スイッチ

電気工学において、スイッチは電気回路内の導電経路を切断または接続し、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で構成される電気機械装置です。1組の接点が接触しているときは電流がその間を流れますが、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によって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あり、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。

最もよく知られているスイッチの形態は、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される電気機械装置です。各接点セットは、接点が接触して電気が流れる「閉じた状態」と、接点が離れておりスイッチが非伝導状態である「開いた状態」の 2 つの状態のいずれかになります。これらの 2 つの状態 (開いた状態または閉じた状態) 間の遷移を作動させるメカニズムは、通常 (他の種類の動作もあります)、「交互動作」(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「瞬間動作」(押すと「オン」になり、放すと「オフ」になる) 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、電灯スイッチなどの回路内の電力の流れを制御したり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ために使用できます。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、システムを自動的に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リモート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るのを防ぐため、または感電を防ぐために、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、閉じたときに電圧降下がなく、電圧または電流定格に制限がありません。状態の変化中の立ち上がり時間と立ち下がり時間はゼロで、オンとオフの位置の間で「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。粗さと酸化膜の結果として、接触抵抗、処理できる電流と電圧の制限、有限のスイッチング時間などが現れます。理想的なスイッチは、解くべき方程式のシステムを大幅に簡素化するため、回路解析でよく使用されますが、これにより精度の低い解が得られる可能性があります。電話交換機などで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処理する必要があります。

最も単純なケースでは、スイッチには接点と呼ばれる 2 つの導電性部品があり、外部回路に接続されています。接点が接触すると回路が完成し (接続)、離れると回路が開きます (切断)。接点の材質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。接点の材質は、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、表面粗さ、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のため、接点に貴金属メッキが施されることがあります。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ことがあります。導電性プラスチックなどの非金属導体が使用されることもあります。絶縁酸化物の形成を防ぐために、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ことがあります。

電子機器では、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場合、 「閉じている」状態にあるとされています。接点が絶縁性の空隙によって分離されている場合、「開いている」状態にあり、通常の電圧では接点間に電流が流れません。接点が閉じていることを「メイク」、接点が開いていることを「ブレーク」という用語も広く使用されています。

極と投という用語も、スイッチ接点のバリエーションを説明するために使用されます。「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。たとえば、「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 つの独立した並列接点セットがあります。「投」の数は、各極に対してスイッチが採用できる「開」以外の個別の配線パスの選択肢の数です。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]

プッシュボタンスイッチ など、作動しない限り接点が 1 つの状態のままであるスイッチでは、接点は、スイッチの操作によって閉じられるまで通常は開いている(「no」または「no」と略される) か、通常は閉じていて(「nc」または「nc」) ^{[注 1]}、スイッチの動作によって開くかのいずれかになります。両方の種類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「メークビフォアブレーク」(「 MBB 」または短絡) か、または 1 つの回路を閉じる前にもう 1 つの回路を遮断する「ブレークビフォアメーク」(「BBM」または非短絡) です。

これらの用語は、電子産業で使用されるスイッチの種類の略語を生み出しました。たとえば、「単極単投」(SPST) (最も単純なタイプ、「オンまたはオフ」) や、「単極双投」(SPDT) などです。これらは、2 つの端子のいずれかを共通端子に接続します。電力配線 (つまり、電気技師による住宅や建物の配線) では、名前には通常、接尾辞「-way」が含まれますが、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 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)。

極数や投数が多いスイッチは、「S」または「D」を数字（例：3PST、SP4T など）に置き換えることで説明できます。また、場合によっては文字「T」（「トリプル」）または「Q」（「クアドラプル」）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、あいまいさを避けるために、 SPST、SPDT、中間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）現象の結果として発生します。スイッチとリレーの接点は通常、弾力性のある金属で作られています。接点がぶつかると、その運動量と弾性が一緒に作用して、安定した接触になる前に1回以上バウンドします。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します。この影響は通常、電力回路では重要ではありませんが、オンオフパルスをデータストリームと誤って解釈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を引き起こします。 ^[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ちます。

ハモンドオルガンでは、複数のワイヤーがピアノの鍵盤の下で一緒に押されます。スイッチが跳ねて非同期に閉じる音はハモンドクリックと呼ばれ、この機能を活用し強調する楽曲も存在します。一部の電子オルガンには、この音響効果の切り替え可能なレプリカ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。

