1. はじめに
リレーの定格は、終わりのない混乱の原因であり、メーカーが誠実でない場合がある場所です
主電源の電圧と電流を切り替えるリレーについて: リレーの機能、動作、故障の原因、定格の表示方法 (または表示すべき方法) について詳しく見ていきましょう。
2. それで、リレーとは一体何なのでしょうか?
リレーはスイッチとして動作する電気機械装置です。
コイルに通電すると磁場が発生し、可動アーマチュアの位置が変化します。アーマチュアは電気スイッチを「閉」位置に操作します。
リレーに電力が供給されていない場合、スプリングの作用でアーマチュアが休止位置に戻り、スイッチが「開」位置*になります。
これを詳しく見ていきましょう。
- 電気機械式とは、電気的なものと機械的なものが含まれていることを意味します。つまり、可動部品があると考えられます
- スイッチとして動作します。つまり、電流を通過させることができるため、電流をソースから負荷に流したり、電流を遮断したりすることができます。
- 磁場などは、物理的にはアーマチュアを動かすための手段です。この詳細は無視して構いません。
- 可動アーマチュアは、単純に 2 つの位置間を移動できる機械部品です。
- アーマチュアの物理的な動きを電気スイッチに連動させて回路を開閉することができます。
- リレーコイルに通電されていない休止位置（「通常」位置）があります。
簡単な方法：リレーは電気的に作動するスイッチです。
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*衒学者コーナー：リレーには、常閉接点型やラッチングリレーなど、他の種類のリレーもあります。これらは主要なテーマのバリエーションであり、ここでは詳しく説明しません
3. リレーの特性
リレーはスイッチとして機能するため、すべてのリレーには少なくとも次の2つの重要な特性があります
- リレーの状態を変化させるためにコイルに必要な電圧、電流など。
[リレーを通常状態または通電されていない状態から変更するには、何を入力する必要がありますか?]
- リレーが負荷を切り替える場合、どのような種類の負荷を何回のスイッチング サイクルで、どのような条件下で切り替えることができますか。
1 点目についてはこれ以上考慮しません。これは設計エンジニア、駆動回路、その他の特殊な問題に関する事項です。
ポイント 2 がこの記事の全体的な理由です。
- 荷物の種類にはどんなものがありますか？
- 異なる負荷タイプはリレー、そのスイッチング動作、およびリレーの寿命にどのような影響を与えますか?
- 最後に、リレー製品の定格ラベルを読んで、そのリレーが耐えられるものを理解するにはどうすればよいでしょうか。
4. 負荷の種類
負荷には、ランプ（そしてその種類は多岐にわたります）、モーター、抵抗ヒーターなど、さまざまな種類があります
これらはそれぞれ異なる特性を持っていますが、すべて次の 3 つの基本的なタイプに分けることができます。
- 抵抗性負荷
- 容量性負荷
- 誘導性負荷
ここで、少し基本的な工学について触れておきましょう。専門用語は「ステップ応答」で、簡単に言うと、負荷をオンにすると何が起こり、オフにすると何が起こるかということです
リレーを一旦脇に置いて、完璧なスイッチを前提として、スイッチのオンとオフの瞬間に何が起こるかを確認するために、各負荷タイプの電圧と電流を確認する必要があります。
もう少し複雑にするために、電源インピーダンスの概念も導入する必要があります。これは、230～240V*の典型的な主電源電圧で実質的に無制限の電流を供給できる大型発電機と主電源配線間の抵抗を表す小さな抵抗に簡略化できます。
このソースインピーダンスは突入電流などを制限するのに役立ちます。
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* もう一つ、衒学者コーナーです。まず、交流と直流、そしてピーク電圧と実効電圧の区別は無視します。ここでのポイントは原理を説明することです。つまり、技術的に100%正確でなくても、原理的には正しいということです。
4.1 抵抗負荷
主電源で駆動される抵抗負荷は、比較的まれです。例：
- 抵抗式温水ヒーター素子；および
- 白熱電球（ただし、興味深いことに、これらの電球は熱くなると抵抗が変わります）。
抵抗負荷は、スイッチやリレーが制御する上で最も安全な負荷です。
抵抗負荷をオンに切り替えると、以下に示すような動作が発生します。ここで、V loadは負荷抵抗に現れる電圧、I load は負荷抵抗の電流です。
あるいは言葉で言うと、スイッチをオンにすると、負荷に電圧が発生し、スイッチをオンにした瞬間から負荷に一定の電流が流れます。
抵抗負荷のオフは非常に簡単です。スイッチが開くと、電圧と電流はともにゼロになります。スイッチオフ後、主電源が電流ゼロクロスに達するまで、リレー接点にアーク放電が発生する可能性があります。
