ソリッドステートリレー 切り替えている リレー 機械部品の使用を必要としません。これにより、通常、一般的な電気機械式リレーよりも寿命が長くなるという利点が得られます。また、ソリッド ステート リレーは電気機械式リレーよりも桁違いに高速ですが、設計上の制約がいくつかあります。
ソリッドステートリレーは世界を席巻し、農業自動化から航空宇宙まであらゆる産業の電力配分に革命をもたらしました。しかし、あなたは疑問に思うかもしれません… 「ソリッドステートリレーは具体的にどのように動作するのか？」この記事では、ソリッドステートリレーの基礎からオプトアイソレータ、 オプトカプラ、 フォトダイオード、PN接合など。
ソリッドステートリレーの設計の説明
ソリッドステートリレーの設計は、通常、 オンオフスイッチ 電源端子と負荷端子を備え、外部制御信号が別の端子を介してリレーに渡されると切り替わります。これが起こると、スイッチングは非常に速く起こり、通常はMOSFETによって負荷に電力が供給されます。 パワートランジスタ。
リレーはACまたはDCスイッチング容量で設計および使用できますが、どちらのシナリオでも動作するように内部構成を変更する必要があります。DCリレーは、ソースとドレインをメイン回路の電源と負荷に接続し、制御信号をパスゲートに接続した単一のMOSFETで動作できます。制御信号は非常に低電力で済むため、リレー (および大規模な負荷回路) をArduinoのような小型デバイスで制御できます。ソリッド ステート リレーには、複数のトランジスタを並列に配置できるため、数百アンペアの定格電流を流すことが可能です。リレーがオフ状態のときに1つのMOSFETでは両方向の電流を阻止できないため、ACスイッチには少なくとも2つのトランジスタが必要です。ソースが接続された2つのトランジスタは、オフのときに電流をブロックし、リレー内で制御信号がオンになったときに電力を渡すために使用されます。
ソリッドステートリレーはどのように動作するのでしょうか?
制御信号で数百アンペアの電力を供給できるスイッチとはどのようなものか疑問に思うかもしれません。ソリッド ステート リレー設計と電気機械式リレー設計の本当の利点は、最終的にはスイッチング メカニズムの違いにあります。ソリッドステートリレーは、業界ではオプトアイソレータまたはオプトカプラと呼ばれるものを使用します。人間の言葉で言えば、それは「光分離器」を意味します。その通りです。ソリッド ステート リレー内のスイッチは単なる光線です。一般的に、非常に低電力のLEDがあり、フォトダイオードに光線を照射して、ほぼ瞬時に電力を伝達、つまり「オン」にします。
図1: これは典型的なフォトダイオードのサンプル図です。この図は、フォトダイオード トランジスタに光を当てるLEDを示しています。この動作によりトランジスタに電流が流れるようになる。
光アイソレータは、リレーの2つ以上の回路を分離するため、ソリッド ステート リレーの設計において非常に重要です。リレーは小さな電圧信号を使用して非常に大きな電圧信号を制御するため、これらの信号を分離しておくことが非常に重要です。光アイソレータの優れた点と革新的な特徴は、可動部品がないことです。たとえば、電気機械式リレーでは、この回路の分離は電磁場によって可能になり、最終的に大きな負荷回路を完成させるためにも電磁場が使用されます。
ソリッドステートリレーでは、フォトダイオードが負荷回路内の接続を完了させます。ではフォトダイオードとは一体何なのでしょうか?これは、一般的な電気信号ではなく、光子を使用してゲートに電力を供給する、非常に特殊なトランジスタです。それは一体どうやって機能するのでしょうか?高度に特殊化されたシリコンP-N接合を使用します。
P-N接合とは何ですか? また、どのように機能しますか?
P-N接合は、さまざまな用途のさまざまなシリコン コンポーネントに見られ、本質的に「シリコン」が半導体として機能することを可能にするものです。シリコンは単独の元素としては電気伝導性が非常に低いです。しかし、シリコンにリンやホウ素などの他の元素をドープすると、p型およびn型シリコンの電気伝導性が大幅に向上します。p型シリコンとn型シリコンが接合するシリコンの領域は、PN接合と呼ばれます。光アイソレータ回路では、このP-N接合はフォトダイオードと呼ばれ、最終的には光の存在下で電流を生成するという1つの主な目的があります。
図2: この画像は、フォトダイオードの空乏領域を示すPN接合の芸術的な描写です。
光は光子、つまりエネルギーを運ぶ粒子で構成されており、これがフォトダイオード物理学の「基本」です。通常、フォトダイオードが最もよく反応する光は、約200nm (紫外線) または1100nm (赤外線) です。これらの光子はシリコンフォトダイオードの空乏領域に電子-正孔対を生成します。空乏領域は、p型ドープシリコンがn型シリコンと接触し、電子と正孔がより低い電位領域に流れるときに形成されます。光がシリコンに当たると、光子が吸収され、電子と正孔の対が生成されます。電子と正孔の対が離れ始めると、空乏領域の電界によって押し流されます。この電子正孔対の動きにより、PN接合が逆バイアス方向に動作している限り、フォトダイオードに電流の流れが生じます。
光アイソレータの出力端で信号が生成されているので、トランジスタまたは一連のトランジスタを使用してその信号を増幅し、最終的に非常に大きな信号を出力することができます。この方法は、この記事の前半で説明しました。非常に低電力の信号をオプトアイソレータの入力として使用し、逆にその信号を非常に大きな出力信号に変換する能力が、ソリッド ステート リレー設計の究極の目的です。
もっと詳しく知りたいですか?ソリッドステートリレーと電気機械式リレーの違いについて詳しく説明します。
