Gebiet der Technik
-
Die Erfindung betrifft Schalteinrichtungen, insbesondere eine Einrichtung zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen.
Zugrundeliegender Stand der Technik
-
Bei der Entwicklung von Einrichtungen zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen ist die Kombination von mechanischen Kontakten mit gesteuerten Halbleiterbauelementen perspektivisch, da dadurch ein zusätzlicher, parallel zu Kontakten liegender Weg für den Schaltstrom gebildet werden kann. Bei dieser Kombination bleiben die Vo teile des gesteuerten Halbleiterbauelements - seine hohe Zuverlässigkeit, Schnellwirkung, grosse Zahl von Einschaltzyklen - und die Vorzüge des mechanischen Kontaktes wie niedrige Verluste der geschalteten Spannung erhalten, wobei lichtbogenfreie Umschaltung von elektrsichen Stromkreisen gewährleistet wird.
-
Herkömmliche Einrichtungen zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen enthalten einen Schliesskontakt sowie Mittel zu seinem Schutz in der Art eines parallel geschalteten gesteuerten Halbleiterbauelements, das mit einer Steuerschaltung verbunden ist, wobei die weitere Entwicklung solcher Einrichtungen auf die Vervollkommnung der Steuerschaltungen gerichtet ist. Gegenwärtig gibt es zwei Gruppen von Steuerschaltung: Schaltungen mit einem Steuereingang und ohne diesen.
-
Eine bekannte Schalteinrichtung (vgl. den sowjetischen Urheberschein Nr. 1107186, bekanntgemacht am C7.08.84lim Bulletin "Entdeckungen, Erfindungen, gewerbliche Muster und Warenzeichen" Nr. 29) enthält ein gesteuertes Halbleiterbauelement, an dessen Starkstromanschlüssen der mit einer Sneisequelle verbundene Schliesskontakt eines elektromagnetischen Relais parallel geschaltet ist und an dessen Steueranschluss eine Steuerschaltung angeschlossen ist, die aus der Wicklung eines elektromagnetischen Relais und aus einem Widerstand besteht, deren Verbindungspunkt als Steuereingang dient. Der Widerstand ist mit einem Starkstromanschluß des gesteuerten Halbleiterbauelements verbunden, während die Wicklung des elektromagnetischen Relais an den Steueranschluss des Halbleiterbauelements angeschaltet ist.
-
Das Vorhandensein des Steuereinganges setzt eine für den Betrieb der Einrichtung erforderliche Potentialänderung an diesem Eingang voraus, welche ohne zusätzliche Mittel, z.3. ohne zusätzliche Schliesskontakte im Stromkreis der Speisequelle nicht zu erreichen ist. Dabei sinkt die Zuverlässigkeit der Einrichtung und wird ihr Aufbau komplizierter. Die Verbindung der Wicklung des elektromagnetischen Relais mit dem Steueranschluss des Halbleiterbauelements begrenzt den Strom in seinem Steuerkreis und erschwert dadurch die Einstellung des für eine sichere Löschung des Lichtbogens erforderlichen Sättigungsbetriebs des Halbleiterbauelements, wobei die Schnellwirkung der Einrichtung herabgesetzt wird. Das Vorhandensein der Wicklung des elektromagnetischen Relais gestattet die Benutzung der Einrichtung nur zum Schutz von Kontakten des elektromagnetischen Relais.
-
Eine andere bekannte Einrichtung zur lichtbogenfreien Umschaltung (vgl. den sowjetischen Urheberschein Nr. 1159077, bekanntgemacht am 30.05.85 im 3ulletin "Entdeckungen, Erfindungen", Nr. 20) enthält ein gesteuertes Halbleiterbauelement, an dessen Starkstromanschlüssen der Schleisskontakt eines elektromagnetischen Zweistellungs-Speicherrelais mit zwei Steuereingängen parallel geschaltet ist und an dessen Steueranschluss eine auf der Basis eines ODFR-Gliedes ausgeführte Steuerschaltung angeschlossen ist, wobei die Eingänge des ODER-Gliedes an den Steuereingängen des Sweistellungsrelais liegen.
-
Die in dieser Einrichtung vorhandenen Steuereingänge erfordern auch zusätzliche Steuermittel zur Erzeugung von Einschalt- und Ausschaltimpulsen z. B. in der Art von Schliesskontakten im Stromkreis der Speisequelle. Infolgedessen sinkt die Zuverlässigkeit der Einrichtung, ihr Aufbau wird komplizierter. In Vergleich zur vorstehend beschriebenen Einrichtung ergibt aber die mit einem ODER-Glied ausgeführte Steuerschaltung eine höhere Schnellwirkung. Die Benutzung des Zweistellungs-Speicherrelais ermöglicht die Anwendung der Einrichtung nur zum Schutz von Kontakten der Relais von gleichem Typ.
