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電気工学において、スイッチとは、電気回路内の導電経路を切断または接続することで電流を遮断したり、ある導体から別の導体に電流を流したりできる電気部品です。[ 1 ] [ 2 ]最も一般的なタイプのスイッチは、外部回路に接続された1組以上の可動電気接点からなる電気機械装置です。一対の接点が接触しているときは電流が流れますが、接点が離れているときは電流は流れません。
スイッチはさまざまな構成で作られています。同じノブまたはアクチュエータで制御される複数の接点セットがある場合があり、接点は同時に、順番に、または交互に動作します。スイッチは、手動で操作される場合があり (たとえば、照明スイッチやキーボードのボタン)、またはサーモスタットのように、機械部品の位置、液面、圧力、または温度を感知する感知要素として機能する場合があります。トグル スイッチ、ロータリー スイッチ、水銀スイッチ、押しボタンスイッチ、反転スイッチ、リレー、回路ブレーカーなど、多くの特殊な形式が存在します。一般的な用途は照明の制御で、複数のスイッチを 1 つの回路に配線して、照明器具を簡単に制御できるようにします。高電力回路のスイッチは、開いたときに破壊的なアーク放電を防ぐために特別な構造にする必要があります。

最も一般的なスイッチは、外部回路に接続された1組以上の電気接点を備えた、手動で操作する電気機械装置です。各接点は2つの状態のいずれかを取ります。「閉」状態は接点が接触し、電気が流れる状態です。「開」状態は接点が分離し、スイッチが非導通状態です。これらの2つの状態(開または閉)間の遷移を駆動するメカニズムは、通常(他の種類の動作もありますが)「オルタネートアクション」(スイッチを切り替えて連続的にオンまたはオフにする)または「モメンタリー」(押すとオン、離すとオフ)のいずれかです。
スイッチは、コンピュータのキーボードのボタンなどのシステムへの制御信号として人間が直接操作したり、照明スイッチなどの回路内の電力フローを制御するために使用できます。自動操作スイッチは、機械の動作を制御するために使用できます。たとえば、ガレージのドアが完全に開いた位置に達したことや、工作機械が別のワークピースを受け入れる位置にあることを示すなどです。スイッチは、圧力、温度、流量、電流、電圧、力などのプロセス変数によって操作され、プロセス内のセンサーとして機能し、システムを自動制御するために使用されます。たとえば、サーモスタットは、加熱プロセスを制御するために使用される温度操作スイッチです。別の電気回路によって操作されるスイッチは、リレーと呼ばれます。大型のスイッチは、モーター駆動機構によって遠隔操作される場合があります。一部のスイッチは、システムから電力を分離するために使用されます。これにより、メンテナンス中に機械が誤って操作されたり、感電したりしないように、必要に応じて南京錠で施錠できる目に見える分離ポイントが提供されます。
理想的なスイッチは、閉じた状態で電圧降下がなく、電圧定格や電流定格に制限がありません。状態変化時の立ち上がり時間と立ち下がり時間はゼロで、オンとオフの間を「バウンス」することなく状態が変化します。
実際のスイッチはこの理想には達していません。粗さや酸化膜の影響で、接触抵抗、処理可能な電流と電圧の限界、スイッチング時間の有限性などが見られます。理想的なスイッチは、解くべき方程式系を大幅に簡素化するため、回路解析でよく用いられますが、解の精度が低下する可能性があります。電話交換機などに使用される大規模なスイッチネットワークの設計では、非理想的な特性の影響を理論的に扱う必要があります。

