スイッチ

電子工学では、スイッチは接点の配置によって分類されます。一対の接点は、一方から他方へ電流が流れることができるときに「閉じている」と言われます。接点が絶縁性の空気ギャップによって分離されている場合、それらは「開いている」と言われ、通常の電圧ではそれらの間に電流は流れません。^{[ 3 ]}接点を閉じることを「メイク」、接点を開くことを「ブレーク」という用語も広く使用されています。

スイッチ接点のバリエーションを説明するためにも、 「極」と「投」という用語が使用されます。「極」の数は、単一の物理的な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。たとえば、「2極」スイッチには、同じメカニズムを介して同時に開閉する2つの独立した並列接点セットがあります。「投」の数は、スイッチが各極に対して「開」以外の独立した配線経路の選択肢の数です。単投スイッチには、閉じるか開くかのいずれかの接点のペアが1つあります。複投スイッチには、他の2つの接点のいずれかに接続できる接点があり、三重投スイッチには、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。^{[ 4 ]}

押しボタンスイッチ のように、操作されない限り接点が1つの状態のままになるスイッチでは、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と略記）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くかのいずれかになります。両方のタイプの接点を持つスイッチは、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「メイク・ビフォア・ブレーク」（「MBB」または短絡）であるか、一方の回路を閉じる前に他方の回路を遮断する「ブレーク・ビフォア・メイク」（「BBM」または非短絡）のいずれかになります。

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）などです。SPDTは、2つの端子のいずれかを共通端子に接続します。電気配線（つまり、電気技師 による住宅や建物の配線）では、一般的に「-way」という接尾辞が付きますが、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方向と3方向という用語は異なる意味で使用されます）。  

極数または接点数が多いスイッチは、「S」または「D」を数字に置き換えることで表すことができます（例：3PST、SP4Tなど）。場合によっては、「T」（トリプル）または「Q」（クワッド）という文字を使用することもあります。この記事では、曖昧さを避けるため、 SPST、SPDT、および中間という用語を使用します。

スイッチングされる電力が十分に大きい場合、スイッチが開くと、スイッチ接点を横切る電子の流れが、接点間の微小な隙間を横切る空気分子をイオン化するのに十分となり、ガスプラズマ、すなわち電気アークが形成されます。プラズマは抵抗が低く、スイッチ接点間の距離が着実に増加しても電力の流れを維持できます。プラズマは非常に高温であり、スイッチ接点の金属表面を侵食する可能性があります（真空スイッチでも同様です）。電流アークは接点の著しい劣化と著しい電磁干渉（EMI）を引き起こすため、アーク抑制方法の使用が必要です。^{[ 13 ]}

電圧が十分に高い場合、スイッチが閉じられ接点が接近する際にアークが発生することがあります。電圧が接点間の空気の絶縁破壊電圧を超えるほど高ければ、スイッチが完全に閉じて接点同士が接触するまでアークが発生し続けます。

いずれの場合も、アークの発生を最小限に抑え、接点の損傷を防ぐための標準的な方法は、高速で動作するスイッチ機構を使用することです。通常、スイッチ制御の操作速度に関わらず、スイッチ接点が素早く動くように、バネ式のティッピングポイント機構が用いられます。スイッチ制御レバーを動かすとバネに張力が加わり、ティッピングポイントに達すると、バネの張力が解放され、接点が突然開閉します。

スイッチングされる電力が増加するにつれて、アークの発生を最小限に抑えたり防止したりするために、他の方法が用いられる。プラズマは高温であるため、対流による空気の流れによって上昇する。アークは、スイッチ接点間の距離に渡って配置された一連の非導電性ブレードによって消弧することができる。アークが上昇するにつれて、ブレード間の空間に隆起部が形成され、アークの長さが増加する。最終的にアークが長くなりすぎて維持できなくなり、消弧される。パファーを使用して、スイッチ接点に高速のガスを瞬間的に吹き付けることで、アークの長さを急速に伸ばし、速やかに消弧することもできる。

非常に大型のスイッチでは、アークをより迅速に消弧するために、スイッチ接点が空気以外の物質で囲まれていることが多い。例えば、スイッチ接点は真空中、鉱物油中、または六フッ化硫黄中で動作する。

交流電源では、電流が周期的にゼロ点を通過するため、開閉時にアーク放電が発生しにくくなります。メーカーは、直流 回路で使用する場合、スイッチの定格電圧または定格電流を低く設定することがあります。

大きな電力を切り替えるスイッチを設計する場合、スイッチの過渡状態と、連続動作電流に耐える能力の両方を考慮する必要があります。スイッチがオン状態のときは、抵抗はほぼゼロで、接点での電力損失はごくわずかです。スイッチがオフ状態のときは、抵抗は非常に高く、接点での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たとき、抵抗は負荷の定格電力の4分の1 （負荷が純粋な抵抗でない場合はさらに大きい）がスイッチ内で一時的に低下する状態を経由する必要があります。

このため、負荷電流を遮断することを目的とした電源スイッチには、ユーザーがロッカースイッチを動かす速度に関係なく、オンとオフの切り替え時間をできるだけ短くするためのバネ機構が備えられています。

電源スイッチには通常2種類あります。モーメンタリー式オン/オフスイッチ（レーザーポインターなどに使用されているもの）はボタン型で、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（懐中電灯などに使用されているもの）は常時オン/オフの状態を維持します。デュアルアクションスイッチは、これら両方の機能を兼ね備えています。

電動機などの強い誘導性負荷のスイッチをオフにすると、電流は瞬時にゼロにならず、開いた接点間で火花が発生します。誘導性負荷用のスイッチは、このような場合に対応できる定格でなければなりません。火花は抑制されないと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で火花を抑制できます。^{[ 14 ]}

