TVSダイオードでリレーのフライバック電圧を制御する

日本語フォーラム 電子部品技術の深層
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APDahlen Applications Engineer

過渡電圧サプレッサ（TVS）ダイオードは、電気エネルギーのサージを吸収するように設計された2端子半導体デバイスです。静電気放電（ESD）の入力回路保護からリレーの誘導キック（フライバック電圧）の「キャッチ」まで、幅広い用途があります。TVS半導体は、所定の電圧でクランプするユニークなデバイスです。この記事で取り上げた例では、48V DCでクランプします。このクランプ作用が、繊細な下流の電子機器を保護します。双方向TVSダイオードは、背中合わせに接続された2つのツェナーダイオードとして表すことができます。対照的に、一方向性TVSダイオードは、従来のダイオードと直列に接続されたツェナーダイオードとして表わされます。

この技術概要では、特に図2に示す一体型TVSダイオードモジュールLAD4TBDLに重点を置いて、図1に示す三相コンタクタSchneiderのLCD09BDについて説明します。ターンオフの過渡電圧を確認し、このタイプのコンタクタをトランジスタで直接駆動するのが難しい理由を調べます。これらのコンセプトは、Schneiderの大型コンタクタを3.3V DCのArduinoマイクロコントローラで駆動する次回の記事でさらに掘り下げます。

TVSダイオードに関連する高電圧に対応するため、中継リレーを使用することを提案しているこの関連記事を読むことをお勧めします。その記事では、コンタクタが、コイルの片側がアースに接続したソース構成で使用されることを前提としていることに注意してください。現在お読みいただいている記事では、コイルの片側がプラス電源を経由するシンク構成を想定しています。

このシンク構成は、Arduinoコミュニティのメンバーであれば、グランド基準（エミッタ接地構成）のNPNトランジスタを使ってリレーを作動させたことがあるはずなので、すぐにわかるでしょう。シンクとソースという用語については、こちらの記事をご覧ください。

Figure 1: Picture of the Schneider Electric LC1D09BD relay. The integral LAD4TBDL TVS diode is visible as the white assembly on the lower right-hand side of the contactor.
Figure 1: Picture of the Schneider Electric LC1D09BD relay. The integral LAD4TBDL TVS diode is visible as the white assembly on the lower right-hand side of the contactor.975×730 72.7 KB

図1： Schneider ElectricのリレーLC1D09BDの写真。内蔵のLAD4TBDL TVSダイオードは、コンタクタの右下にある白いアセンブリとして見えます。

Figure 2: Close up image of the Schneider Electric LAD4TBDL “Bidirectional Diode.” The schematic symbol for the TVS diode can be seen in the center of the clip-in module.
Figure 2: Close up image of the Schneider Electric LAD4TBDL “Bidirectional Diode.” The schematic symbol for the TVS diode can be seen in the center of the clip-in module.975×730 39.5 KB

図2： Schneider Electricの「双方向ダイオード」LAD4TBDL の拡大写真。クリップインモジュールの中央にTVSダイオードの回路図記号が見えます。

リレーのフライバック回路に通常のダイオードの代わりにTVSダイオードを使用する理由は？

特に従来のダイオードと比較した場合、リレーが開く速度が速いことが、TVSダイオードを使用する主な理由です。この言葉を理解するために、回路理論の授業を振り返ってみましょう。インダクタの運動エネルギーは磁場と切り離せないことを思い出してください。この蓄積されたエネルギーは次の式で定義されます。

Energy_{Inductor} = 0.5 LI^2

このエネルギーは、コイル抵抗での散逸と従来のダイオードを通るわずかな量のエネルギーとして除去されます。TVSの場合、コイルのエネルギーは、コイル抵抗での散逸とTVSダイオードでの相当量の散逸があります。この速度はTVSダイオードのクランプ電圧の関数で、定格電圧が高ければ高いほど、コイルのエネルギーは早く散逸されます。その結果、リレーまたはコンタクタが素早く開きます。

技術的なヒント： 多くのスイッチがスナップアクションであることにお気づきでしょうか。この高速スプリング動作は、アーク抑制に不可欠です。誘導負荷は過渡フライバック電圧を伴うことを思い出してください。原則として、高速に開くスイッチはこの過渡アークが持続アークを形成するのを防ぎます。リレー、コンタクタ、および回路ブレーカについても同様です。高速に開く機構は、火災や爆発の防止に不可欠な要素です。

