信頼性の高い信号スイッチングのための電気機械式リレーの選び方と適用方法
著者 Bill Schweber 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2024-08-20
マルツ掲載日：2024-12-16
電気通信機器やネットワーク機器、自動テスト装置(ATE)、セキュリティ機器などのアプリケーションでは、単一または複数の低～中レベルのDC、AC(アナログ)、高周波(RF)信号を確実に切り替え、ルーティングする必要性がますます高まっています。電気機械式リレー(EMR)は、このタスクを処理するのに適しています。
EMRは、入出力絶縁とともに卓越したオン/オフ性能を提供し、複数の極構成で利用可能なため、設計者に柔軟性と汎用性をもたらします。さらに、同一デバイスにおいて1つのリレーで異なる信号タイプ(AC、DC、低周波、RF)に対応できることも、その価値を高める要因となっています。
EMRには可動部品や物理的な接点があるにもかかわらず、アプリケーションの長い歴史によって完全に特徴付けられています。そのため、長年にわたって安定したサービスを提供できる、信頼される「問題解決者」となっています。EMRは本質的に堅牢なデバイスですが、設計者は適切なリレー(コイル定格と接点定格の両方)を選択し、それを適切に使用することで、最大限の寿命を確保しなければなりません。
この記事では、信号リレーの種類と用途について簡単に説明します。その後、Omron Electronic Componentsの例を用いて、EMRの選び方と適用方法について説明します。
リレーの種類と区別
EMRとは、アプリケーション固有の多くのサブタイプを持つコンポーネントを指します。たとえば、パワーリレーの接点定格は2A以上ですが、信号リレーはそれ以下の接点電流用に設計されています。
信号リレーは、非RF信号とRF信号の2つのグループに分けられます。すべてのリレーは基本的な導通パラメータと電流および電圧の最大値によって特徴付けられますが、RFリレーにはさらなる性能指標があります。これには次のようなものが含まれます。
・絶縁
高周波信号は、接点が離れていても、接点間の浮遊容量を通して漏れます。絶縁はデシベル(dB)で測定されます。
・挿入損失
高周波では、インピーダンスのミスマッチによる反射だけでなく、自己誘導、抵抗、誘電損失によって信号障害が発生します。挿入損失もdBで測定されます。
・電圧定在波比(VSWR)
入力信号波と反射信号の建設的干渉および破壊的干渉によるものです。この測定値は単位なしの数値で、波形の最大値と最小値の比を示します。
部品表の簡素化
リレー構成は、接点数または極数(P)と、通常の(無電源を意味する)開閉接点状況によって定義されます(図1)。これらは、ノーマリオープン(NO)またはノーマリクローズ(NC)となります。単極(SP)と二極(DP)の構成が最も一般的ですが、接点極数の多いユニットもあります。投(T)は、アクチュエータの極端な位置です。
図1：いくつかのタイプのEMRの接点配置と業界標準の呼称を示します。フォーム2Cリレーの破線は、リレーコイルが電流を受けると両方の接点を同時に動かす非導電性リンクが両方のアーマチュアにあることを示しています。(画像提供：Sealevel Systems, Inc.)
多極およびNO/NC投をサポートするEMRの能力は、回路を簡素化し、基板スペースを節約し、部品表(BOM)を削減し、コストを下げられることを明確に示しています。なぜなら、1つのリレーで、極と投の構成によって、複数の回路経路をオールオン、オールオフ、またはそれぞれの組み合わせに切り替えることができるからです。また、同じリレーでAC信号とDC信号の両方を切り替えることができ、複数の回路経路で同時に動作させることも可能です。
余分な極ペアを持つEMRは、リレーが通電されて所望の接点状態になったことをユーザーに示すためのLED回路など、補助回路に電力を供給するために使用される場合もあります。さらに、経験豊富な設計者の中には、単極双投(SPDT)ユニットが必要な場合に二極双投(DPDT)リレーを使用し(多くの場合、SPDTリレーとDPDTリレーはフットプリントが同じ)、設計サイクルの後半で発見された問題や見落としを修正するための「念のため」の接点ペアとする者もいます。
OmronのG6J-2P-Y DC12(図2)は、977Ωコイルの超薄型DPDT(フォーム2C)リレーで、12V、12.3mAで駆動するように設計されています。このファミリの他の製品は、ほぼすべてのドライブ回路や状況との互換性のために、最大24VDCの異なるコイル電圧/電流の組み合わせを提供することに注意してください。
図2：G6J-2P-Y DC12は、12V、12.3mAのコイルを備えた超薄型DPDTリレーで、サイズと接点定格は同じですが、コイル電圧/電流の組み合わせが異なるリレーファミリの一部です。(画像提供：Omron)
この小型リレーは、サイズがわずか5.7×10.6×9mmのため、高密度プリント回路(PC)基板に適しています。G6J-2P-Y DC12にはスルーホール端子が付属していますが、同じバージョンには、最大限の柔軟性を実現するために、短い面実装端子と長い面実装端子があります。このリレーとこのファミリのその他すべての製品の接点は、125VACで最大0.3A、30VDCで最大1Aの定格です。
リレーとRF
