リレーとは？仕組み・種類・選び方と注意点を解説

「リレー」とは回路の切り替えを行うための部品のことです。

入力された電気信号に応じて、回路のオン・オフや切り替えを行うのがリレーの役割です。運動種目のリレーのように、バトン代わりとなる電気信号を受け取ると、リレーはその信号に応じて別の回路を切り替えます。例えば、リモコンでエアコンの電源を入れると、エアコン側の制御回路がリモコンからの信号を受け、その指示に応じてリレーが電源回路などを切り替えます。以上のようにリレーとは、入力された電気信号に応じて、別の回路のオン・オフや切り替えを行う部品を指します。

 「リレー」という名はどこからきたのですか？

リレーの歴史は、19世紀の電信技術の発展に遡ります。初期の代表的な用途の一つが、モールス式電信です。有線によるモールス式電信では、送受信機間の距離を延ばすと信号の損失が大きくなり、通信が難しくなります。そこで、送受信機の間に現在のリレーに相当する中継器を設け、弱くなった信号を作り直して次に渡すことで、長距離通信を可能にしました。次々と信号を受け渡していくことからリレー（Relay）と呼ばれ、日本語では「継電器」と呼ばれるようになったわけです。

リレーはその後、電話交換機や黎明期のコンピュータなどにも採用されました。これらの用途では、リレーの多くが半導体に置き換わっていますが、現在でも機器の電源のオン・オフや信号経路の切り替えなどを担っています。具体的には、通信機器、冷蔵庫などの家電製品、空調や自家発電などの設備機器、エスカレータなどの制御機器、自動車や鉄道車両、信号設備など、幅広い分野で利用されています。なかでも自動車では、ランプ制御、モータ制御、電源ラインの接続・遮断など、複数の用途に用いられています。

リレーの種類は、主に「有接点リレー」と「無接点リレー」の2種類に分けられます。

有接点リレーは名前のとおり接点を持つタイプです。「メカニカルリレー」とも呼ばれ、電気信号により接点を開閉することで、信号や電流のオン・オフ、回路の切り替えを行い、リレーとしての役割を果たします。対して無接点リレーは、可動する接点を持たないタイプです。無接点リレーには、「MOSFETリレー」や「ソリッドステートリレー（SSR）」などがあり、MOSFETをはじめとする半導体や電子部品によって構成されています。そのため、電子回路の働きにより、信号や電流のオン・オフ、回路の切り替えを電子的に行います。

以上のように、リレーの種類は、機械的な接点を用いるか、半導体による電子回路を用いるかによって、有接点リレーと無接点リレーの2種類に大きく分けられます。

リレーは半導体に置き換わりますか？

リレーは機能の上からは、パワートランジスタやFETなどの半導体と同様に、スイッチングデバイスと捉えることができます（図1）。両者を比較すると、動作速度や小型化の面では一般に半導体が有利であり、デジタル論理回路ではリレーに代わって半導体が使われるようになりました。

その一方で、機器の電源など、さほど高速な切り替えを必要とせず、比較的大きな電流をオン・オフする用途では、現在もリレーが使われています。

◀図1：リレーとパワートランジスタの基本構成の違い

リレーが使われる大きな理由の一つがコストです。図2は、開閉する電流の大きさとコストの関係を概念的に示したものです。半導体では、扱う電流が大きくなるにつれて、素子そのものに加えて放熱対策などのコストも増える傾向があります。一方、リレーでは、電流容量が増えても、コストの上昇は比較的緩やかです。そのため、使用条件や回路構成によっては、一定以上の電流領域でリレーがコスト面で有利になる場合があります。

図2：リレーと半導体スイッチのコスト比較（概念図）

※図中の「3～10A」は一般的な境界を示すものではありません。コストが逆転する電流領域は、製品、負荷電圧、回路構成、放熱条件などによって異なります。

リレーを使うもう一つの理由は、入力側（コイル側）と出力側（接点側）が電気的に絶縁されていることです。ACラインに接続された回路のオン・オフや、グラウンド電位が異なる機器間の信号切り替えなどでは、制御側と負荷側の電気的な分離が求められる場合があります。メカニカルリレーでは、コイル側と接点側が構造上分離されているため、製品の絶縁定格の範囲内で、リレーのコイル・接点間の絶縁を利用して接点側の回路を制御できます。

さらに、リレーと半導体スイッチを使い分ける際に重要なのが故障モードです。パワー半導体は、高温環境や過電圧、過電流などのストレスによって、端子間が短絡するショートモードで故障することがあります。一方、メカニカルリレーでは、接点の接触不良などによってオープンモードになる場合があります。

