楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

電子工作に使うスイッチ類

ここでは、押しボタンスイッチやリレーなどのメカニカルなもので、回路のON-OFFに使用するスイッチ類を紹介します。半導体リレーなど、無接点のものは取り上げていません。

(この記事は、OMRON、村田製作所のHPと、誠文堂新光社 小島昇著 電子部品図鑑などを参考にしています。また、写真は手持ちの部品で、図は自作したものです)


スイッチ(有接点スイッチ)

スイッチは、①回路を開閉するために使用するか、②電気の流れを変えるために使用する電気部品です。

スイッチには様々な形や種類があります。

電子工作では、大電力を切り替えるという用途はほとんどありませんので、多くは「検出用スイッチ」「マイクロ・・・」とよばれる小さなものを使用しますが、その区分の仕方などについて、ひと通り知っておくといいでしょう。

その区分は、「極と投」「接点の接触形式」「動作による分類」などと、使用する負荷に適したものを使う・・・ということになります。

スイッチの種類と回路図


極と投

「極」とは「回路数」のことで、「投」は「接点数」のことです。

1操作(例えばボタンを押し込も操作など)で1回路のON-OFFができるものを1極、3回路のON-OFFができるものが3極といい、上の図で、1回路1接点スイッチは、「1極単投」、2回路2接点スイッチは2極双投という言い方になります。上のように「1接点、2接点」

接点の接触形式

A接点、B接点、C接点の3種類の形式があります。小文字でa接点、b接点、c接点と表示されていることも多いです。

A接点は「メーク接点」、B接点は「ブレーク接点」と呼ばれることもあります。

スイッチの接点の種類と動作

動作

押しボタンスイッチでは、少電力用では、押している間がONになる「モーメンタリー」動作と押した後に手を離してもONのままの「オルタネート」動作のものが基本ですが、商用電源用では、その他、プッシュプル、プッシュロック、ターンリセットなどがあります。

下図のものについて知っておくといいでしょう。

スイッチの動作形式

小電力用スイッチの例

電子工作に使っている、手持ちのスイッチの数種類を示します。

押しボタンスイッチ例 プッシュスイッチ(タクトスイッチ)

モーメンタリーの1回路1接点スイッチ(A接点) プッシュスイッチは、比較的大電流向けのもので、形状も小さく、電子機器で多く使われるものは「タクトスイッチ」と呼ばれます。

リミットスイッチ例 リミットスイッチ

モーメンタリーの1回路2接点スイッチ(C接点) リミットスイッチは、扉を開閉すると、スイッチがON-OFFするような、用途に使います。

プッシュスイッチ例 オルタネートタイプのプッシュスイッチ

オルタネートの2回路2接点スイッチ(C接点) オルタネートタイプも、電気機器にはたくさん使われます。

トグルスイッチ例 トグルスイッチ

保持タイプの1回路2接点スイッチ(C接点) どちらかにたおしてON-OFFするスイッチで、中立位置(常時OFF)のあるものもあります。

その他には、スライドスイッチ、ロータリースイッチなど、たくさんの形状種類があります。導電ゴムを接点にしたキーパッドなどもスイッチですが、このような特殊なもの(カスタム仕様)を含めると、様々なものがあります。

リード(足)の細いもので「プリント基板用」のものは、ブレッドボードでも使用できますし、電子部品用のものは、取り付けピッチ幅なども規格化されていますので、使いやすくなっています。

スイッチに関するいくつかの注意点・問題点

電子部品の販売店に行くと、非常に多くの種類があって、何を買っていいのか戸惑うのですが、電子工作に使用するのは、少電力用ですし、近年の製品は、品質も安定しており、仕様上の問題は特に考えなくてよいと思います。

WEBで購入する場合はデータシートも参照できます。しかし、ストローク範囲や動作に加える力などはデータシートを見てもわかりにくいかもしれませんので、ある程度、使い方になれる必要があるかもしれません。

また、スイッチや接点があるものについては、頭の片隅においておいてほしいことがらがあります。これらは、気にする必要がない場合や、対策などが必要になってくる場合があるのですが、実際に対策するとなると難しいことも起こります。

ここでは、簡単な説明だけになりますが、専門的な説明や対策は書籍などで見ていただくとして、言葉の意味を簡単に説明します。

突入電流・サージ電流・チャタリング

これらは、瞬間的な電流変動ですが、スイッチ以外でも発生するものです。対策については多岐にわたるので、個別に説明するとして、ここでは取り上げていません。

下図は、これらの問題についての、直流の場合のイメージ図です。

突入電流、チャタリングについては電源を入れたときのイメージを示し、サージは運転(作動)中に起こる場合の状態をイメージ図にしています。

スイッチに内在する問題説明イメージ図 (イメージ図です)

【突入電流】 コイル(巻線)などで自己誘導が起きたり、コンデンサ等があると、電源を入れた瞬間に大きな電流が流れます。白熱電灯などでも、抵抗と電流による温度変化などで同様に、スイッチを入れた瞬間、大きな電流が流れます。それを突入電流といいます。

スイッチを切った瞬間には、逆向きの過大電流が流れる場合があります。

過大電流は発熱を生じ、誤作動や故障の原因になるために、スイッチやリレーなどではある程度は余裕を持った設計がされているのですが、基本的には、急激な電流を急に加えないことが最善の対策となります。