• 水銀接点の使用ですが、水銀の危険性のため現在ではほとんど使用されていません。
• あるいは、接触回路の電圧をローパス フィルタリングして、複数のパルスの発生を低減または排除することもできます。
• デジタル システムでは、接触状態の複数のサンプルを低速で取得し、安定したシーケンスがあるかどうかを調べることで、接触レベルが信頼できると判断され、対処される前に接触を安定させることができます。キーボード テクノロジ § デバウンス を参照してください。
• SPDT (「単極双投」) スイッチ接点信号のバウンスは、SR フリップフロップ(ラッチ) またはシュミット トリガーを使用して除去できます。

これらすべての方法は「デバウンス」と呼ばれます。

切り替えられる電力が十分に大きい場合、スイッチ接点を横切る電子の流れは、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）を形成します。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できます。プラズマは非常に高温で、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、アーク抑制方法を使用する必要があります。 ^[7]

電圧が十分に高い場合、スイッチが閉じて接点が近づくとアークが発生することもあります。電圧電位が接点を隔てる空気の破壊電圧を超えるほど高い場合、アークが発生し、スイッチが完全に閉じてスイッチ表面が接触するまでアークが持続します。

いずれの場合も、アークの発生を最小限に抑え、接点の損傷を防ぐ標準的な方法は、高速移動スイッチ機構を使用することです。通常は、ユーザーがスイッチ コントロール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するために、スプリング操作のティッピング ポイント機構を使用します。スイッチ コントロール レバーの動きにより、ティッピング ポイントに達するまでスプリングに張力がかかり、スプリングの張力が解放されると、接点が突然開いたり閉じたりします。

切り替える電力が増加すると、アークの発生を最小限に抑える、または防止するために他の方法が使用されます。プラズマは高温で、対流気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またがる一連の非導電性ブレードで消火できます。アークが上昇するにつれて、ブレード間のスペースに隆起を形成して長さが長くなり、アークが長すぎて維持できなくなると消えます。パッファーを使用して、スイッチ接点全体に突然の高速ガスバーストを吹き付け、アークの長さを急速に伸ばしてすばやく消火することもできます。

非常に大きなスイッチでは、アークをより速く消火するために、スイッチ接点が空気以外のもので囲まれていることがよくあります。たとえば、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動作する場合があります。

AC 電源サービスでは、電流が定期的にゼロを通過します。この効果により、開路時にアークを維持することが難しくなります。製造元は、DC 回路で使用する場合、より低い電圧または電流定格でスイッチを評価する場合があります。

スイッチが大きな電力を切り替えるように設計されている場合、スイッチの遷移状態と連続動作電流に耐える能力を考慮する必要があります。スイッチがオンの状態では、抵抗はほぼゼロで、接点で失われる電力はごくわずかです。スイッチがオフの状態では、抵抗は非常に高く、接点で失われる電力はさらに少なくなります。ただし、スイッチが切り替えられると、抵抗は負荷の定格電力の 4 分の 1 ^[要出典] (負荷が純粋な抵抗でない場合はさらに悪い) がスイッチで短時間失われる状態を通過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する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 つのタイプがあります。瞬間的なオン/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、ボタンが押されたときにのみ回路が閉じます。通常のオン/オフ スイッチ (懐中電灯など) には、常時オン/オフ機能があります。デュアル アクション スイッチには、これらの両方の機能が組み込まれています。

電気モーターなどの強い誘導負荷のスイッチを切ると、電流は瞬時にゼロに下がることはなく、開いている接点に火花が飛び散ります。誘導負荷用のスイッチは、このようなケースに対応できる定格でなければなりません。火花は抑制しないと電磁干渉を引き起こします。抵抗器とコンデンサを直列に接続したスナバネットワークが火花を抑えます。^[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。 ^[9]

濡れ電流とは、機械式スイッチを作動させ、スイッチ接点に付着している可能性のある酸化皮膜を突き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。十分な量の濡れ電流を供給することは、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上で重要なステップです。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。

