リレーの専門用語

Question

＜目的＞
６Ｖ・５Ａの回路のＯＮ／ＯＦＦ切り替えを１kHzで行う

＜質問＞
５Ｖ・４０mＡ以下の電源が用意できるので、これをＰＣでＯＮ/ＯＦＦ
する事で、６Ｖ・５Ａの回路のＯＮ／ＯＦＦをしたいと思い、
適切なリレーを探しています。

いろいろなカタログを見ると専門用語が多くあり、ネットで調べても
分からなかったのが以下８単語です。

専門用語の意味や、どんなリレーをどんな基準で選ぶべきなのか、
アドバイスを頂けますと幸いです。

＜分からない専門用語＞
１．ライン電圧
２．負荷電流
３．制御電圧
４．制御電流
５．サージ電流１サイクル
６．絶縁抵抗
７．最大容量　出力/入力
８．漏れ電流

myeyesonly · Answer

こんにちは。
まず、リレーには、昔ながらのコイルとスイッチを組み合わせたメカニカルリレーと、トランジスタやＦＥＴなどでスイッチの代わりをして電子回路で制御する、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）があります。

それを念頭に置いて、
１、接点にかかる電圧です。
２、接点を流れる電流です。
３、コイルにかかる電圧です。
　　ＳＳＲでは、制御信号の電圧です。
４、コイルに流れる電流です。
　　ＳＳＲでは、制御回路に必要な電流ですが、かなり少なくなります。
５、電球やモータのようにスイッチがオンになった瞬間、大電流が流れる
　　負荷があります。
　　その場合の瞬間のピークの電流です。
６、８、スイッチがオフの時の抵抗です。
　　メカニカルリレーではまず問題になりませんが、ＳＳＲでは半導体素
　　子を使ってる関係で、電圧と電流が抵抗のように比例しない為、漏れ
　　電流と言って、オフの時に流れてしまう電流で表します。
７、容量は一般に電流を言います。
　　それぞれ、２、４が該当します。

myeyesonly · Answer

あ、容量の意味を取り違えました。
電流容量だと思っちゃいました。m(__)m
それは静電容量の事で、高周波関係を使う時に問題になります。
具体的には、すごいスピードでスイッチを切ったり入れたりするような場合で、メカニカルリレーでは不可能なのでＳＳＲの話になります。
メカニカルリレーのコイルに当たる電流、つまりスイッチを入れたり切ったりする制御信号を入れる端子の静電容量で、これによって、使えるスピードの上限が決まります。

myeyesonly · Answer

お呼びですか。
１ＫＨｚとの事ですが、メカニカルリレーだと、スイッチの接点の開閉時間が０．００１秒という事になります。
接点をの金属片がこの時間で動かな行きゃいけないですので、まず無理でしょうね。

この位の周波数はオーディオと言われる範囲です。
いわゆる「低周波」になります。
なので、１０ｐＦという容量が問題になるような領域ではありませんので、１０ｐＦの入力容量は全くと言っていい程影響しません。

大抵のＳＳＲは十分な性能を持つと思います。

myeyesonly · Answer

こんにちは。
面白い事を発見しました。
「ＭｏｓＦｅｔ 」と書かれると一体何の事か判らないですね。(笑)
「ＭＯＳ－ＦＥＴ」と書きます。
「メタル・オキサイド・セミコンダクター　－　フィールド・エフェクト・トランジスタ」の略なので、全部大文字です。

さて、ＳＳＲの種類ですが、先に述べたように漏れ電流というのが必ずあります。
メカニカルリレーは接点が開けば電気は流れないので、この電流は非常に微々たる物で問題になる事はまずないのですが、トランジスタの場合はかなり問題が出てきます。
例えば遮断したい電流が１ｍＡなのに、漏れ電流が５ｍＡあったらもうお話になりません。
＃この位の数字のものは電力用ではよくあります。

従って、ＳＳＲ使用時のポイントは、回路の遮断時に許容される漏れ電流になります。
ＭＯＳ－ＦＥＴはこの値が非常に低く、今述べたように１ｍＡが許容されないような場合は殆どＭＯＳ－ＦＥＴが使われます。

完全に遮断してしまいたいスイッチのような場合は、ＭＯＳ－ＦＥＴ以外の選択肢は失敗の元です。
逆に、１ｍＡ程度漏れてもそれでは回路が動作しないので、全然問題ない場合は、周波数特性の良いＳＳＲの方がスイッチオンにかかる時間が短い場合があり、その場合は素子の発熱が減ったりするメリットがあります。

