電気スイッチの理解：タイプ、機能、応用

スイッチは電気システムの基礎ですが、そのタイプを深く理解することは、その後の章——初期技術のメカニカルスイッチベースのデジタルロジックを扱う章——にとって不可欠です。

スイッチ駆動回路とソリッドステート論理ゲートを並行して学ぶことで、両概念がシンプルになり、デジタルロジックの数学的骨格であるブール代数の習得への基盤が築かれます。

電気スイッチとは？

電気スイッチは、回路内の電子の流れを遮断または完成させるデバイスです。これはバイナリ要素として振る舞います——完全に「閉」（オン）または完全に「開」（オフ）。この章では、今日存在するさまざまなスイッチカテゴリを探ります。

さまざまなスイッチタイプを学ぶ

最もシンプルなスイッチは、作動機構によって接合される2つの導体で構成されます。より洗練されたスイッチは、光や磁場などの物理的刺激に反応する電子回路を組み込みます。

複雑さに関わらず、スイッチは最終的に2つの接続端子を提示し、それらは内部接点によって接合されるか、離されたままです。

手動操作を意図したスイッチは ハンドスイッチ（hand switches） と呼ばれ、いくつかの一般的なバリエーションがあります：

トグルスイッチ

トグルスイッチは、2つ以上の離散的な位置に配置できるレバーで作動します。一般的な家庭用照明スイッチが典型例です。

ほとんどのトグルスイッチは、レバーを選択した位置に保持します；他にはスプリングがレバーをデフォルトの「ノーマル」位置に戻すものがあり、モーメンタリ動作を可能にします。

プッシュボタンスイッチ

プッシュボタンスイッチは、ボタンを押して離すことで作動する2位置デバイスです。ほとんどはスプリングを備え、モーメンタリ動作のためにボタンを「アウト」位置に復帰させます。

押すごとにラッチオン/オフするタイプや、手動で離されるまで押し込まれたままのタイプもあります。後者はエルゴノミクスのためにマッシュルーム型ボタンを持つことが多いです。

セレクタスイッチ

セレクタスイッチは、ロータリーノブまたはレバーを使用して複数の位置から1つを選択します。トグルスイッチと同様、選択位置に留まるか、スプリングリターンでモーメンタリ使用も可能です。

ジョイスティックスイッチ

ジョイスティックスイッチは、複数の軸で動くレバーで作動します。1つ以上の内部接点がレバーの方向——そして時には移動距離——に応じて開閉します。

スイッチシンボルの円とドット表記は、必要なレバー動作を示します。ジョイスティックハンドスイッチは、クレーンやロボット制御で広く使用されます。

人間の手ではなく機械の動きによって作動するように特別に設計されたスイッチもあります。これらは、機械部品が所定の限界に達したときに機械を停止させるために使用されるため、リミットスイッチ（limit switches） と呼ばれます。

リミットスイッチ

リミットスイッチは、頑丈なトグルまたはセレクタハンドスイッチに似ていますが、レバーは機械部品によって駆動されます。レバー先端の小さなローラーベアリングが、繰り返し接触による摩耗を防ぎます。

近接スイッチ

近接スイッチは、磁場または高周波電磁場を介して金属部品の接近を検出します。

基本モデルは永久磁石を使用し、金属片が約1インチ以内に来るとシールドされたスイッチを作動させます。より高度なタイプは、高周波電流で励磁されたコイルを用い、金属の存在で電流大きさが変化し、回路をトリガーします。

電子式バリエーションは、シンボル周りのダイヤモンド型ボックスで示されます。非電子式近接スイッチは、レバー作動リミットスイッチと同じシンボルを使用します。

光学近接スイッチは光源とフォトディテクタを使用します。ビームが機械部品によって遮断または反射されることで、スイッチが位置を検知します。これらは危険区域の人員検出のための安全インターロックとしても価値があります。

プロセススイッチのさまざまなタイプ

産業現場では、物理的プロセス変数に反応するスイッチが不可欠です。パラメータが逸脱したときにアラームを発したり、設備を保護するためにシャットダウンしたりできます。

速度スイッチ

速度スイッチは、遠心重りまたは非接触光学/磁気センサで軸回転を測定します。

圧力スイッチ

圧力スイッチは、ピストン、ダイヤフラム、ベローズを介してガスまたは液体圧力を機械的力に変換して作動します。

温度スイッチ

一般的な温度センサはバイメタルストリップ——熱膨張率の異なる2金属の薄いシート。温度変化でストリップが曲がり、スイッチを作動させます。

他の設計では、圧力検知要素に連結された液体またはガス入りの真鍮球を使用。球を加熱すると内容物が膨張し、圧力が上昇してスイッチをトリガーします。

液面スイッチ

液面スイッチは、液体が設定高さまで上昇したときに接点に接触するフロート要素を使用できます。液体が導電性なら、一対のプローブがギャップをブリッジし、流れる微小電流でリレーをトリガーします。

穀物や飼料など固体のレベル検出には、設定レベルに達したときに動きの不在を検出するパドルホイールまたはチューニングフォークセンサがよく用いられます。

液体流量スイッチ

パイプに取り付けられた流量スイッチは、流体によって駆動されるパドルまたはベーンで流量を監視します。他のバリエーションは、内蔵制限による圧力降下を検知する差圧スイッチです。

核レベルスイッチ

核レベルスイッチは、弱い放射線源と容器の直径を挟んで配置された検出器で構成されます。物質が源の上に堆積すると、放射線減衰で検出器信号が減少し、リレーをトリガーしてレベルを示します。

源と検出器が容器外部にあるため物理的侵入が不要で、使用される放射線は人員に安全です。

すべてのスイッチには複数の用途がある

どんな仕事にも単一の「完璧な」スイッチは稀です；各タイプは耐久性、応答時間、環境適性でトレードオフを提供します。適切なスイッチ選択が信頼性の鍵です。

復習：

• スイッチ は、2点間の導通を制御する電気デバイス、通常は電気機械式。
• ハンド スイッチは人間の触れで作動。
• リミット スイッチは機械の動きで作動。
• プロセス スイッチは、物理プロセス（温度、レベル、流量等）の変化で作動。

関連ワークシート：

• スイッチワークシート