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、トグルやドリー、ロッカー、押しボタン、またはあらゆる種類の機械的リンク機構になります(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 スイッチには、操作者が手を離すとスイッチが別の位置に跳ね上がる機構が含まれています。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 ツー メイク」(またはノーマリ 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、ノーマリ オープンの「プッシュ ツー メイク」スイッチです。一方、「プッシュ ツー ブレーク」(またはノーマリ 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 ツー ブレーク スイッチの例としては、電磁石によって閉じられたドアを開けるために使用されるボタンがあります。家庭用冷蔵庫の内部ランプは、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、少なくとも 2 つの位置を持つ操作ハンドルを回転させて操作します。スイッチの 1 つ以上の位置は瞬間的なもの (スプリングでバイアスされている) であり、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。他の位置には、手を離したときにその位置を保持するための戻り止めが付いている場合があります。ロータリー スイッチには、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」がある場合があります。

ロータリー スイッチの 1 つの形式は、スピンドルまたは「ローター」で構成され、その表面からカムのように突き出ている接触アームまたは「スポーク」があります。ローターの周囲に円形に配置された端子の配列があり、各端子は「スポーク」の接点として機能し、さまざま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階層化されており、各層は 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あり、中間位置で停止するのではなく、1 つのアクティブ位置から別のアクティブ位置へ「クリック」します。したがって、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とスローの機能を提供します。

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、および他の同様の目的に使用されていました。業界では、ロータリー スイッチは計測機器、スイッチギア、または制御回路の制御に使用されます。たとえば、無線制御の天井クレーンには、運転室内のローカル手動制御からリモート 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転送するための、大きなマルチ回路ロータリー 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 スイッチにはさまざまなスタイルとサイズがあり、さまざま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、大量の電流や主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、肘のようなピボットで接続された、ほぼ一直線上にある 2 つのアームで構成される一種の機構またはジョイントを指します。ただし、「トグル スイッチ」という語句は、実際にトグル機構が含まれているかどうかに関係なく、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 スイッチを機械的にインターロックして、禁止された組み合わせを防ぐことができます。

いくつかの文脈、特にコンピューティングでは、トグル スイッチ、またはトグルの動作は、機械的な構造に関係なく、アクティブにされるたびに 2 つの状態が切り替わる機械的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ます。たとえば、コンピューターのCaps Lockキーを 1 回押すと、すべての文字が大文字で生成されます。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、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きによって自動的に作動します。リミットスイッチは、たとえば工作機械で、ツールの適切な位置と操作を連動させる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確認します。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ある水銀滴で構成されています。2 つの接点はガラスを通過し、球を傾けて水銀がそれらの接点に転がると、水銀によって接続されます。

このタイプのスイッチは、液体金属接続が汚れ、破片、酸化の影響を受けず、接点を濡らして非常に低い抵抗のバウンスのない接続を保証し、動きや振動によって接触不良が発生しないため、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。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、一端がヒンジで留められた平らな金属ブレードと、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、電流はヒンジ付きのピボットとブレード、および固定接点に流れます。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、用途に応じて、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、配線用の端子を備えた絶縁ベースに取り付けることも、大規模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、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のに使用される大型デバイスまで、さまざまなサイズで製造されています。送電および配電では、最高電圧までの回路でギャング操作スイッチが使用されます。

ナイフ スイッチの欠点は、開く速度が遅いことと、露出した通電部品にオペレータが近いことです。金属で囲まれた安全切断スイッチは、産業用配電の回路を分離するために使用されます。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。このブレードは、開くときに瞬間的に全電流を流し、その後すぐに分離してアークを急速に消します。

DPDT スイッチには 6 つの接続がありますが、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、DPDT スイッチのいくつかのバリエーションは、極性反転専用に内部配線されています。これらのクロスオーバー スイッチには、6 つではなく 4 つの端子しかありません。端子のうち 2 つは入力で、2 つは出力です。バッテリーまたはその他の 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。

建物の配線では、照明やその他の回路を制御するために、便利な場所に照明スイッチが設置されています。多極スイッチを使用すると、廊下や階段の端など、2 か所以上の場所からランプの多方向スイッチ制御が可能になります。ワイヤレス照明スイッチを使用すると、ランプをリモート制御できるので便利です。一部のランプには、どこかに触れると電子的にランプを制御するタッチ スイッチが含まれています。公共の建物では、不正使用を防ぐために、数種類の耐破壊性スイッチが使用されています。

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実行するさまざまなソリッド ステート エレクトロニクスに広がりましたが、これらのエレクトロニクスは、純粋に機械的ではなく、アクティブ デバイスによって電子的に制御されます。これらは、電子スイッチの記事で分類されています。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、この分類の橋渡しをします。

• ウィキメディア・コモンズの電気スイッチに関連するメディア