リレー、スイッチ、電気接点全般について

はじめに

このページの目的は、電気回路を閉じたり開いたりするもの(リレー、スイッチ、コンタクタなど)の仕様や用途に関する一般的な知識をお伝えすることです。主に機械式のものですが、ソリッドステートのものもあり、ACおよびDC用、信号用、電力用、抵抗負荷用、リアクタンス負荷用、富めるときも貧しいときも、病めるときも健やかなるときも、などなど色々なものを含めました。

すべての情報を含んでいるわけではありません。全然違います。電流のオン・オフくらい知っていると思っている人達が陥りやすい落とし穴を指摘たり、取り組み方についての提案をすることが目的です。

具体的には、基本的なスイッチの用語と機能、およびメーカー固有の説明は除外しています。ポールとスロー、モーメンタリとオルタネートの違いについて理解したい方、またはRedSwitch-NDの青バージョン(めったに起こらないような特殊な事柄)を見つけたい方は、以下のリソース、または対象となる製品ラインの関連ドキュメントを参照してください。

さまざまなタイプのスイッチングデバイスの中から、より賢明な選択をしたい方はぜひご一読ください。


図1. 過大な印加電圧によるトランジスタの故障

スイッチとしての寿命を短くする負荷特性

突入電流と容量性負荷

多くの負荷(おそらくほとんど)には、電源を投入した瞬間に、通常の動作時よりもはるかに大きな電流を瞬間的に引き込む「突入電流」という現象があります。白熱電球はその典型的な例で、冷えているときのフィラメントの抵抗値は、熱いときの10分の1程度が一般的です。また、多くの電子機器の入力フィルタの容量もかなりの突入電流を発生させますし、電気モータの起動電流が大きいこともよく知られています。また、トランスは明らかに誘導性であるにもかかわらず、飽和や残留磁気の影響で大きな突入電流を流すことがあり、長いケーブルの導体間に存在する寄生容量も極端な場合には重要なものになります。

このような動作をする負荷によってもたらされる問題は、スイッチングデバイスがその開(オフ状態)と閉(オン状態)の間で遷移する過程で、高いピーク電流が発生することです。 これにより、デバイスが閉じた状態で安定した後にこれらの電流が流れた場合よりも、スイッチングデバイスに大きなストレスがかかります。

図2. 60ワットの白熱電球を入力電圧波形のピーク付近(左)とゼロ付近(右)に接続したときの電圧(青色)と電流(緑色)の波形。測定されたピーク突入値は3~6アンペアで、持続時間は数ミリ秒、動作中のRMS電流は1/2アンペアよりわずかに小さい。


図3. 60ワットの白熱電球と同等のLEDランプの起動時のACライン電圧(青色)と電流(緑色)。右の画像は、突入現象を強調するために時間軸を短くした波形。


図4. 60ワットの白熱電球に匹敵するCFLランプの線間電圧と電流。図2と比較すると、図2と図3の電流サージは、置き換えた白熱電球よりも持続時間が短く(~1/2ms)、強度も大きい(10~15A)。

誘導性負荷

インダクタは電流の変化に逆らう性質があり、スイッチは電流の変化を起こす性質があります。この2つを合わせると、何か矛盾が生じるのではないかと想像するのは、天才でなくてもできることです。容量性負荷は、スイッチが閉じたときに電流によるストレスで問題になりがちですが、誘導性負荷は、スイッチが開いたときに電圧によるストレスで問題になります。インダクタにかかる電圧の基本式は、V=L* di/dtであり、インダクタンス(L)と、インダクタを流れる電流の瞬間的な変化率(di/dt)の積で表されます。スイッチの目的は、電流の流れに変化を与えること(しかも通常はかなり速く)なので、スイッチが開くと方程式のdi/dt項が非常に大きくなり、その結果、インダクタにかかる電圧が大きくなり、その電圧がスイッチが遮断している電源に加算されることになります。

図5は、図6に示したテスト回路で、使用している (機械式)スイッチ を開いたときの電圧(黄色)と電流(緑色、1A/V)の波形を示しています。回路には3Vの電源しかありませんが、電流が減衰する5マイクロ秒ほどの間、スイッチに約10Vの電圧が現れ、電圧波形が最終的に安定した値に落ち着くまでの間、一時的に30Vまで上昇しています。この回路の追加電圧は、回路のインダクタンスによって発生します。18uH*2A/5us=7.2V; これに電源電圧の3Vを加えると、写真に見られるような10V程度の電圧になります。

機械式スイッチの動作は、一回で数マイクロ秒の継続時間で終わります。なぜこのような波形が生まれるのか、なぜ3や7や147Vではなく10Vなのか、最後の小さな振動波形(矢印5)は何をしているのか、気になりませんか?続きを読んでください…


図5. テスト回路のリファレンス波形をキャプチャした写真

  1. スイッチの開放が始まりました。接触圧力の低下と導電面積の縮小により、接触抵抗が増加し、電流が定常状態の約3Aから2A以下に(比較的)ゆっくりと減少しています(ズームイン領域の開始時を参照)。
  2. オーム伝導がなくなり電流が流れなくなると、回路のインダクタンスにより、ほとんど分離されていない接点間でアークが点火するまでスイッチの両端の電圧が上昇します。
  3. スイッチ両端のアーク電圧は安定していますが、まだ分離している接点間のアーク長の増加とアーク電流の減少に応じてわずかに増加します。
  4. アークを流れる電流が減少し、接点間の安定したアークを維持できなくなりました。アークが消えると短時間の明滅が起こり、アーク抵抗の増加により分離していない接点間の電圧が上昇し、再びアークが発生します。
  5. 接点が十分に分離し、回路のインダクタンスに蓄積されたエネルギーが、アーク放電が停止するまで消耗しました。 回路インダクタンスの残りのエネルギーの最後の滴りは、回路インダクタンスとスイッチ接点と電圧プローブの合計静電容量によって生成された直列LC共振回路の「ベルを鳴らす」ように作用します。