従来型ダイオードとTVSダイオードの比較例

TVSダイオードの利点は、図3と図4を検討すれば容易に理解できます。ここで、内蔵TVSダイオードを使用したコンタクタのターンオフ時間を見てみましょう（図3）。同じコンタクタで従来型ダイオードを使用した場合のターンオフ時間も見てみましょう（図4）。結果は驚くべきもので、TVSダイオードはインダクタのエネルギーを散逸するのに約30msかかりますが、従来型ダイオードでは250ms以上かかります。TVSダイオードにエネルギーを散逸させることは、応答性の良いリレー/接点開動作に有利であることは明らかです。

より高い定格電圧を持つTVSダイオードを使用することで、速度を向上させることができます。これはアプリケーションによっては良いアイデアかもしれませんが、特にリレー/コンタクタをオン/オフするために使用される半導体の V_{DS} または V_{CE} 定格を考慮すると課題があります。

技術的なヒント： TVSダイオードの利点をより理解するために、リレーのコイルの誘導特性を考えてみましょう。インダクタが電流の変化に抵抗することを思い出してください。ターンオフのような過渡時においても、電流を一定に保つために必要な電圧を発生させます。その結果、コイルはフライバックダイオードによって定義された電圧でクランプされます。これらの事実を知れば、TVSダイオードをP = IE方程式で定義される電力散逸素子と見なすことができます。

Figure 3: The TVS diode clamps at approximately 48 VDC relative to the 24 VDC rail. The total turn off time is approximately 30 ms.
Figure 3: The TVS diode clamps at approximately 48 VDC relative to the 24 VDC rail. The total turn off time is approximately 30 ms.975×378 66.5 KB

図3： TVSダイオードは24V DCレールに対して約48V DCでクランプします。トータルのターンオフ時間は約30msです。

Figure 4: The conventional diode clamps at approximately 0.6 VDC relative to the 24 VDC rail. The total turn off time is approximated as a sluggish 250 ms.
Figure 4: The conventional diode clamps at approximately 0.6 VDC relative to the 24 VDC rail. The total turn off time is approximated as a sluggish 250 ms.975×378 63.5 KB

図4： 従来型ダイオードは、24V DCレールに対して約0.6V DCでクランプします。トータルのターンオフ時間は250msと遅くなります。

技術的なヒント： 図3と図4の波形は、Digilent Analog Discovery 3 Proバンドルを使って作成しました。これには、Discovery、アダプタボード、およびオシロスコーププローブが含まれます。10倍プローブにより、Discoveryは最大250ボルトまで測定できます。

コンタクタの半導体制御の次のステップ

TVSダイオードを使った設計をしようとするとき、微妙で見過ごされがちな問題があります。対応するMOSFETまたはバイポーラ接合トランジスタ（BJT）が、高いクランプ電圧に対応するために必要な V_{DS} または V_{CE} を備える必要があることを忘れています。例えば、NPNトランジスタをエミッタ接地構成で使用する場合、少なくとも100V DCの V_{CE} 定格を持たなければなりません。これは、図3に示すように、48 + 24V DC電圧（ピーク72ボルト）に対応し、さらに安全性のオーバーヘッドを提供します。

これは、特に温度上昇によるディレーティング係数を考慮すると、もはや簡単なアプリケーションではありません。NPNトランジスタアプリケーションの場合、ベン図にはTIP41が含まれる可能性があります。IRL510BFのようなMOSFETでも同様の仕様を見つけることができます。

近い将来、3.3V DCのArduinoマイクロコントローラでここで取り上げているSchneiderのコンタクタを制御する方法を検討しますので、ご期待ください。TIP41（BJT）やIRF510（MOSFET）を選ぶほど単純ではないことがわかるでしょう。3.3V DCロジック信号による直接制御は、BJTおよびMOSFETの限界ギリギリまたは範囲外になります。中継リレーか、多段トランジスタ構成に頼るかもしれません。

Figure 5: Potential components for a future article to control the Schneider contactor with a 3.3 VDC Arduino microcontroller.
Figure 5: Potential components for a future article to control the Schneider contactor with a 3.3 VDC Arduino microcontroller.975×730 68.1 KB

