ソリッドステート リレーがオフになった後も電圧が残っているのはなぜですか?{0}}

ソリッド ステート リレー (SSR) をオフにしましたが、マルチメーターの出力端子には依然としてかなりの電圧が表示されます。これは一般的であり、混乱を招きます。それは憂慮すべきことでもあります。 SSR が閉じた状態で故障したのではないかと疑問に思うかもしれません。

これは当然の懸念です。しかし、これは通常、リレーの故障の兆候ではありません。むしろ、これはソリッドステート リレーが設計上どのように動作するかという予測可能な特性です。-測定している電圧は実際のものです。ただし、多くの場合、ほとんどのデバイスに電力を供給するのに十分な電流を供給できません。これが「ファントム電圧」と呼ばれる理由です。

これは、半導体スイッチの動作方法と、それに組み込まれている保護回路が原因で発生します。この電圧がどこから来たのかを理解することが重要です。これは安全なメンテナンスに役立ち、下流の繊細な電子機器の信頼性の高い動作を保証します。

この記事ではエンジニアリングについて完全に説明します。次のことを学びます:

SSR と従来のメカニカルリレーの違い

オフ状態電圧の実際の発生源: 固有の漏れ電流と内部 RC スナバ回路

この「ファントム電圧」が引き起こす可能性のある安全上のリスクと運用上の問題

この残留電圧を完全に除去するためのブリーダー抵抗器の計算と取り付けに関するステップバイステップ ガイド--

核心的な違い

SSR がオフ時に電圧を「リーク」する理由を理解するには、まず SSR を機械式リレーと比較する必要があります。それらのスイッチング原理はまったく異なります。

SSR は単なる優れた機械式リレーではありません。これは、独自の動作、利点、欠点を持つまったく異なるテクノロジーです。 「オフ」状態の概念は、この違いを最も明確に示しています。

「エアギャップ」

電気機械リレー (EMR) は、コイルを使用して磁界を生成します。これにより金属接点が物理的に移動し、回路が開閉します。リレーがオフの場合、接点は物理的にわずかな距離だけ離れています。

この物理的な分離によって「エアギャップ」が生じます。空気は優れた断熱材です。ほぼ無限の電気抵抗を提供します。-このギャップにより回路が真に完全に切断され、実質的にゼロの電流が流れることが保証されます。

「半導体ジャンクション」

ソリッド ステート リレーには可動部品がありません。半導体部品を使用して負荷を切り替えます。最も一般的には、これらは 1 対の SCR (シリコン制御整流器) または TRIAC (交流用三極管) です。

SSR が「オフ」の場合、これらの半導体コンポーネントは非導通状態になります。-しかし、それらは空隙ではありません。これらは依然として入力端子と出力端子を接続する固体のシリコンです。この連続した材料は、「オフ」のときでも固有の電気特性を持っています。これらにより、物理的な空隙のほぼ無限の抵抗に達することができなくなります。-

この表は、SSR の「オフ」状態が基本的に高抵抗状態であり、完全な切断ではないことを明確に示しています。-これは、残留電圧がどこから発生するかを理解するための基礎となります。

二人の犯人

測定するオフ状態電圧は、SSR を流れる非常に小さな電流によって生じます。{0}}この電流は、リレーの設計内の 2 つの異なるソースから供給されます。

どちらも寄与しますが、通常、特に AC アプリケーションでは、一方の方が他方よりもはるかに重要です。

原因 #1: 半導体固有のリーク

すべての半導体デバイスには、オフ状態の漏れ電流と呼ばれる特性があります。{0}}これには、ダイオード、トランジスタ、SCR、トライアックが含まれます。デバイスが非導通または「オフ」状態にある場合でも、デバイスを流れる微量の電流です。-

この漏れは半導体物理学の基本的な特性です。これはコンポーネントのデータシートに指定されています。ほとんどの SSR では、この固有の漏れは非常に小さく、多くの場合マイクロアンペア (µA) 範囲です。全体的な影響には寄与しますが、混乱を引き起こす高い残留電圧測定値の主な原因となることはほとんどありません。

原因 #2: RC スナバ回路

ほとんどの AC SSR でオフ状態電圧が発生する主な原因は、RC スナバと呼ばれる内部保護回路です。{0}この回路はリレーの存続に不可欠ですが、重大な副作用もあります。

