誘導負荷を切り替える際にNIスイッチモジュールを保護する

更新しました Aug 27, 2019

使用製品

Hardware

  • PXI Relay Module

問題

誘導負荷(モーターやソレノイドなど)を切り替えること、モジュールの定格電圧を超える高電圧過渡現象が発生する場合があります。追加の保護がなければ、これらの過渡現象はモジュールの動作を妨げ、リレーの寿命に影響を与える可能性があります。これらの過渡現象からスイッチモジュールを保護するにはどうすればよいですか?

解決策

誘導負荷は、巻線のコンダクタを搭載する製品群において設計上不可欠なコンポーネントです。誘導負荷の例としては、リレーコイル、モーター、およびソレノイドコイルなどがあります。このタイプの負荷は、電流が通過する際にエネルギーを蓄積するため、スイッチング時に適切な処理が必要となります。誘導負荷電流が遮断された場合、蓄積エネルギーが別の場所に移動しなければいけません。
 

他に電流が流れる経路がない場合、絶縁破壊およびアーク放電が発生するまで高電圧が生成されます。この電圧はV = L (dI/dt)の式に基づき大変高くなる可能性があります。この式のVはインダクタンスにかかる電圧を示し、Lは負荷のインダクタンス、(dI/dt)は時間に対する電流変化の比率を示します。インダクタンスにおける電流の変化が速いほど高電圧になります。この高電圧(フライバック電圧)は干渉の原因となり、これによりスイッチングを行っているデバイスまたは近接したデバイスが不要な動作をする原因となる場合があります。高電圧および蓄積エネルギーはリレー接点を劣化させて製品の寿命を縮めるため、予定より早いメンテナンスまたはスイッチモジュールの交換が必要になります。
 

フライバック電圧は、さまざまな方法で制限することができます。使用する方法は、回路のDCまたはAC特性によって異なります。

 

 

DC誘導負荷

図1は、誘導負荷(例: ソレノイド、リレーコイル、モーターなど)にダイオードが並列に配置された状態を示しています。このダイオードは、電流がリレーによって中断された場合に、インダクタ電流が流れる経路を提供します。このダイオードがない場合、コイル全体の電圧は、回路の絶縁破壊電圧またはコイルの寄生回路要素によってのみ制限されます。この電圧は、公称回路電圧が低い(例: 5 V)場合でも、振幅がキロボルトになることがあります。


ダイオードは、逆方向降伏電圧が誘導性負荷を駆動する電圧よりも大きくなるように選択する必要があります。 ダイオードの電圧定格は、データシートのDC遮断電圧である「VR」を見ることで確認できます。電流定格は、負荷に流れる最大電流以上でなければなりません。これは、ダイオードの「順方向電流」仕様です。このダイオードの位置は、負荷に近いほど理想的です。
 



図1. DC誘導負荷の過渡保護
 

 

 

AC誘導負荷

電源は正または負の電圧であるため、ダイオード1つのみではAC回路の過渡電圧を制御できません。一般的な過渡電圧の制限方法は、金属酸化物バリスタ(MOV)を使用します。この手法は、過渡電圧をMOV定格で定義されたレベルに低減します。
 

MOVは、過渡電圧を所定のレベルに「クランプ」するように機能します。 それらは非常に速く作用し、ナノ秒以下で非常に高いインピーダンスから非常に低いインピーダンスになります。ただし、MOVが適切にサイズを調整することは、故障する電圧と吸収しなければならないエネルギーの両方にとって重要です。

経験則では、MOVの電圧定格を公称システム電圧よりも10~25%高い値に設定します。MOVのもう1つの重要なパラメータは、エネルギー定格です。MOVは、負荷に蓄積されたエネルギーを放散するサイズにする必要があります。これは、「ロードダンプエネルギー」または「最大吸収」と呼ばれる場合があります。ただし、単位は常にジュールになります。MOVベンダはピーク電流(Ip)の仕様を定めています。
 

誘導負荷以外にも過渡信号の原因になるものがあります。AC回路では、電源自体が原因になることがあります。AC電源ラインには高電圧過渡信号が存在する場合が多く、保護する必要があります。MOVを使用して、この過渡信号を制限することも可能です。
 

他の部品と同じように、劣化が生じます。MOVは通常、短絡回路としては効果はありません。そのため、MOVと直列に的確なサイズのヒューズを取り付けます。図2は、MOVで保護しているACシステムを示します。 ここでもMOVの位置は、負荷に近いほど理想的です。



図2. MOVを使用したAC回路保護
 

 

 

その他の方法

その他に高電圧過渡を制限する有効な方法として、スナバ回路を使用する方法があります。スナバ回路はDCまたはACアプリケーションのいずれかで使用することができ、上記の方法以外の制限方法を提供します。スナバ回路は多種多様で複雑なため、この方法はここでは述べません。

この記事はお役に立ちましたか?

いいえ