電源回路では、オープンモードで故障すると回路が遮断されるため、安全側に働く場合があります。この故障時の挙動は、リレーを選ぶ際の判断材料の一つです。車両など、高い安全性と信頼性が求められる分野では、こうした特性も踏まえて、リレーが従来から使われてきました。

ただし、半導体がオープンモードで故障する場合や、メカニカルリレーの接点が溶着して閉じたままになる場合もあります。メカニカルリレーが常に安全側に故障するわけではないため、実際の安全設計では、特定の故障モードだけを前提とせず、保護回路、冗長化、故障検出などを含めて、回路全体で安全性を確保することが重要です。

リレーの使い分けを教えてください。

有接点リレーの基本は、電磁石と連携したバネ構造のスイッチです。図3に、一般的なヒンジ型リレーの構造を示しました。現在流通しているリレーには、内部構造が見えない不透明な樹脂ケースに収められたものも多くあります。ヒンジ型リレーでは、接極子がヒンジ（hinge：ちょうつがい）を支点に動く構造になっています。コイルに通電していないときは、復帰バネによって接極子と可動接点が復帰位置に保たれています。コイルに通電すると、鉄心に生じた磁力によって接極子が吸引され、その動きが梃子（てこ）の機構を介して可動接点に伝わります。これにより接点が切り替わるとともに、接極子と鉄心によって閉磁路が形成されます。

図3：ヒンジ型リレーの基本構造

図4は、ヒンジ型リレーが動作する様子を示した写真です。

図4：ヒンジ型リレーの動作例

ちなみに、より大きな電流を扱う用途には、強い駆動力を得やすく、接点間隔を広くできるプランジャ（Plunger）型があります。反対に、小信号用途には、小さなリードスイッチを用いたリードリレーがあります。これらに対し、一般的な用途で広く使われているのがヒンジ型です。図5には、プランジャ型リレーとリードリレーの例を示します。

図5：大電流用途のプランジャ型リレー（左）と小信号用のリードリレー（右）

リレーの選び方では、出力側（接点側）の定格、入力側（コイル側）の定格、負荷条件、実装条件などを確認し、用途に合う仕様を選ぶことが重要です。

リレーの選択に際して肝になる仕様項目は何ですか？

リレーはスイッチとして使うわけですので、接点側の電流容量が出発点となり、これに開閉電圧、回路数、そしてコイル側の定格電圧などが続きます。機器の小型化や高密度実装の要求が強まっているため、寸法・形状や実装条件を優先して絞り込まれることも多くなりました。他のチェック事項としては、各種安全規格への対応状況などが挙げられます。

出発点となる接点電流は、定常値だけでなく、投入時の突入電流（ラッシュ電流）も考慮してください。接点定格は、抵抗負荷を基準とした条件で示されることが多いですが、コンデンサ負荷やモータなどでは、投入時の過渡現象として大きな突入電流が流れるためです。突入電流の大きさは負荷によって異なりますが、コンデンサ負荷やモータ負荷では定格電流を大きく上回る電流が流れる場合があります。また、交流負荷では、負荷の力率も考慮する必要があります。

接点電流に余裕のある選択が求められるわけですが、余裕があるからといって、大電流用のリレーで小信号を扱うことは好ましくありません。接点の構造や材質が電流容量ごとに最適化されており、製品ごとに最小適用負荷の目安も示されているためです。

接点電流とあわせて確認したいのが、接点の電圧定格です。電圧についても、定常時の値だけでなく、過渡時の変動を考慮してください。特に誘導性の負荷では、遮断時に大きな逆起電圧が発生します。

◀図6：接点定格の一例

また、図6に示す接点定格の例からもわかるように、電圧定格や開閉可能な負荷は、交流と直流で大きく異なります。リレーの選び方では、この点にも注意してください。

違いが出るのは、交流ではスイッチが開く際に発生するアーク（放電）が、電流が周期的にゼロになるときに消えやすいのに対して、直流ではそのような自然な電流ゼロ点がないためです。

回路数を確認する際には、仕様書などに記載される接点構成の記号も確認します。接点構成は、コイル無通電時の接点状態を基準として表されることが多いため、その意味を図7に示します。

◀図7：接点構成と表示記号

ACラインの両極を同時に遮断する必要がある場合には、2回路入りのものを使用して「両切り」とすることがあります。

回路設計上のポイントは何ですか？

メカニカルリレーの入力側（コイル側）は電磁石、出力側（接点側）はスイッチです。そのため、それぞれの側に留意点があります。まず出力側（接点側）では、一般のスイッチと同様に、接点側の電流・電圧定格に余裕を持たせてください。また、設計時には、投入時の突入電流を抑える対策や、遮断時の逆起電圧に対するサージ保護など、負荷側での回路的な対策をあらかじめ織り込んでおくことも重要です。

