スイッチ|電気回路や装置の状態を切替制御

スイッチ

電気回路におけるスイッチは、導通と遮断を人為的または自動的に切り替える装置である。機械接点で開閉する型、半導体で電流経路を制御する型、外力や磁界で検出して切替える型がある。設計では定格電圧・電流、遮断能力、絶縁距離、寿命を評価する。選定を誤るとアーク溶着や温度上昇、誤動作(チャタリング)を招くため、負荷特性とAC/DC、開閉頻度を踏まえる。

基本概念と動作

スイッチは回路を開く(OFF)・閉じる(ON)ことで電流を制御する。接点は常開(NO)と常閉(NC)があり、操作で反転する。機械接点は微小な断続(チャタリング)を生じ得るため、RCやソフトウェアデバウンスで抑える。極数・投数の略記は次の通り。

  • SPST:単極単投。基本的なスイッチ
  • SPDT:単極双投。1入力を2出力へ切替。
  • DPDT:2回路を同時に双投で切替。

種類(機械式)

機械式スイッチは絶縁性と信頼性が利点である。

トグル・ロッカー

レバーやロッカでON/OFFできるスイッチ。パネル実装で、突入電流の大きい負荷にはスナバ等でアークを抑える。

押しボタン(モーメンタリ/セルフロック)

押下中のみ導通するモーメンタリと、押すたび反転するセルフロックのスイッチ。非常停止は赤色ラッチ形で復帰が必要。

リミット・マイクロ・リード

リミットスイッチは位置検出、マイクロスイッチは小型、リードスイッチは磁界駆動で接点酸化に強い。

固体・半導体スイッチ

半導体スイッチは可動部がなく高速・長寿命。MOSFETは低Rds(on)、BJTはVce(sat)で評価する。AC位相制御にはTRIACやサイリスタ、電力用途にはIGBTが用いられる。絶縁型SSRは接点火花がなく静音だが、オフ漏れやサージ耐量に留意する。

定格・信頼性・安全

スイッチの電圧・電流定格は負荷に依存する。誘導負荷にはフライバックダイオードやRCスナバ、MOVを併用する。接点材料・接触抵抗、寿命、温度上昇、耐環境性(IP)、絶縁距離を確認する。安全規格(JIS/IEC)と遮断能力を満たす製品を採用し、非常停止回路は冗長化・フェイルセーフとする。

回路設計の要点

人間操作のスイッチをマイコンやPLCに接続する際は、プルアップ/プルダウン、デバウンス、ESD保護を入れる。電源スイッチでは突入電流対策としてNTCサーミスタやインラッシュリレーを用いる。EMI低減には配線短縮とループ面積の削減が有効である。

応用と周辺機器

スイッチは電源制御、モード選択、位置検出、安全監視に広く使われる。遮断器(ブレーカ)や開閉器(アイソレータ)は電力開閉を担い、リレーはコイル駆動で絶縁接点を提供する。通信分野の「ネットワークスイッチ」はパケット転送機器で、電気回路のスイッチとは用途が異なる。