楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

電子工作に使えそうなスイッチ類

押しボタンスイッチやリレーなどは電子工作に欠かせません。ここではメカニカルなものを取り上げており、半導体リレーなどの電子的で無接点のものは除いてます。

(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、図などは自作しています)


スイッチ(有接点スイッチ)

スイッチは、①回路の開閉 ②電気の流れの変更 などに用いられる電気部品です。

用途によって、様々な形や種類のスイッチ類があります。

電子工作に用いるものは、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されますが、電力用スイッチ類と同様に分類することがどきるので、そのよび方や区分などについて、ひと通り知っておくといいでしょう。

その区分には、「極と投」「接点の接触形式」「動作による分類」などがあり、使用する負荷や用途に適したものを使う・・・ということになります。

主なスイッチの形式には次のようなものがあります。

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回路を同時にON-OFFができるものを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」と呼ばれることや、次の接触方式を含めて表現されることもあります。

例えば、上の図の1回路2接点スイッチは、1極双頭型や単極双投型、C接点1回路スイッチなどと称されます。

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ようです。

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をさす場合が多く、電子機器で多く使われる形状の小さなものは「タクトスイッチ」などと呼ばれます。

リミットスイッチ例 リミットスイッチ

これは、モーメンタリーの1回路2接点スイッチ(C接点)で、リミットスイッチと呼ばれます。

これは、例えば、扉を開閉するとスイッチがON-OFFするような用途に使われます。

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)は、ON-OFF状態が保持されることやリミットスイッチの要素もあることから、電気機器にはたくさん使われています。

トグルスイッチ例 トグルスイッチ

これは保持タイプの1回路2接点スイッチ(C接点)です。 バーをどちらかに倒すことで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の、たくさんの形状種類があります。

電卓などに使用されている、導電ゴムを接点にしたキーパッドなどもスイッチの一種ですが、このような特殊なもの(カスタム仕様)を含めると、非常に多くの種類があります。

リード(足)の細い「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。また、電子部品用のスイッチなどは、取り付けピッチ幅なども規格化されていますので、プリント基板やブレッドボードに用いるときには使いやすいようになっています。

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、種類(回路数と接触形式)を間違えなければ、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、実物を使ってみて、使い方になれる必要があるかもしれません。

つぎに、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のでそれを説明します。

これらは、気にする必要がない場合もありますし、対策などが必要になってくる場合も出てくるのですが、さて、実際に対策する・・・となると対策するのが難しいことも当然起こってきます。

そういう難しさがあるので、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、問題になる言葉について簡単に説明します。

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、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、ここでは紹介だけにとどめています。

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】 

回路中にコイル(巻線)があれば、自己誘導が起きて電流の入りきりの瞬間に大きな電流が発生します。 

また、コンデンサ等についても、その性質上、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。

それらで、特に電源を入れたときの大きな電流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。

この過大電流は発熱を生じ、誤作動や故障の原因になリます。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、ダイオード類を使った対策もありますが、その他対策は広範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)が生じるものを含もので、回路内外に起因すると言えます。

スイッチによるON-OFFの瞬間も電流の急変やスパークの発生などがあれば、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」に注意が必要です

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によって電流が流れたり切れたりする場合には、それだけで接点の摩耗が進みますが、その時同時に、接触部の「セルフクリーニング」が行われているので、接点の状態を正常に保っています。

しかし、少電力になると、その自浄作用に対する力が小さいので、セルフクリーニングが行われなくなって、接触不良等が生じやすくなって劣化しやすいのです。

これの対策としては、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、または、データーシートなどに示されている仕様に「最小負荷電流」が示されているものを購入して、さらに、「最小電流以上で使用する」ことを心がける必要があります。

意外なことですが、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、余裕を持って定期的に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、数字的には、1日少ししか保証されていないことになります。

有接点の部品は、「劣化するもの」ということを認識して、重要な部分は更新できるように対策する事も考えておくのがいいでしょう。


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。

これらのリレーを使って回路を組むと、結構、楽しみがあります。

小さな信号を加えるだけで、商用電力や何Aもの電流を簡単に制御できるというのは魅力です。

リレーも、スイッチと同様に、ON-OFFと信号(回路)の分岐ができるようになっています。

メカニカルリレー1 メカニカルリレー2

メカニカルリレーの特徴は次のようなものです。

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、電子工作を超えた使い方もできるでしょう。

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電子的な無接点リレーとは違う楽しさや面白さが感じられると思います。

