DE2312238A1

DE2312238A1 - Vorrichtung zur verminderung der erosion von schalterkontakten

Info

Publication number: DE2312238A1
Application number: DE19732312238
Authority: DE
Inventors: John Anderson Irvine
Original assignee: Findlay Irvine Ltd
Current assignee: Findlay Irvine Ltd
Priority date: 1972-04-18
Filing date: 1973-03-12
Publication date: 1973-09-20
Also published as: IT980549B; FR2176037A1; FR2176037B3; NL7303305A; JPS49745A

Description

Paienianwälio

Dr.-Ing. Wilhelm B Giebel

Dipl-feig. Wolfcang Eeichel ' ^ _

6 Franlduri a. M. 1 7363

Parksiraße 13

FINDLAY, IRVINE LIMITED, Penicuik, Midlothian, Großbritannien

Vorrichtung zur Verminderung der Erosion von Sohalterkontakten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verminderung der Erosion.von Schalterkontakten, durch die durch Erosion bedingte Schaden der Kontakte von Schaltern vermieden werden sollen.

Die Betriebsdaten von Schalterkontakten sind häufig dadurch begrenzt, daß die Kontakte eine bestimmte Anzahl von Schaltvorgängen ausführen können müssen, bevor eine Wartung oder ein Austausch notwending sind. Der elektrische Kontaktwiderstand von erosionsfesten Werkstoffen ist nicht am kleinsten. Es ist gut bekannt, daß die Kontakterosion hauptsächlich bei der Stromunterbrechung auftritt, da sich dabei ein Durchschlag in dem Luftspalt zwischen den sich öffnenden Kontakten ergibt. Die ionisierten Gase in dem Spalt ermöglichen das Fließen eines Stroms, und es tritt dann in bekannter Weise ein Lichtbogen auf, der eine Erosion und ein Aufschmelzen des Kontaktwerkstoffes zur Folge hat.

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Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile mit einer Vorrichtung zur Verminderung der Erosion von Schalterkontakten dadurch beseitigt, daß eine Schalteinrichtung in einer Schaltung vorgesehen ist, durch die zwei Schalterkontakte überbrückt werden, und daß ein reaktiver Steuerkreis mit einer Steuerelektrode und mit mindestens einer Leistungsanschlußklemme der Schalteinrichtung verbunden ist und ferner so angeordnet ist, daß er einen Triggerimpuls selbsttätig bildet, der die Schalteinrichtung sofort leitend macht,' wenn die Vorrichtung bei Betrieb mit den stromführenden Schalterkontakten verbunden wird ν und die Schalterkontakte geöffnet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird beim Öffnen der Kontakte durch den plötzlichen Abfall des Potentials an. einem von ihnen mit Hilfe der reaktiven Schaltung ein Triggersignal erzeugt. Die reaktive Schaltung kann aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehen, die mit der Schalteinrichtung in Reihe geschaltet sind und die Steueranschlußklemme der Schalteinrichtung kann mit der Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator und dem Widerstand verbunden sein. Vorzugsweise ist die Sc leiteinrichtung eine Zweirichtungs-Thyristortriode.

Wenn eine solche Schaltung bei Kontakten verwendet werden soll, die einen Wechselstrom unterbrechen, dann enthält die Schalteinrichtung eine Zweirichtungs-Festkörper-Schalteinrichtung. Wenn die Kontakte geöffnet sind, leitet die Schalteinrichtung bis die an ihr abfallende Spannung unter die Sperrspannung am Ende einer Wechselspannungshalbwelle absinkt.