図6. 図5の波形をキャプチャしたテスト回路の回路図

機械式スイッチ

アーク、スパーク、電気放電の概要

機械式スイッチの接点とその用途を語る上で、大気中を流れる電流による炎のようなものが横切ったと言いたくなるアークやスパークなどブギーマンについての言及がないと、かなり不完全なものになってしまいます。


図7. 7.5kVガス管ネオンサイントランスを使用して生成された、約1センチメートル離れた2本のワイヤ間の低電流(~30mA)アーク。 アークによって暖められた空気が上昇し、アーク電流が流れるイオン化ガスの本体を伸ばすことによって引き起こされる上向きの曲線に注意してください。 電極の近くでアークの中心を通る明るい領域は、これらの領域のより高いエネルギー密度を反映しています。

空気中でアークやスパークが発生するのは、2つの導体間の電圧差が、空気を構成する(通常は)電気的に中性で絶縁性の気体分子を引き裂くのに十分な高さに達したときです。このプロセスは、気体の初期温度や導体自体の温度が高くなるほど起こり易くなります。部分的に分解された(「イオン化された」)気体分子の断片は、個々に電気を帯び、独立して動き回ることができ、その結果、A)電流を流すことができ、B)そもそも静電気には物体を引き裂く力があり、その同じ力によって加速し、飛び散り、ぶつかる物にダメージを与える発射物(弾丸)のような振る舞いをします。暴風に舞う様々ながれきのようなものですね。

その結果、先ほどまで電気絶縁体だった空隙が、負の微分抵抗を持つかなり良好な導体になります。電流が増加すると、介在する空気分子への影響が大きくなり、一般に関係するすべてのものの温度が上昇して、利用できる電荷キャリアが増え、アークの実効抵抗が減少します。抵抗が減れば電流が増え、さらに抵抗が減ればさらに電流が増えるというように、何か他の制限要因が出てくるまで続きます。アークが形成される2点間の距離が小さいほど、アークが始まるのに必要な電圧は低くなります。 ちなみにそのアークはある程度熱いです。数千°Cくらいありますから。正確な数値は条件によって異なりますし、提供される推定値も非常に大きく異なります。これは当然のことで、温度計の材料になり得るものを溶かせるくらい高温の物の温度を測定するのは難しいです。

原因となる電源を遮断する以外に発生したアークを消滅させるには、駆動電源がアークを維持するのに十分でなくなるまで、大気中のイオン化経路の有効長を長くするのが一般的です。アーク電流を流す導体の間隔を広げるのが最も一般的な方法で、アークが導体を気化させることで自動的に行われることもあります。大気中のイオン化した経路は、イオン化していないガスの流れによって伸ばすこともできるし(「アーク」という言葉はこのことに由来しています)、磁気的に操作することもできます。

機械式接点と破壊のアーク

ここで、2つの物理的な物体がある時点で接触し、しばらくして物理的に離れるとき、その過程のある段階で2つの物体間の距離が非常に小さくなることを考えてみましょう。その物体がスイッチの接点であれば、離れていくにつれてアークを発生させるのに必要な電圧も小さくなります。つまり、あらゆるタイプの機械式スイッチの接点では、スイッチ回路がある最小レベルの電圧と電流(通常は10Vと数百mA程度)を超えると、スイッチング時に接点間でアークが発生することがほぼ確実であるということです。僅かな浮遊インダクタンスがあれば、以下の一連の映像が示すように、その実現は難しくありません。図6と同じテスト回路を用いて、3種類の直列インダクタンスの付加量と2種類の電源電圧で、スイッチオープン時の波形を取得しました。この回路の寄生インダクタンスは、わずか3ボルトの電源電圧で接触アークの明確な証拠を作り出すのに十分であることがわかりました。


図8. インダクタンスがゼロで、電源電圧を0.9V(左)と3V(右)にしたときのテスト回路のスイッチ開


図9. 18uHのインダクタンスを追加し、供給電圧を0.9V(左)と3V(右)にしたときのスイッチ開


図10. 130uHのインダクタンスを追加し、供給電圧を0.9V(左)と3V(右)にしたときのスイッチ開

この情報を取得するために使用されたスイッチの可動接点を図11に示します。わずか数回のスイッチングサイクル後のアーク放電による摩耗の始まりは、中央の右上にわずかに変色した表面の部分に見ることができます。 より過酷なスイッチング(15Vまで充電した0.1Fコンデンサを短絡させる)を数十サイクル行った後の同じ接点を図12に示します。


