DE3418859A1

DE3418859A1 - Schalter

Info

Publication number: DE3418859A1
Application number: DE19843418859
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Owariasahi Aichi Nagao
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-05-23
Filing date: 1984-05-21
Publication date: 1984-11-29
Also published as: US4626951A; FR2546659B1; FR2546659A1; DE3418859C2; JPS59215627A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsschal-25 ter und genauer auf einen Schalter, der ein mechanisches, elektromagnetisch betätigtes Schaltelement und ein Halbleiterschaltelement besitzt, welches in Abhängigkeit eines elektrischen Signales an- und ausgeschaltet wird.

30 Der Vorteil von Schaltern des kontaktgebenden Typs liegt darin, daß sie kompakt gebaut werden können, was daran liegt, daß geringe Kontaktwiderstände zwischen den Kontakten vorliegen und eine geringe Wärmeerzeugung stattfindet. Auf der anderen Seite ist jedoch ein Nachteil

35 eines solchen Schalters, daß er verschleißbare Teile, wie

z.B. die Kontakte umfaßt, und daß eine längere Zeit erforderlich ist, um den Schalter zu inspizieren und zu warten, wenn er für eine hohe Anzahl von öffnungs- und Schließoperationen verwendet wird.

Ein Halbleiterschalter, in dem ein elektrischer Stromfluß mit einem Halbleiterelement wie z.B. einem Triac kontrolliert wird, erzeugt einen Stromfluß ohne daß dabei Funken entstehen oder ein Kontaktverbrauch, so daß eine lange Lebensdauer garantiert ist. Jedoch ist der Spannungsabfall beachtlich, wenn der Halbleiterschalter leitfähig gemacht wird. Der Nachteil liegt daher darin, daß großflächige Kühlungsfahnen notwendig sind, um Hitze abzustrahlen und daß ein gewisser Leckstrom fließt, da der Stromfluß auch im nicht leitenden Zustand nie ganz unterbunden werden kann.

Unter diesen Voraussetzungen wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, um die Vorteile der mechanischen und der Halbleiterschalter zu erhalten, um so die Nachteile beider Schaltertypen zu vermeiden, indem eine Vielzahl von mechanischen Schaltern und von Halbleiterschaltern verbunden wurden. Die Verwendung von verschiedenen Typen der beiden Schalter macht insgesamt die Schalteranordnung sehr teuer und hat zur Folge, daß viel Platz für die beiden Schalter benötigt wird. Es ist nicht einfach, so eine kombinierte Verwendung zu bewerkstelligen. Unter diesen Umständen wurde die vorliegende Erfindung gemacht, die zum Ziel hat, einen Schalter zu schaffen, der ein mechanisches Schaltelement und ein Halbleiterschaltelement besitzt, wobei das mechanische und das Halbleiterschaltelement in Serie oder parallel zu den Ausgangskanälen liegen und gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen unabhän-

gigen Schalter zu schaffen, welcher die Vorteile sowohl eines mechanischen als auch eines Halbleiterschalters hat.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform,

Fig. 2 einen zu der ersten Ausführungsform der Fig. 1 gehörigen, äquivalenten Schaltplan,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, und

Fig. 4 einen äquivalenten Schaltplan zu der Ausführungsform der Fig. 3.
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Die vorliegende Erfindung wird nun unter bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform nach der Erfindung dargestellt. Der erfindungsgemäße Schalter nach diesem Ausführungsbeispiel umfaßt ein mechanisches Schaltelement, welches Kontakte besitzt und ein Halbleiterschaltelement, wie z.B. einen Tri??, die parallel miteinander verbunden sind, wie das in dem dazugehörigen Schaltplan der Fig. 2 dargestellt ist. Das mechanische Schaltelement weist eine erste und zweite Polplatte 12 und 14 auf, die auf einem Träger 10 des Gehäuses H befestigt sind, und sich innerhalb und außerhalb des Gehäuses H erstrecken. Die Polplatten 12 und 14 haben außenliegende Enden 12'

und 14' und innenliegende Enden 12" und 14". An den außenliegenden Polenden 12* und 14' der Polplatten 12 und 14 sind jeweils Anschlußschrauben 16 und 18 angeordnet. Die innenliegenden Polenden 12" und 14" der Polplatten 12 und 14 verlaufen übereinander. Ein Halbleiterschaltelement 20 ist zwischen den Innenflächen der Polenden 12" und 14" der Polplatten 12 und 14 in der Art eines Chips angeordnet und damit verschweißt. Die beiden Elektroden des Halbleiterschaltelements 20 sind elektrisch mit den Polplatten 12 und 14 verbunden. Wenn das Halbleiterschaltelement 20 einen Steuereingang 22 hat, kann dieser Eingang separat verdrahtet werden. An der Unterseite der Basisplatte 10 ist eine Metallplatte 24 angebracht. Zwischen der Metallplatte 24 und der Polplatte 14 ist eine Isolierplatte 26 zwischengeschaltet. Die innenseitigen Polenden 12" und 14" der ersten und zweiten Polplatte und das Halbleiterschaltelement 20 in dem Zwischenraum, der durch die Basis 10 und die Metallplatte 24 gebildet wird, sind in isolierendes Material 28 eingebettet, um die mechanische Belastbarkeit, die Verstärkung der Umhüllung und die thermische Leitfähigkeit zu verbessern.