最も単純なスイッチには、接点と呼ばれる 2 つの導電片があり、外部回路に接続されています。これらの導電片が接触すると回路が確立 (接続) され、離れると回路が開き (切断) ます。接点材料は耐腐食性に基づいて選択されます。ほとんどの金属は絶縁酸化物を形成し、スイッチの動作を妨げるためです。接点材料はまた、電気伝導性、硬度 (耐摩耗性)、機械的強度、低コスト、低毒性に基づいて選択されます。接触表面での酸化物層の形成、および表面粗さや接触圧力によって、機械式スイッチの接触抵抗と濡れ電流が決まります。優れた導電性と耐腐食性を実現するために、接点に貴金属メッキが施される場合もあります。接点は、汚れを落とすために互いにこすり合わせるように設計される場合もあります。導電性プラスチックなどの非金属導体が使用される場合もあります。絶縁酸化物の形成を防ぐため、特定のスイッチ設計に対して最小濡れ電流が指定される場合があります。

電子工学において、スイッチは接点の配置によって分類されます。一対の接点が一方から他方へ電流を流せる状態を「閉」といいます。接点が絶縁性の空隙によって隔てられている状態を「開」といいます。通常の電圧では、接点間に電流は流れません。接点が閉じている状態を「メイク」、接点が開いている状態を「ブレーク」という用語で表現することも広く用いられています。
極と投という用語も、スイッチの接点のバリエーションを表す際に用いられます。「極」の数は、単一の物理的アクチュエータによって制御される電気的に独立したスイッチの数です。例えば、「2極」スイッチには、同じメカニズムによって同時に開閉する2組の独立した並列接点があります。「投」の数は、各極に対してスイッチが採用できる「開」以外の配線経路の選択肢の数です。単投スイッチには、閉じるか開くかのどちらかの接点が1組あります。双投スイッチには、他の2つの接点のいずれかに接続できる接点があり、三投スイッチには、他の3つの接点のいずれかに接続できる接点があります。[ 3 ]
押しボタンスイッチ など、操作しない限り接点が一定の状態を維持するスイッチでは、接点はスイッチの操作によって閉じられるまで常時開(「no」または「no 」またはNOと略される)であるか、常時閉(「nc」または「nc」またはNC)[注 1 ]でスイッチの動作によって開かれるかのいずれかになります。両方のタイプの接点を備えたスイッチは、切替スイッチまたは双投スイッチと呼ばれます。これらは、両方の回路を瞬間的に接続する「メークビフォアブレーク」(「MBB」または短絡)の場合と、一方の回路を閉じる前にもう一方の回路を遮断する「ブレークビフォアメーク」(「BBM」または非短絡)の場合があります。
これらの用語は、電子産業で使用されるスイッチの種類を表す略語を生み出しました。例えば、「単極単投」(SPST)(最も単純なタイプで「オンまたはオフ」)や「単極双投」(SPDT)(2つの端子のいずれかを共通端子に接続する)などです。電力配線(電気技師による住宅や建物の配線)では、一般的に名称に接尾辞「-way」が付きます。ただし、これらの用語はイギリス英語とアメリカ英語で異なります(つまり、 「2ウェイ」と「3ウェイ」という用語は異なる意味で使用されます)。
| 電子機器の仕様と略語 | 略語 の拡張 | 英国の主電源配線名 | アメリカの電気配線名 | 説明 | 概略図 | シンボル IEC 60617 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SPST(1P1T) | 単極単投 | 一方通行 | 双方向 | 単純なオンオフスイッチ:2つの端子は互いに接続または切断されます。例としては、照明スイッチが挙げられます。 | ||
| SPST-NO フォームA [ 4 ] | 単極単投、常時開 | シンプルなオンオフスイッチ。2つの端子は通常は接続されていない(開いている)状態ですが、スイッチがオンになると閉じます。例としては、押しボタンスイッチが挙げられます。 | ||||
| SPST-NCフォームB [ 4 ] | 単極単投、常時閉 | シンプルなオンオフスイッチ。2つの端子は通常は接続(閉)されており、スイッチがオンになると開きます。例としては、押しボタンスイッチが挙げられます。 | ||||
| SPDTフォームC [ 4 ] | 単極双投 | 双方向 | 三者間 | シンプルなブレークビフォアメイク切り替えスイッチ: C (COM、共通) は L1 または L2 のいずれかに接続されます。 | ||