スナバ回路は、直列に接続された抵抗（R）とコンデンサ（C）で構成されます。この R-C ネットワークは、SSR の出力端子間に並列に配置されます。その目的は、SSR の出力半導体 (トライアックまたは SCR) を損傷から保護することです。この損傷は、高 dv/dt イベントとして知られる急速な電圧変化によって発生します。これらのイベントは、モーターやソレノイドなどの誘導負荷を切り替えるときによく発生します。

重要なのは、この保護回路が電流の代替経路を作成することです。コンデンサはその性質上、少量の交流 (AC) を通し、直流 (DC) を遮断します。

SSR のメイン スイッチング素子がオフの場合でも、RC スナバはライン端子と負荷端子の間に接続されたままです。 AC 回路では、スナバ内のコンデンサが連続経路を提供します。 SSRには微小な交流電流が流れます。この電流がSSR漏れ電流と呼ばれるものです。

スナバ回路から流れるこの漏れ電流は負荷を通過します。負荷が高インピーダンスの場合（または、負荷が接続されていない状態で高インピーダンスのマルチメータを使用して測定している場合）、この小さな電流によって大きな電圧降下が発生します。-これは、測定しているソリッド ステート リレーのファントム電圧です。

ファントム電圧と実際の電圧

「ファントム電圧」という用語は誤解を招く可能性があります。電位は実際のものです。しかし、多くの場合、非常に少ない電流によって支えられているため、有用な仕事を行うことができません。測定に使用するツールと電気負荷の性質によって、この電圧が問題なのか単なる好奇心なのかが決まります。

高インピーダンスと低インピーダンス

ここで重要な概念はインピーダンスです。高インピーダンス回路は、電流の流れを大きく妨げます。-低インピーダンス回路は簡単なパスを提供します。-

最新のデジタル マルチメータ (DMM) は高インピーダンスの機器です。{0}通常、入力インピーダンスは 10 メガオーム (10,000,000 Ω) 以上です。このように設計されているのは、測定対象の回路から大量の電流が消費されるのを避けるためです。これにより、正確な電圧の読み取りが保証されます。

逆に、モーター巻線や白熱電球などの低インピーダンス負荷のインピーダンスは、わずか数百オームである可能性があります。{0}}

SSR のスナバからの小さな漏れ電流が、DMM の非常に高いインピーダンスに遭遇すると、簡単に流れることができなくなります。この「圧力」が蓄積すると、メーターは高電圧を示します。ただし、同じ小さな電流が低インピーダンス負荷に遭遇すると、負荷を通って中性点まで容易に流れます。-負荷の両端の電圧はゼロ近くまで低下します。負荷は本質的に漏れ電流を「吸収」または分路します。

DMM が電圧を認識する理由

DMM は、この現象を検出するのに最適なツールです。電流をほとんど消費しないため、漏れ電流によって生成される全電圧電位が入力端子間に蓄積されます。

これは、メーターで「オフ」SSR の出力全体で 85VAC を測定する理由を説明しています。しかし、小さなパイロットランプを接続すると、ランプは点灯せず、測定された電圧はほぼゼロになります。電球のインピーダンスが低いため、漏れ電流の経路ができていました。これにより、電圧の上昇が防止されました。

現実世界の影響-

多くの場合無害ですが、この残留電圧を無視すると、重大な安全上の危険、機器の誤動作、トラブルシューティングの何時間もの無駄な時間が発生する可能性があります。

ソリッドステート制御を扱うエンジニアや技術者にとって、潜在的な結果を理解することは非常に重要です。{0}}

重大な安全上の危険

これが最も重要な考慮事項です。残留電圧が存在すると、回路が通電されていないという危険な錯覚が生じます。-これにより、ロックアウト/タグアウト (LOTO) の安全手順が無効になる可能性があります。

SSR によって制御されるポンプ モーターの保守を担当する保守技術者を考えてみましょう。手順に従って、制御システムに SSR を「オフ」にさせます。最終的な安全性チェックとして、高品質の DMM を使用してモーター端子のエネルギーがゼロであることを確認します。- AC 90V を測定します。