図11. 図8-10に示されているデータ取得後のスイッチの可動接点

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図12. より過酷なスイッチングを受けた後の同じ接点

機械式スイッチの接点を物理的に引き離すことは、接点間に発生したアークを消滅させるための主要な手段であるため、そのプロセスが発生する速度はスイッチの寿命に大きく関係します。接点の動きが遅いと、発生したアークの滞留時間が長くなり、最初の作動サイクルで故障する可能性があるほど接点の摩耗が加速されます。このため、信号切り替えではなく電力制御用に設計された手動スイッチの多くは、スイッチの接点を直接操作するのではなく、バネの張力で接点を急速に移動させる機構を採用しており、このようなデバイスでは明確なクリック感が得られるようになっています。


図13. 図8-10の波形キャプチャに使用された機械式スイッチの分解写真

電気的に作動する機械的接点アセンブリ(リレー、コンタクタなど)の場合、接点の移動速度は、制御回路を流れる電流の変化率に影響されます。 ゆっくりと変化する制御電流は、ゆっくりと変化する機械的作動力を生成します。これは、一般に、接点の動きを遅くし、アーク放電による摩耗を増加させます。 このことは、駆動回路の設計に大きく関係しており、設計を誤ると機器の寿命を著しく縮めることになります。


図14. スイッチの重要部品を組み立てた状態の3Dモックアップ。V字型アーマチュアに対するバネ式プランジャーベアリングの基本概念は、さまざまなメーカーのさまざまなスイッチで使用されています。

バウンス

機械式スイッチの接点は、コンクリート上のゴムボールのように跳ね返る傾向があります。 まあ、おそらくそのようにはなりませんが、概念とメカニズムは似ています。 つまり、2つの表面に衝突が起こり、材料の弾性により、衝突した表面が一瞬離れてから再び衝突し(何度も)、最終的には接触して静止するのです。 ボールがコンクリートに落下したとき、静止しているボールを単に拾う過程よりも跳ね返る傾向があるのと同じように、通常、接触が閉じる時はより跳ね返りが顕著になります。

低レベル信号のアプリケーションでは、接点バウンスによる複数の電気信号の遷移は、機能的にはほとんど問題になりません。高速デジタルカウンタに接続されたスイッチを1回押すと、カウンタは1回ではなく2回、3回、またはそれ以上の押した回数を記録するかもしれない。しかし、スイッチ回路の電圧と電流がアーク発生の閾値を超えた場合、バウンシングは負荷による突入電流と同時に発生し、接点の摩耗や損傷の可能性を増大させるため、デバイスの信頼性にとって重大な問題になります。

図15は、図6と同じ回路を使って、18uHの直列インダクタンスを入れた場合と入れない場合の、安価なスイッチの閉成時の電気的な動作を示しています。3ボルトの電源から20~80Vの過渡電圧が発生し、スイッチにかかる電圧は、安定した値に達するまでに、ゼロへの往復を8回以上繰り返していることに注意してください。これは、前述したさまざまな照明器具の突入電流の持続時間とよく似ています。


図15. スイッチ閉成時の接点バウンス波形:黄色=電圧、緑色=電流@ 1A/Vスケール。 左図には寄生インダクタンスのみが含まれ、右図には18uH直列インダクタンスが含まれます。 これらの個別のキャプチャに見られる特徴のタイミングの類似性は、これらを作成したプロセスの一貫性を示しています。

接点(仕上げ)材料

機械式接点の構造や表面処理に使用される材料は、それがどのような用途に適しているかに影響を与えます。ここでの重要なトレードオフは、低レベル信号とパワースイッチングのアプリケーションの区別に関するもので、ある材料はどちらか一方には適していますが、両方には適していません。

特に金は、大気中の酸素や硫黄化合物、水分などによる表面腐食に強く、光沢のある表面を保つことができるため、信頼性の高い低抵抗の電気接続が可能です。ミリボルトが重要な場所で小信号を切り替える場合、まさに必要なものです。残念なことに、これはかなり柔らかい素材であり、アーク放電を受けるとすぐに侵食されてしまう(しかも高価である…)ため、接点素材としての用途は小信号用途に限られます。

一方、銀や銀合金、タングステンなど、アーク放電に対する耐久性は高いものの、大気中の腐食によって接点表面に絶縁層が形成され、小信号のアプリケーションでは良好な接触が得られない素材もあります。このような接点を持つデバイスは、この表面腐食を除去するために限定的なアーク放電により、この表面腐食を除去するため、電源スイッチ用途に適しています。

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図16. 電源スイッチング(上)および信号スイッチング(下)アプリケーション用に設計されたスイッチの比較。前者はAC125Vで最大20Aのスイッチングが可能(抵抗性)であるのに対し、後者はACまたはDC20Vで最大0.4VA(電圧*電流)のスイッチングしかできないことがわかります。

機械式リレーとコンタクタ

何が違うのでしょうか?

「リレー」と「コンタクタ」の区別は曖昧で、資料によって回答が異なりますが、その内容はほぼ同じです。どちらの用語も、1つ以上の極を持つ電気機械的に作動するスイッチを表していますが、「コンタクタ」という用語は、一般的に高出力スイッチング(キロワット以上)を目的とした装置に使用されており、通常は単投の常開接点を備え、高度なアーク抑制機能を組み込む可能性が高いものを指します。一方、「リレー」という用語は、一般的に信号レベルまたは低電力のスイッチングデバイスを指すことが多く、双投の極を備えていることが多いです。


図17. 左から右に:25A/250VAC SPST ソリッドステートリレー、25A/277VAC DPST 機械式リレー、および25A/600VACSPST コンタクタ