| SPCO SPTT、co | 単極切替または単極、センターオフまたは単極、トリプルスロー | SPDTに似ています。一部のサプライヤーは、中央に安定したオフ位置があるスイッチにはSPCO/SPTTを使用し、そうでないスイッチにはSPDT を使用します。 | ||||
| 直列スイッチまたは2回路スイッチ | ||||||
| DPST(2P1T) | 双極単投 | ダブルポール | ダブルポール | 1 つのメカニズムによって制御される2 つのSPSTスイッチに相当します。 | ||
| DPDT(2P2T) | ダブルポール、ダブルスロー | 1 つのメカニズムによって制御される2 つのSPDTスイッチに相当します。 | ||||
| DPCO | ダブルポールチェンジオーバー またはダブルポール、センターオフ | 回路図上はDPDTと同等です。一部のサプライヤーは、安定したセンターポジションを持つスイッチにDPCOを使用し、センターポジションを持たないスイッチにDPDTを使用します。センターポジションを持つDPDT/DPCOスイッチは、センターで「オフ」(L1とL2のどちらにも接続されていない状態)になるか、「オン」(L1とL2の両方に同時に接続された状態)になります。このようなスイッチの位置は、一般的にそれぞれ「オン-オフ-オン」および「オン-オン-オン」と呼ばれます。 | ||||
| 4ウェイクロスオーバースイッチ | 中間スイッチ | 4方向スイッチ | 極性反転用途向けに内部配線されたDPDTスイッチ。スイッチハウジングから外部に引き出される配線は6本ではなく4本のみです。クロススイッチ、クロスオーバースイッチ、または反転スイッチとも呼ばれます。 | |||
| 2P6T | 2本のポール、6本の投げ | COM (共通) を備えた切替スイッチ。L1、L2、L3、L4、L5、または L6 に接続でき、2 番目のスイッチ (2P、2 極) は単一のメカニズムによって制御されます。 |
より多くの極数または投数を持つスイッチは、「S」または「D」を数字(例:3PST、SP4Tなど)に置き換えることで表すことができます。また、場合によっては文字「T」(「トリプル」の略)または「Q」(「クアドラプル」の略)に置き換えることもできます。この記事の残りの部分では、曖昧さを避けるため、 SPST、SPDT、および中間スイッチという用語を使用します。

接点バウンス(チャタリングとも呼ばれる)は、機械式スイッチ、リレー、およびバッテリー接点でよく見られる問題で、インターフェースにおける電気接触抵抗(ECR)現象の結果として生じる。スイッチとリレーの接点は通常、弾力性のある金属でできている。接点が接触すると、その運動量と弾性が共働して、安定した接触状態になる前に 1 回以上バウンドする。その結果、ゼロから最大電流へのきれいな遷移ではなく、急速にパルス状の電流が発生する。この影響は通常、電力回路では重要ではないが、オンオフ パルスをデータ ストリームと誤認するほど高速に応答する一部のアナログ回路やロジック回路では問題が生じる。 [ 5 ]マイクロ接点の設計では、表面構造(表面粗さ)を制御し、金属表面の不動態化層の形成を最小限に抑えることが、チャタリングの抑制に役立つ。
ハモンドオルガンでは、鍵盤の鍵盤の下で複数のワイヤーが押し合わされています。このワイヤーが跳ねてスイッチが非同期に閉じる現象はハモンド・クリックと呼ばれ、この特徴を活かし強調した楽曲も存在します。一部の電子オルガンには、この効果音を再現したスイッチが搭載されています。[ 6 ]

接触バウンスの影響は、次の方法で排除できます。
これらすべての方法は「デバウンス」と呼ばれます。
スイッチングされる電力が十分に大きい場合、スイッチ接点を流れる電子は、スイッチが開くと接点間の小さな隙間の空気分子をイオン化するのに十分であり、ガスプラズマ(電気アークとも呼ばれる)を形成する。プラズマは抵抗が低く、スイッチ接点間の分離距離が着実に増加しても電力の流れを維持することができる。プラズマはまた非常に高温であり、スイッチ接点の金属表面を侵食する可能性がある(真空スイッチでも同様)。電流アークは接点の重大な劣化と重大な電磁干渉(EMI)を引き起こすため、アーク抑制方法の使用が必要となる。[ 7 ]
