マイクロビットレッスン:リレーを使う

リレーとは、電気的に作動するスイッチのことである。多くのリレーは電磁石を使って機械的にスイッチを操作しているが、ソリッドステートリレーのように他の動作原理も用いられる。リレーは、低出力の別の信号で回路を制御する必要がある場合や、1つの信号で複数の回路を制御する必要がある場合に使用される。

このレッスンでは、1チャンネル・リレー・モジュールの仕組みと、マイクロビットでの使い方をご紹介します。

次の部品が必要です

• 1x micro:bit
• 1x マイクロB USBケーブル
• 1x micro :bit ブレクアウト（ヘッダー付き）
• 1x ブレッドボード
• 5x ジャンパー・ワイヤー
• 1x 1チャンネル・リレー・モジュール

1チャンネル・リレー・モジュールについて

リレーとは何ですか？

リレーは、電気的に作動する装置です。制御系（入力回路、入力コンタクタとも呼ばれる）と被制御系（出力回路、出力コンタクタとも呼ばれる）を持っています。自動制御回路によく使われています。簡単に言うと、大電流の回路を小電流の信号で制御するための自動スイッチです。

リレーの利点は、動作時の慣性が小さいこと、安定性、長期信頼性、体積が小さいことなどが挙げられる。リレーは、電力保護、自動化技術、スポーツ、遠隔制御、偵察、通信などの機器や、電気機械、パワーエレクトロニクスなどの機器に広く採用されている。一般的にリレーは、電流、電圧、電力、抵抗、周波数、温度、圧力、速度、光などの入力変数を反映できる誘導部を含んでいる。リレーには、電流、電圧、電力、抵抗、温度、圧力、速度、光などの入力変数を反映する誘導部と、制御回路の接続を通電または非通電にすることができるアクチュエータモジュール（出力）がある。入力部と出力部の間には、入力電流を結合・分離したり、出力を動作させるための中間部があります。入力の定格値（電圧、電流、温度など）が臨界値以上になると、リレーの制御出力回路は、臨界値を超えて動作します。

注：リレーへの入力は、電気量（電流、電圧、周波数、電力などを含む）と非電気量（温度、圧力、速度などを含む）の2つのカテゴリーに分けられる。

特徴

• 1chリレーモジュールの特長は以下の通りです。
• 安全性に優れています。パワーシステムと高電圧システムでは、低い電流が高いものを制御することができます。
• 高電圧系1ch出力で，1ch制御のニーズに対応。
• 制御可能な電圧範囲が広い。
• 240V、10Aにもなる高負荷電流を制御できること
• ノーマルオープン（NO）とノーマルクローズ（NC）の2つの接点を備えています。

ピン OUT

入力

電源（5V/3.3V、0V）とリレーの制御用に、1×3（2.54mmピッチ）のピンヘッダを備えています。ピンはPCB上にマークされています。

• GND – GNDをこのピンに接続してください
• SIG – このリレーを制御します、アクティブLOW! この入力が約2.0V以下になるとリレーがオンになります。
• VCC – 5V/3.3Vをこのピンに接続してください。フォトカプラの電源に使用されます。

出力

1チャンネルのリレーモジュールは、一連のスイッチのように考えることができます。1つのノーマルオープン(NO)、1つのノーマルクローズ(NC)と1つのコモンピン(COM)です。

• COM- コモンピン
• NC- ノーマルクローズ、この場合、INT1がLowに設定されるとNCはCOMと接続され、INT1がHighになると切断されます。
• NO- ノーマルオープン（INT1がLowの時はCOM1と接続されず、INT1がHighの時は接続される）。

リレーの動作は？

リレーの仕組みは、以下の図で説明するとよくわかります。

すべてのリレーには5つの部品があります。

1. 電磁石 – コイル状のワイヤーで巻かれた鉄心で構成されています。電気を通すと磁化されます。そのため、電磁石と呼ばれています。

2.アーマチュア（armature） – 可動式の磁気片をアーマチュアという。電流を流すとコイルに通電して磁界を発生させ、これを利用して常開（N/O）、常閉（N/C）の開閉を行う。また、アーマチュアは直流（DC）でも交流（AC）でも動かすことができる。