これにより、危険な混乱が生じます。技術者は、SSR に障害が発生し、まだ動作していると想定する場合があります。リレーや制御配線のトラブルシューティングに時間を無駄にする可能性があります。

さらに悪いことに、経験の浅い技術者は、測定値を「単なるファントム電圧」として無視して作業を続行する可能性があります。漏れ電流自体は小さいですが (通常 5 ～ 20 mA)、主な感電の危険は電流ではありません。危険なのは電圧の可能性です。端子に触れると、痛みや驚愕の感電を引き起こす可能性があります。これにより、転倒や反射的な動作による二次的な傷害が発生する可能性があります。

迷惑な運用上の問題

漏れ電流は安全上のリスクを超えて、イライラする動作上の不具合を引き起こす可能性があります。これは、最新の低電力電子機器に特に当てはまります。-

非常に一般的な問題は、LED インジケーターやランプが薄暗く光ったり、ちらついたりすることです。小さな漏れ電流は、白熱電球に電力を供給するには不十分ですが、多くの場合、LED を部分的に順バイアスするには十分です。-そのため、消灯しているはずの場合でも、ほのかに光ります。

同様に、敏感なロジック入力も影響を受ける可能性があります。例には、PLC またはその他のコントローラー上のものが含まれます。これらの入力は設計上、高インピーダンスになっています。- SSR の漏れによる残留電圧は、論理高しきい値を超えるほど高くなる可能性があります-。これにより、コントローラーはオフであるはずのセンサーからの「オン」信号を誤って登録してしまいます。

リスクの比較表

残留電圧によってもたらされるリスクは、SSR に接続されている負荷の種類に大きく依存します。

決定的な解決策

残留電圧の問題はよく理解されています。-このソリューションは簡単で信頼性が高く、基本的な電気原理に基づいています。この修正には、回路に 1 つのコンポーネントを追加することが含まれます。

このソリューションは、SSR アプリケーション用のブリーダ抵抗を実装しています。ダミー負荷または並列負荷抵抗と呼ばれることもあります。

ブリーダー抵抗器とは何ですか?

ブリーダ抵抗は、負荷と並列に配置される抵抗です。その目的は、SSR の漏れ電流が中性点に流れるための代替の低抵抗経路を提供することです。-

この簡単な経路を提供することにより、抵抗器は漏れ電流を「流出」させます。これにより、高インピーダンス負荷またはマルチメータの端子間に電圧が上昇するのを防ぎます。-漏れ電流は電圧上昇を引き起こす代わりにブリーダ抵抗器を通って流れます。

適切なサイズに設定すると、この抵抗器の抵抗値は十分に低くなり、漏れ電流を効果的に分流できます。ただし、SSR がオンのときに過剰な電力を消費しない程度に高いです。

ブリーダー抵抗の計算

正しいブリーダ抵抗を選択することは推測ではありません。これは 2 つの部分からなる計算です。-電圧を逃がすための抵抗 (オーム単位) と、過熱して故障しないように定格電力 (ワット単位) を決定する必要があります。

以下の手順に注意深く従ってください。

ステップ 1: システム電圧 (V) と漏れ電流 (I_leakage) を決定します。

システム電圧はわかっています (例: 120VAC、240VAC)。 SSR のオフ状態での最大漏れ電流は、データシートに記載されています。-。利用できない場合、多くの AC SSR の標準値は 5mA ～ 20mA です。この計算では、控えめな値 15mA (0.015A) を使用します。

ステップ 2: ターゲット残留電圧 (V_residual) を選択します。

許容できるオフ状態電圧のレベルを決定します。-ほとんどのデジタル ロジックでは、感電の危険を防ぐために、10V 未満の値が安全な目標です。 V_residual=10V を使用します。

ステップ 3: 必要な抵抗 (R) を計算します。

オームの法則を使いましょう。漏れ電流を考慮すると、抵抗は電圧を目標レベルまで降下させるのに十分なほど低くなければなりません。

式：R=V_残留 / I_漏れ

例：R=10V / 0.015A=667Ω。これに近い一般的な標準抵抗値は 680Ω です。ほとんどのアプリケーションでは、10kΩ や 15kΩ などの高い値でも適切に機能し、消費電力が少なくなるという利点があります。一般的な選択である 15kΩ (15,000Ω) で再評価してみましょう。-残留電圧は V=I * R=0.015A * 15000Ω=225V となります。これは高すぎます。これは、より低い抵抗が必要であることを示しています。 2.2kΩ(2,200Ω)を試してみましょう。 V=0.015A * 2200Ω=33V.まだ少し高いです。最初の 680Ω の計算の方が適切です。

