リレーの動作原理と役割

多くの家庭用電化製品（例えば、自動洗濯機、電気ストーブなど）では、過電流による製品の損傷を防ぐために、リレーが取り付けられています。リレーは電子制御装置の一種で、小さな電流で大きな電流を制御する「自動スイッチ」として機能します。では、リレーはどのように動作し、その役割は何でしょうか？以下に詳しく見ていきましょう。

1. 基本概念

リレーは、電気制御装置の一種で、入力量（励磁量）の変化が一定の条件に達したときに、電気出力回路内で制御対象量に予期された段階的な変化を起こさせる装置です。リレーは、制御系（入力回路とも呼ばれる）と制御される系（出力回路とも呼ばれる）との間で相互作用を持ちます。通常、自動化された制御回路で使用され、実際には小電流で大電流を制御する「自動スイッチ」として機能します。このため、回路内で自動調整、安全保護、回路の切り替えなどの役割を果たします。

19世紀30年代、アメリカの物理学者ジョセフ・ヘンリーは、電磁誘導現象を利用してリレーを発明しました。最初のリレーは電磁リレーで、電磁石が通電と断電によって磁力の発生と消失を引き起こす現象を利用し、高電圧や高電流の別の回路を制御しました。この技術により、回路の遠隔制御や保護などの作業が可能になりました。リレーは人類の科学技術史における偉大な発明であり、電気工学の基礎であるだけでなく、電子技術や微電子技術の重要な基礎でもあります。

2、回路記号

リレーの文字記号は「K」であり、その図形は図2のように示されます。回路図では、リレーの接点はリレーのコイルの隣に描かれることもあれば、リレーのコイルから離れた場所に描かれることもあり、それらの相互関係は番号で示されます。

3、主な役割

(1) 増幅：例えば、感度の高いリレーや中間リレーなどでは、非常に小さな制御量で大きな電力の回路を制御できます。

(2) 信号の統合：例えば、複数の制御信号が所定の形式で多巻線リレーに入力された場合、比較・統合を経て、予定された制御効果を達成します。

(3) 自動・遠隔操作・監視：例えば、自動装置上のリレーは他の電気機器と組み合わせることで、プログラム制御回路を構成し、自動運転を実現します。

(4) 制御範囲の拡大：例えば、多接点リレーでは、制御信号がある一定の値に達すると、接点群の異なる形式に従い、複数の回路を同時に切り替えたり、開閉したり、接続したりできます。

4、基本構造

リレーは、コイル、磁路、反力ばね、接点の4つの部分で構成されています。

コイルの役割は、通電後に電磁吸力を発生させ、磁路のアーマチュアを動かして吸引し、接点に変位動作を引き起こすことです。
磁路は、鉄心、鉄ヨーク、アーマチュアで構成され、コイルによって発生した磁束のために磁路を作ることがその役割です。

磁路の中で最も重要なのは、磁路の気隙です。これはアーマチュアと鉄心の間の空隙のことで、コイルが通電されていない場合、気隙は最大で、接点は初期状態にあります。コイルが通電されると、気隙はゼロになり、接点は動作状態に変わります。

反力ばねの役割は、アーマチュアに動作方向とは逆の反力を提供することで、コイルが無電力状態になった際にアーマチュアと接点を復位させます。

接点は外部への制御出力を行うもので、常閉接点と常開接点で構成されています。コイルが通電してリレーが吸引されると、常閉接点が開き、常開接点が閉じます。コイルが断電されてリレーが解放されると、常閉接点と常開接点は共に初期状態に復位します。

5、動作原理

リレーの切り替え接点は、リレーの1つの可動接点と2つの静止接点で構成されています。可動接点が静止接点1と閉じた状態を「常閉接点」と呼び、可動接点が静止接点2と離れている状態を「常開接点」と呼びます。

コイルが通電すると、可動接点は静止接点1とすぐに開き、静止接点2と閉じます。これにより、静止接点1の制御回路が遮断され、静止接点2の制御回路が接続されます。

コイルが無電力状態になると、可動接点が元に戻り、可動接点と静止接点2が離れて静止接点1と閉じ、静止接点2の制御回路が遮断され、静止接点1の制御回路が接続されます。

このことから、リレーKのコイルが、非保持型の常開ボタンとバッテリーの間に接続されていることがわかります。常閉接点K-1は、バッテリーと電球EL1の間に接続されており、電球EL1の点灯と消灯を制御します。常開接点K-2は、バッテリーと電球EL2の間に接続され、電球EL2の点灯と消灯を制御します。回路が接続されていないとき、電球EL2は消灯状態にあります。

ボタンSBを押すと、回路が接続され、リレーKのコイルが通電し、常閉接点K-1が開いて電球EL1への電源供給が遮断され、電球EL1が消灯します。同時に、常開接点K-2が閉じ、電球EL2への電源供給が接続され、電球EL2が点灯します。

ボタンSBを離すと、回路が遮断され、リレーKのコイルが無電力状態になり、常閉接点K-1が元に戻って閉じ、電球EL1への電源供給が再接続され、電球EL1が点灯します。同時に、常開接点K-2が元に戻って開き、電球EL2への電源供給が遮断され、電球EL2は消灯します。

以上がリレーの概念、回路記号、主な役割、基本構造、および動作原理の説明です。リレーは100年以上にわたって発展してきており、時間リレー、温度リレー、リードリレー、熱リレー、差動リレー、光リレー、音声リレー、ホールリレーなど、さまざまな形式があります。現在では、固体リレーなど、機械から電子に至るまで、さまざまな形態のリレーが存在しています。

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