図18. カバーを外した25A/250Vリレー(コンタクタに分類される場合もあります)と、しっかりとした「リレー」である10A/250Vリレーを上から比較しています。前者は、頑丈な単投ダブルブレーク接点(回路ごとに2つの直列接続された接点セット)を採用しており、それぞれが汎用リレーの双投接点アセンブリ全体とほぼ同じサイズです。

詳細仕様を読む

ほとんどのデバイスの定格には、何らかの形で認証や制限のある試験条件が適用されます。これらの条件を意識しないでいると、遅かれ早かれその人を悩ませることになります。リレーの電流定格に関しては、いくつかの基本的な理由から、より早い段階でそれが起こる可能性があります。前述したように、電流を流すことと遮断することには大きな違いがあり、その中でも抵抗性負荷とリアクティブ(誘導性または容量性)負荷の遮断には大きな違いがあり、どちらにもピーク定格と連続定格が定められています。750ワットの発熱体と1HP(0.75kW)のインダクションモータは全く別物であり、リレーやその切り替え対象となる負荷についても、販売製品のインデックスやカタログに記載されている公称定格だけでは完全にはわかりません。

制御信号に注意

一般的な電気機械式リレー/コンタクタへの制御入力は、電磁石へのリード線のペアですが、これは見かけほど単純なものではありません。電磁石は非常に誘導性が高く、それを制御する機器には保護が必要です。この誘導負荷の正確な特性は、温度やリレー内の可動部の位置によって変化し、印加される制御信号の性質は、前述のようにタイミングや接点寿命に大きく影響します。

図19は小型 リレーが開くときにキャプチャされた一連の波形を示しています。図20は使用した回路と各測定個所を示している回路図です。制御信号(黄色、CH1)が解除されると、 トランジスタの両端の電圧(ピンク、CH3)は、 使用されているトランジスタ が約80vでアバランシェ降伏モードに入るまで上昇し、コイル(緑、CH4)を流れる電流がゼロになるまで導通し続けます。これには約200usかかります。約1.5ms後、リレーの接点が開き、接点間の電圧(青色、CH2)が表示されます。

この場合、アバランシェ中にトランジスタで消費される電力は、オーバーサイズのトランジスタが使用されている場合は許容されますが、通常動作時に適切なサイズのデバイスであれば破損する可能性が高くなります。


図19. トランジスタ制御でリレーを開くときの一連の波形

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図20. 図19のデータキャプチャに使用した回路


図21. 図19と同様の波形キャプチャだが、FETの両端に ツェナーダイオード を使用して、FETの両端に印加される電圧をトランジスタの定格VDS(最大)以下の値に制限しています。リレーのコイル電流がゼロに減衰するのに必要な時間は約400usと2倍になっているが、制御信号が解除されてから接点が開くまでの時間は、約1.5ms~1.6msと図19の場合と同じ絶対量だけ長くなっています。
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図22. 図21のテスト回路


図23. リレーのコイルインダクタンスに蓄えられたエネルギーが、トランジスタのオフ時にコイルの抵抗を介して再循環することで散逸するように、「フリーホイール」ダイオードが使用されています。その結果、トランジスタにかかる電圧ストレスは限りなく小さくなりましたが(電源電圧よりダイオードのドロップ分のみ大きい)、制御信号の出力停止までの遅延時間は約4倍の約6msとなりました。さらに、接点が開いている間、リレーのコイルにはある程度の電流が流れ続けています。その結果生じる磁界は、リレーのアーマチュアを接点の閉じた位置に保持するには不十分ですが、それでも接点が開く際に開離する速度を遅らせ、それによって接点間に発生するアークの持続時間を延ばすように作用します。
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図24. 図23のテスト回路

AC入力とDC入力?

リレーやコンタクタは、通常、ACまたはDCの制御入力に対応しています。主な違いは、AC制御入力が可能なデバイスは、AC制御入力(およびそのために使用される磁力)が時間的に変化し、ゼロまたは非常に小さな振幅の期間があるにもかかわらず、デバイスのアーマチュアが過度に振動せずに作動位置に留まることを保証するための規定を含んでいることです。このようなデバイスの多くは、DC入力でも十分に機能しますが、逆にDC入力用に設計されたリレーは、AC制御信号で正常に機能することは期待できません。

ただし、同じRMS振幅のAC信号をDC信号に置き換えただけでは、リレーのコイルインダクタンスによる電流制限効果が無効になり、過大な電流が流れて制御コイルが過熱する可能性があるので注意が必要です。何らかの理由で、AC入力仕様のリレーをDC制御信号で使用する必要がある場合は、コイル電流を規定値に制限するようにすることを推奨します。AC定格のリレーをDC信号で使用する場合には、他にも注意すべき点があり、それらについては下部の推奨資料で詳しく説明しています。


図25. TE Connectivityの KRPA series リレーのデータシート抜粋。記載されているコイル抵抗に定格コイル電圧を適用すると、DC入力デバイスの定格コイル電力を得ることができます。12Vタイプを例にとると、(12V)2 / 120Ω = 1.2Wとなります。AC入力の場合も同様に計算すると、(12v)2 / 24Ω = 6Wとなり、記載されている定格電力の約3倍となります。これは、コイルのインダクタンスが、コイルの巻線に流れる電流を制限する負担の約3分の2を担っていることを示しています。また、このようなデバイスにACではなくDC12Vを印加することは、リレーが燃える香りが好きでない限り、よくないことであることを示しています…。