一方、コイルの定格電圧は、駆動回路でコイルに印加する電圧に合わせて選びます。ただし、メカニカルリレーにはヒステリシス（磁気履歴）特性があり、動作するときの感動電圧と、復帰するときの開放電圧が異なることを頭に入れておいてください（図8）。

◀図8：コイルの電圧と感動・開放動作の関係（概念図）

ちなみに、所定のセットまたはリセット用パルス電圧を加えると、その後コイルに通電しなくても状態を保持するラッチングタイプのリレーもあります。コイルへの通電が切り替え時だけで済むため、コイルの消費電力を抑えたい用途で選択肢になります（図9）。

◀図9：ラッチングリレーの一例

最近のリレーはずいぶん小さくなりましたね。

機器の小型化・高密度実装化に伴い、リレーも小型化が進んでいます。低背タイプや細型タイプなど、選択肢も増えています。ただ、リレーの小型化に伴い、使用上注意したいのが温度特性です。具体的には、リレーの発熱が動作特性に与える影響を理解しておく必要があります。

メカニカルリレーの入力側（コイル側）は電磁石ですから、コイルに流れる電流によって発熱し、コイルの温度は周囲よりも高くなります。メカニカルリレーは発熱部品であり、温度上昇によって動作に制限が生じる場合があるという認識を持ってください。

図10は、使用電圧と周囲温度の関係を示したグラフです。コイルにかかる電圧が高いほど消費電力が増え、発熱量も増します。コイル温度は、周囲温度に自己発熱による温度上昇分が加わって決まるため、周囲温度が高くなるほど最大許容印加電圧は低くなります。図の右下がりの直線による制限がそれで、一般電子部品のディレーティングと同じです。

特に直流コイルのメカニカルリレーでは、温度が高くなると、感動電圧（最小動作電圧）も上昇するという特性があります。これは、コイルの巻線抵抗に起因する現象です。コイルの起磁力は、電流と巻数の積（アンペア・ターン）で決まりますが、直流コイルは一般に定電圧で駆動されるため、オームの法則［電圧＝電流×抵抗］から、巻線抵抗の変化が動作に必要な電圧の変化に反映されます。銅の抵抗は温度が1℃上がると約0.4％増加するため、感動電圧も温度上昇に伴って高くなり、図の右上がりの直線はその関係を表しています。結果として、周囲温度が高くなるにしたがって使用できる電圧範囲は狭くなりますので、リレー周辺の温度が高くなりすぎないよう、部品配置などの実装面で放熱に配慮してください。

◀図10：周囲温度とコイル電圧

リレーの寿命があるってホントですか？

メカニカルリレーは、適切な条件で使用すれば信頼性の高い部品です。とはいえ、永遠に使えるわけではありません。接点が機械的に動くため、開閉を繰り返すにつれて機構部や接点が劣化し、やがて寿命に至ります。

いつ寿命に達するかは、開閉回数や負荷の軽重などの使用条件によって変わってきます。寿命を判断するときは、カタログに示された電気的寿命や寿命曲線の条件を確認し、実際の負荷条件に照らして判断してください。図11に、寿命曲線の一例を示します。

◀図11：寿命曲線の一例

なお、比較的大きな直流負荷を繰り返し開閉すると、接点材料や開閉条件によっては、プラス側の接点がくぼみ、マイナス側接点に突起が生じる「転移現象」が起こることがあります。図12に、その一例を示します。

◀図12：耐久試験による接点劣化例

他に気をつける点はありますか？

例えば、メカニカルリレーを使う目的のひとつに、入力側（コイル側）と出力側（接点側）の絶縁があります。そのため、メカニカルリレーが備える入力側・出力側間の絶縁性能や耐電圧を損なわないよう、基板レイアウトや配線にも配慮することが大切です。そのほかの注意点を考える際には、メカニカルリレーが可動部を持つ機械的部品であることを念頭に置く必要があります。

具体的には、振動や衝撃によって、意図せず接点が動く可能性があります。そのため、自動車のドア内部に組み込む場合など、大きな振動や衝撃が加わりやすい用途では、製品の耐振動・耐衝撃性能を確認し、必要に応じて取り付け方向にも配慮します。

なお、図13に示す例では、メカニカルリレーの応答時間は動作時間と復帰時間で異なり、動作に要する時間の方が長くなっています。動作には接点が移動する時間が含まれるため、サイズの大きなリレーや、高い開閉電圧に対応するために接点間のギャップを広くしたリレーでは、動作時間が長くなる傾向があります。また、微視的には接点がバウンドするチャタリングも起こります。これらは用途によって影響の程度が異なりますが、特に信号回路に使用する場合は、動作時間や復帰時間など、時間方向におけるリレーの動作を理解し、チャタリング対策など回路側での対処を忘れないでください。

◀図13：コイル印加電力と動作時間・復帰時間