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Wenn die Schaltung zur Unterbrechung von Kontakten verwendet werden soll, die Gleichstrom führen, dann enthält sie einen Kondensator, der mit der Schalteinrichtung in Reihe geschaltet ist, die als eine Einrichtungs- oder Zweirichtungs-Schalteinrichtung ausgebildet sein kann. Der Kondensator hindert die Schalteinrichtung daran, einen stetigen Strom an die Last abzugeben, wenn die Schalteinrichtung in den leitenden Zustand getriggert worden ist. Mit dem Kondensator ist ein Nebenschlußwiderstand verbunden, der es verhindert,' daß der Kondensator aufgeladen wird, wenn die Schalteinrichtung nicht leitend ist»Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen ■beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schutzschaltung für Kontakte, die einen Wechselstrom unterbrechen sollen,

Fig. 2 Kurvenverläufe des Potentials an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 1, wenn eine ohmsche Last vorgesehen ist,

Fig. 3 eine Schutzschaltung ähnlich der Schaltung nach Fig. 1, die jedoch zur Verwendung mit großen induktiven Lasten abgeändert ist,

Fig. 4 eine andere abgewandelte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 1, " .

Fig. 5 eine andere Schutzschaltung für Kontakte zur Unterbrechung von Wechselstrom und

Fig. 6 eine Schutzschaltung für Kontakte zur Unterbrechung von Gleichstrom.

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Zwei Schalterkontakte 11 und 12 sind in Reihe mit einer ohmschen Last 13 zwischen Anschlußklemmen 14 einer Wechselspannungsquelle geschaltet. Die Leistungsanschlußklemiiien 16 und 17 einer Zweirichtungs-Thyristortriode oder eines Triacs 15 sind zu den Kontakten 11 und 12 parallel geschaltet und sein Steueranschluß 18 ist mit einem RC-Glied 19 verbunden, das durch einen Widerstand 20 und einen Kondensator 21 gebildet wird, die mit den Kontakten 11 und 12 und mit dem Triac 15 in Reihe geschaltet sind. Der Steueranschluß ist mit der Verbindungsstelle verbunden, die zwischen einer Anschlußklemme des Widerstands und dem Kondensator gebildet ist. Die andere Anschlußklemme des Widerstands ist mit dem Kontakt 12 verbunden, der sich an die Last 13 anschließt. Die Werte des Widerstands und des Kondensators sind so gewählt, daß die Zeitkonstante CR klein ist und zwar insbesondere einige MikroSekunden beträgt, und sie ist ferner so gewählt, daß die an dem Widerstand entstehende Spannung bei der Speisefrequenz nicht ausreicht, das Triac zu triggern. Beispielsweise wird-bei einer Schaltung zur Unterdrückung von Lichtbogen und zur Verhinderung von Kontakterosion in einem Thermostat *für ein zentrales Heizsystem der Wert des Widerstands 21 zu 0,1 /jF ^u^d der Wert des Widerstands 20 zu 47 Ohm gewählt.

Die Schaltung~'arbeitet in der folgenden Weiser Wenn im Ruhezustand die Kontakte 11 und 12 geschlossen sind, dann . wird die Speisespannung über, die Anschlußklemmen 14 von der Wechselspannungsquelle direkt der Last 13 und der reaktiven Schaltung 19 zugeführt. Wie bereits oben erwähnt, ist der Wert des Widerstands 20 so gewählt, daß die an ihm aufgebaute Spannung während des Aufladens und des Entladens des Kondensators mit der Speisespannungsfrequenz nicht ausreicht, das Triac 15 zu triggern. Die Leistungsanschlußklemmen 16 und 17

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des Triacs werden durch die Kontakte 11 und 12 kurzgeschlossen und deshalb ist das Triac für die Zuführung von Strom zur Last 13 unwesentlich.

Wenn die Kontakte im Ruhezustand offen sind, dann fließt kein Strom in das RC-Glied, so daß das Triac 15 im nicht leitenden Zustand verbleibt und es fließt entsprechend kein Strom durch die Last.