通常でよく使うものは、負荷側が「1回路1接点」または、「2回路2接点」のものが一般的です。上の写真は両方とも2回路2接点です。

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、信号の分岐ができますので利用範囲も広いでしょう。

動作では、リレーに電流を流している間はその状態を「保持」しています。

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・・・という基本動作をさせることが多いのですが、それを「自己保持回路」といっています。

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。

リードスイッチの実験 リードスイッチを使った回路例

実例

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

私の手元にあるものの写真ですが、これらは中にボールや「振り子」が入っていて、それが移動して接点に接触・離脱を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、これらもうまく使うと面白い物ができそうです。

たとえば、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。


Aruduinoのセンサキットにあったスイッチ類

Aruduino(アルディーノ・アルデュイーノ)についてはこちらのページでも紹介していますが、ワンボードコンピュータで動作させる開発環境を提供するためにイタリアで開発されたツールです。

それに使うためのMade in China製の安価なセンサキットが多く販売されており、それを購入したところ、アナログでも使えそうなものがあったので紹介します。

ボールスイッチ Ball switch

ボールスイッチ ボールスイッチ2

中に小さなボールが入っており、振るとそれが動くのが感じられます。傾けると2つの端子が導通するようになっており、上に紹介した「傾斜スイッチ」と同じようなものです。

水銀スイッチ Tilt switchとLight Cup

購入したセンサキットには同じ構造のものが2つ入っていました。傾けると水銀が流動して接点をつなぐのでONになります。

そのうちのLight Cupには、下の写真と同じものが2つセットになっており、ArduinoのWEB記事を見ると、この2組をつないで動作させると、交互にLEDが点灯するプログラムが紹介されていました。

私自身は当面はAruduinoを使うことはなさそうなので、そのうちの1つを分解したところ、水銀の玉が流動して2本の端子を短絡させることによってON-OFFスイッチの働きをしていることがわかります。

3~4本の足がでていますが、いずれもスイッチとして使用するのは2本の端子で、Tilt switchのモジュールでは、両端2本(Sとマイナス)がスイッチON-OFF用で、真ん中とマイナス端子の2本をつなぐと、ONになったときに、小さなLEDが点灯するようになっています。

そして、Light Cupも、スイッチが入るとLEDが点灯するようになっています。

スイッチは傾けるとONになり、もとに戻すとOFFになります。

ティルトスイッチ ティルトスイッチ2

ライトカップ ライトカップ2

ライトカップ3

ライトカップ4

確実にON-OFFするのですが、中に「水銀」が使われているので、安全を考えると、この製品も、ボールを利用した傾斜スイッチに変わってゆき、今後は次第に消えていくのでしょう。

振動スイッチ

このスイッチは、振動を加えるとスイッチが入る仕組みになっているようです。しかし残念ながら、うまく作動しません。(故障しているようです)

使えないので分解したところ、写真のように、比較的太い芯棒に銅線のコイルが巻かれており、センサに振動が加わると、バネが揺れて芯棒に接触してスイッチが入る仕組みになっています。

うまく作られているのですが、きっちりと働かなければ用をなしませんし、アナログで使おうとすると、一度ONになった情報を自己保持回路などで「保持」してやるなどの使い方をする必要がありそうです。

また、チャタリング(短時間で何回もスイッチがON-OFFすること)の悪影響がでそうなので、アナログでは、使い方が限定されそうな感じがします。

マイコンなどではプラグラムを組めば問題なく使えそうな感じですが、製品が壊れているので、結局、どの程度でON-OFFするのかもわかりません。

ショックスイッチ ショックスイッチ2

ショックスイッチ3 振動すると、コイルと芯棒間で導通

その他のスイッチには、もちろん、上で紹介したリードスイッチ(磁石を近づけるとONになるスイッチ)が2種類含まれていますので、それを含めると、8つのスイッチがAruduino用のセットに組み込まれています。

このセンサキットには37種のモジュール化された部品がセットになっていて、1モジュールあたり50円以下と安いので、何かのヒントになればと思って購入しました。もちろん、不完動品やアナログでは使えないものもあるので、必要なものを単品で揃えるほうが無駄にならないとは思うものの、これだけあると、結構面白いものです。こちらのLEDの記事中にアマゾンのリンクを紹介しています。


→リレーを使った自己保持回路

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最小限必要なことのおさらい(1-2)

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