教訓: 抵抗負荷の場合、スイッチオフ時に発生するアーク放電によってリレー接点にストレスがかかると結論付けることができます。
4.2 容量性負荷
容量性（シャント）負荷は、現代の主電源スイッチングにおいて一般的です。例：
- LEDランプドライバ
- 蛍光灯（力率改善コンデンサのため、または電子安定器付き）
- ダウンライト用の電子トランス。
コンデンサには次の特性があります。
- エネルギーを蓄えることができます。
- 変化（交流信号、インパルス、ステップ）が通過しようとする。そして
- 静的 (dc) 状態がブロックされます。
容量性負荷をオンにすると、以下に示すような動作が発生します。ここで、V loadはコンデンサにかかる電圧、I loadは負荷コンデンサの電流です。
もう一度厳密に言うと、負荷にはコンデンサ以上のもの（たとえば、何か有用なことを行うための他の回路）が含まれますが、ここでは主に容量性の負荷を検討しています。
容量性負荷をオフにすると、次のような動作になります。
電圧と電流の形状を導き出す数学は複雑なので、ここで示すことは重要ではありません。
重要な点は次の通りです。
- スイッチオン時：容量性負荷の場合、電圧は指数関数的に上昇し、電流は瞬時に非常に高い値から始まり、その後減少します。これが突入電流です。
- スイッチオフ時：負荷の他の要因により電圧は徐々に低下します。負荷への電流供給は直ちにゼロになります。
教訓: 容量性負荷の場合、スイッチオン時に発生する突入電流によってリレー接点にストレスがかかると結論付けることができます。
4.3 誘導負荷
誘導負荷は通常、コイル、モーターなどです。例：
- 鉄心変圧器およびトロイダル変圧器（ただし、容量性であることが多い電子変圧器は除く）
- モーター、そして
- リレー（一部のコンタクタを含む）
モーターには考慮すべき他の要素もあり、これらには別途特別な考慮が必要です
インダクタには次の特性があります。
- エネルギーを蓄えることができます。
- 変化（交流信号、インパルス、ステップ）は通過しにくい。
- 静的 (dc) 条件が合格しました。
誘導負荷をオンにすると、以下に示すような動作が発生します。ここで、V loadは負荷インダクタに発生する電圧、I loadは負荷インダクタの電流です。
容量性の場合と同様に、負荷には単なるインダクタ以上のもの（たとえば、何か有用なことを行うための他の回路）が含まれますが、ここでは主に誘導性の負荷を検討しています。
誘導負荷をオフにすると、直感に反する効果が生じます。蓄積されたエネルギーはインダクタから逃げ出そうとするため、インダクタ両端に誘導電圧（「逆起電力」）が発生します。その大きさは、インダクタンス、インダクタの損失、その他いくつかの要因によって異なります。
その結果、スイッチ（リレー接点）の両端の電圧は、電源電圧V + 逆起電力電圧となります。この合計値は、電圧源からの電圧Vよりも大幅に高くなることがよくあります。例えば、主電源電圧が240Vの場合、スイッチの両端に短時間400V以上の電圧がかかることは珍しくありません。
スイッチオフ時、つまり接点が開く際にスイッチ（リレー接点）にかかる高電圧によりアークが発生する可能性があります。アーク内のイオン化された空気は低抵抗の経路を形成し、アークを維持します。そのため、電流は（アークを通して）負荷に流れ続けます。
DCシステムでは、リレーからの逆起電力はダイオード（通常は逆バイアスだが、スイッチが開くと導通する）を使用することで制御できます。これにより一時的な短絡が生じ、エネルギーを放散することができます。
供給電圧が商用電源などの交流電源の場合、商用電源の電圧波形と電流波形は正弦波となります。ダイオードは使用できず、代わりにアークを流れる電流が電流波形のゼロクロスに達した時点でアークが消弧されます。
リレー接点上のアークは接点を劣化させ、通常は孔食を引き起こします。時間の経過とともに、接点のオン抵抗が上昇したり、最終的には溶着したり、過度に破壊されたりする可能性があります。
容量性負荷と同様に、電圧と電流の形状を導き出すための計算は複雑なので、ここで示すことは重要ではありません。
重要なポイントは次のとおりです。
- スイッチオン時：誘導負荷の場合、電圧は瞬時に印加され、電流はゆっくりと上昇します。誘導負荷では突入電流の心配はありません。
- スイッチ OFF 時: 逆起電力によりスイッチ全体に電圧が発生し、スイッチが損傷する可能性があります。また、リレーの場合は、AC ゼロ交差でアークが消滅するまでアークが発生します。
教訓: 誘導負荷の場合、スイッチオフ時に発生するアーク放電によってリレー接点にストレスがかかると結論付けることができます。
モーター負荷の特殊なケース
モーターは誘導性が非常に高いため、前述のように、スイッチオフ操作によってリレー接点が損傷する可能性があります。