電圧が十分に高い場合、スイッチが閉じて接点が接近するとアークが発生することがあります。電圧が接点を隔てる空気の絶縁破壊電圧を超えるほど高ければ、アークが発生し、スイッチが完全に閉じてスイッチ面が接触するまで持続します。
いずれの場合も、アーク発生を最小限に抑え、接点損傷を防ぐ標準的な方法は、高速スイッチ機構を使用することです。一般的には、スプリング式のティッピングポイント機構を採用し、ユーザーがスイッチを操作する速度に関係なく、スイッチ接点の迅速な動作を保証します。スイッチ制御レバーを動かすと、スプリングに張力が加わり、ティッピングポイントに達すると、スプリングの張力が解放され、接点が突然開閉します。
スイッチング電力が増加すると、アークの発生を最小限に抑える、あるいは防止するための他の方法が用いられます。プラズマは高温であり、対流によって上昇します。アークは、スイッチ接点間の距離にわたって設置された一連の非導電性ブレードによって消弧できます。アークが上昇するにつれて、ブレード間の空間に隆起部を形成し、長さが増加します。そして、アークが長すぎて維持できなくなると、消弧します。パッファーを使用してスイッチ接点全体に高速のガスを突然噴射することで、アークの長さを急速に伸ばし、速やかに消弧することができます。
非常に大型のスイッチでは、アークをより速く消弧させるために、スイッチ接点が空気以外の物質で囲まれていることがよくあります。例えば、スイッチ接点は真空中、鉱油中、または六フッ化硫黄中に浸漬された状態で作動する場合があります。
AC電源では、電流が周期的にゼロを通過するため、開路時にアーク放電を維持することが困難になります。メーカーによっては、DC回路で使用する場合、スイッチの定格電圧または電流値を低く設定する場合があります。
大きな電力を切り替えるようにスイッチを設計する場合、スイッチの過渡状態と連続動作電流への耐性を考慮する必要があります。スイッチがオン状態のとき、抵抗はほぼゼロで、接点における電力損失はごくわずかです。一方、スイッチがオフ状態のとき、抵抗は非常に高く、接点における電力損失はさらに少なくなります。しかし、スイッチを切り替える際には、負荷の定格電力の4分の1(負荷が純粋な抵抗性でない場合はさらに大きな値)がスイッチに瞬間的に降下する状態を抵抗が通過する必要があります。
このため、負荷電流を遮断するための電源スイッチには、ユーザーがロッカーを動かす速度に関係なく、オンとオフの間の遷移が可能な限り短くなるように、スプリング機構が備わっています。
電源スイッチには通常2種類あります。モメンタリーオンオフスイッチ(レーザーポインターなど)は通常ボタンの形をしており、ボタンを押している間だけ回路が閉じます。通常のオンオフスイッチ(懐中電灯など)は、常時オンオフ機能を備えています。デュアルアクションスイッチは、これらの両方の機能を備えています。
電気モーターなどの強い誘導負荷をオフした場合、電流は瞬時にゼロに低下することはできず、開いた接点に火花が飛び散ります。誘導負荷用のスイッチは、このような状況に対応できる定格でなければなりません。火花は抑制されなければ電磁干渉を引き起こします。抵抗とコンデンサを直列に接続したスナバ回路によって火花を抑制できます。[ 8 ]

白熱電球は点灯すると、定常電流の約10倍の大きな突入電流を流します。フィラメントが加熱されると抵抗が上昇し、電流は定常値まで減少します。白熱電球負荷用に設計されたスイッチは、この突入電流に耐えることができます。 [ 9 ]
濡れ電流とは、機械式スイッチの動作中にスイッチ接点に堆積している可能性のある酸化皮膜を破るためにスイッチに流す必要のある最小電流です。 [ 10 ]酸化皮膜は湿度の高い場所でよく発生します。十分な濡れ電流を供給することは、接触圧の低い繊細なスイッチをセンサー入力として使用するシステムを設計する上で重要なステップです。十分な濡れ電流を供給しないと、接点の酸化によりスイッチが電気的に「開」状態のままになる可能性があります。