リレーの用途は、単純な「ドライ」接点閉鎖や、DC電圧/電流および低周波AC信号の処理に限定されません。一部のモデルは、ATEなどの超高周波アプリケーション用に特別設計されています。
OmronのG6K-2F-RF-V DC4.5は、差動送信信号のスイッチングをサポートする小型面実装DPDTリレーです。この11.7×7.9×7.1mmリレーの挿入損失は、8GHzで3dB以下です。立ち上がり時間25ピコ秒(ps)の200mV差動信号のアイダイアグラムが示すように、より高い周波数でも使用できます(図3)。
図3：G6K-2F-RF-V DC小型面実装DPDTリレーは差動送信信号のスイッチングを使用し、8.1、10、12.5Gbit/s信号のアイダイアグラムに見られるように、8GHz以上に対応します。(画像提供：Omron)
このGHzレンジの性能は、差動信号を本質的にサポートする電気的および機械的設計によるところが大きい部分もあります。これにより、RF絶縁(ガルバニック絶縁とは無関係)、挿入損失、VSWRで定義される望ましい性能を確保することができます(図4)。
図4：G6K-2F-RF-Vギガヘルツリレーは、本質的な差動設計を採用することで、回路基板の物理的レイアウトの問題を緩和し、そのレイアウトがRF性能に及ぼす有害な影響を最小限に抑えます。(画像提供：Omron)
このリレーは、プリント基板のレイアウトを簡素化する高度な内部レイアウトを採用しており、RF性能を低下させる基板上の複雑な多層信号経路のルーティングが不要です。また、メタルケースではなく樹脂ケースを採用することで、リレー実装の検査時にメタルケースを介してプローブピンが短絡し、基板や部品にダメージを与える問題を回避できます。
リレーと消費電力
消費電力は、ほぼすべての回路やシステムにおいて重要なパラメータです。消費電力によって電源のサイズが決まり、電池駆動設計のランタイムに影響が及び、関連する熱が熱性能に影響を与えます。これは、リレーに通電する必要がある間はコイルに電力を供給し続けなければならない、従来の非ラッチングリレーに影響を及ぼします。
基本的なオン/オフ設計(正式にはシングルサイド安定型と呼ばれる)の代替アーキテクチャは、この懸念に対処するものです。ラッチングリレー(キープリレーとも呼ばれる)は、いったん通電されると、コイル電源を切ってもその位置に留まるように設計されています。
ラッチング機能を実装する方法はいくつかあります。G6JU-2P-Y DC3および、このファミリの他の製品は、「セット」入力パルスが隣接する永久磁石を介して動作状態を維持させる1巻線ラッチング技術を使用しています。「リセット」入力パルス(セット入力の逆極性の入力)は、リレーをアンラッチ状態にします。
リレーと信頼性
リレーには可動部品と物理的な電気接点があるため、オン/オフのサイクルをそれなりの回数繰り返すと信頼性が低下すると考えるのが普通です。しかし、実際はそうではありません。
まず、さまざまなレベルで交流と直流を流した場合の接点開閉の影響の違いはよく理解されており、リレーのデータシートに詳しく記載されています。定められた条件が守られていれば、接点の早期摩耗は問題にならないはずです。
同様に重要なのは、数十年にわたる使用、現場での数え切れないほどのユニットでの使用経験、金属工学的な研究開発、モデル化と分析、寿命の対照試験、生産と加工の改善、その他の技術的要因により、コイルと接点の設計および加工がよく理解され、成熟し、洗練されたプロセス、そして結果として得られる部品へと変化してきたということです。
リレーの耐久性は、接点とコイルの耐久性につながります。コイルの耐久性は、定格電圧がコイルに印加され続けると発熱によって絶縁性が低下するため、標準値の40,000時間からスタートします。リレーの使用が断続的であれば、コイルの耐久性はもっと高くなります。
耐久性は、データシートによく記載されている以下2つの要素によっても評価されます。
・機械的耐久性とは、機械的な故障や特性を考慮し、リレーが無負荷で接点を開閉できる回数のことです。
・電気的耐久性とは、リレーが定格負荷(125VAC、0.3A / 30VDC、1Aなど)で接点を開閉できる回数のことです。
リレー接点には、シングル接点、ツイン接点、クロスバーツイン接点など、長期信頼性を高めるさまざまな構成があります(図5)。クロスバーツイン接点の設計は、非常に安定した接触抵抗を実現し、接触不良を最小限に抑えます。G6J-2P-Yファミリの製品には、金合金でメッキされた銀接点を持つ分岐クロスバー(クロスバーツイン接点に類似)があります。
図5：リレー接点は、基本的なシングル接点から、安定した性能と安定した接触抵抗を提供する長寿命のクロスバーツイン接点へと改良され、進化してきました。(画像提供：Omron)
これらのリレーは信頼性が高いため、ダウンタイムやサービスの中断が許されない用途や、リレーの性能がミッションクリティカルな用途に適しています。
まとめ
EMRは、今日の多くのシステムで重要な問題解決コンポーネントであり、信号経路の多くの問題に対処し、それらを解決しています。これらの製品は、固有で替えのきかない信号処理特性、明確に定義された性能、長期的な信頼性を提供します。信号リレーは、DC、低周波、さらにはGHz帯域のRF用途にも利用できるため、その応用範囲は広くなっています。
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