前回の記事では、リレーを閉じるのにかかる時間を調べることで、リレーの特性を考察しました。この記事では、リレーを開くのにかかる時間を調べることによって、相補的な質問に答えることにします。この2つの質問には多くの共通点があり、予想外の驚きもあります。
まだお読みになっていない方は、前回の記事をご覧ください 。時定数とL/nRに関する記述に注意してください。
テスト回路
テスト方法は前回の記事で使用したものとほぼ同じで、図1もその記事と同じものです。そこには、代表的な産業用リレーとソケット、図2に示すリレードライバ、ドライバを制御するArduino Nano Every、そしてDigilent Analog Discovery 3、BNCプローブアダプタが含まれています。10Xプローブにより、Digilent Analog Discovery 3は±250V DCの電圧を測定できます。
ハイサイドドライバの品種とR4の配置に若干の変更があります。オリジナルの MPSA56 は、より高電圧の 2N5401 に置き換えられています。これは、非アクティブ（リレーが開く）動作になると高い電圧が発生するため、必要なことです。R4抵抗は、フライバックダイオードD1と直列になるように移動しています。
技術的なヒント： この高電圧の状況で 1N4001 ダイオードを使うことに反対されるかもしれません。結局のところ、リレーK1の誘導性キックバックは、ほぼ100Vを発生させます。しかし、 1N4001 ダイオードは、リレーが開の状態では、約0.7V DCのダイオード1個分の電圧降下であるため、この状況ではストレスを受けません。リレーが閉の状態では24V DCがかかることになります。予想される電圧と電流は、 1N4001 ダイオードの設計上の最大値の範囲内です。
誘導性キックバックとフライバックダイオード
エネルギーはインダクタの磁界に蓄えられます。トランジスタQ2をオフにすると、磁界が消滅してK1のコイルに電圧スパイクが発生します。リレーを擬人化するならば、より適切には、リレーに含まれるインダクタを擬人化するならば、インダクタはトランジスタQ2がオフになる前と後の両方で電流を一定に保とうとすると言えます。
インダクタに特有の「定電流」動作は電圧上昇をもたらします。この電圧は抑制しないと、電流を維持しようとして、数百ボルトから千ボルト以上にまで上昇します。この過大な電圧は、クランプされなければトランジスタQ2を破壊してしまいます。
リレーにハイサイドドライバ（Q2）を使用していることを思い出してください。この電圧スパイクの極性に注目してください。多くの読者は、ローサイドNPNトランジスタで駆動するリレーを使った以前の実験に基づいて、正のスパイクを想定するでしょう。この例ではそうではありません。その代わり、Q2のコレクタ電圧は、Q2がオフになると、24V DCから直ちに負の電圧に振れます。このスパイクの振幅は、R4の抵抗とダイオードD1の順方向導通によってのみ制限されます。図2の回路図を見直してQ2のコレクタが負になったときにダイオードD1が順方向にバイアスされていることを理解してください。
図1： リレーの起動時間を測定するためのテスト用実験回路
図2： ハイサイドPNPリレードライバ（Q2）と電流シャント抵抗（R5）を備えた回路図
R4をショートした場合の結果
ほとんどのシステムは、抵抗R4を追加せずに実装されています。その代わり、フライバックダイオードはリレーのコイルの両端に直接接続されます。この構成は非常に一般的であるため、この実験で使用したような産業用リレーには、図3に示すようなオプションのダイオードモジュールが付属しています。
図3： 実験に使用したFinderブランドのリレー用フライバックダイオードとLED表示モジュール
この並列ダイオードは効果的で、使い方も比較的簡単です。残念なことに、リレーが開くのが遅くなります。これは、前回の記事で述べた誘導性の時定数に関連しています。
\tau = \dfrac{L}{R}
ここで、Lはリレーのコイルのインダクタンス、Rはリレーの内部抵抗です。オリジナルの駆動電圧（この例では24V DC）と比較すると、ダイオードの順方向電圧は実質的に短絡回路です。
学生時代に容量性放電回路を学んだことを思い起こしてください。エネルギーが抵抗を通して消費された初期充電の問題を思い出してください。インダクタもこれと同じです。エネルギーはインダクタの磁界に蓄えられます。電源から切り離されると、インダクタの端子はダイオードで短絡さ れます。すべてのエネルギーはインダクタの内部抵抗で消費され、ごく少量がダイオードで消費さ れます。
