スイッチ ガイド

スイッチの選び方

取材協力:NKKスイッチズ株式会社(NKK SWITCHES CO., LTD.)

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今さら聞けない あんな質問・こんな質問にお答えします!

基本のルールを守る
~ スイッチの電圧と電流の制限 ~

—— スイッチは機能がシンプルなので選ぶのも簡単。いろいろな形やデザインのものから好きに選べますよね。

スイッチの選択で一番犯しやすい間違いとして、スイッチの電気定格を超えて、あるいは間違えて解釈して使ってしまうことが挙げられます。具体的には、電流定格(電流容量)と電圧定格(最大適用電圧)、それに負荷条件です。これらはスイッチの仕様に定められています。スイッチの定格がスイッチを使用する回路の仕様を満足することが選択の前提条件です。

図1:色々なスイッチ

出典:NKKスイッチズ株式会社
   

スイッチの電気定格
~電流定格と電圧定格 ~

—— スイッチをオンオフするだけなのに電気定格があるんですか?

例えば、電流定格があるのは、スイッチの接触部分には僅かな抵抗分R(オーム)があるからです。いわゆる「接触抵抗」です。スイッチが閉じられて(オンして)電流I(アンペア)が流れると、オームの法則とジュールの法則に従って、I×I×R (ワット) の電力が消費され、I×I×R×t (ジュール) の熱が発生します(tは時間[秒])。

接触抵抗は小さな値ですが、発熱量は流れる電流の二乗に比例するので、電流の増加が大きな発熱を招きます。定格電流を超えて使用すると、スイッチが加熱したり甚だしい場合は、接点が溶融してしまう事もあります。

いっぽう、電圧定格は、主に電極間の耐電圧で決まります。具体的には接点間の距離と形状です。電流はスイッチオン時が問題ですが、電圧定格は接点が開いているオフ時が対象です。また、複数の回路が入っているスイッチでは回路間の電圧(耐電圧)も確保されなければなりません。

なお、スイッチが閉じる(オンする)瞬間には、面ではなく点で接触が始まります。この瞬間の接触抵抗はオン状態のそれよりも大きいうえに、電流は接触点に集中します。このため、瞬間的にですが接点上の微少部分に局所的な発熱を生じ接点にダメージを与えます。また、オンまたはオフの刹那での接点間距離は微少なので、回路の電圧は低くても電界(空間での電圧の傾斜)は極めて大きくなります。その結果、微細な火花やアーク放電が起こります。回路電流が大きいと電気溶接をするのと同じことになりますので、大きなダメージになります。また、放電は一度始まると持続する性質があります。したがってオフ時に大きな放電が起こるとオフできなくなるという事態も起こり得ます。交流では、その後に電圧がゼロになるので放電が止まりやすいのですが、直流では持続し易いため、小さな電流で使わなければなりません。例えば、AC125V定格のスイッチをDC125Vで使う場合は電流容量は約1/20になります。

因みに、電流と電圧の定格はそれぞれ別の理由から定められていることに注意してください。両者を掛け算したワット数は意味を持ちません。
ワット数の範囲内ならば電圧か電流どちらかが超えても良い、という誤解がありますが、これは間違いです。

図2:スイッチに流れる電流とスイッチにかかる電圧
   

大は小を兼ねません
~ 小も大を兼ねません ~

—— 定格を超えないように、なるべく大きなスイッチを使えば良いわけですね?

残念ながら、スイッチの場合、大は小を兼ねません。例えば、電圧電流ともに小さな信号回路に、電源用の大きなスイッチを使うのは格好も良くありませんが、電気的にも上手くないのです。小さな信号にはそれに見合った定格の小信号用スイッチを用いてください。

これは、スイッチの接点構造と材料に起因しています。

スイッチの接点材料には、金や銀、白金・金・銀の合金などがあり、小型のタクタイルスイッチなどでは導電性ゴムが使われているものもあります。これらの接点材料にはそれぞれに適した電流の大きさがあります。また、スイッチの二つの接点電極のうち、可動側と固定側では適する接点材料や形状が異なり、スイッチそれぞれの電流定格で最も相応しい材料と構造が採用されています。

—— 定格が不足するときは複数の回路が入ったスイッチを使って並列接続や直列接続すれば良いのでは?

それも、ちょっと問題です。小も大を兼ねないということです。
例えば、2回路入りのスイッチを並列接続で使うと電流を2倍にできる気がするかもしれませんが、実際にはNGです。二つのスイッチが時間的に完全に一致して動作することはなく、オンする瞬間にはひとつのスイッチと変わらないからです。

ただし、電流容量ではなく接点の接続信頼性を上げるという点では並列接続は意味のある使い方です。(図3)

 
図3:接点の並列接続        

同様に、直列に接続するのは、実質的な接点距離の増大やアークが起こる時間を短くするなどの効果を期待できます。しかしながら、電圧定格が2倍になるというわけではありません。

話は少し違うのですが、電源スイッチとして使う場合は、必ず “両切り” とするのが一般的です。両切りというのは、ACラインの2本の線の両方をひとつのスイッチで入り切りすると言うことです。

