リレーの仕組み：現代コンピューティングを築いたクリック

いまこの記事を読んでいる間にも、あなたのデバイス内部のトランジスタは、肉眼で見える可動部なしに電気信号を切り替えています。重要な初期のデジタルマシンの一部は、電気機械式リレーで同等の論理スイッチングを行っていました。そしてリレーは、鋭く耳に届く クリック 音を発しました。

リレーは、電気によって操作されるスイッチです。電子式コンピューティングへの唯一の先駆者ではありませんでしたが、物理的な接点から論理ゲート、算術、メモリへ至る道筋を、とりわけ目に見える形で示してくれます。

これは、リレーでコンピュータを作ると名付けた実践シリーズの最初の記事です。Charles Petzold の傑作 CODE に深く着想を得ていますが、これからは回路を読むだけではありません。進みながら、ブラウザでライブに切り替え操作します。遊べるようにした CODE だと考えてください。

いちばん下から始めましょう。単一のリレーです。

リレーを生んだ問題

物語は、コンピュータを誰も想像していなかった数十年前の 1830 年代に始まります。とても実際的な悩みがありました。どうすれば、本当に長い電線の先まで信号を送れるのか？

電信は、回線に電流を流し、遠端で電磁石を動作させました。電線の抵抗、漏れ、受信装置の感度によって、直接回路が届く距離と信頼性には限界がありました。受信電流が十分に弱くなると、機構を確実に動かせなくなります。

解決策の一つは、美しいほど単純でした。受信信号で接点を動かし、新たなローカル電源を接続するのです。Joseph Henry による強力な電磁石と連続する電磁回路の研究は、ほかの電信発明家や計器製作者の取り組みとともに、この発展に寄与しました。

そのスイッチがリレーです。名前は、何をするかを正確に表しています。走者がバトンを渡すように、メッセージを中継します。疲れた弱い電流が到着してスイッチを作動させ、真新しい十分な強さの電流が先へ進みます。電信事業者は、回線に沿ってリレーを連鎖させ、大陸を横断できるようになりました。

1840 年の誰も、論理やコンピュータのことを考えていませんでした。次の町に自分たちの点と線が届くことだけを望んでいました。しかし、この実用的な小さな装置の中には、最終的に世界を動かす考えが隠れていました。人の指ではなく電気で制御されるスイッチです。覚えておいてください。これがすべての仕掛けです。

リレーが実際に動作する仕組み：部品ごとに見る

初めてリレーが勢いよく動くのを見ると魔法のように見えますが、そこにあるのは第一原理の物理だけです。動く考え方は三つしかありません。

1. 電磁石（コイル）。 鉄心に導線を巻き、そこへ電流を流すと、一時的な磁石になります。電流オン → 磁性あり。電流オフ → 磁性なし。これはリレーの「筋肉」であり、完全に電気によって制御されます。

2. アーマチュア（レバー）。 電磁石のすぐ上には、小さな鉄製レバーがあり、ばねによって戻る側に保持されています。コイルが励磁されると、その磁力がばねに打ち勝ち、アーマチュアを下へ引き込みます。電流を切ると、ばねが元の位置へ勢いよく戻します。その跳ね返りが、聞こえるクリック音です。

3. 接点（スイッチ）。 アーマチュアには金属接点が付いています。動くと、その接点は 二つ目の、完全に別の回路 における接続をつなぐか、切ります。ある電線の電流が、別の電線の電流を流せるかどうかを決めます。

順に並べると、装置全体は小さな機械のように読めます。

コイルに電流が流れる → 電磁石がアーマチュアを引く → アーマチュアが接点を動かす → 別の回路がオンまたはオフになる。

コイルを励磁すると、カチッと鳴り、出力回路が閉じてランプが点きます。解除すると、カチッと鳴り、ランプが消えます。触れることのないスイッチが、電気だけによって切り替えられるのです。

通常開、通常閉：リレーの二つの性格

ここに、リレーを単なる珍しい部品から論理デバイスへ変える細部があります。技術者が待ち望んでいた部分です。

切替リレーには、通常、通常開接点と通常閉接点の両方があります。

• **通常開（NO）：**停止時には接点が開いています。コイルを励磁すると閉じます。
• **通常閉（NC）：**停止時には接点が閉じています。コイルを励磁すると開きます。

コイルの励磁を入力 1、電源が入ったランプを出力 1 と符号化すると、NO 経路はバッファのように、NC 経路は NOT のように振る舞います。この解釈は選んだ配線、電源、論理規約に依存します。接点自体は受動的なスイッチです。