図5： 今後テーマとして取り上げる予定の、Arduinoの3.3V DCマイクロコントローラを使ってSchneiderのコンタクタを制御するための考えられるコンポーネント

まとめ

TVSダイオードは、リレーまたはコンタクタのターンオフに関連する誘導キック（フライバック電圧）を処理するための簡単な方法を提供します。TVSダイオードは、インダクタに蓄積されたエネルギーを素早く散逸させるため好まれます。このターンオフ速度の利点は、クランプ電圧が高くなるという代償を伴います。そのためには、より高い電圧に確実に耐えることができる中継リレーや半導体ドライバが必要となります。

私の半導体選択は保守的すぎると思いますか？注目のTVSダイオードモジュールを内蔵したSchneiderのコンタクタのどの部品を選びますか？ご質問、ご意見、ご感想がございましたら、下記の欄にご記入ください。TVSダイオードを含むアプリケーションは特に歓迎します。

ご健闘をお祈りします。

APDahlen

著者について

Aaron Dahlen 氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、12年間（一部、軍での経験を織り交ぜて）教鞭をとったことによってさらに強化されました。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、エレクトロニクスやオートメーションに関するリサーチや教育記事の執筆を楽しんでいます。

注目すべき経験

Dahlen氏は軍事工学の経験を生かし、過酷な環境に適した堅牢で信頼性の高いエレクトロニクスソリューションに関する独自の見識を示しています。彼の記事には、米国沿岸警備隊時代に得た実践的で役立つ知識がしばしば反映されています。Dahlen氏の関連コンテンツについては、これらのインデックスページをご覧ください。

LinkedInでAaron Dahlenとつながります。

問題

  1. TVSダイオードの回路図記号をスケッチしてください。

  2. TVSダイオードはリレーが開く速度をどのように速くしますか？TVSダイオードは閉じる速度に影響しますか？

  3. 図3と図4にはどのような情報が示されていますか？

  4. 従来型ダイオード、ツェナーダイオード、および双方向 TVSダイオードの電圧/電流特性をスケッチしてください。

  5. TVSダイオードについて調べ、少なくとも3つの別の名称を挙げてください。

  6. リレーコイルの誘導キックの時間領域表現をスケッチしてください。リレーにはフライバック電圧を「キャッチ」するクランプがないと仮定します。.

  7. シンク構成でのリレーコイルとソース構成でのリレーコイルをスケッチしてください。

  8. DigiKeyのパラメトリック検索ツールを使用して、クランプ電圧が約50V DCの双方向TVSダイオードを探してください。

  9. リレーコイルの動的な電流/電圧特性を説明してください。 ヒント： オンとオフの間の遷移に注目してください。

  10. なぜTVSダイオードは駆動半導体のV V_{DS} や V_{CE} の要件を複雑にするのですか？

批判的思考を使う問題

  1. リレーの保持段階で消費されるエネルギーを削減するために、パルス幅変調を使用することができます。TVSダイオードはこの用途に適していますか？ヒント： PWMオフフェーズでエネルギーはどこに行くのでしょうか？

  2. SchneiderのコンタクタのTVSダイオードを一方向 TVSダイオードに交換したとします。潜在的な問題を特定してください。ヒント： 産業用リレーのA1とA2コイル指定の意味は何ですか？

  3. 著者は、グランドに対して70V DCでクランプするTVSダイオードを備えたシステムにおいて、ドライブ半導体に100V DCの妥当な安全マージンを提供することを示唆しています。これは適切な仮定でしょうか？

  4. この記述を支持または反駁してください。リレーコイル駆動トランジスタはオンオフスイッチとして動作し、TVSダイオードは線形素子として動作します。

  5. この記述を支持または反駁してください。TVSダイオードの代わりに、中程度の値の抵抗と従来型ダイオードを使用することができます。ヒント： 設計上の制約を必ず確認してください。

  6. スイッチ、リレー、またはサーキットブレーカのアークを消す方法を少なくとも3つ説明してください。各方法について、接点を素早く開くことの重要性について説明してください。この素早い動きは、リレーやTVSダイオードとどのような関係があるのでしょうか？




オリジナル・ソース（English）