in den Mittelbereichen der Polplatten 12 und 14 sind jeweils mit geeigneten Mitteln wie z.B. Schweißen oder Anheften feste Kontakte 30 und 32 angebracht. In dem Gehäuse H ist außerdem eine bewegliche Kontaktplate 34 vorgesehen. Bewegliche Kontakte 36 und 38, die an der bewegliehen Kontaktplatte 34 z.B. durch Schweißen oder Anheften befestigt sind, liegen den festen Kontakten 30 und 32 entsprechend gegenüber. Die bewegliche Kontaktplatte 34 wird mit Hilfe einer elektromagnetischen Anordnung 40 auf- und abbewegt. Die elektromagnetische Einrichtung 40 sitzt auf der Spitze des Gehäuses H, um die festen Kontakte 30 und

32 zu schließen und zu öffnen. Die elektromagnetische Einrichtung 40 umfaßt eine festen Eisenkern 42, eine elektromagnetische Spule 44 und ein bewegliches Mittelstück 46. Die bewegliche Kontaktplatte 34 ist über eine Feder 50 an einem Federteller 48 gehalten, der wiederum an dem beweglichen Eisenkern 46 angebracht ist. Der Kontaktdruck zwischen den Festkontakten 30 und 32 und den beweglichen Kontakten 36 und 38 wird von der Feder 50 erzeugt.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung wird das Öffnen oder Schließen der Kontakte durch die bewegliche Kontaktplatte 34 mittels der elektromagnetischen Anordnung 40 hervorgerufen. Die Schaltoperation des Halbleiterschaltelements 20 ist gate-gesteuert. In dem Fall, in dem der gezeigte Schalter vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand geschaltet werden soll, wird ein Triggersignal auf den Steuereingang 22 gegeben, um das Halbleiterschaltelement 20 leitfähig zu machen. Die elektromagnetische Einrichtung 40 wird dadurch angeschaltet, um die mechanischen Kontakte 30, 32, 36 und 38 mit leichter Zeitverzögerung zu schließen. Dieses Vorgehen bewirkt, daß die mechanischen Kontakte bereits unter einem leitfähigen Zustand den Kontakt schließen. Nach der Schließung der mechanischen Kontakte fließt ein elektrischer Strom durch die mechanischen Kontakte, während ein geringer Strom durch das Halbleiterschaltelement fließt, da der Spannungsabfall in den mechanischen Kontakten geringer als in dem Halbleiterschaltelement 20 ist. In dem Falle, in dem der Stromfluß unterbrochen werden soll, was durch Ausschalten des Schalters von seinem Ein-Zustand geschieht, wird die elektromagnetische Einrichtung 40 ausgeschaltet, um die mechanischen Kontakte 30, 32, 34 und 38 zu öffnen, so daß die bewegliche Kontaktplatte 34 in ihren Aus-Zu-

stand geht und das Halbleiterschaltelement danach mit einer leichten Zeitverzögerung geöffnet wird. Der elektrische Stromfluß wird dadurch abgeschaltet, weil er nur durch das Halbleiterschaltelement 20 fließt, so daß der vorliegende Schalter ausgeschaltet wird, ohne daß irgendein Funke zwischen den mechanischen Kontakten erzeugt wird. Eine Zeitkontrollschaltung, die die Abfolge des An- und Ausschaltens, wie oben erwähnt, steuert, kann herkömmlicher Art sein.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem die bewegliche Kontaktplatte 34 die Kontakte 36 und 38 und das Halbleiterschaltelement 20 parallel zueinander gegenüber der ersten und zweiten Polplatte 12 und 14 geschaltet hat, fließt der elektrische Strom nur eine kurze Zeit durch das Halbleiterschaltelement 40, wenn der gezeigte Schalter an- und ausgeschaltet wird. Dadurch hat der Schalter eine lange Lebensdauer, da die Wärmeentwicklung gering ist, eine geringe Größe und der Verschleiß von Teiler, findet nur an den mechanischen

Kontakten statt/indet.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Der Schalter umfaßt eine bewegliche Kontaktplatte, die Kontakte trägt und ein Halbleiterschaltelement, wobei die beweglichen Kontakte und der Halbleiterschalter in Serie zueinander liegen, wie das in dem dazugehörigen Schaltplan der Fig. 4 zu erkennen ist. Der allgemeine Aufbau dieses Ausführungsbeispiels ist dem anhand von Fig.