Wenn im Verlauf eines Zyklus der Speisespannung die Kontakte und 12 geöffnet werden, dann ergibt sich die folgende Wirkungsweise: Wegen der kurzen Zeitkonstanten (Kondensator 21, Widerstand 20) folgt die Spannung am Kondensator der Speisespannung direkt nach. Der Kondensator ist deshalb direkt bevor die Kon takte geöffnet werden aufgeladen. Wenn sich die Kontakte 11 und 12 öffnen, dann tritt an ihnen augenblicklich ein Spannungsabfall auf, der in seinem Wert durch die Bildung eines Lichtbogens begrenzt ist. Die augenblickliche Potentialänderung an dem Kontakt 12 verursacht ein plötzliches Anwachsen der Potentialdifferenz an dem Widerstand 20 (siehe Fig. 2), da sich die Potentialdifferenz an dem Kondensator 21 nicht augenblicklich ändern kann. Die Potentialdifferenz reicht aus, das Triac 15 zu triggern, so daß es leitend wird, woraufhin sich dann der Kondensator über den Widerstand 20 und die Steueranschlußklemme 18 des Triacs entlädt. Mit dem Kondensator und der Steueranschlußklemme des Triacs kann ein Widerstand 22 in Reihe geschaltet sein, damit der Stromstoß, wenn das Triac zu leiten beginnt, begrenzt wird, so daß das Triac geschützt ist. Bei der oben erwähnten Ausführungsform hat der Widerstand 22 einen Wert von 47 Ohm. Das Triac wird damit innerhalb weniger MikrοSekunden nach der Öffnung der Kontakte in den leitenden Zustand gebracht. Die Spannung zwischen den Kontakten 11 und 12 wird auf einige Volt herabgesetzt, und

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der Lichtbogen kann damit nicht aufrecht erhalten werden. Für den verbleibenden Teil der Halbwelle führt das Triac den vollen Laststrom und es wird automatisch nicht leitend, wenn der Anodenstrom zu Null wird.

Die beschriebene Schaltung eignet sich sowohl für reaktive Lasten, als auch für ohmsche Lasten. Wenn eine Spannung an der Last anliegt, während das Triac nicht, leitend wird, dann entlädt sich der Kondensator 21 über den Widerstand 20 genügend langsam, so daß die an dem Widerstand 20 gebildete Spannung niemals so groß wird, daß das zum Triggern erforderliche Potential für Triac 15 erreicht wird.

Da das Triac den Laststrom für höchstens einen Halbzyklus der Wechselspannungsquelle führt, können kleine Triacs verwendet werden, um große durch'die Schalter geführte Ströme zu unterdrücken, und es können beispielsweise Triacs mit einem Effektivwert von 2,5 A für Ströme von 100 A während eines Heizzyklus verwendet werden.

Natürlich können in der Schaltung nach Fig. 1 zusätzliche Bauelemente zur Unterdrückung von Übergangszuständen vorgesehen werden.

Die Schaltung nach Fig. 1 ist zwar insbesondere bei reaktiven Lasten wirksam, sie kann jedoch auch so verbessert werden, daß sie sich für hochinduktive Lasten eignet, indem der Widerstand 20 durch eine HS-Drossel20' ersetzt wird, so wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Reaktanz der HS-Drossel 20«, die frequenzabhängig ist, weist einen niedrigen Widerstand für eine sich relativ langsam ändernde Lastspannung auf,

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nachdem das Triac abgeschaltet worden ist, und sie weist eine hohe Impedanz für die rasche Potentialänderung auf, die dann auftritt, wenn sich die Kontakte öffnen. Die Induktivität der HS-Drossel kann insbesondere 10/iH betragen. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3 ist in anderer Hinsicht die gleiche wie die der Schaltung nach Fig. 1.

In Fig. 4 ist eine andere Schaltung dargestellt. Sie unterscheidet sich dadurch von der Schaltung nach Fig. 1, daß die Seite des Kondensators 21, die mit der neutralen Anschlußklemme 14 am unteren Ende der Zeichnung verbunden war, nun mit der stromführenden Anschlußklemme 14 und der Leistungsanschlußklemme 16 des Triacs verbunden ist.