-
Die zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen bestimmten Einrichtungen, die in ihren Steuerschaltungen einen Steuereingang haben, werden also durch eine höhere Schnellwirkung gekennzeichnet, erfordern aber zusätzliche Mittel zur Erzeugung von Steuersignalen für die Steuereingänge, wobei dies zum komplizierten Aufbau der Einrichtungen und zur Herabsetzung ihrer Zuverlässigkeit führt. Ausserdem ist das Anwendungsgebiet solcher Einrichtungen begrenzt, da sie nur zum Schutz von Kontakten der elektromagnetischen Relais benutzt werden können.
-
Die wichtigste Forderung, die an Einrichtungen zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen gestellt wird, ist die Gewährleistung ihrer hohen Zuverlässigkeit und ihrer einfachen Konstruktion. Die Forderungen an ihre Schnellwirkung können dabei nicht so hoch sein. Wesentlich ist ausserdem die Möglichkeit, die Kontakte von Kippschaltern, Knopfschaltern, Tastaturen zu schützen.
-
Es ist auch eine Einrichtung zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen bekannt (vgl. den sowjetischen Urheberschein Nr. 920898,bekauntgemacht am 15.04.84 im Bulletin ''Entdeckungen, Erfindungen, gewerbliche Muster und Warenzeichen", Nr. I4), die ein gesteuertes Halbleiterbauelement enthält, an dessen Starkstromanschlüsse ein beweglicher und ein unbeweglicher Kontakt des mit einer Speisequelle verbundenen Schliesskontaktsatzes parallel geschaltet sind und an dessen Steueranschluss ein Widerstand und ein Kondensator der Steuerschaltung angeschlossen sind. Dabei ist der Widerstand mit der Speisequelle und der Kondensator mit einem Starkstromanschluss des gesteuerten Halbleiterbauelements verbunden. Der letztere ist an den Hauptschliesskontakt über einen zusätzlichen Schliesskontakt der Steuerschaltung angeschlossen, wobei der Hauptschliesskontakt und der zusätzliche Schliesskontakt miteinander über Mittel zur Gewährleistung ihrer Ansprechreihenfolge in Verbindung stehen, und der bewegliche Kontakt des Hauptkontaktsatzes ebenso wie der Widerstand der Steuerschaltung mit einem Pol der Speisequelle verbunden ist.
-
Die Verbindung des zusätzlichen Schliesskontaktes der Steuerschaltung mit dem Starkstromanschluss des gesteuerten Halbleiterbauelements und die fehlende Einschaltverzögerung des letzteren führen zu starken Stromstössen im zusätzlichen Schliesskontakt der Steuerschaltung im Zeitpunkt der Lastzuschaltung, besonders beim Anschluss der kapazitiven Last und der Glühlampen, was in einem sehr bedeutenden Masse die Zuverlässigkeit der zusätzlichen Schliesskontakte der Steuerschaltung und somit der Einrichtung im ganzen herabsetzt.
-
Infolge der vorhandenen Mittel zur Gewährleistung der vorgegebenen Ansprechreihenfolge des Schliesskontaktes und des zusätzlichen Schliesskontaktes der Steuerschaltung sinkt auch die Zuverlässigkeit der Einrichtung und vird ihr Aufbau komplizierter. Die Benutzung von Schliesskontakten mit grosser Trägheit in der Steuerschaltung ergibt eine niedrigere Schnellwirkung der Einrichtung beim Zuschalten der Last. Das Fehlen des Steuereinranges in der Steuerschaltung erweitert das Anwendungsgebiet auf neue Typen von Schaltelementen, da zum Schutz der Kontakte nicht nur elektromagnetische Relais, sondern auch handbetätigte Elemente wie Kippschalter, Knopfschalter, Tastaturen benutzt werden können. Die Gewährleistung der vorgegebenen Ansprechfolge des Haupt schl iesskantaktes und des zusätzlichen Schliesskontaktes begrenzt aber die Möglichkeit des Kontakt Schutzes in jedem Typ von Schaltelementen. Bemerkenswert ist, dass das Anwendungsgebiet der Einrichtung nur auf Gleichstromkreise begrenzt ist.
Offenbarung der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen zu entwickeln, deren Steuerschalturg die Steuerung des Halbleiterbauelements mittels eines beweglichen Kontaktes ermöglicht.