片側だけをオンオフするのは、安全上問題があります。

相手のことも考えよう
~スイッチの負荷条件ってなに? ~

—— 負荷は電源やアンプに対して考えるものだと習いましたが、スイッチにも負荷条件があるんですね。

もちろん、スイッチが電力を発生するわけではありませんが、スイッチの定格は、純抵抗負荷の回路で使う場合を想定して規定されています。この場合、電気的な過渡現象は発生しません。スイッチオフで電流ゼロ、オンした瞬間から一定の電流が流れます。

これに対して、実際の使用状態では負荷の種類によって様々な過渡現象が生じます。

例えばランプを点灯させる場合、オンした瞬間の温まっていないフィラメントの抵抗値はかなり小さく、定常時よりもずっと大きな電流が流れます。同様に、モータの起動時(回転が始まるまでの短い時間)には定常時の何倍もの電流が流れます。いっぽう、ソレノイドなど巻線を持った誘導性のインダクタンス部品では、オフ時に大きな逆起電力が発生してスイッチの接点間に加わります。

したがってこれらの回路に用いるスイッチには過渡的に生じる大きな電流や高い電圧に耐え得るものを選ばなければなりません。大凡の目安としてはモータ負荷で3~8倍、ランプでは10~15倍の電流を見込みます。インダクタンス部品やコンデンサ負荷では回路側で過渡現象を少なくする工夫も必要です。(図4)

       
図4:負荷の過渡現象      
      

スイッチでトラブらないために
~ 回路側の工夫 ~

—— リレーやソレノイドをオンオフしたいときは、どうすればいいんですか?

負荷の過渡現象によるスイッチの負担を軽減するためには回路側での工夫が必要になります。
ランプやモータなどの投入時の突入電流を避けるのは案外難しいのですが、投入時のスイッチトラブルを避けるためには、直列に電流制限抵抗を入れる、電流制限回路を設けるなどの方法があります。

いっぽう、リレーやソレノイドなどのインダクタ部品ではオフ(遮断)時発生する逆起電力を吸収する回路を設けます。消弧ですとかサージ吸収ですとかクランプですとか色々な回路名で呼ばれています。具体的には抵抗とコンデンサまたはダイオードやバリスタ(通常は大きな抵抗値を持つが過剰な電圧がかかると抵抗値が下がる回路保護用部品)などの半導体をインダクタ部品の両端子間、もしくはスイッチの接点間に入れます。

図5:消弧回路の例
  

—— 電子回路に使うなら過渡現象は気にしなくても良いのですか?

スイッチで電子回路の信号を切り換えたりする際には “バウンス” に対する配慮が必要です。スイッチの接点が閉じる際には僅かですが機械的なバウンスを生じます。これによって電気信号はごく短い時間の間にオンオフを繰り返すことになります。

ランプの点灯など一般の電気回路ではバウンスは無視できますが、応答の速いデジタル回路などでは、スイッチのバウンスによってスイッチのオンオフを繰り返したことになり、誤動作を起こすことがあります。例えば、スイッチを一回押しただけなのに何度も押したかのような動作をしてしまうわけです。したがって、デジタル回路に対しては図2のような誤動作防止回路を併用するのが一般的です。部品点数が増えるのを嫌ってか最近ではソフトウエアで処理する例も多くなりました。

図6:バウンスによる誤動作の防止回路例
 

見かけは同じでも
~ 押しボタンスイッチのアクションの違いと名称 ~

—— 押しボタン式のスイッチを入手したのですが、ボタンの押し方とオンオフの状態が思っていたのと違います。

押しボタン(プッシュ)スイッチは、場所をとらないので利用範囲の広いのが特長です。ただ、ボタンのアクションとスイッチとしての電気回路のアクションの関係に何通りかあるため、選択を誤ることがあるようです。両者の関係を示す用語を誤解したまま憶えているお客様もおられるので注意したいところです。外見上は同じでも動作が異なりますので、この際、それを整理しておきましょう。

押しボタンスイッチだけでなく、トグルスイッチ(レバースイッチ)やロッカースイッチ(波形・シーソースイッチ)にも適用できます。

最も単純なのが “モーメンタリ” 動作のスイッチ(モーメンタリスイッチ)です。モーメンタリはボタンを押しているときだけオン(またはオフ)になるタイプです。指を離せばボタンも回路も元に戻ります。

プリント基板上などに使う小型のモーメンタリスイッチは “タクタイルスイッチ” などとも呼ばれます。携帯電話のキーなども動作的にはタクタイルスイッチです。

図7:様々な押しボタンスイッチとディスプレイ内臓スイッチ(右下)
出典:NKKスイッチズ株式会社
  


次によく使われるのは “オルタネート” 動作のスイッチです。オルタネート動作のスイッチは、一回押すとオン(またはオフ)になり、もう一度押すとオフ(またはオン)になる動作を繰り返します。ただし、ボタンは指を放せば元に戻ります。機器の二つの動作状態切り換える場合などに便利ですが、ボタンの状態からはオンかオフかを知ることができません。

