スイッチに並列に入るコンデンサ-居酒屋ガレージ日記

スイッチに並列に入るコンデンサ

JH3KXMさんから「タクトスイッチの接触不良」原因について、
ご意見を頂戴しました。
「回路にコンデンサが入っていて、電流制限抵抗のないまま
　スイッチしているんじゃないか」という推測です。

※ブログ記事：スイッチに並列コンデンサはダメ回路 - ikkei blog

このスイッチ、ガレージの現用PCの電源オン・オフに使われてい
ました。
自作回路じゃないので、残念ながらコンデンサが回路に入って
いるかどうかは不明です。

このPCのパネル、電源スイッチの横にリセットスイッチが並んで
いるのです。
そこで、リセットスイッチ（滅多に使わない）と電源スイッチを
入れ替えてやろうというのが当初の故障対策プランでした。
同形状のスイッチですんで、ハンダ付けを外して入れ替えで済む
はずでした。
ところが、操作なんてしないリセットスイッチのほうも接触不良
が起こっていたのです。

こりゃ、スイッチそのもの問題。
PCを運転し始めてから3年半目のトラブルだったわけです。
手持ち品のスイッチに交換後は現在まで安定して動いています。

さてさて。
スイッチでコンデンサが入った回路を開閉した時、どんな具合に
なるか、ざっと推測してみましょう。

図の左側が問題の回路。
C1を直接短絡すると、過大電流がスイッチに流れるというものです。
安定稼働のためには右図のように放電電流規制抵抗R2を入れておく
べきだと。

考慮すべき点は、コンデンサの容量、Vcc電源電圧。
それにスイッチの接触抵抗に、配線の抵抗分。
さらにコンデンサの等価直列抵抗や配線のインダクタンスも絡んで
きます。

★複雑に考えるとややこしいので、簡単に

C1はその容量にかかわらず電源電圧まで充電されます。
スイッチで短絡したら、一瞬、大電流が流れます。
電源電圧が5Vでスイッチ回りの抵抗が仮に「1Ω」とすると
瞬間的に「5A」。
抵抗が小さくなればどんどん電流は大きくなります。

ただ、時間経過とともに電荷が減って電圧が減少するんで、
大電流が流れるのは最初の一瞬だけ。
時定数　「t＝CR」経過すると、およそ7割減の値に。
コンデンサを1uF、抵抗を1Ωとすると時定数は「1マイクロ秒」

これをちょっと違う式から見てみましょう。
関係する式
　　Ｑ＝ＣＶ　　　　　　コンデンサに蓄えられる電荷
　　Ｗ＝（1/2）Ｑ・Ｖ　コンデンサに蓄えられるエネルギー
つまり
　　Ｗ＝（1/2）・Ｃ・Ｖ・Ｖ　　単位は「Ｊ」

電圧の２乗に比例してエネルギーが大きくなります。
で、なぜ「1/2」が頭に付くのかは積分の絡み。
「電荷のエネルギー」などと検索すると出てきます。
「１アマ」無線工学の問題かな。

で、数値を入れてみると、
　　Vcc＝5V　　C＝１uF
とすると、答えが「12.5マイクロ・ジュール」。
電力量で考えると1秒間で12.5マイクロ・ワット。
時間を短くして、
　　１ミリ秒なら、　　12.5ミリワット。
　　１マイクロ秒なら、12.5ワット。

放電時間を１マイクロ秒とするのなら、12.5Wという電力
がその時間に消費されます。
そして、
　　Ｉ＝√（Ｗ÷Ｒ）　　（電力と抵抗から電流を計算する）
1Ωの放電抵抗なら約「3.5A」となります。
0.1Ωなら35A。
10mΩだと350A。　←ほんとに流れるかどうかは別で

先ほどのは瞬時電流としての「5A」という数値は時間経過
とともに電流が減少。
そして電力から計算したのが「3.5A」。
こちらも時間とともに電流が減少しますが、元の数値が
ピークじゃなく1u秒で計算したからちょいと小さくなっ
てます。

コンデンサが小さくなっても瞬時電流の考え方では電流
は減りません。　　（放電時間は短くなるけど）
電力量による計算だと電流は減りますが、放電時間をどう
考えるかで電流値が変わります。

例とした「1u秒」だと周波数で「1MHz」。
回路の抵抗だけでなくインダクタンス成分を考えると、
いかがでしょうね。
電流を推定する上で、どのくらいで手を打つか…

コンデンサの値を1/10にして0.1uFなら、まだちょいと
電流値が気になるレベル。
でも1/1000にして1000PFまで小さくすると、そろそろ
電流制限抵抗を省けるんじゃないか、そんな気がします。
抵抗の代わりにフェライトビーズかな。

★居酒屋ガレージまとめ：タクトスイッチの接触不良