-
Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, dass in der Einrichtung zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen mit einem gesteuerten Halbleiterbauelement, an dessen Starkstromanschlüsse ein beweglicher und ein unbeweglicher Kontakt des mit der Speisequelle verbundenen Schliesskontaktsatzes parallel angeschlossen sind und an dessen Steueranschluss ein mit der Speisequelle verbundener Widerstand der Steuerschaltung angeschaltet ist, erf indungsgemäss als Schliesskontakt ein Schliesskontakt der Umschaltkontaktgruppe benutzt ist, und die Steuerschaltung zusätzlich einen Cffnungskontakt dieser Umschaltkontaktgruppe enthält, der an den Steueranschluss des gesteuerten Halbleiterbauelements angeschlossen ist, wobei der bewegliche Kontakt und der Widerstand der Steuerschaltung mit ungleichnamigen Polen der Speisequelle verbunden sind.
-
Die erfindungsgemäss ausgeführte Verbindung des gesteuerten Halbleiterbauelements, der Umschaltkontaktgruppe und des Widerstandes gewährleistet die lichtbogenfreie Umschaltung nicht nur des Laststromkreises (des Schliesskontaktes), sondern auch des Steuerstromkreises (des Offnungskontaktes), was eine bedeutende Steigerung der Zuverlässigkeit der Einrichtung ergibt.
-
Im Ergebnis der Analyse von Schaltelementen aus der Massenfertigung wurde festgestellt, dass ihre überwiegende Mehrheit Umschaltkontaktgruppen hat und folglich der Offnungskontakt in den bekannten Einrichtungen zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen nicht benutzt wird. Die Benutzung des Offnungskontaktes führt deswegen zum einfachen Aufbau der Steuerschaltung und somit der Einrichtung im ganzen.
-
Die Einführung des Offnungskontaktes und des Widerstandes in die erfindungsgemäss ausgeführte Steuerschaltung erhöht die Schnellwirkung beim Lastanschluss, da der Offnungskontakt weniger träge als der Schliesskontakt ist.
-
Die Benutzung der Umschaltkontaktgruppe und des Widerstandes in der Steuerschaltung gemäss der Erfindung ermöglicht die Steuerung des Halbleiterbauelements über ent spre- chende Endstellungen und über die Zwischenlage des beweglichen Kontaktes. Dadurch wird es möglich, ein beliebiges Schaltelement mit einer Umschaltkontaktgruppe in der Einricht- ung zu benutzen und folglich das Anwendungsgebiet der Einrichtung bedeutend zu erweitern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand konkreten Aus- fühungsvariant en unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- Fig. I ein elektrisches Prinzipschaltbild der Einrichtung zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen mit verschiedenen Lasten gemäss der Erfindung;
- Fig. 2 dasselbe wie in Fig. I für elektrische Bechel- stromkreise gemäss der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
-
Die zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Gleichstromkreisen bestimmte Einrichtung enthält eine Umschaltkontaktgrupne I (Fig. I), deren beweglicher Kontakt 2 mit dem Pluspol einer Speisequelle U verbunden ist und deren unbeweglicher Schliesskontakt 3 an eine Belastung - eine kapazitive Last 4, eine wirkbelastung 5, eine Glühlampe 6, eine induktive Belastung 7 mit narallel geschalteter Diode 8 - oder an mehrere Lasten Zn angeschlossen ist. Die- se Lasten liegen ebenso wie der Hinuspol der Speisequelle an Masse. Parallel zu den Kontakten 2, 3 ist ein gesteuertes Halbleiterbauelement (Transistor) 9 geschaltet, und zwar liegt sein Emitter am beweglichen Kontakt 2 und sein Kollektor am unbeweglichen Kontakt 3. Die Basis des Transistors 9 ist an die Steuerschaltung angeschlossen, die aus dem Offnungskontakt 10 der Umschaltkontakt gruppe I und aus einem mit Masse verbundenen Widerstand II besteht.
-
Die zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Wechselstromkreisen bestimmte Einrichtung enthält eine Umschaltkontaktgruppe I (Fig. 2), deren beweglicher Kontakt 2 mit einer Klemme einer Wechselstrom-Speisequelle U verbunden ist und deren unbeweglicher Schliesskontakt 3 an die Belastung Zn angeschlossen ist, die mit der anderen Klemme der Wechselstrom-Speisequelle verbunden ist. Parallel zu den Kontakten 2, 3 ist ein gesteuertes Halbleiterbauelement - ein Symistor 12 geschaltet, bei dem die Katode am beweglichen Kontakt 2 und die Anode am unbeweglichen Schliesskontakt 3 liegen. Die Steuerelektrode des Symistors 12 ist mit dem unbeweglichen Offnungskontakt 10 und mit dem Widerstand II verbunden, der an die zweite Klemme der Wechselstrom-Speisequelle angeschlossen ist.
-
Die zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Gleichstromkreisen bestimmte Einrichtung funktioniert wie folgt.