一つの素朴なデバイスから、二つの列、二つの正反対の動作が得られます。リレーが信号を反転できる、つまり ON を OFF へ変えられるという事実は、脚注ではありません。実際の論理、そして最終的な意思決定を可能にする火花です。

自分で切り替えてみる

クリックについて読むことと、モデルを操作することは別物です。以下の対話式回路は、リレーコイル、アーマチュア、接点、ランプを表しています。すべてのシミュレータと同様、これはモデルです。視覚的な状態とタイミングでトポロジーを学び、電圧、電流、遅延、バウンス、接点定格については、実際のリレーのデータシートを参照してください。

ナイフスイッチを切り替えて、モデル化されたコイルへ電流を送ります。アーマチュアが引き込まれ、接点が閉じ、ランプが点くのを見てください。オプションの音が、各遷移を示します。

操作しながら、次を試してみてください。

1. ゆっくり切り替える。 コイルを励磁してからランプが点くまでの遅延に注目してください。実際のリレーには、電気的・機械的な動作時間があり、接点バウンスによってさらに遷移が加わる場合があります。後の記事では、リレーだけでなくすべての論理技術が有限の遅延を考慮しなければならない理由を示します。
2. 聞く。 引き込みで一回、復帰で一回クリックします。クリック一つが、世界の一ビットが状態を変えることです。
3. リレーのラックを想像する。 電気機械式計算機やリレーコンピュータは、接点が動作するにつれて独特のスイッチング音を発しました。

リレーがスイッチング論理の有用な原子である理由

少し引いて、何が起こったのかに注目してください。コイルの電流が接点の電流を制御しました。一つの回路が、別の回路のスイッチを切り替えたのです。

この性質がすべてを変えます。なぜなら、リレーを互いに接続できることを意味するからです。一つのリレーの出力は、次のリレーの入力、つまりコイルになれます。スイッチがスイッチを制御し、そのスイッチがまたスイッチを制御します。そしてデバイスが互いを制御できれば、意思決定するように配置できます。このランプを点けるのは、二つのスイッチが両方オンのときだけ、またはどちらか一方がオンのとき、またはこの一つがオフのとき、といった具合です。

AND、OR、NOT という言葉が論理に聞こえるなら、それがこのシリーズで築く橋です。1937 年の MIT 修士論文で、クロード・シャノンはスイッチングネットワークの解析と合成にブール代数を適用しました。直列接点は論理積、並列経路は論理和、補数の接点条件は否定に対応します。これにより、複雑なリレーネットワークを体系的に数学設計できるようになりました。デジタル化された論文を読むことができます。

現代のプロセッサはリレーではなく半導体デバイスを使っており、トランジスタレベルの振る舞いは機械接点と同一ではありません。永続的なつながりは抽象化です。どちらの技術も二つの論理状態を表せ、スイッチング要素を組み合わせてブール関数を作れます。

だからこそ、ここは学び始めるのにとても良い場所です。リレーを理解するのに回路の学位やはんだごては必要ありません。あなたは今、その動作を見ました。この単一で、目に見え、耳で聞ける考えから、コンピューティングのすべてが、理解できる一歩ずつ積み上がります。好奇心旺盛な子どもにも、内部をのぞく学生にも、もう一度基礎を実感したい技術者にも、完璧な最初の段です。

ここまでで学んだことと、次に進むこと

一つの記事で、「リレーは何かの電気部品だ」というところから、第一原理に基づいて次を理解しました。

• リレーは電気が制御するスイッチです。コイルがアーマチュアを引き、アーマチュアが接点を動かします。
• 通常開で配線すればバッファ、通常閉で配線すればインバータ（NOT）になります。
• 一つのリレーが別のリレーを制御できるため、リレーは連鎖できます。そして連鎖したスイッチは計算できます。

リレーでコンピュータを作るの次の記事では、二つのスイッチを組み合わせ、見過ごされがちな最初の本当の論理に出会います。直列のスイッチは AND のように、並列のスイッチは OR のように振る舞います。両方を切り替えると、誰かが名前を付ける前に論理の規則が現れるのを感じられるでしょう。シャノンの大きな考えへの舞台が整います。

先へ進んで遊びたいですか。このシリーズのすべての回路は、DigiSim Relay Lab にあります。リレーをキャンバスへドラッグし、配線し、コンピュータが考える音を聞いてください。無料で始められます。クリックが待っています。