電子リレースイッチ回路のエキスパートガイド：NPN、PNP、N/Pチャネル設計

電子リレースイッチ回路図とその動作原理

電気・電子デバイスには、機械や装置の外部物理プロセスを制御・操作する「出力デバイス」として分類されるものが多く存在します。これらの出力デバイスは一般的に「アクチュエータ」と呼ばれます。

アクチュエータは電気エネルギーを力、速度などの物理量に変換します。リレーは2つの安定状態を持つバイナリアクチュエータの一種です。本記事では、リレースイッチ回路の詳細、設計、特徴について解説します。

電気リレーとは？

電気的に動作するスイッチで、さまざまな形状、サイズ、電力定格があり、ほぼあらゆる用途に適しています。リレーは単一パッケージ内に単一または複数の接点を持つことができます。大電力リレーは主に商用電圧や大電流の切り替え用途に使用され、「電磁接触器（コンタクタ）」と呼ばれます。リレーの分類を見ていきましょう。

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電気リレーは大きく分けて以下の2つのサブカテゴリに分類されます：

電磁リレー（電気機械式リレー）：

名前の通り、電磁リレーは電磁気学的デバイスです。電気制御信号の印加によって発生する磁束を、リレースイッチ内の電気接点を動作させる機械的な引き込み力に変換します。最もシンプルで一般的な電磁リレーは、透磁率の高い鉄心に巻かれた励磁コイルで構成されます。この励磁コイルは「一次回路」とも呼ばれます。

電磁リレーは一般的な電気・電子制御やスイッチング回路で使用されます。これらはプリント基板に直接実装するか、スタンドアロンタイプとして接続して使用します。スタンドアロン構成では、負荷電流は通常アンペア単位で機能します。

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電磁リレーの構造

リレーは「常時開放（NO）」または「常時閉鎖（NC）」の2つのモードで構成されます。1組の接点は「常時開放（NO）」または「メーク接点」と呼ばれ、もう1組は「常時閉鎖（NC）」または「ブレーク接点」と呼ばれます。

「常時開放」位置では、励磁電流が「ON」のときのみ接点が閉じます。「常時閉鎖」位置では、スイッチ接点が誘導コイルに引き寄せられます。電気リレーの最も重要な部品の1つはコイルです。このコイルは電流を電磁束に変換し、その磁束でリレーの接点を機械的に動作させます。リレーコイルの最大の問題は「高インダクタンス負荷」であることです。リレーコイルは一般的にワイヤーを巻いて作られます。

コイルに電流が流れると、その周囲に自己誘導磁界が発生します。コイルの電流が「OFF」になると、磁束とコイルの衝突により大きな逆起電力電圧が発生します。この誘導逆電圧値はスイッチング電圧と比較して非常に高く、リレーを駆動するトランジスタ、FET、マイコンなどの半導体デバイスを破損させる可能性があります。

注：「常時開放」および「常時閉鎖」または「メーク接点」と「ブレーク接点」という用語は、リレーコイルが「非励磁」状態、つまりリレーコイルに電源電圧が接続されていないときの電気接点の状態を指します。

電気リレーを使用する際の重要なポイントとして、「リレー接点を並列接続してより大きな負荷電流を扱うことは推奨されません」という点が挙げられます。例えば、定格5Aのリレー接点を2つ並列接続して10Aの負荷に供給しようとすることは絶対に避けてください。

リレー接点は、接触時に電流を通す導電部品で構成され、スイッチと同様に設計されています。接点が開くと、接点間の抵抗が非常に高くなり、開放回路状態となって回路電流は流れなくなります。

時間が経つと、電磁リレーの可動部品が摩耗して故障したり、継続的なアーク放電と侵食で使用不能になったりします。また、電気的にノイジーで、接点のチャタリング（バウンス）が発生し、接続されている電気回路に影響を与える可能性があります。この困難を克服するために、ソリッドステートリレー（SSR）が開発されました。

ソリッドステートリレー（SSR）：

ソリッドステートリレーには可動部品がありません。機械的接点がパワートランジスタ、サイリスタ、トライアックなどの半導体デバイスに置き換えられた純粋な電子デバイスです。

可動部品がないため、高い信頼性、長寿命、電磁干渉の低減が実現され、従来の電磁リレーよりも高速かつ正確です。SSRの制御用入力電力要件は一般的に低く、ほとんどのICファミリと互換性があります。

SSRの出力スイッチングデバイスは半導体デバイスであるため、「ON」時の出力端子間電圧降下は電磁リレーよりも大きく、通常1.5〜2.0ボルトです。大電流を長時間スイッチングする場合は、追加のヒートシンクが必要です。

ドライバやアンプを追加せずに使用できますが、出力スイッチング半導体デバイスの過熱を防ぐため、適切なヒートシンクプレートや材料に取り付ける必要があります。リレースイッチング回路の設計とタイプは多岐にわたります。リレーはシンプルなスイッチ回路と同様に、1つ以上の極を切り替えることができます。リレーの各極には、以下の3通りの方法で投げることができる接点があります：

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リレーの投げ方の種類：

• 常時開放接点（NO）：「メーク接点」とも呼ばれます。リレーが作動すると回路が閉じ、非作動時は回路が開きます。
• 常時閉鎖接点（NC）：「ブレーク接点」として知られます。NO接点とは逆の機能です。リレー作動時に回路が開き、非作動時に回路が閉じます。
• 切替接点（CO）/ ダブルスロー（DT）接点：共通端子でNO接点とNC接点を制御します。つまり、2種類の回路を制御できます。タイプによって「ブレーク・ビフォア・メーク」と「メーク・ビフォア・ブレーク」接点と呼ばれます。