3. スプリング – 電磁石のコイルに電流が流れていないとき、スプリングがアーマチュアを引き離し、回路が完成しないようにする。

4.電気接点 – 2つの接点がある。

．常時開：リレーが作動しているときは接続され，非作動時には切断される。

．ノーマルクローズ：リレーが作動しているときは接続されず，非作動時には接続される。

5. モールドフレーム：リレーをプラスチックで覆って保護します

原理

図はリレーの内部断面図である。鉄心の周囲には制御用のコイルが配置されている。図のように、電源は制御スイッチを介して電磁石に与えられ、接点を介して負荷に与えられます。制御コイルに電流が流れ始めると、電磁石が通電を開始し、磁界が強まります。そのため、上側の接点アームが下側の固定アームに引き付けられ始め、接点が閉じて負荷への電力が短絡されます。一方、接点が閉じたときにすでにリレーが非通電状態になっていた場合は、接点が逆に動いて開回路になります。

コイル電流がオフになると、可動アーマチュアは初期位置に戻ろうとする力が働きます。この力は、磁力の半分の強さにほぼ等しい。この力は、主に2つの要素によってもたらされます。それは、バネと重力です。

リレーは主に2つの基本動作のために作られています。ひとつは低電圧用、もうひとつは高電圧用です。低電圧アプリケーションでは、回路全体のノイズを減らすことがより優先されます。高電圧用では、主にアーク放電と呼ばれる現象を抑えるために作られている。

リレー用途

リレーは、電気システムを保護し、過電流／過電圧によるシステムに接続された機器の損傷を最小限に抑えるために使用される。リレーは、接続された機器の保護を目的として使用されます。

オーディオアンプや一部のモデムなど、低電圧信号で高電圧回路を制御するために使用されます。

自動車のスターターソレノイドなどで、低電流信号で高電流回路を制御するために使用されます。送電・配電システムで発生した障害を検出して切り離すことができます。リレーの代表的な応用分野は以下の通りです。

• 照明制御システム
• テレコミュニケーション
• 工業用プロセスコントローラ
• 交通制御
• モータードライブ制御
• 電力系統の保護システム
• コンピュータ・インターフェース
• 自動車
• 家庭用電化製品

注意

• 最大DC負荷は10Aで、最大DC負荷電圧は30Vです。最大AC負荷は10Aで、最大AC負荷電圧は250Vです。
• 温度が65℃を超える場合は、より大きな電力に対応できるものを選択することをお勧めします。リレーを使用しているときにオーバーヒートするのはなぜですか？ 負荷電圧や負荷電流が大きいと発熱しますが、65℃以内に収まっていれば問題ありません。
• リレーは、機械的に開閉する過程で、火花や磁界を放出します。干渉を防ぐために、他のMCUやチップから離して使用してください。

   

高電圧の警告

このレッスンを続ける前に、ここでは高電圧を使用することを警告します。くれぐれもご注意ください。

例

概要

この例題では、マイクロビットを使ったリレーの使い方を紹介します。

配線図

リレーモジュールの接続。

スクリプトの実行

コードを作ることに慣れていない方でも、ご安心ください。まず、このリンク https://makecode.microbit.org/reference を入力すると、マイクロビットブロックのリファレンスが表示されます。

以下のコードをコピー＆ペーストするか、エディタウィンドウの右上にあるオープンアイコンをクリックして、自分のMake Codeエディタで編集してください。 また、コードウィンドウの右下にあるダウンロードボタンをクリックして、このサンプルをダウンロードすることもできます。

結果

リレーをP0インターフェースに接続し、コードをMicro:bitにアップロードすると、1秒ごとにリレーから機械的なオン/オフ音が聞こえます。リレーの出力端子に他の高電圧デバイスを接続すれば、このデバイスをオン/オフ制御することができます。