まあ、おっしゃる環境では、許容漏れ電流でどちらを決めても問題になる事はまずないと思われます。

tance · Answer

ON/OFFに関する情報は今までの回答のとおりですが、5Aを1kHzでON/OFF
するということは負荷によっては相当大変ですよ。

配線なども含めてインダクタンス分はないでしょうか。ある場合は
msecオーダーの短い時間で必要な電流までビルドアップするかどうか、
とか
OFFのときの逆起電力は大丈夫か、
とか
短い時間でOFF電流は０にまで収まるか、
などの検討が必要です。

同様に負荷に容量成分がどのくらいあるのかも検討してください。

myeyesonly · Answer

またお邪魔します。m(__)m
私じゃないけど、すごい補足が入ってますね。

インダクタンスというのは、コイルがある場合に検討しないといけない物です。

コイルに電流を流すと、すぐには電流全開にはならないで、徐々に電流が上がっていく、という性質があります。
この程度をいいます。

逆に流れている電流をいきなり切ると、逆起電力という反対方向の電圧が起きます。

メカニカルリレーでも、これによって起こる、インダクティブキックという高電圧で火花放電を起こしてしまう事もあり、半導体のＳＳＲを使った場合は、制御素子が破損してショートしますので、こういう負荷が繋がっている場合は、ダイオードを逆向方向にして負荷と並列に入れる事で、この逆電圧を吸収したり、負荷と直列に入れて制御素子を守ったりします。

モーターの制御は、モロにこのコイルの制御になりますので、こういう危険な使い方をしなければなりません。
ＤＣとの事ですので、今述べた二つの保護ダイオードは必須でしょう。
普通は電源整流用の物を使います。
６Ｖの回路でも、こういう物は１００～２００Ｖの耐圧の物を使います。
制御素子その物の逆耐電圧規格でカバーするのは、非常に危険で、電流が切れるスピードが速いほど高いキック電圧が発生するので、逆並列ダイオオードなどで吸収してしまわないと、大抵の素子は破損します。

ただ、ここまでのやり取りで見る限り、モーター制御には基本的な知識が不足してる感じを受けます。
ここまで書いた事が理解できない場合、もう少し勉強してからじゃないと危ないと思いますよ。

モータを１ＫＨｚでオンーオフなんてする訳ないので、パルスモータでしょうか。
＃それゆえ、まさかモーター制御とは思いませんでした。

その場合は、制御基盤なりボックスなりがあると思うけど・・・？

tance · Answer

＃５です。私もまさかモータ負荷とは思いませんでした。
DCモータを1kHzでON/OFFするということはPWMドライブなのでしょうか。

そうだとするとオーディオの世界で最近流行のD級アンプがヒントに
なるかもしれません。

モータ自体はインダクティブでもあり、どうかするとスパークキラー
の容量がついていたり、また発電機でもありますから、相当いろいろな
ことを考慮しないと危険です。

もしPWM制御をするのであれば、モータ自体をパルスで駆動するのでは
なく、ドライバとモータの間にパッシブなLCフィルタを入れることで
モータ自体にはパルスが加わらないようにすることをお勧めします。

ここでも難しい用語のオンパレードかもしれませんが、やはりここに
書いてあることが理解できるようになってから取り組むテーマでは
ないかと思います。

myeyesonly · Answer

お呼びでしょうか。

理屈だけ言えばその回路で合ってますけど、この回路はすごい暴れ馬になります。
つまりちゃんと動作させるのが非常に難しいです。
理由はフライホイールダイオードにスイッチが入ってる事です。
このスイッチのタイミングはモーターの電流が立ち下がる時には、完全にオンになっていないと、キック電圧を吸収できず、フライホイールがないのと同じになってしまいます。
しかし、ＳＳＲには、ターンオン時間という、制御信号が入ってから完全にオンになるまで遅れてしまう時間が存在します。
非常に短い時間ですが、キック電圧の発生する時間も非常に短いので、このタイミングを取るのが至難の業になります。
結論から言えば、ダイオードに入ってるスイッチとモータの切り替えスイッチを同じタイミングで動作すると、どっかの主制御ＳＳＲが壊れる可能性が非常に大きい、という事になります。
どうしても双方向（逆転可）制御にするなら、フライホイールにダイオードを使わないで、抵抗とコンデンサーでサージアブソーバーにして繋ぎっぱなしにしてパルス電圧を吸収する方がいいでしょう。
モーターには直列に順方向になるように保護用ダイオードを入れるしかないのではないかと思います。