また、コイルによる高い逆電圧は機器を破壊する場合もあり、この対策も多岐にわたっており、簡単なものではありません。

【サージ】 突入電流は、回路で生じるものですが、サージは雷などの放電や、電流や磁界電界の急変によって、過渡的な電圧変化(サージ電圧)に伴う電流変化(サージ電流)が生じるものを含みます。

スイッチによるON-OFFの瞬間も電流の急変になるので、非常に短時間のサージ電流が発生する場合があります。

交流回路でのノイズも同様で、外部から回路に侵入するものもあり、電流だけでなく波形の乱れによって様々な問題になるので、これについても、様々な対策が取られるのですが、やはり対策は簡単ではありません。

【チャタリング】 接点の接触の瞬間に発生する接点の振動で電流が急変(振動)する現象をいいます。

ON時とOFF時にこれが発生する場合があります。根本的には、可動接点があることで生じる現象なので、この対策もいろいろされるのですが、根絶は簡単ではありません。

最小負荷電流

スイッチやこのあと説明するメカニカルリレーなど、接点があるものについては、耐電圧などの定格には気をつけるのは当然なのですが、特に低電力の電子工作では、その反対に、定格内であっても、小さな電流電圧で作動させるときのことにも注意しなければなりません。

接点をON-OFFして電流が流れる場合は、もちろん、接点の摩耗が進みますが、同時に、接触部の「セルフクリーニング」が行われて、接点の状態を保っています。しかし、少電力の場合には、それが行われないで、接触不良等が生じて劣化します。

少電力(微小電流、微小電圧)でスイッチやリレーを常用する場合は、「微小負荷用」のものを使うか、データーシートなどにある仕様に「最小負荷電流」が示されているものを購入して、それ以上で使用することを心がけるといい・・・ということを覚えておいてください。

寿命

スイッチやメカニカルリレーなどの有接点部品は、「機械的耐久性」「電気的耐久性」に関係する寿命があります。

最近の部品類は、何十万、何百万回の開閉に耐えるように作られており、非常に長寿命になっているものの、環境や条件によっては、その何分の一以下になるのは通例だと考えておく必要があります。

開閉頻度の高いものは、余裕を持って取り替える必要のあることもの・・・だと考えておきましょう。

例えば、10万回に耐える仕様であれば、毎秒1回、四六時中開閉していれば、1日60x60x24=86400秒 なので、1日少ししか保証されていないことになります。


リレー(メカニカルリレー)

最近の電子工作はマイコンなどを使った無接点のものが多いのですが、ここでは、有接点のリレー(ここではメカニカルリレーをいいます)について紹介します。

これらを使ってハンダゴテを使って回路を組むと、結構、楽しみがあります。小さな信号で、商用電力も、何Aもの電流も簡単に制御できるのは魅力です。

リレーも、スイッチと同様に、ON-OFFと信号(回路)の分岐ができます。

メカニカルリレー1 メカニカルリレー2

リレーも特徴を説明する回路図

リレーの妙味は、上の3点が挙げられます。

何よりも、完全に別の回路を小さな信号(電気の力)で簡単に開閉できるのですから、・・・。

リレーコイルに電流を流すと、「カチッ」と小さな音がしてON-OFFするのは、少しレトロ感もあって面白いものです。

通常は、負荷側は、1回路1接点、または、2回路2接点のものが一般的です。

1接点のものはON-OFF動作のみですが、2接点のものは、ON-OFFとともに、信号の分岐ができるのは「スイッチ」で見た内容と同じです。

また、リレーに電流を流している間はその状態を「保持」します。それを利用して、機械などの電源をONすると、スイッチから手を離しても機械が動き続け、「OFFスイッチ」を押すことで機械を停止するという動作が基本ですが、それは「自己保持回路」という方法で実現します。

自己保持回路の説明はページを変えて、こちらで説明しています。

その他のメカニカルなスイッチ類

電子工作で何か使えそうなスイッチを紹介します。いずれも100円以下の安いものですので、なにかに使えそうです。

リードスイッチ

リードスイッチ例

小さなスイッチです。磁石(マグネット)を近づけるとONになり、離すとOFFになります。

位置とタイミングなどを決めるのにも使えそうです。例えば、ドアの開閉感知もそうですが、こんなことをやってみました。

 

アームの回転に合わせて点滅するYou Tube動画を御覧ください

ギヤボックスのアームの先に小さなマグネットを貼り付けてあり、ギヤモーターでアームを回すと、永久磁石がリードスイッチに近づいた時にLEDが光ります。

例えば、鉄道模型の電車が踏切に近づくとランプが点滅するとか、何かが動き出すタイミングを取る・・・など、なにかに使えそうなアイテムですね。

転倒(傾斜)スイッチ

傾斜スイッチ例1 傾斜スイッチ例2傾斜スイッチ例3

手元にあるものの写真ですが、中にボールや「振り子」が入っていて、それが移動することでスイッチのON-OFFができるようになっています。

きっちりとした角度でON-OFFするという高精度さは無いのですが、それもうまく使うと面白い物ができそうです。バランスゲームのようなものを考えるのも、面白いかもしれません。

→リレーを使った自己保持回路

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