ステップ 4: 消費電力 (P) を計算します。

これは重要な安全手順です。抵抗器は線間電圧の両端に直接接続されているため、SSR がオンのときは常に電力を熱として放散します。焼損しない抵抗器を選択するには、この電力を計算する必要があります。

式：P=V² / R (V はシステムの全電圧)

例 (120VAC システムで計算された 680Ω を使用):P=(120V)² / 680Ω=14400 / 680=21.2W.これは電力損失が非常に大きいため、大型で高価な電力抵抗器が必要になります。これは、初期の仮定を調整する必要があることを示しています。

考え直してみましょう。目的は、漏れ電流を分流することです。業界では、15kΩ 程度の抵抗と 0.1μF のコンデンサを直列に使用するのが一般的です。ただし、より簡単な解決策は抵抗だけです。上記の計算における問題は、最悪の場合の漏れを想定していることです。-より一般的な 8mA (0.008A) の漏れ電流を使用して、標準の 15kΩ 抵抗器がどのように動作するかを見てみましょう。

V_residual=0.008A * 15000Ω=120V.まだ高すぎます。

より明確な目標を持って計算を再開しましょう。メーターよりも大幅にインピーダンスが低いが、燃え尽きない経路が必要です。標準的な抵抗値を選択し、そこから計算してみましょう。一般的な選択は 2.5kΩ ～ 5kΩ の抵抗です。

R=3kΩ (3,000Ω) を選択しましょう。

V_residual を再計算します (15mA の漏れを想定):V=0.015A * 3000Ω=45V.改善されましたが、それでも一部の PLC にとっては高すぎる可能性があります。

120VAC での消費電力を再計算します。 P = (120V)² / 3000Ω = 14400 / 3000 = 4.8W.

ステップ 5: 抵抗器の電力定格を選択します。

安全性と寿命を確保するには、計算された損失よりも大幅に高い電力定格の抵抗器を使用する必要があります。少なくとも 2 倍の安全率が必須です。. 3x ～ 5 倍の方が良いでしょう。

例：4.8W の計算では、5W の抵抗では不十分です。 10W の抵抗が最小値 (2 倍の係数) になります。ただし、20W または 25W のシャーシ-マウント抵抗を選択すると、動作温度が低くなり、より安全で信頼性が高くなります。

設置と安全性

回路の設置や変更を行う前に、必ずすべての電源を切断してロックアウトしてください。

ブリーダ抵抗器は金属シャーシまたは十分な通気のある場所に取り付けてください。動作中に暖かくなったり、熱くなったりするように設計されています。決して通気性のない小さなプラスチックの箱に入れないでください。

抵抗器自体の電圧定格 (すべてのタイプに共通というわけではありませんが、一部のタイプでは重要です) がシステム電圧に対して十分であることを確認してください。

適切なサイズのワイヤと完全に絶縁された接続を使用してください。裸のリード線が他のコンポーネントや人員に接触しないようにしてください。

結論

「オフ」のソリッド ステート リレーの出力で測定される残留電圧は、故障の兆候ではありません。これは、SSR の半導体設計に根ざした予測可能な正常な特性です。これは、固有のリークと、より重要なことには内部 RC スナバ回路の組み合わせによって発生します。

このファントム電圧は電気的に興味深い現象ですが、メンテナンス中に安全上の問題を引き起こしたり、敏感な電子機器の動作上の問題を引き起こしたりする可能性は無視できません。これは、すべてのエンジニアと技術者が尊重しなければならない、半導体スイッチと機械式スイッチの決定的な違いを表しています。

この電圧は実際のものですが電流は制限されていることを理解し、簡単なブリーダー抵抗を正しく計算して取り付ける方法を知ることで、この動作をマスターできます。{0}信頼性が向上するだけでなく、最も重要なことに、作業するすべての人にとって根本的に安全なシステムを自信を持って設計、トラブルシューティング、保守できるようになります。

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