Wenn die Kontakte 11 und 12 geschlossen sind, wird die Speisespannung der Wechselspannungsquelle über die Klemmen 14 der Last 13 über die Kontakte 11 und 12 zugeführt. Der Wert des Widerstands 20 ist so gewählt, daß die an ihm während des Aufladens und des Entladens des Kondensators 21 mit der Speisespannungsfrequenz an ihm gebildete Spannung nicht ausreicht, das Triac 15 zu triggern. Die Leistungsanschlußklemmen 16 und 17 des Triacs werden durch die Kontakte 11 und 12 kurzgeschlossen und deshalb hat das Triac für die Zuleitung von Strom zu der Last 13 keine Bedeutung.

Wenn während eines Zyklus der Wechselspannung die Kontakte 11 und 12 geöffnet werden, ergibt sich an den Kontakten ein augenblicklicher Spannungsabfall, der ein plötzliches Anwachsen des Potentialunterschieds an dem Widerstand 20 hervorruft, da sich der Potentialunterschied an demKondensator nicht augenblicklich ändern kann. Der Potentiaiunterschied reicht aus, das Triac 15 zu triggern, so daß es in einigen Mikrosekunden nach der Öffnung der Kontakte

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leitend wird. Der Potentialunterschied zwischen den Kontakten 11 und 12 wird damit auf einige-Volt herabgesetzt und der Lichtbogen kann nicht aufrechterhalten werden. Für den verbleibenden Teil des Halbzyklus leitet das Triac Strom zu der Last und es schaltet von selbst ab, wenn der durch es hindurchfließende Strom zu Null wird.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine Schutzschaltung mit zwei Anschlußklemmen vorgesehen ist, die mit den Kontakten in beliebiger Richtung verbunden werden kann. Ein Nachteil , besteht darin, daß dann, wenn die Kontakte offen sind, Übergangszustände in der Speisespannung ein häufiges Triggern des Triacs verursachen können.

In Fig. 5 ist noch eine andere Schaltung dargestellt. Hn dieser Schaltung wird die reaktive Triggerschaltung 19 durch eine Induktivität 23 gebildet, die in Reihe mit den Kontakten 11 und 12 und der Last 13 geschaltet ist. Die Leistungsanschlußklemmaides Triacs·15 sind zu den Kontakten 11 und 12 und der Induktivität 23 parallel geschaltet.

Wenn die Kontakte im Ruhezustand geschlossen sind, ändert sich der Strom in der Schaltung relativ langsam, so daß der Potentialunterschied an der Induktivität unter der Triggerspannung für das Triac 15 liegt. Wenn die Kontakte offen sind, dann wird durch einen plötzlichen Abfall im Laststrom eine große Gegen-EMK in der Induktivität erzeugt, die ausreicht, das Triac so zu triggern, daß es leitend wird. Das Triac leitet während des_vverbleibenden Teils des Halbzyklus der Wechselspannung und es schaltet dann von selbst ab. -.-·.■■

Der Nachteil der Anordnung nach Fig. 5 besteht darin, daß der optimale Wert für die Induktivität von dem Laststrom abhängig ist. 309838/1001

In Fig. 6 ist eine'Schutzschaltung dargestellt, die bei Kontakten zur Unterbrechung von Gleichstrom verwendet v/erden kann. Die Schaltung ist die gleiche wie die Schaltung nach Fig. 1 mit der Ausnahme, daß ein Kondensator 24, dem ein Widerstand 25 parallelgeschaltet ist, in Reihe mit dem Triac zwischen die Leistungsanschlußklemme des Triacs und die stromführende Anschlußklemme 14 der Spannungsquelle geschaltet ist.

Die Schaltung arbeitet in der folgenden Weisei Wenn die Kontakte 11 und 12 im Ruhezustand geschlossen sind, dann fällt keine Spannung an dem Triac ab, das Triac ist nicht leitend und der Kondensator 24 wird wegen des Nebenschlußwiderstands 25 entladen. Der Strom wird daher allein über die Kontakte 11 und 12 der Last zugeführt.