実験結果を図3に示します。3つのグラフがあります。
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上のグラフ：オレンジ色の線（CH 1）は、Q2のコレクタで測定されたリレーコイルの印加電圧です。青色の線（CH 2）は、R5シャント抵抗の両端で測定されたリレー電流です。
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中間のグラフ：青色の線（CH 2）は、リレーのノーマリクローズ接点（N.C.）で測定された電圧です。コモン接点はN.C.接点に戻りつつあります。
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下のグラフ：青色の線（CH 2）は、リレーのノーマリオープン（N.O.）接点で測定された電圧です。リレーを開いた状態（コイル電流遮断状態）であることことを思い出してください。コモン接点はN.O.接点に戻りつつあります。
図4： 非アクティブ（リレーが開いた）化時の、コイル電流、ノーマリクローズ接点、およびノーマリオープン接点の波形
図4のデータから、次のことが分かります。
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アーマチュア（コモン接点）の動きは最初の8msで観測され、N.O.接点から離れます。
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8msから9.5msまでの1.5msがフライトタイムです。この「フライトタイム」において、コモン接点はN.O.接点にもN.C.接点にも接続されていません。
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N.C接点との最初の接触は9.5msで起こります。
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N.C接点は、9.5msから14msまでの4.5ms間、バウンドします。
前回の記事で述べたコイル電流の揺らぎはまだ存在しています。フライトタイム中のこの変化は、アーマチュア（可動鉄片）がインダクタの鉄心から離れるにつれてインダクタンスが変化することに起因しています。
前回の記事と比較すると、今回の並列フライバックダイオードを使用したリレーはかなりゆっくりと開くことが分かります。前回のL/Rシステムのリレーは、t0からバウンス終了まで8.8msでアクティブ状態（リレーが閉じる状態）になります。今回は14msでリレーが開きます。
リレーの開く速度の向上
時定数を変えることで、リレーの開く速度を上げることができます。この課題を達成する1つの方法は、フライバックダイオードと直列に抵抗を追加することです。この動作を理解するには、リレー駆動回路をリレーターンオフ回路から独立したものとして考える必要があります。この個別動作には、ハイサイドドライバQ4とフライバックダイオードD1が行うスイッチング動作が含まれます。これらは互いに独立しており、同時に動作しないことに注意してください。Q4によってリレーに電力が供給されているときは、フライバックダイオードは作動しません。同様に、磁界の消滅によりD1が順方向にバイアスされている間は、Q4は導通しません。
リレーのコイルの内部抵抗が約1kΩであることを思い出してください。L/2Rシステムを構築するために、D1と直列に1kΩのマッチング抵抗を追加します。結果を図5に示します。
図5： L/2Rシステムによるリレーの非アクティブ（リレーを開く場合）化時の波形
図5は、N.O.接点が開く5.2msの時点で、リレーが非アクティブの兆候を示しています。これはほぼ2倍の速度上昇です。リレーの閉じる時間と開く時間のL/2Rシステムでの差に見られるこの明らかな不一致について、推測することができます。おそらく、追加された磁性材料と、その結果、インダクタンスが変化しにくいことと関係があるのでしょう。たぶん、負荷の小さい（材料が少ない）閉じたコアは、磁気を帯びた鉄アーマチュアを有する負荷の大きいコイルが磁界を縮小するよりも速く磁界を作ることができるのでしょう。
それはまた別の日に探求するテーマです。
どう思いますか？
