ACスイッチとは
ACスイッチとは、交流 (AC) 電流をON-OFF制御するための部品や回路全般です。
主に商用電源を利用して稼働する家電製品や産業機器、照明システムなど、さまざまな用途で使用されます。一般的にスイッチと呼ばれる部品や電子デバイスには、信号の切り替えなどに用いる低電圧／低電流向けの小型のものと、商用電源に代表される高電圧／大電流をON-OFF制御する大型のものがあります。ACスイッチは後者を指すものです。
ACスイッチの使用用途
ACスイッチは一般家庭や日常生活でも頻繁に目にする部品です。主な使用用途を以下に記します。
1. 家庭用機器
照明のオン・オフや調光にACスイッチが使用されます。また家電製品の電源制御でも用いられています。
2. 産業用
ACスイッチは、モーターやヒーターの制御や電源供給のスケジュール管理 (タイマー制御)、自動化システムで使われています。
3. エネルギー管理
スマートホームの電力制御でACスイッチが使用されます。また太陽光発電や風力発電システムでの負荷切替の用途もあります。
ACスイッチの原理
ACスイッチの基本的な役割は次のようなものです。
- 電流のON-OFF制御
電流を流す (ON) または遮断する (OFF) ことで、電気機器の動作を制御します。 - 交流特有の特性に対応
ACスイッチは交流特有の「電流の向きが周期的に変わる」特性に合わせて設計されています。そのため、直流 (DC) 用のスイッチとは構造や動作原理が異なる場合があります。例えば、半導体スイッチであるSCRは、直流電流のスイッチングに適しますが交流電流には使いにくく、代わりにトライアックを用います。
一般的なメカニカルスイッチであれば、ACスイッチの原理は産業に使用される部品の中でも比較的簡単な仕組みです。ACスイッチ自体は、ある2点間を開放又は短絡して電流の遮断と導通を切り替える構造となっています。2点間を短絡する為に導体同士が接する部分を接点と呼び、スイッチの重要な要素です。導体である接点の材質は金や銀、白金、黄銅の合金が使用されます。導電性が高く、化学的にも安定していることが理由です。
接点の周りは樹脂やゴム等の絶縁物で保護します。人が触る部分と接点を電気的に絶縁するために絶縁物が用いられています。また接点の内部に小型のランプを埋め込み、接点の切り替え状態をランプの点灯／消灯で表示するスイッチも販売されています。家庭用照明スイッチに多く見られるものです。
但しリレーを使ったACスイッチや半導体スイッチは、駆動回路など複雑な構成になり、簡単な仕組みとは云えません。リレーを使った場合は、リレーのコイルに流れる電流の制御回路が必要で、コイル電流をON-OFF制御してリレーの接点を開閉します。半導体スイッチであれば、トライアックのゲート電圧を制御する回路やMOSFETのゲート電圧を制御する回路が必要になります。
ACスイッチの種類
1. メカニカルスイッチ
手動操作によって動作する物理的なスイッチで、シンプルで安価ですが動作速度が遅く、摩耗や接触不良の問題があります。具体的な例としては、壁スイッチやブレーカーなどが挙げられます。
2. メカニカルリレー
電磁石の力で接点を開閉するスイッチで、電磁石に電流を流すと発生する磁力により接点の状態が切り替わり、その接点に接続された回路をON-OFFする仕組みです。機械的な接点を持ちながら、リレーの駆動回路を設けることで遠隔操作に対応します。
3. 半導体スイッチ (電子式スイッチ)
電子部品を用いて交流電流を制御するスイッチの総称を半導体スイッチと呼びます。機械的な接点がないため、摩耗がなく、高速動作が可能です。代表的な半導体スイッチには次のようなものがあります。
- トライアック
双方向に電流を流せるスイッチで、交流の制御に適しています。主に照明調光器やファン速度制御に採用されています。 - 半導体リレー
電子的にON-OFFを切り替えるMOSFETなどのデバイスを利用したもので、ノイズや振動に強く、メカニカルリレーの代替として使用されています。
ACスイッチのその他情報
1. ACスイッチの特徴
ゼロクロス制御
一部のACスイッチ (トライアックなど) は、交流電流がゼロになる瞬間 (ゼロクロス) でスイッチングを行い、ノイズの発生や電気的なストレスを軽減します。
高耐久性
半導体スイッチは接触摩耗がないため、メカニカルスイッチと比較すると、長寿命で信頼性が高いことが期待できます。
絶縁性
リレーやソリッドステートスイッチは、制御回路と高電圧がかかる電力回路とを分離・絶縁できることから、安全性が向上します。
2. ACスイッチの選択基準
電圧と電流の定格
制御する負荷に応じたスイッチの定格を選ぶ必要があります。
スイッチング速度
高速スイッチングが必要な場合は、半導体スイッチが適しています。
制御方法
手動切替か自動切替を選択し、その上で適切なスイッチを選択します。
安全性
絶縁や過電流保護機能が必要な場合は、半導体リレーやトライアックが有効です。