Wenn die Kontakte 11 und 12 geöffnet werden, dann wird das Triac 15,wie bereits weiter oben erläutert, durch die augenblickliche Spannung getriggert, die an dem Widerstand auftritt. Es fließt Strom durch das Triac und der Kondensator 24 wird aufgeladen. Der Kondensator 24 ist so gewählt, daß die Abfallgeschwindigkeit der Spannung an der Last 13 gering genug ist, so daß das Potential an dem Kontakt 12 daran gehindert wird, auf einen Wert abzufallen, bei dem ein Lichtbogen auftreten kann. Wenn sich die Ladung auf dem Kondensator erhöht, dann nimmt der Strom durch das Triac ab, bis er unter den Haltewert absinkt und das Triac wird abgeschaltet. Der Kondensator entlädt sich dann über den Nebenschlußwiderstand 25. Der Widerstand des Widerstands 25 wird so gewählt, daß er nicht den Haltestrom für das Triac führen kann. Damit dienen der Kondensator 24 und der Nebenschlußwiderstand 25 dazu, daß der Strom durch das Triac für eine kurze Zeit fließen kann, nachdem die Kontakte 11 und 12 geöffnet worden sind.

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Wenn die Kontakte 11 und 12 geschlossen sind, dann .wird der Last durch die Kontakte ein Strom zugeführt, und das Triac und die zugehörigen Bauelemente sind bei der Stromzuführung zur Last nicht beteiligt. Folglich liegt kein zusätzlicher Strom durch die den Lichtbogen unterdrückenden Bauelemente vor.

Die Schaltung nach Fig. 6 ist insbesondere zweckmäßig für eine induktive Last, da der Kondensator 24 die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung an den Kontakten 1-1 und 12 verlangsamt, wenn sie geöffnet werden, wobei er jedoch nicht einen großen Entladestrom durch die Kontakte hervorruft, wenn die Kontakte geschlossen werden.

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Claims

2-12238

Patentansprüche

Vorrichtung zur Verminderung der Erosion von Schalterkontakten,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteinrichtung (15) in einer Schaltung vorgesehen ist, durch die zwei Schalterkontakte (11 und 12) überbrückt werden, und daß ein reaktiver Steuerkreis (19) m it einer Steuerelektrode (18) und mit mindestens einer Leistungsanschlußklemme (17) der Schalteinrichtung (15) verbunden ist und ferner so angeordnet ist, daß er einen Triggerimpuls selbsttätig bildet, der die Schalteinrichtung (15) sofort leitend macht, wenn die Vorrichtung bei Betrieb mit den stromführenden Schalterkontakten verbunden wird und die Schalterkontakte geöffnet werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine Festkörper-Schalteinrichtung (15) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine Zweirichtungs-Schalteinrichtung (15) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine Zweirichtungs-Thyristortriode (15) ist.

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5. Vorrichtlang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Steuerschaltung eine Impedanz (20, 20') und einen in Reihe dazu geschalteten Kondensator (21) aufweist und daß die Steueranschlußklemme (18) mit der Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator und der Impedanz verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, _x dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (20, 20') zwischen eine Leistungsanschlußklemme (17) der Schalteinrichtung (15) und die Steueranschlußklemme (18) geschaltet ist, und daß der Kondensator (21) zwischen die Steueranschlußklemme (18) und eine Anschlußklemme (14), die mit der Speisespannungsquelle verbunden ist, geschaltet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (21, Fig. 4) mit der anderen Leistungsanschlußklemme (16) der Schalteinrichtung (15) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz ein Widerstand (20) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz eine Drosselspule (20·) ist.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gek en nzeichnet, daß die reaktive Schaltung eine Drosselspule (23) aufweist, die zwischen die Steueranschlußklemme (18) und die Leistungsanschlußklemme (17) der Schalteinrichtung geschaltet ist, und daß das eine Ende der Drosselspule mit der einen Anschlußklemme einer Last (13) und das andere Ende der Drosselspule mit einem der Kontakte (12) verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Steuerschaltung einen Kondensator (24) mit einem Nebenschlußwiderstand (25) aufweist, die in der Schaltung mit der Schalteinrichtung (15) in Reihe geschaltet sind.

Rei/Ah

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