白熱電球は点灯時に定常電流の約10倍の大きな突入電流を流します。フィラメントが熱くなると抵抗が上昇し、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。 ^{[ 15 ]}

湿潤電流とは、機械式スイッチの動作中にスイッチ接点に付着した酸化膜を破るために流れる必要のある最小電流のことです。 ^{[ 16 ]}酸化膜は湿度が高い場所でよく発生します。センサー入力として接触圧力の小さい繊細なスイッチを使用するシステムを設計する際には、十分な湿潤電流を供給することが重要なステップとなります。これを怠ると、接点の酸化によりスイッチが電気的に「開いた」状態のままになる可能性があります。

スイッチは通常、一度操作されると設定された位置を維持します。バイアススイッチは、操作者がスイッチを離すと、別の位置にバネで移動す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」（またはノーマルオープン、NO）スイッチで、ボタンを押すと接点が接続され、ボタンを離すと接点が切断されます。たとえば、コンピューターのキーボードの各キーは、ノーマルオープンの「プッシュ・トゥ・メイク」スイッチです。一方、「プッシュ・トゥ・ブレーク」（またはノーマルクローズ、NC）スイッチは、ボタンを押すと接点が切断され、ボタンを離すと接点が接続されます。プッシュ・トゥ・ブレークスイッチの例としては、電磁石で閉じられたドアを開けるためのボタンがあります。家庭用冷蔵庫の庫内灯は、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少なくとも2つの位置で操作します。スイッチの1つ以上の位置はモーメンタリー（バネでバイアスされている）である場合があり、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。その他の位置には、離したときにその位置を保持するためのクリック機構が備わっている場合があります。ロータリースイッチは、複数の回路を制御できるように、複数のレベルまたは「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、カムのように表面から突き出た接点アーム（スポーク）を備えたスピンドル（ローター）で構成されています。ローターの周囲には円状に配置された端子アレイがあり、それぞれの端子がスポークの接点として機能し、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ように層状になっており、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デテント機構があり、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「カチッ」と切り替わります。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多くの極数とストローク数を提供できます。

他のタイプでは、カム機構を用いて複数の独立した接点セットを動作させる。

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として、電気計測機器のレンジセレクターとして、マルチバンドラジオのバンドセレクターとして、その他同様の用途で使用されていました。産業界では、ロータリースイッチは計測機器、開閉装置、または制御回路の制御に使用されています。例えば、無線制御の天井クレーンには、運転室内の手動制御装置からの有線制御信号をリモートコントロール受信機の出力に転送するための、大型のマルチ回路ロータリースイッチが備えら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、または揺動機構によって手動で操作される電気スイッチの一種です。

トグルスイッチは、さまざまなスタイルとサイズがあり、数多くの用途で使用されています。多くは、複数の電気接点を同時に作動させたり、大電流や主電源電圧を制御したりするよう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本の腕が肘のような支点によって接続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」という表現は、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。^{[ 17 ]}このタイプのスイッチの非常に一般的な用途は、ライト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連動させることができます。

特にコンピューティングの分野では、トグルスイッチ、またはトグル操作は、機械的な構造に関係なく、作動するたびに2つの状態を交互に切り替える機械式またはソフトウェアスイッチという別の意味で理解されることがある。^{[ 18 ]}例えば、コンピュータのCaps Lockキーは、1回押すとすべての文字が大文字になり、もう一度押すと小文字に戻る。^{[ 18 ]}

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の滴が入っている構造になっている。2つの接点はガラスを貫通しており、ガラス球を傾けて水銀が接点に流れ込むと、水銀によって接続される。

このタイプのスイッチは、ボール傾斜スイッチよりもはるかに優れた性能を発揮します。液体金属接続は、汚れ、ゴミ、酸化の影響を受けず、接点を湿潤させることで非常に低い抵抗値でチャタリングのない接続を実現し、動きや振動によって接触不良を起こすこともありません。これらのタイプは、精密作業に適しています。

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所など）でも使用できます。

ナイフスイッチは、片端がヒンジで繋がれた平らな金属刃、操作用の絶縁ハンドル、および固定接点から構成されます。スイッチを閉じると、電流はヒンジで繋がれた支点と刃、そして固定接点を流れます。このようなスイッチは通常、筐体に収められていません。刃と接点は、用途に応じて銅、鋼、または真鍮で形成されます。固定接点はバネで補強される場合もあります。複数の平行な刃を1つのハンドルで同時に操作できます。部品は、配線用の端子を備えた絶縁ベースに取り付けることも、大型アセンブリとして絶縁スイッチボード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接触できない場所、または電圧が危険とならないほど低い場所でのみ使用されます。

ナイフスイッチは、小型のものから数千アンペアの電流を扱う大型のものまで、さまざまなサイズで製造されています。送配電においては、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、開閉速度が遅いことと、作業者が露出した活電部に近接していることである。金属密閉型の安全遮断スイッチは、産業用配電における回路の遮断に使用される。場合によっては、開閉時に一時的に全電流を流し、その後素早く開いてアークを迅速に消火するバネ仕掛けの補助ブレードが取り付けられる。

DPDTスイッチは6つの接続端子を備えていますが、極性反転はDPDTスイッチの一般的な用途であるため、DPDTスイッチのバリエーションの中には、極性反転専用に内部配線されたものがあります。これらのクロスオーバースイッチは、6つではなく4つの端子しか備えていません。そのうち2つは入力、2つは出力です。バッテリーなどの直流電源に接続すると、4方向スイッチは正極性または逆極性のいずれかを選択します。このようなスイッチは、複数のスイッチでランプを制御する多方向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。