むしろ安定動作を望むのなら、No7 さんの方法を勉強して使われる事をお勧めします。

tance · Answer

再度 ＃５です。
事態を難しくしている一番の原因が1kHzでのスイッチングです。
普通はモータをこんなに高速にスイッチングすることはないのですが
1kHzという理由は何なのでしょうか。

この目的によっては高速なスイッチングをしなくても済む方法が
あるかもしれません。

どうしても1kHzならご提案の回路を少々工夫すれば今よりは安全に
動作させることができると思います。

まず、ダイオードとスイッチ５，６を外してください。
モータが発生する逆起電力はSSRを壊すから嫌がられるのですから
モータで発生しないようにする、と考えるより、SSRを壊さないように
接続すれば、動作は大幅に安定します。

具体的にはフライホイールダイオードはSSR1,2,3,4に個別に接続する
のです。各SSRと並列に、通常の電流が流れない向きにダイオードを
接続します。図示せず済みませんが、４つのダイオードは全て
アノードが下でカソードが上、という向きで、各SSRスイッチに並列に
入ります。

こうすると、モータの両端には電源電圧＋ダイオード順電圧×2以上の
電圧は発生しなくなり、安全にSSRを使うことができます。

ただし！！
フライホイールダイオードはモータ電流の切れを悪くしますので
1kHzでON/OFFできるかどうかは要注意です。

高速性が失われないようにするには各フライホイールと直列に抵抗を
入れます。これによりSSRに加わる電圧は大きくなりますが、耐圧
オーバーしない範囲で高速性と両立する値を選べればOKです。

tance · Answer

PWMの最適周波数は様々な条件によって決まります。一般的にどのくらい
が良いとはなかなか言えないはずです。たとえば、静粛性が求められる
場合は人間の耳に聞こえないほど高周波にする必要があるかもしれません。
某私鉄などではドレミファ電車などと呼ばれて、PWMのスイッチングによる
外部への雑音が音階としておもしろがられていますが、1kHzあたりは耳
には敏感な周波数です。

回路の簡単化のためには周波数は低い方が良いと思います。回転むら
などの仕様がうるさければあまり低い周波数ではまずいですが、いずれに
しても最適周波数を決めるのは結構大変です。

さて、回路はそれでOKです。ダイオードと直列の抵抗は工夫すると
本数が減らせるかもしれません。

PWMにも、周波数一定でデューティ比だけを変える方式と、周波数も
可変する方式があります。１０段階で良いなら単位パルス幅を1msec
一定とし、10：0、9：1、8：2、・・・・1：9、0：10 というステップ
で駆動するのはどうでしょうか。これだと周波数は100Hzですが、
とにかく1msecのパルスが伝われば動くことになります。
（他の条件を知らずに勝手なことを言ってもいけませんが・・・）

フライホイールダイオードで電流の切れが悪くなるのはインダクタンスの
根本的性質です。インダクタンスは流れている電流を変化させまいと
する性質があります。5Aを一気に0Aにしようとしても、逆らって
高圧を発生させて電流を維持しようとします。（ちょっと文学的
表現ですが、実際の動作はこうなります）

そして、ダイオードのように電流を継続させられる通路があれば、電流
は流れ続け、コイルなどの内部損失により緩やかに電流が減っていきます。

定圧＝低速、　　高圧＝高速　という関係はまぬがれません。
モータや配線のインダクタンスLが判れば、
時定数τ=L/R　（Rは電流路の抵抗、ダイオードがあれば内部抵抗）
逆起電力 V=Ldi/dt （di/dtは電流の変化率です。5A/0.3msecなど）
SSRが壊れない範囲で逆起電力を発生させるRを選ぶことで時定数を
短くすることができます。

これはパルスモータドライバなどでは常套手段となっています。

あと、心配なのはモータが発電するこということです。これは考慮
されているでしょうか。もしくはブレーキはどうしますか？

リレーの専門用語

こんにちは。

この回答への補足

あ、容量の意味を取り違えました。

この回答への補足

お呼びですか。

この回答への補足

こんにちは。

ON/OFFに関する情報は今までの回答のとおりですが、5Aを1kHzでON/OFF

この回答への補足

またお邪魔します。

この回答への補足

＃５です。

お呼びでしょうか。

この回答への補足

再度 ＃５です。

この回答への補足

PWMの最適周波数は様々な条件によって決まります。

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再度＃５です。