重要：

リレーは2つの基本動作向けに設計されています。低電圧用途と高電圧用途です。低電圧用途では回路全体のノイズ低減向けに、高電圧用途ではアーク現象の低減向けに設計されています。

リレーの一般的な切り替え方法：

入出力インターフェースモジュールリレー（I/Oモジュール）は、コンピュータ、マイコン、PICなどのデバイスを負荷やスイッチとインターフェースするために特別に設計されたソリッドステートリレーの一種です。市場には基本的に4種類のI/Oモジュールがあります。

これらは、ACまたはDC入力電圧からTTLまたはCMOSロジックレベル出力、TTLまたはCMOSロジック入力からACまたはDC出力電圧への変換です。各モジュールには、1つのデバイス内で完全なインターフェースと絶縁に必要なすべての回路が含まれています。個別のソリッドステートモジュールとして、または4、8、16チャネルデバイスとして統合された形で市販されています。

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NPNリレースイッチ回路：

典型的なNPNリレースイッチ回路では、コイルがNPNトランジスタスイッチによって駆動されます。トランジスタのベース電圧がゼロのとき、トランジスタはカットオフ領域にあり、開放スイッチとして動作します。この状態ではコレクタ電流が流れず、リレーコイルは非励磁状態になります。

ベースに電流が流れなければ、リレーコイルにも電流は流れません。NPNトランジスタの飽和領域に大きな正の電流をベースに流すと、ベースからエミッタへ電流が流れ始めます。

PNPリレースイッチ回路：

PNPリレースイッチ回路は、異なる極性の動作電圧を必要とします。リレーコイルを制御する能力という点ではNPNリレースイッチング回路と似ています。例えば、PNPタイプではコレクタ・エミッタ間電圧が負でなければ、エミッタからコレクタへ電流を流すことはできません。

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Nチャネルリレースイッチ回路：

MOSFETリレースイッチング動作は、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）スイッチ動作とよく似ています。主な違いは、MOSFETが電圧駆動デバイスであることです。ただし、ゲートはドレイン・ソースチャネルから電気的に絶縁されています。Nチャネルエンハンスメント型MOSFETが最も一般的に使用されるタイプです。ゲート端子に正電圧を印加するとMOSFETが「ON」になり、負電圧を印加すると「OFF」になります。これがMOSFETリレースイッチに最適です。

Pチャネルリレースイッチ回路：

Nチャネルエンハンスメント型MOSFETとは異なり、負のゲート電圧のみで動作します。この構成では、Pチャネルのソース端子が+Vddに、ドレイン端子がリレーコイルを介してグラウンドに接続されます。ゲート端子にHIGH電圧レベルを印加すると、PチャネルMOSFETが「OFF」になります。

適切なリレーを選ぶ際のポイント：

• コイル保護と接点保護が優れていることを確認する
• 規格認証取得済みの標準リレーを選ぶ
• 高速スイッチングリレーを選ぶ
• 接点タイプを賢く選択する
• リレーのコイル回路と接点間に絶縁があることを確認する

リレー回路の動作例：

例えば、リレースイッチを使ってCFL電球を点灯させる必要があるとします。このリレー回路では、プッシュボタンで5Vリレーをトリガーし、それが第2回路を完成させてランプを点灯させます。

回路設計に必要な部品：

• 5Vリレー
• 電球ソケット
• CFL電球
• プッシュON/OFFボタン
• ユニバーサル基板
• 9V電池
• AC電源

リレーデバイスの切り替え用に典型的なON/OFFスイッチを追加します。上記回路では、5Vリレーは9V電池で駆動されます。最初スイッチが開いているとき、コイルには電流が流れません。結果として、リレーのコモン端子は「NO（常時開放）」接点に接続されるため、ランプは「OFF」のままです。

スイッチを閉じると、コイルに電流が流れ始めます。コイルに磁界が発生し、電磁誘導により可動アーマチュアが引き寄せられ、コモン端子がリレーのNC（常時閉鎖）接点に接続されます。結果として、CFLが「ON」になります。

同等ワット数の電磁リレーと比較したソリッドステートリレーの主な欠点は、コストが高いことです。シングルポール・シングルスロー（SPST）タイプのみ利用可能で、「OFF」状態でのリーク電流がスイッチングデバイスを流れ、「ON」状態での電圧降下と電力損失が大きく、追加の放熱要件が発生します。また、一般的なSSRでは非常に小さな負荷電流や、オーディオ・ビデオ信号のような高周波信号をスイッチングできません。ただし、こうした用途向けの特殊なソリッドステートスイッチは入手可能です。

電磁リレーとソリッドステートリレーの両方が日常生活で非常に重要です。デバイスの要件に応じていずれかを選択できます。ソリッドステートリレーは、電磁リレーと比較してかなり高額な初期費用がかかります。

しかし、このソリッドステートリレーの接点動作は、低電力入力信号からの電磁力によって生成されます。これにより、高電力信号を含む回路が完成します。したがって、ソリッドステートリレーは電磁リレーより優れています。電磁リレーは、シンプルな機械的設計アプローチを採用した比較的古い技術です。

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用途：

リレーの用途は幅広いです。最も一般的な用途は以下の通りです：

• リレー回路で論理機能を実現
• 安全性が重要なロジックの提供
• タイムディレイ機能の提供
• 低電流信号で高電流回路を制御

本記事では、リレーの種類、動作原理、用途について説明しました。これでリレーとその機能について十分な知識が得られたはずです。この記事を読めば、不自由なく独自にリレーを設計できるようになります。

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