三番目は、 “ロックタイプ(ラッチング動作)”のスイッチです。こちらはボタンを押した後に指を離してもボタンは元に戻りません。ロックタイプは小型機器の電源スイッチなどによく使われます。

もうひとつは連動式の押しボタンスイッチがあります。ボタンが並んでいて好きなボタンを押すとそこだけがオンになってボタンは押されたままです。別のボタンを押すと初めに押したボタンが飛び出て切り替わるタイプです。測定器などで機能を選択する目的で使われます。

図8:スイッチの動作とその呼び名
 


最近では、ボタンの部分が光る照光式のものやボタン部分が小さな液晶ディスプレイになっていて任意の表示ができるタイプなどもあり、多く使われる傾向にあります。動作はスイッチでも、見かけはランプやディスプレイのようで、こちらは、通常のスイッチとはずいぶん違います。

スイッチ Q&A

Q. モーメンタリとオルタネートの違いはなんですか?

A. 
瞬間的、継続的といったスイッチ動作を指しています。押しボタンで例えると、モーメンタリは、ボタンを押している間だけ、接点がつながっています。離すと元に戻ります。オルタネートは、ボタンを押し、手を離しても接点つなげたまま保持し続けます。再度ボタンを押し、離すと元に戻ります。

Q. ショーティングとノンショーティングの違いを教えてください。

A. ロータリースイッチで例えると・・・
ショーティング:スイッチを切り替える瞬間的に2つとも接点を持つもの。
ノンショーティング:スイッチを切り替える時に2つとも接点を持たないもの。

Q. MBB(Make-Before-Brake)とは?

A. 切り替え途中でも隣り合った接点間がショートすること。ショーティングと同じ動作の意味です。

Q. 単極単投(SPST)や単極双投(SPDT)とは?

A. 接点構成の種類をご紹介します。

  • 単極単投(SPST: Single -Pole Single-Throw):2極接点で、どちらか1極の接点がONの場合。
  • 単極双投(SPDT: Single-Pole Double-Throw):2極接点で、どちらの接点ともONの場合。
  • 2極単投(DPST: Doble-Pole Single-Throw):SPSTのスイッチが2回路あるもの。
  • 2極双投(DPDT: Doble-Pole Double-Throw):SPDTのスイッチが2回路あるもの。




Q. 
タクタイルスイッチはモーメンタリ?それともオルタネート?

A. 
モーメンタリです。

Q. 誤操作を防ぐカバーが付いている押しボタンはありませんか?

A.  
押しボタンスイッチには、別売りのフリップガード(カバー)があります。

Q. 照光式スイッチでVf等が記載の無い物があります。

A. 各商品のデータシートをご確認ください。

Q. ディップ(DIP)スイッチは、プリント基板実装後の丸洗い洗浄は可能ですか?

A. スイッチの材質によって異なります。データシートをご確認ください。

Q. セキュリティキースイッチを検討しています。紛失した際にはキーだけを購入できますか?

A. キーのみの販売は、行っておりません。

Q. シリンダーキーの標準動作型、ハイセキュリティ型の違いは何ですか。

A. 標準タイプは、キーの下側だけみぞが彫ってあり、ハイセキュリティタイプはキーの上と下側に両方みぞが彫っていあります。

Q. マイクロスイッチは、タブルナットで締めると中のピンがスライドしない場合があります。締め付けトルクが悪いのでしょうか。

A. 本体が樹脂製のため、必要以上に締め付けすぎると変形する(渋くなる)場合があります。データシートには締め付けトルク指定がない場合、ご自身でトルク管理していただくことになります。

Q. 押しボタンスイッチで押している時だけ動作するものを探しています。どの様に探せば良いでしょうか。

A. 絞り込みの"スイッチの動作"で"モメンタリ"を選択します。「モメンタリ」とは、が押している時のみOnになるタイプです。これに対して「オルタネート」は一回推してOn、もう一度押すとOffになるタイプです。

Q. ロッカースイッチのOn-Offマーキングとは、何ですか?

A. On-Offマーキングとは、Onが“I”、Offが“O”のマークがSWに記載されているものです。

Q. ロッカースイッチのCW-SAシリーズなどにある、タブ端子とは何ですか? 

A. ワイヤを絡げて、はんだ付けする板状の端子のことです。また、タブ端子にはコネクタとしてメス圧着端子(一般的にFaston端子と呼ばれるもの)が使用可能です。

Q. ロータリースイッチの仕様について質問です。2回路、6接点、5ステップなど、数の意味を教えてください。 

A. 2つの入力信号を同時に1~6ポジションに切り替えられるスイッチです。回路数が2つ取れるという意味になります。また、5ステップというのは1のポジションはカウントしませんので、2~6までのポジションに切り替えるのに5回転(ステップ)するということです。

Q. ロータリースイッチで、たとえば3ノッチとはどういう意味ですか?

A. 3ノッチとは切り替えが3ポジションの接点数があるということです。 

Q. AC6(A)のスイッチをDC15(A)で使用できますか?

A. AC10(A)のスイッチをDCで使用するとした場合、一般的に低格の1/4程度になります。安全面から、メーカーでDC使用可能としている商品をお使い頂く事を推奨します。

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