安価なスマートプラグはなぜあんなに大きすぎるのでしょうか？

スマートプラグが大きくなるのは、商用電源を安全に取り扱うには物理的なスペースが必要だからです。そのプラスチックシェルの中では、スマートプラグは高電圧の交流を低電圧の直流に変換し、機械的な物理スイッチを収容し、高電力回路と低電力ロジックを分離し、発火せずに無駄な熱を放散する必要があります。

安価なモデルは特に厄介です。なぜなら、電子機器を小型化するには実際のエンジニアリングコストがかかるからです。

主なポイント

• 高電圧クリアランスの規則により、回路基板は商用電源回路とマイクロコントローラーの間に数ミリメートルの物理的な隙間を維持する必要があります。
• 電気機械リレーは、アーク放電なしに15アンペアの空気ギャップを横切って銅接点をスナップするのに十分な大きさである必要があります。
• 安価なプラグは、カスタム積層平面部品ではなく、汎用の既製トランスとラジアルコンデンサを使用しています。
• 熱放散には、連続負荷での熱蓄積を防ぐために、プラグハウジング内に空の容積が必要です。

シェルの中に実際に詰め込まれているものは？

スマートプラグは単なるアダプターではありません。それは、単一のエンクロージャーに詰め込まれた、コンピューター全体、無線局、および産業用電源スイッチです。

典型的な低価格スマートプラグを開くと、2つの明確な動作セクションが見つかります。

1. 高電圧側: 壁から直接供給される120V（北米）または230V（ヨーロッパおよびその他地域）の交流電流を扱います。連続10～15アンペアの電流を処理できるように設計された、太い銅製バスバーを備えています。
2. 低電圧ロジック側: 3.3Vマイクロコントローラー（例: Espressif Systems ESP8266またはESP32チップ）と、Wi-FiまたはZigbee無線モジュールが搭載されています。

120V ACを3.3V DCに変換するには、ハードウェアが必要です。プラグには、ミニトランス、ACをDCに変換するブリッジ整流器、電気的リップルを平滑化するフィルターコンデンサ、そして電圧レギュレーターが必要です。

小型のスイッチング電源であっても、物理的な限界があります。トランスの磁気コアと銅巻線は、負荷がかかったときに飽和して過熱することなく、ある一定の点以上に縮小することはできません。

安全規格ではなぜ物理的なギャップが規定されているのですか？

電気は、抵抗が最も少ない経路があれば、薄い空気中を飛び越えたり、回路基板上を這ったりします。安全試験機関であるUL規格は、クリアランス（空間距離）とクリーページ（沿面距離）に関する厳格な規則を施行しています。

クリアランスとは、2つの導電性部品間の空気中の最短距離のことです。クリーページとは、絶縁材の表面に沿ったそれらの間の最短距離のことです。

家庭用電化製品が商用電源電圧にさらされる場合、電気安全規則では通常、高電圧ピンとユーザーがアクセスできる低電圧回路との間に3〜6ミリメートルの沿面距離が必要です。設計者は、表面トラッキングを防ぐために、ファイバーグラス回路基板を貫通する物理的なルーティングスロットをよくカットします。

これらの基板レイアウトを無限に圧縮することはできません。ご家庭の配線に電気サージが発生した場合、トレースを0.5ミリメートル近づけたプラグはアーク放電を起こし、ショートして壁のコンセントを溶かす可能性があります。

なぜまだ機械式リレーが使われているのですか？

20ドル未満のスマートプラグのほぼすべてが、電源のオン/オフを切り替えるために電磁リレーを使用しています。動作音を聞くことができます。スイッチをトリガーしたときのあのシャープな機械的なクリック音は、密閉されたプラスチックキューブ内でレバーが物理的に動いている音です。

トライアックやMOSFETのようなソリッドステートスイッチは存在し、わずかなスペースしか占めませんが、一般的な家庭用プラグには深刻な代償が伴います。ソリッドステートスイッチは、流れる電流に比例した定常的な熱を発生します。ポータブルスペースヒーターからの12アンペアの負荷の下では、ソリッドステートスイッチはかなりの熱量を発生し、巨大なアルミニウムヒートシンクなしでは密閉されたプラスチックプラグを調理してしまうでしょう。

対照的に、物理的なリレーは、銀ニッケルまたは酸化銀スズ製のバネ式接点を使用しています。一度閉じると、接触抵抗は実質的にゼロになり、全負荷時にほとんど熱を発生しません。

問題は、そのサイズです。125V ACで標準の15アンペア回路を遮断できるリレーは、標準化された物理的なフットプリントを持っています。その小さなプラスチック製リレーブロックだけで、ケース内部に約15 x 20 x 15ミリメートルのデッドスペースを消費します。

なぜ安価なプラグは、プレミアムなものよりもずっと太いのでしょうか？

工具や部品の選択が、外側の大きさを決定します。小型化は高価な製造上の選択です。

安価なブランドは、標準的な既製品の部品を調達します。背の高い円筒形の電解コンデンサを使用しており、これらは基板上で垂直に立てるか、不格好に横向きに置く必要があります。

多層基板製造のコストを削減するため、安価なメーカーは、シンプルで片面または両面のプリント基板にこだわります。そのため、部品を広い平面上に水平に配置する必要があります。

よりコンパクトなプラグは、内部を2つまたは3つの小さな基板に分割し、小さなサンドイッチのように積み重ねています。1つの基板が高電圧リレーと電力変換を処理し、もう1つの基板にはWi-Fi無線とマイクロコントローラーが搭載されています。

基板を積み重ねるには、カスタムリボンケーブル、ピンヘッダー、特殊なソルダリングリフロープロセス、および特注のフラットトランスが必要です。そのエンジニアリングにより、内部アセンブリの製造コストは容易に倍増します。

ラジオの配置は問題を悪化させますか？

スマートプラグは、干渉の多い素材で覆われています。重い銅製のプラグ、厚いスイッチングトレース、内部トランスからの電磁ノイズはすべて、無線周波数信号を妨げます。

リレーがクリックするたびに2.4 GHz Wi-FiまたはThread接続がオフラインにならないようにするには、ワイヤレスアンテナには十分なスペースが必要です。PCBトレースアンテナは、銅の電源プレーンや線電圧コンポーネントから離して配置する必要があります。

エンジニアは、アンテナをケーシングの最も外側の端、前面近くに配置することがよくあります。これにより、プラスチックハウジングがリビングルームに向かって前方に拡張され、壁のプレートから不格好なレンガがぶら下がった状態になります。

ソケットを塞がないプラグの選び方

標準的な二連コンセントの2つ目のコンセントへのアクセスを失うことにうんざりしているなら、丸型や純粋な四角型のプラグを買うのはやめましょう。

特に横長の長方形のデザインを探してください。縦の高さが38ミリメートル（約1.5インチ）以下のプラグであれば、下のコンセントのアース端子を邪魔することなく、上のコンセントに設置できます。

あるいは、スマートプラグ自体をスキップしましょう。配線の自信がある場合は、代わりに壁埋め込み型スマートレセプタクルを設置してください。壁埋め込み型ユニットは、トランス、リレー、無線機を壁の裏にある電気ジャンクションボックス内に直接隠し、壁には標準的なフラットなソケットを残します。