接点に操作力を加える可動部品はアクチュエータと呼ばれ、トグルまたはドリー、ロッカー、押しボタン、またはあらゆる種類の機械的リンケージになります(写真を参照)。
スイッチは通常、一度操作すると設定された位置を維持します。バイアススイッチは、操作者が手を離すと別の位置に跳ね上がる機構を備えています。モーメンタリプッシュボタンスイッチはバイアススイッチの一種です。最も一般的なタイプは「プッシュ・トゥ・メイク」(またはノーマリーオープン、NO)スイッチで、ボタンを押すと接点が開き、ボタンを離すと接点が切れます。例えば、コンピュータキーボードの各キーは、ノーマリーオープンの「プッシュ・トゥ・メイク」スイッチです。一方、「プッシュ・トゥ・ブレイク」(またはノーマリークローズ、NC)スイッチは、ボタンを押すと接点が切れ、ボタンを離すと接点が開きます。プッシュ・トゥ・ブレイクスイッチの例として、電磁石によって閉じられたドアを開けるためのボタンが挙げられます。家庭用冷蔵庫の内灯は、ドアが閉じているときに開いたままになるスイッチによって制御されます。

ロータリースイッチは、操作ハンドルを回すことで作動し、少なくとも2つの位置があります。スイッチの1つまたは複数の位置はモメンタリ式(バネで固定)で、操作者はスイッチをその位置に保持する必要があります。他の位置には、手を離しても位置を保持するための戻り止め機構が付いているものもあります。ロータリースイッチは、複数の回路を制御できるように、複数のレベル(デッキ)を備えている場合があります。
ロータリースイッチの一種は、スピンドル(「ローター」)で構成され、その表面からカムのように突出する接触アーム(「スポーク」)を備えています。ローターの周囲には、端子が円形に配置されており、各端子は「スポーク」の接点として機能し、スポークを介して様々な電気回路のいずれかをローターに接続できます。スイッチは複数の極を使用できる層構造になっており、各層が1つの極に相当します。通常、このようなスイッチには戻り止め機構が備わっており、中間位置で停止するのではなく、あるアクティブ位置から別のアクティブ位置へと「クリック」するように動作します。そのため、ロータリースイッチは、より単純なスイッチよりも優れた極数と投射数の制御能力を備えています。
他のタイプでは、カム機構を使用して複数の独立した接点セットを操作します。
ロータリースイッチは、1970年代初頭までテレビ受信機のチャンネルセレクター、電気計測機器のレンジセレクター、マルチバンドラジオのバンドセレクターなど、様々な用途で使用されていました。産業界では、計測機器、配電装置、制御回路の制御にロータリースイッチが使用されています。例えば、無線操作式天井クレーンには、運転室内の手動操作部からリモートコントロール受信機の出力にハードワイヤード制御信号を伝送するために、大型の多回路ロータリースイッチが搭載されている場合があります。



トグルスイッチまたはタンブラー スイッチは、機械的なレバー、ハンドル、またはロッキング機構 によって手動で作動する電気スイッチの一種です。
トグルスイッチは様々なスタイルとサイズがあり、様々な用途に使用されています。多くのスイッチは、複数の電気接点セットを同時に作動させたり、大電流や主電圧を制御したりするために設計されています。
「トグル」という言葉は、ほぼ一直線上に並んだ2本のアームが肘のような軸で連結された機構または関節の一種を指します。しかし、「トグルスイッチ」という用語は、実際にトグル機構を備えているかどうかに関わらず、短いハンドルと確実なスナップアクションを備えたスイッチに適用されます。同様に、明確なクリック音が聞こえるスイッチは「確実なオンオフスイッチ」と呼ばれます。[ 11 ]このタイプのスイッチの非常に一般的な用途は、照明やその他の電気機器のオン/オフを切り替えることです。複数のトグルスイッチは、禁止された組み合わせを防ぐために機械的にインターロックされる場合があります。