ソリッドステートスイッチ

ここでの「ソリッドステートスイッチ」という用語は、接点を閉じる機能を持つ半導体ベースのデバイスの広義の意味で使用されます。 単一のトランジスタで構成されたり、多くのトランジスタを使ってソリッドステートリレーまたは同様のデバイスに統合されることもあります。

ソリッドステートスイッチは、導体を物理的に接触させたり離したりするのではなく、半導体材料の特性を変化させることで機能します。これにより、導体の特性に大きな違いが生じます。 まず、ソリッドステートスイッチでは電荷キャリア以外は物理的に移動しないため、バウンシング現象が起こらず、より高速なスイッチングが可能になります。

第二に、ソリッドステートスイッチでは、ランダムで予測不可能な要素が、見方によっては多くありますが平均化される傾向にあるので比較的少なく、機械式スイッチでは、ランダムで予測不可能な要素が相対的に少ないですが、実在します。その結果、ソリッドステートスイッチでは、「オン」から「オフ」へ、またはその逆へと移行するプロセスが、機械式スイッチのように「オン、オフ、またはアーク放電」のような急激な往復を繰り返すのではなく、より緩やかな単調なプロセスとなります。「オフ」と「オン」の中間の任意の動作点で機能を維持することは、多くの半導体デバイスで一般的に行われており(「線形」動作として知られている)、オンとオフの2種類の動作をするように設計されたデバイス(例えばサイリスタファミリのほとんど)でも、安定した状態の間を移行する際に線形的な動作を示します。

これらの要素を総合すると、ソリッドステートスイッチは、他の条件が同じであれば、機械式スイッチよりも断然速く、電気的にも(音響的には言うまでもなく)静かです。多くの状況でソリッドステートスイッチは素晴らしく有利ですが、欠点や制限がないわけではありません。

図26. 直列に接続された10Ω負荷で12V電源を遮断するソリッドステートスイッチ。 示されているトレースは、スイッチ両端の電圧(黄色)、制御入力(青色)、およびスイッチを流れる電流(緑色)を表しています。 接点のバウンスがないことに注意してください。


図27. 同じ12V電源から10Ω負荷を遮断する機械的スイッチ。完全なスイッチングサイクル(左)と、接点のバウンスを示すための接点閉成中の拡大図(右)を示しています。 図26と同様に、黄色のトレースはスイッチの両端の電圧を示し、緑色のトレースはスイッチを流れる電流を示します。 図26のソリッドステートデバイスと比較した時間スケールの違いに注目してください。

電圧の制限

半導体スイッチは、その機能を発揮するために原子レベルの現象を利用した微細な構造を持っています。この小さな物理的スケールの結果として、わずかな電圧でもデバイス内には非常に強い電界が発生します。この電界が強くなりすぎると、デバイスはすぐに壊れてしまいます。サイズが小さいため、デバイスの重要な部分を蒸気に変えるのに多くのエネルギーを必要としません。現代の半導体は、非常に高純度の材料と高精度のプロセスで製造されているため、デバイスが壊れ始めるポイントはかなり高い精度で予測できます。メーカーは一般的に「 絶対最大定格」という用語でこれを表現しています。この値は、破壊の正確な閾値を示すものではありませんが(地雷を警告する標識が、最も近い地雷の起爆装置の上に置かれていないのと同じです)、その値を超えると閾値があるというポイントを分かりやすく示しています。そのため、デバイスの絶対最大定格は常に守られなければなりません。

これは、機械式スイッチの定格電圧とは対照的で、破壊の限界値ではなく、定格寿命を達成するための限界値を反映している傾向があります。破壊の限界値は、機械式スイッチの絶縁耐圧によく表れており、一般的に部品の定格スイッチング電圧の10倍から100倍になっています。

その結果、ソリッドステートスイッチの信頼性を高めるためには、取り扱い時や使用中の過渡的な過電圧に対して保護する必要がありますが、電気機械スイッチはそうではありません。電子機器分野で使用される大型のトランジスタでも、静電気防止用のパッケージに丁寧に梱包され、内容物が静電気に敏感であることを警告するステッカーが貼られているので、偶発的な電荷の蓄積によってデバイスが損傷することはありません。しかし、どんなに小さくてデリケートな機械式スイッチでも、静電気を防止するポリエチレンの袋やチューブに入っていることはまずありません。もしかしたら、発泡スチロールの中に入っているかもしれない。湿度10%まで乾燥させ、ポリエステル製のレジャースーツを着て、長毛の猫をノーガハイドの人工皮革のソファで撫でながら、機械式スイッチを扱ってみてください。全然問題ありません。


図28. 図1に示した過大電圧を印加した後の2N7000 FETの残骸。この破壊作業では、130uH/510uFのL-Cフィルタを介して機械的な接点閉成で生成された90Vの電圧が印加されました。


図29. 図1および図28を引き起こしたドレイン-ソース間電圧(黄色)およびドレイン電流(緑色)の波形。ドレインソース間電圧は最大60Vの定格であるが、大きなブレークダウン電流が発生するまで室温状態で約85Vの電圧に耐えました。これが約1億5000万分の1秒(6ns)続き、その後、数アンペアの高い過渡ピーク電流を伴うアーク状の短絡イベントが発生し、さらに約80us続きます。その後、故障電流はサブアンペアレベルに戻ります。 おそらく、これらの2つの異なる故障フェーズは、トランジスタの内部が液体またはプラズマになって逃げようとし、逃げた後にリードフレームの部分間でアーク放電することに対応していると思われます。