モーターにも考慮すべき別のケースがあります。始動時の消費電流は動作電流よりも大きくなります。つまり、モーターには突入電流があり、モーターが通常の速度で回転するまで長時間続く可能性があります。コンプライアンス試験に用いられるほとんどの規格では、「ローターロック」電流として、通常の動作電流の2倍から6倍の電流が用いられています。容量性負荷と比較すると、この値は一般的に控えめです。
始動電流が高くなると接点が加熱されますが、この影響は通常、接点の劣化につながる可能性がある小型リレーにのみ関係します。
教訓: モーター負荷の場合、リレー接点は主にスイッチオフ時に発生するアーク放電によってストレスを受けると結論付けることができます。
5. リレーは完璧なスイッチではない
5.1 接触による損傷が発生した場合
リレー接点は、接点が開いたときに発生するアークによって損傷します。
明確で単純なケースがあります。それは、リレーがオフになっている場合、つまり接点が開いている場合です。
あまり明確ではないケースとして、リレー接点が閉じる場合が挙げられます。閉じる際、接点はバウンスを起こす傾向があります。バウンス時にはアークも発生します。これが、閉じる際にバウンスによって接点が損傷する原因となります。これが、高い突入電流がリレーの劣化につながる理由です。
結論: リレー接点は、電源オン時のバウンス時と電源オフ時の両方でアーク放電により損傷します。
5.2 接点材料
リレーメーカーは、製品の性能、抵抗、アーク耐性を管理するために、さまざまな接点材料（銀、酸化銀スズ、その他の特殊な種類など）を使用しています
製造業者は接点材料の厚さやその他の特性を調整できますが、その方法は一般に企業秘密です。
性能を判断する唯一の方法は、製品のデータシートを読むことです。 記載されていないパラメータは、おそらく何らかの理由があって記載されていないものと思われます。
6. リレー定格
リレーの定格は、回路のスイッチングが交流か直流か、また交流負荷の場合は負荷の種類、電圧、電流を考慮する必要があります
AC 定格と DC 定格を別々にするのは簡単です。
- 直流を切り替えて接点を開くときにアークを止める方法がないため、定格ではそもそもアークが生成されないことを保証する必要があります。
- 交流電源を投入し、接点を開くと、電流がゼロクロスするため、遅かれ早かれアークは消弧するため、より高い電流定格が可能になります。この定格は、接点の寿命にも一部基づいています。
主電源 AC スイッチング アプリケーションの場合、DC 定格のすべての側面を無視できます。
次のセクションでは、適切に指定されたリレー製品の定格に何を記載すべきかについて説明します。
以下に示す情報が提供されない場合、リレーは意図された用途に適していないか、またはわずかな回数のスイッチング操作で故障する可能性があります。
6.1 交流負荷スイッチング電流
リレーには、AC 電流定格と、それが適用される負荷タイプが明記されている必要があります。
電流定格の完全な仕様は、以下の電流定格をカバーする必要があります。
- 抵抗性負荷
- 変圧器などの誘導性（非モーター）負荷
- LEDや蛍光灯などの容量性負荷
- モーター負荷
ACリレーの定格は通常、電圧と電流で示されます。例：
240V、10A
100～240V、10AX
240V 10A 容量性
定格に「X」が付いている場合、これは容量性が高い蛍光灯のスイッチングに適用される規則です。「AX」定格のリレーは、通常、容量性負荷に対して堅牢であることを示しています
6.2 モーター負荷
上で示したように、モーターは誘導性が高いだけでなく、始動電流も高くなります
抵抗負荷と比較すると、リレーのモーターの電流定格は非常に低く、通常は抵抗定格の 1/6 ～ 1/5 程度になります。
リレーをモーター負荷に使用できる場合は、データシートまたは定格に、電流制限とともにその旨が記載されている必要があります。
6.3 突入電流
適切に仕様化されたリレーには、耐えられる突入電流が記載されています。これは容量性負荷のスイッチオンに適用されます
突入電流定格を適切に指定するには、電流と時間の両方を明記する必要があります。
比較対象として、電流値が高いほど良いです。時間は重要ですが、突入電流値ほど重要ではありません。
突入定格が明記されていないリレーは、容量性負荷を切り替えるときに寿命が短くなる可能性があります。
6.4 スイッチングサイクル数
リレーが故障する原因は、通常、接点の損傷です。接点は電流を流す必要があります。接点に最も大きなストレスがかかるのは以下の場合です。
- スイッチオン時：容量性負荷およびモータ負荷の場合
- スイッチオフ時：誘導負荷およびモータ負荷の場合
適切に指定されたリレーには、達成可能なスイッチング サイクルの数が記載されています。
リレーによっては、負荷の種類に応じて異なるスイッチング サイクル数を示す場合があります。次に例を示します。
- 10A抵抗で10万サイクル
- 20,000サイクル モーター負荷2A
- 50,000サイクル 10A容量
負荷タイプのスイッチングサイクル数が指定されていない場合、リレーはその負荷タイプには適していません。