いくつかの文脈、特にコンピューティングにおいては、トグルスイッチ、あるいはトグル動作は、機械的な構造に関わらず、作動するたびに2つの状態を交互に切り替える機械的またはソフトウェア的なスイッチという異なる意味で理解されます。例えば、コンピューターのCaps Lockキーを一度押すと、すべての文字が大文字で表示されます。もう一度押すと、小文字に戻ります。

スイッチは、振動 (振動スイッチ)、傾き、空気圧、液面 (フロート スイッチ)、キーの回転 (キー スイッチ) 、直線または回転運動 (リミットスイッチまたはマイクロスイッチ)、磁場の存在 (リード スイッチ) など、あらゆる種類の機械的刺激に反応するように設計できます。多くのスイッチは、何らかの環境条件の変化や機械の動作によって自動的に操作されます。リミット スイッチは、たとえば工作機械で、ツールを適切な位置に連動させて操作を行うために使用されます。暖房または冷房システムでは、セイル スイッチによってダクト内の空気の流れが適切であることを保証します。圧力スイッチは流体の圧力に反応します。
水銀スイッチは、2つ以上の接点を持つガラス球の中に水銀滴を封入したものです。2つの接点はガラス球を貫通しており、球を傾けて水銀が接点に接触すると、接点同士が水銀によって接続されます。
このタイプのスイッチは、液体金属接続部が汚れ、ゴミ、酸化の影響を受けないため、ボールチルトスイッチよりもはるかに優れた性能を発揮します。接点を濡らすことで、非常に低い抵抗でバウンスのない接続が確保され、動きや振動による接触不良も発生しません。これらのタイプは精密作業に使用できます。
ユニット全体が密閉されているため、アーク放電が危険な場所(爆発性蒸気が存在する場合など)でも使用できます。
ナイフ スイッチは、一端がヒンジで接続された平らな金属ブレード、操作用の絶縁ハンドル、および固定接点で構成されています。スイッチが閉じると、電流はヒンジで接続されたピボットとブレード、および固定接点を通って流れます。このようなスイッチは通常密閉されていません。ナイフと接点は、アプリケーションに応じて通常銅、鋼、または真鍮で作られています。固定接点は、スプリングでバックアップされている場合があります。1 つのハンドルで複数の平行なブレードを同時に操作できます。部品は、配線用端子を備えた絶縁ベースに取り付けることも、大きなアセンブリで絶縁配電盤に直接ボルトで固定することもできます。電気接点が露出しているため、このスイッチは、人が誤ってスイッチに触れることがないように、または電圧が危険を及ぼさないほど低い場合にのみ使用されます。
ナイフスイッチは、小型スイッチから数千アンペアの電流を流す大型デバイスまで、様々なサイズで製造されています。送電・配電においては、ギャングスイッチが最高電圧までの回路で使用されています。
ナイフスイッチの欠点は、開路速度が遅いことと、作業者が露出した活電部に近接していることです。金属製の筐体に収められた安全遮断スイッチは、産業用配電回路の遮断に使用されます。スプリング式の補助ブレードが取り付けられている場合もあります。補助ブレードは、開路時に一時的に全電流を流し、その後急速に開いてアークを消弧します。
DPDTスイッチには6つの接続端子がありますが、極性反転はDPDTスイッチの非常に一般的な用途であるため、一部のDPDTスイッチには極性反転専用の内部配線が施されています。これらのクロスオーバースイッチは、6つの端子ではなく4つの端子のみを備えています。端子のうち2つは入力、2つは出力です。バッテリーなどのDC電源に接続すると、4ウェイスイッチは通常の極性または反転極性のいずれかを選択します。このようなスイッチは、2つ以上のスイッチでランプを制御するマルチウェイスイッチングシステムの中間スイッチとしても使用できます。
スライド スイッチは、開 (オフ) 位置から閉 (オン) 位置まで移動 (スライド) するスライダーを使用する機械式スイッチです。
スイッチという用語はその後、スイッチング機能を果たすものの、純粋に機械的ではなく能動素子によって電子的に制御される様々な固体電子機器を指すようになりました。これらは電子スイッチに分類されます。電気機械スイッチ(従来のリレー、電気機械クロスバー、ストロージャースイッチなど)は、この分類を橋渡しする役割を果たします。