写真の左下は、公称48V定格のかなり 小さなスイッチ ですが、400V以上の電圧に耐えており、故障の兆候も見られません。


Figure 30. 400V以上に故障なく耐える小さな信号レベルスイッチ

熱の制限

半導体スイッチの熱管理・解析は、さまざまな理由から、機械式スイッチよりも緊急性の高いテーマとなります。まず、半導体スイッチは機械式接点に比べて伝導損失が大きい傾向があり、特にデバイスの電圧定格が高くなるとその傾向が顕著になります。また、ソリッドステートデバイスは高周波の連続スイッチングに耐えられることから、そのような用途にも使われています。デバイスが「オン」状態と「オフ」状態を切り替える際には、デバイス内である程度の電力が消費され、それが1秒間に数十回、数千回、数百万回と繰り返されると、消費量はスイッチング回数に比例して大きくなります。設計のためにその消費電力量を計算することは簡単なプロセスではなく、推定値を検証するための経験的なテストが推奨されます。

より一般的には、デバイスの公称定格に付随する条件や認証は、様々なデバイスファミリで一貫していません。一般的な傾向として、電気機械式スイッチの定格は、想定される過酷な使用事例を表す条件で行われるのに対し、ソリッドステートデバイスの定格や特性は、想定されるアプリケーション条件に比べてやや楽観的ではあるものの、業界の慣行に沿った条件で行われることが多いようです。後者の状況は注目に値するものであり、 この投稿で詳しく説明しています。

別の言い方をすれば、機械式スイッチの定格を安全動作の限界と理解しても、大きな間違いを犯すことはないということです。一方、ソリッドステートスイッチの定格は、一般的な使用条件での動作限界を計算するための参考値であり、少なくともざっくりとした熱分析をせずにソリッドステートスイッチの定格を額面通りに受け取るということであれば、適切な動作を期待できません。(大惨事に、どうぞやってきてくださいと招待状とばらの花束を贈るようなものです。)


図31. 25Aの機械式リレー(左)、25Aのソリッドステートリレー(右)、25Aの定格を適用するためにソリッドステートデバイスに取り付けなければならないヒートシンク(後)。機械式リレーの定格は、そのままで使用しても適用されます。

リーク

ソリッドステートスイッチは、オープンまたは「オフ」の状態であってもある程度の電流が流れ、ソリッドステートスイッチに一般的に使用されている保護部品も同様にリークがあります。表面の汚染により、開いた機械式スイッチの端子間に測定可能なリークが発生することがありますが、その大きさは通常、小数点以下数桁の差があります。様々な点で問題があるものの、リークによる安全性への影響は注目に値し、ソリッドステートスイッチは一般的にサービスの切断や同様のアプリケーションには適していません。

先に比較した25Aのソリッドステート(AQ-A )と機械式(G7L)のリレーのデータシートの該当部分を図32に示します。ソリッドステートデバイスは、オフ状態では、デバイスの温度が20℃のときに最大10mAものリーク電流が流れる可能性があります。この数値は、デバイスの温度が上がるにつれて大きくなる可能性があり、いずれにしても、10mA(あるいはその4分の1)の電流を通す導体になることは、すぐに注目されることになります。

機械式リレーの相当する情報は、リークではなく絶縁抵抗で定められており、この場合はギガオーム以上とされています。この抵抗に定格最大電圧の277Vを印加すると、277nAの電流が流れ、ソリッドステートリレーのリークの約36,000分の1の電流になります。


Figure 32. 同様の定格のソリッドステートリレーと機械式リレーのリークの比較

dv/dtとdi/dtの脆弱性-

ほとんどのソリッドステートスイッチは、スイッチにかかる電圧の変化に対して何らかの感度を持っています。ソリッドステートスイッチにかかる電圧が十分に速く上昇したり下降したりすると、使用するデバイスの種類によっては、オフができない、意図しないのにオンになる、スイッチングプロセスが遅くなるなど、さまざまな問題が発生します。このような現象は、一般的にデバイスに大きなストレスを与え、デバイスの急速な加熱につながります。このような現象は、温度の上昇とともにデバイスの特性が悪化する傾向にあるため、発生のきっかけとなった条件が続くと、雪だるま式に破壊されてしまう可能性があります。 dv/dt関連の問題の軽減は、多くの場合、スナバと呼ばれる受動部品ネットワークを使用することで実現されます。その設計と理論については、いくつかの推奨資料で詳しく説明されています。

同様に、電流の急激な変化によってもデバイスが損傷することがあります。一般的には、少数キャリアデバイス(バイポーラトランジスタやサイリスタなど)のターンオン時に問題となることが多いのですが、この場合は、デバイスの活性領域内の電流の集中が問題となります。少数キャリア素子のオン電圧は、温度の上昇とともに低下するため、素子を流れる電流は、素子の温度の高い領域を流れる傾向があり、さらに温度が上昇して電流が増加し、何かが壊れるまで続くことになります。

これらの効果のニュアンスや設計上の注意点は、使用可能なデバイスの種類によって大きく異なるため、この投稿では説明しません。詳細については別途ご説明いたします。


図33. 図34の回路図に示す、ハーフブリッジ構成での下部FETのdV/dt誘起(不要な)ターンオンを示す波形。Q1のドレイン端子とゲート端子間の寄生容量は、電荷をゲートに結合します。Q2がオンになるとQ1のドレインの電圧が上昇し、Q1のゲート-ソース間電圧が導通を開始するポイントまで上昇します。

赤色の波形は、Q1の瞬間的な電力損失を示しています。この波形の2つのカーソルの間の領域は、この不要なターンオンイベント中にQ1で消費されたエネルギー(約225マイクロジュール)を示しています。 このパルスが18kHzで連続的に繰り返された場合、Q1は約4ワットを消費します。


図34.

