しています。この具体例では、シンク構成が明らかに有利です。
背景
WAGOのSSRはシンク型でもソース型でもないことが分かりました。しかし、これは答えの一部に過ぎません。SSRをより大きなシステムに統合する必要があるからです。そのためには、配線、技術者にとっての一般的な期待事項（メンテナンスの容易さ）への対応、そして複数のSSRを横並びに効率よく接続するためのアクセサリの使用について検討する必要があります。WAGOはこの接続方法を「commoning（共通接続）」と呼んでいます。例えば、WAGO 859-404 プッシュインジャンパを使用すれば、複数のSSRの -2端子を接続できます。
補足説明
ここで重要な点があります。すべての端子でジャンパ接続が可能なわけではありません。WAGOの 859-794 の場合、ジャンパ接続が可能なのは -2端子とA2端子のみです。その他の接続には、個別の配線が必要です。図6では、カップ状の記号でジャンパ接続を示しています。
-2出力端子をバス接続できることが分かれば、この代表的なSSRはシンク型カテゴリに分類されます。図3に戻ると、シンク構成では -2端子がリターンレールに接続されていることが分かります。共通ジャンパを追加すれば、すべてのSSRを瞬時に1つのノードにまとめることができます。そして、1本のワイヤでアセンブリ全体をリターンに接続できます。結果として、SSRおよびそのアクセサリは、設計者にシンク型SSRのバンクを採用するよう促します。
入力側でも同様のアプローチが見られ、すべてのA2端子を共通のリターンに接続できます。
シンク構成が好まれる理由は、単体のSSRにも当てはまります。この場合、A2入力端子と -2出力端子のいずれかに短いジャンパで接続するだけなので効率が良いことが分かります。SSRをより大きなシステムに組み込むために必要な長いワイヤは3本だけなので、接続ワイヤを効率的に使用できます。対照的に、図4では -2接続の1つが使用されていないため、効率が良くないことが分かります。つまり、図3と比較すると、長い配線が1本追加で必要になります。
シンク型とソース型に関する議論の限界
ここまでの議論では、SSRを単一の電圧系統の中で考えてきました。入力回路と出力回路の両方が右側の共通レールにリターンされていることから、これは明らかです。
しかし、この構成ではSSRの最大の利点の1つであるガルバニック絶縁を活かせていません。とはいえ、図3に示すようにA2と -2の間にジャンパを接続する必要はありません。入力電圧ドメインと出力電圧ドメインは異なっていても構いません。
この違いがあったとしても、ソケットとジャンパの組み合わせがシンク構成に向いているという実用上の結論は変わりません。
図5： WAGOのSSRを「commoning（共通接続）」するためのプッシュインコネクタ
図6： WAGOの 859-794 のジャンパ接続部（カップ状の記号）を示す拡大図
おわりに
SSRをシンク型かソース型かの二択で分類するのは単純すぎます。SSRはどちらの構成でも使用できますが、回路内でどのように使用されるかをより深く考察することが重要です。ジャンパによる共通接続のような実装上の細かな点によって、OEM（機器メーカー）が想定しているSSRの使用方法が明確になる場合もあります。
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著者について
AAaron Dahlen氏、元米国沿岸警備隊（USCG）少佐（LCDR）は、シーフリバーフォールズにあるDigiKeyのシニア・アプリケーションエンジニアを務めています。エレクトロニクスおよび産業オートメーションに関する彼の知識と経験は、技術者およびエンジニアとして従事した27年間の軍歴と、その後10年以上にわたる教育経験を通じて培われました。
ダーレン氏は、ミネソタ州立大学マンケート校で電気工学修士号（MSEE）を取得しています。また、ABET認定を受けた電気工学プログラムで教鞭を執ったほか、電子工学技術プログラムのコーディネーターを務め、軍の技術者に対して部品レベルの修理技術を指導してきました。
現在は、ミネソタ州北部の故郷へ戻り、コンデンサ探しから始まった数十年にわたる旅を終えました。彼の物語はこちらからお読みください。