1 und 2 erläuterten ähnlich mit der Ausnahme, daß die parallele Verbindung durch eine serielle Verbindung ersetzt ist. Das heißt zusätzlich zu der zweiten Polplatte 14a ist eine weitere Hilfspolplatte 14b innerhalb des Gehäuses H angeordnet. Diese Hilfspolplatte 14b hat ein erstes

und zweites Polende 14b¹ und 14b". Das Halbleiterschaltelement 20 ist zwischen dem zweiten Polende 14" der Hilfspolplatte 14b und der Innenseite des Polendes 14a' der zweiten Polplatte 14a angeordnet. Weiterhin ist ein fester Kontakt 32 an dem ersten Polende 14b¹ der Hilfspolplatte 14b angebracht. Wenn ein Stromfluß erforderlich ist, werden zunächst die mechanischen Kontakte 30, 32, 34 und 38 geschlossen und dann wird der Halbleiterschalter mit einer leichten Zeitverzögerung geschlossen. °Wenn der Stromfluß unterbrochen werden soll, wird zunächst das Halbleiterschaltelement 20 geöffnet und danach werden die Kontakte 30, 32, 34 und 38 des mechanischen Schaltelements geöffnet, so daß die bewegliche Kontaktplatte' 34 ihren Aus-Zustand mit einer leichten Zeitverzögerung einnimmt. Eine Zeitsteuereinrichtung ist so eingerichtet, daß sie die Abfolge des oben beschriebenen Schaltvorgangs steuert.

Das hat zur Folge, daß der Leckstrom des Halbleiterschaltelementes durch das Ausschalten des mechanischen Schalters ebenfalls ausgeschaltet ist.

Obwohl die bewegliche Kontaktplatte 34 in beiden Ausführungsbeispielen von einer elektromagnetischen AnordnungMO beaufschlagt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Zur Beaufschlagung der Kontakte können verschiedene Vorrichtungen, wie sie den Fachleuten bekannt sind, anstatt der elektromagnetischen Einrichtung 40, verwendet werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE :

dadurch gekennzeichnet , daß er ein Gehäuse (H) mit einem Montagesockel (10) aufweist, daß er ein Paar Anschlußstücke (12, 14) aufweist, die sich innerhalb und außerhalb des Gehäuses (H) erstrecken und an dem Montagesockel (10) befestigt sind, daß er eine bewegliche Kontaktplatte (34) aufweist, die innerhalb des Gehäuses (H) angeordnet ist, wobei die bewegliche Kontaktplatte (34) so ausgestaltet ist, daß sie mit mindestens einem der Anschlußstücke des

Anschlußstückpaares (12, 14) in und außer Kontakt kommt und daß er ein Halbleiterschaltelement .(20) aufweist, welches elektrisch mit mindestens einem der Anschlußstücke des Anschlußstückpaares (12, 14) verbunden ist, wobei die bewegliche Kontaktplatte (34) und das Halbleiterschaltelement (20) zwischen dem Anschlußstückpaar (12, 14) angeordnet ist, um entweder eine parallele oder eine serielle Verbindung herzustellen.
2. Schalter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die bewegliche Kontaktplatte (34) parallel geschaltet ist, um einen Aus-Zustand anzunehmen, bevor das Halbleiterschaltelement (20) geöffnet ist.
3. Schalter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die bewegliche Kontaktplatte (34) in Reihe geschaltet ist, um einen Aus-Zustand anzunehmen, nachdem das Halbleiterschaltelement (20) geöffnet wird.
4. Schalter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet ,· daß bei paralleler Schaltung das erste Anschlußstück eine erste Polplatte (12) aufweist, die außenliegende (12') und innenliegende (12") Polenden hat, und daß das zweite Anschlußstück eine zweite Polplatte (14) umfaßt, die außenliegende (14') und innenliegende (14") Polenden aufweist und daß das Halbleiterschaltelement (20) mit den innenliegenden Polenden (12", 14") der ersten (12) und zweiten (14) Polplatte verbunden ist.
5. Schalter nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß das HaIbleiterschaltelement (20) und die innenliegenden Polenden (12", 14") der ersten (12) und zweiten (14) Kontaktplatte in ein isolierendes Material (28) eingebettet sind.
6. Schalter nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet , daß bei serieller Schaltung das erste Anschlußstück eine erste Polplatte (12) aufweist, welche ein außenliegendes (12') und ein innenliegendes (12") Polende hat und daß das zweite Anschlußstück eine zweite Polplatte (14a) aufweist, die außenliegende (14a¹) und innenliegende (14a") Polenden hat und daß der Schalter weiterhin eine Hilfspolplatte (14b) aufweist, die innerhalb des Gehäuses (H) angeordnet ist und ein erstes (14b¹) und ein zweites (14b") Polende hat, und daß die bewegliche Kontaktplatte (34) so ausgestaltet ist, daß sie mit dein innen liegenden Polende der er sen Polplatte (12) und mit dem ersten Polende (14b¹) der Hilfspolplatte (14b) in und außer Kontakt kommt, und daß das HaIbleiterschaltelement (20) mit dem zweiten Polende (14b") der Hilfspolplatte (14b) und dem innenliegenden Polende (14a") der zweiten Polplatte (14a) verbunden ist.
7. Schalter nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleiterschaltelement (20) das innenliegende Polende (14a") der zweiten Platte (14a) und das zweite Polende (14b") der Hilfspolplatte (14b) in isolierendes Material (28) eingebettet sind.