ソリッドステートリレー(SSR)

「ソリッドステートリレー」という言葉が使われるとき、それは通常、電気的なリレーと同様の機能を持つように設計された半導体デバイスを指します;制御対象の回路とは電気的に絶縁された低電力入力によって制御される低周波のオン/オフスイッチング。この概念の境界は完全には明確ではなく、特にトランジスタやサイリスタ出力のオプトアイソレータとの共通の境界に沿って、機能的に類似したデバイスが、明確な境界線なしにどちらかまたは両方の用語を使用して分類されていることがあります。しかし、傾向としては、「ソリッドステートリレー」に分類されるデバイスは、最小限の入力駆動電流でより大きな出力電流(数百mA以上)を低周波でスイッチングするのに適しており、「オプトアイソレータ」は、数十mA以下の電流をより高速・高精度でスイッチングするのに適しており、電力の制御よりも情報の伝達を重視する傾向があります。

ソリッドステートリレーは、FETを用いたものと、サイリスタ(SCRまたはトライアック)を用いたものに分類できます。両者の最大の違いは、サイリスタがFETとは異なり自己完結型ではないということです。制御信号によっていったん導通状態になると、電流がゼロに近い最小値を下回るまで導通が止まらないからです。そのため、サイリスタを用いたソリッドステートスイッチは、ほとんどが交流電流のスイッチングにしか使用されていません。これは、電流の自然な反転が周期的な整流の機会となるためです。また、サイリスタとFETでは伝導損失特性が異なるため、それぞれの用途に適した特性があります。

機械式リレーとは対照的に、入手可能なソリッドステートリレーの大半は単投式です。これは、多くの故障条件下でも複数投の極間の相互接続や短絡を確実に回避する半導体ベースのデバイスを構築することが容易ではないという事実に起因しています。多極のSSRは複数投のSSRよりは一般的ですが、単極単投の常開型(Form A)が圧倒的に多く存在しています。


図35. いくつかの異なるソリッドステートリレーの内部回路図。遭遇する可能性のあるさまざまな出力構成の例を示しています。 左から右へ、バックツーバックFET(ACまたはDCの負荷を任意に遮断できる)、単一のFET(DC負荷の切り替えにのみ適している)、およびトライアック出力(AC負荷のみの切り替えに適している)。

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Figure 36. 「ソリッドステートリレー」の傘下にあるさまざまな物理的フォームファクタを示すさまざまなデバイス。 左から右に、側面が数mm厚の 表面実装デバイス 、3相スイッチング用の シャーシマウントモジュール 、およびヒートシンクと一体化した DINレールマウントデバイス。 (写真は原寸に比例していません)

お勧めのリソース

ソリッドステートと機械式スイッチングデバイス

Electromechanical vs. Solid State Relay Characteristics Comparison (TE Connectivity, 1 page)
2つの主要なリレータイプの一般的かつ定性的な比較表があります。

Solid State Relays (SSRs) vs Electromechanical Relays (EMRs) (Crydom, 5 pages)
2つのクラスのスイッチ技術に基づくリレーの違いを紹介しています。

Advantages of Solid-State Relays Over Electromechanical Relays (Ixys, 11 pages)
機械式ではなくソリッドステートデバイスを選択した理由について説明しています。有効な情報を含んでいますが、単に情報を提供するというよりは、影響を与えようとする強い意図を持って書かれているようです。

スナバ

Design of Snubbers for Power Circuits (Cornell Dubilier, 29 pages)
一般的なスナバの設計原理と、実装や部品選択における実用上の注意点について説明しています。

RC snubber circuit design for TRIACs (ST, 18 pages)
AC電流を制御するための一般的なデバイスの使用に関して、スナバの設計とアプリケーションについて説明しています。

AN1048/D: RC Snubber Networks for Thyristor Power Control and Transient Suppression (ON Semi, 22 pages)
サイリスタデバイスに適用されるスナバの設計とアプリケーション、およびスナバの必要性をもたらすデバイスの動作と内部プロセスについて説明しています。

Snubber considerations for IGBT applications (International Rectifier/Infineon, 9 pages)
GBTデバイスを使用する場合の、スナバアプリケーションについて説明しています。

Snubber Capacitors (Cornell Dubilier, 4 pages)
スナバのアプリケーションにおけるコンポーネントの選択と寸法に関する簡潔で有益な情報が含まれています。

機械式リレーとスイッチ

アーク放電と接点の長寿命化

Contact Arc Phenomenon (TE Connectivity, 3 pages)
電気機械式リレーにおけるアーク放電と関連する摩耗プロセスの影響について簡単に説明したもので、機械式スイッチにも適用できます。

Relay Contact Life (TE Connectivity, 3 pages)
接点材料、機械的な接点の摩耗と保護の基本的な概念について説明しています。リレーだけでなく、機械式スイッチにも適用できます。