その他の注目点としては、バウンス時間がわずかに増加し、フライトタイムがわずかに減少していることです。リレーのコイル電流を遮断すると、Q2のコレクタ電圧が約-20V DCに引き下げられることに注意してください。これは、トランジスタのエミッタとコレクタ間の電圧がおよそ50V DCになります。これは、今回使用した 2N5401 トランジスタの V_{CE} 定格の範囲内です。
フライバックダイオードの経路に直列抵抗を追加することで、このプロセスをさらに進めることができます。図6は、抵抗R4を6.6kΩに変更した場合の結果を示しています。観測可能な最初の変化が起こるまでの時間は2.4msになります。その代償として、Q2の V_{CE} 電圧が大幅に増加します。トランジスタには今、-100VスパイクとDC24V DC電源との差の電圧がかかっています。これは、トランジスタの V_{CE} 設計上の最大電圧に近づいています。再び、接点バウンスに顕著な変化はないものの、フライトタイムがわずかに減少しています。
図6： L/8Rシステムによるリレーの非アクティブ状態の波形
習得した学び
自らを窮地に追い込んでしまったのでしょうか？
エンジニアの英知を結集すると、より速いリレーの非アクティブ（リレーが開く）動作が望ましい目標であることがわかります。動作理論では、コイルのエネルギー消滅により、接点がより速く動くことになります。より速く動く接点は、負荷がかかった状態で接点が開く間に自然に発生するアークをより適切に消すことができるため、リレーの寿命が長くなるはずです。
残念ながら、この間違いなく限られた実験では、その理論を支持することにはなりません。その代わりに、リレーのフライトタイムはL/nR時定数とゆるやかに関連していることを示しています。フライトタイムを2つの接点で定義したことを思い出してください。これはアーマチュアがN.C.またはN.O.接点に接続されていない状態で運動している時間です。
この矛盾した考えは、接点のバウンス時間とそのバウンスの特徴によって裏付けられています。バスケットボールのように、より速く動く接点は、より多くの運動エネルギーを持ち、長時間バウンスを続けることでより高くバウンスするのではないでしょうか？でも、それはないようです。
これは興味深い研究だと思います。この「単純な」リレーをもっと理解するために、次に何をすべきでしょうか？
ご意見、ご感想をお待ちしております。
ご健闘をお祈りします。
APDahlen
追伸：この速度に関する窮地を抜け出す方法は次の記事で説明されています。
MOSFET アクティブ クランプ：リレーの並列フライバック ダイオードに反対する事例
APDahlen Applications Engineer
新しい情報
前回の実験結果は思わしくはありませんでした。接点が高速に開くという従来の常識を裏付けるものではなかったからです。より多くの知識を得るために、もう一度実験を試みることにします。今回は、この写真のような大型の 3相コンタクタを使用します。
コンタクタ本体から双方向ダイオードアセンブリを取り外す必要があることに注意してください。このダイオードは、コンタクタの横の箱の上にあります。また、コンタクタの上部に補助接点モジュールを追加する必要があります。これにより、N.O.およびN.C.接点にアクセスできるようになります。
結果は、次の図に示すように目を見張るものです。双方向ダイオードを取り外し、コンタクタのコイルの両端に 1N4001 を接続した場合、リレーが開くまでに約105msかかります。N.O.接点が開き、N.C.接点が閉じるまでの時間として定義される「フライトタイム」は約10msです。
レスポンスの改善
L/nR方式に従うのではなく、アクティブクランプMOSFETリレードライバに関するフォローアップ記事で紹介したアクティブクランプを使用しています。その結果をここに示します。
この2つのグラフでは、水平方向の時間軸が異なっていることに注目してください。
フライバックダイオードと比較すると、アクティブクランプは18msでコンタクタを開きます。これはほぼ6倍のスピードアップです。フライトタイムは2分の1の約4.5msに短縮されています。
まとめ
予想通りです！
コンタクタが開く時間は、コイルの消磁の速度に大きく依存します。速度が早ければ、負荷がかかっている接点のアーク消去も早くなるはずです。最後に、これらの間違いなく限られた実験で示されたように、メカニカルアセンブリの物理的な問題があります。大型のコンタクタほど影響が大きいようです。
ご健闘をお祈りします。
APDahlen