一般情報

Relay Technical Information (Matsushita Electric Works, Ltd., 31 pages)
機械式リレーに関連する用語の解説や、アプリケーションガイドライン、製造上の注意点など、幅広い情報を盛り込んだ資料です。

Fundamentals of relay technology (Phoenix Contact, 11 pages)
接点材料、スイッチ/接点保護、信号と電力の切り替え、およびソリッドステートリレーについて説明しています。良い情報が含まれていますが、構成やプレゼンテーションは、このテーマに精通していない読者にはあまり適していないかもしれません。

General Application Guidelines (Panasonic Electric Works, 11 pages)
接点材料、接点保護、コイル抑制などのトピックを含む、Panasonicの機械式リレーのアプリケーションに関する一般的なガイドです。

Automotive Relays Application Notes (TE Connectivity, 7 pages)
本書では、典型的な自動車用途におけるリレーアプリケーションの検討事項と、その使用例を紹介しています。コイルサプレッション、接点腐食の影響、オンライン診断のガイドライン、リレー制御コイルの電力損失を低減するための高度な駆動方法などのトピックを取り上げています。

設計上の留意点

The application of relay coil suppression with DC relays (TE Connectivity, 2 pages)
電気機械式リレーのコイルの誘導性と、それによるリレーの動作への影響を扱う技術を、ベンダーニュートラルな方法で簡潔に説明しています。

Coil Suppression Can Reduce Relay Life (TE Connectivity, 2 pages)
リレーコイル抑制の効果に関するもう1つの簡潔な説明です。

Determining Relay Coil Inductance (TE Connectivity, 1 page)
リレー制御コイルのインダクタンスを測定するための推奨条件について説明しています。

DC Relay Coil Power Reduction Options (TE Connectivity, 1 page)
ノンラッチング制御機構を備えた機械式リレーの電力損失を低減するための技術について説明しています。

Coil Voltage and Temperature Compensation (TE Connectivity, 2 pages)
様々な温度条件の下で適切なリレー駆動を確保するための考慮事項について説明しています。

Temperature considerations for DC Relays (TE Connectivity, 2 pages)
DC入力の機械式リレーの動作に及ぼす温度の影響について、方程式と実例を用いて説明しています。

Operating DC Relays from AC and Vice-Versa (TE Connectivity, 2 pages)
AC入力リレーとDC入力リレーの構造の違いと、どちらか一方の制御信号で使用した場合の影響について説明しています。

Proper Coil Drive is Critical to Good Relay and Contactor Performance (TE Connectivity, 3 pages)
機械式リレーのコイル駆動を適切に行うための基本的な注意点を解説しています。

Contact Load/Life Performance Enhancement (TE Connectivity, 3 pages)
DiscDC駆動のコイルでAC負荷をスイッチングする際の機械式リレーの寿命に影響を与える要因について解説しています。

製造と生産に関する考慮事項

Venting Sealed Relays (TE Connectivity, 2 pages)
密封/洗浄可能なリレーの排気に関する考慮事項について説明しています。

Mounting, Termination, and Cleaning of Printed Circuit Board Relays (TE Connectivity, 2 pages)
PCB実装基板に使用される組立後の洗浄プロセスや洗浄剤の推奨事項、取り扱い上の注意点、トレース幅を含むPCB設計ガイドラインなどを紹介しています。

Verification and Diagnosis of Suspected Relay Failures (TE Connectivity, 4 pages)
故障している、またはメーカーの仕様に準拠していないと思われるリレーの初期テストのプロセスと手順について説明しています。

ソリッドステートリレー

設計上の留意点

AN56: Solid State Relays (Vishay, 2 pages)
このサプライヤの小信号SSR製品の機能と特性について簡単に紹介しています。

Solid State Relays Common Precautions (Omron, 9 pages)
SSRを使用する際の注意点を、産業用オートメーション・アプリケーションに精通したサプライヤならではのスタイルと視点で、幅広く凝縮して解説しています。

AN58: Solid State Relays Current Limit Performance (Vishay, 2 pages)
小信号のSSRにおける電流制限の動作/機能について解説しています。

AN59: Solid State Relays Input Resistor Selection (Vishay, 2 pages)
単純な(外部調整された)LED制御入力を持つSSRの入力抵抗の選択に関する問題について説明しています。

AN61: Solid State Relay Parallel and DC Operation (Vishay, 2 pages)
FET出力のSSRをパラレルモードで使用して出力電流を増加させる場合の検討事項について説明しています。他のメーカーの類似製品にも適用可能です。

AN69: Solid State Relay Metallic On-State Surge Performance (Vishay, 3 pages)
SSRデバイスのサージ耐性について、テレコムアプリケーションおよび標準化されたサージ試験波形の観点から説明しています。

Beware of Zero-Crossover Switching of Transformers (TE Connnectivity, 2 pages)
最も直接的に適用できるのはソリッドステートリレーですが、トランスなどのインダクタンス制限のある負荷に接続されている場合に、ゼロクロスポイントでAC電源をスイッチングする際の困難さについて説明しています。

デバイス保護

AN57: Solid State Relays Overvoltage Protection (Vishay, 4 pages)
主に小信号デバイスの観点から、他のクラスのデバイスにも関連する保護技術についての短い議論です。

Protecting AC Output SSRs Against Voltage Transient Phenomena (Crydom, 5 pages)
SSRを過電圧状態から保護する必要性と方法について説明し、dv / dt関連の問題についても説明しています。



オリジナル・ソース(英語)