-
Im Anfangszustand ist der Transistor 9 (Fig. I) gesperrt und entspricht einer nichtleitenden Diode, da sein Emitter und seine Basis von den Kontakten 2 und 10 kurzgeschlossen sind. Durch die Kontakte 2, 3 fliesst in die Belastung Zn kein Strom, wobei der Rückstrom durch den Emitter-Kollektor-Ubergang des gesperrten und als Diode wirkenden Transistors 9 vernachlässigt werden kann. Dabei nimmt die Einrichtung von der Speisequelle einen Strom auf, der durch den beweglichen Kontakt 2, den unbeweglichen Offnungskontakt 10 und durch den Widerstand II fliesst.
-
Bei Einschaltung setzt sich der bewegliche Kontakt 2 in Bewegung, und sein Druck auf den unbeweglichen Öffnungskontakt 10 nimmt ab, wobei der Ubergangswiderstand der Kontakte 2, 10 grösser wird. Der anwachsende Ubergangswiderstand der Kontakte 2, 10 und der Widerstandswert des Widerstandes II bewirken den Ubergang des Transistors 9 in den Sättigungszustand, worauf die Kontakte 2, 10 geöffnet werden, und der im Sättigungszustand befindliche Basis-Emitter-Übergang des Transistors 9 die Entstehung von Funken- und Lichtbogenvorgängen sowie die Feldemission von Elektronen im Kontaktzwischenraum der Kontakte 2, 10 verhindert, wobei sich eine höhere Zuverlässigkeit dieser Kontakte ergibt.
-
Der Ubergang des Transistors 9 in den Sättigungzustand bei Offnung der Kontakte 2, 10 erhöht die Schnellwirkung der Einrichtung beim Anschluss der 3elastung Zn.
-
Für die Zeit, die der bewegliche Kontakt 2 zur Uberwindung des Kontaktzwischenraumes und zum Schluss mit dem unbeweglichen Schliesskontakt 3 braucht, bildet der Transistor 9 für den Strom einen zusätzlichen parallel zu den Kontakten 2, 3 liegenden Weg. Dabei beginnt die Aufladung der kapazi- tiven Last 4 und der verteilten Kapazität von langen Leitungen und Kabeln, über welche die Wirkbelastung 5 angeschlossen werden kann, während die Hühlampe 6 sich zu erwärmen beginnt. Der Potentialunterschied zwischen dem beweglichen Kontakt 2 und dem unbeweglichen Schliesskontakt 3 stellt sich gleich der Sättigungsspannung des Emitter-Kollektor-Uberganges im Transistor 9 ein, die immer kleiner als die Brennspannung eines kurzen Lichtbogens (8...10 V) ist. Während der Schliessung des beweglichen Kontaktes 2 und des unbeweglichen Schliesskontaktes 3 ändert sich ihr Kontaktdruck und folglich auch der Ubergangswiderstand. Dies führt zur Änderung des Spannungsabfalls an diesen Kontakten und zur Stromneuverteilung zwischen dem Transistor 9 und den Kontakten 2, 3. 3eim Spannungsabfall an den Kontakten 2, unter 0,5 V (für einen Siliziumtransistor) wird der Transistor 9 nach seinen Kollektorkennlinien gesperrt, und der volle Strom der Belastung Zn beginnt schon durch die Kontakte 2, 3 zu fliessen.
-
Also entstehen beim Offnen der Kontakte 2, 10 und beim Schliessen der Kontakte 2, 3 keine Funken- und Lichtbogenvorgänge sowie keine Feldemission von Elektronen. Dadurch wird eine bedeutend höhere Zuverlässigkeit der Einrichtung bei Einschaltung der Belastung Zn erreicht .
-
Beim Ausschalten setzt sich der bewegliche Kontakt 2 in Bewegung, wobei sein Druck auf den unbeweglichen Schliesskontakt 3 kleiner wird, während der Ubergangswiderstand und der Spannungsabfall an den Kontakten 2, 3 grösser werden.
-
Der Transistor 9 geht vom Sperrzustand über den aktiven Zustand in den Sättigungszustand über und bewirkt eine Stromneuverteilung zwischen diesem Transistor 9 und den Kontakten 2, 3. Im Zeitpunkt der Trennung der Kontakte 2, 3 ist die Spannung an ihnen gleich der Sättigungs spannung des Kollektor-Emitter-Uberganges im Transistor 9, die immer kleiner als die Brennspannung eines kurzen Lichtbogens ist. In der Zeit, die zum Überspringen des Kontakt zwischenraumes durch den beweglichen Kontakt 2 erforderlich ist, fliesst der Strom in die Belastung Zn über den Transistor 9. Beim Schliessen der Kontakte 2, IC wird der Transistor 9 gesperrt, und durch die Belastung fliesst Kein Strom.
-
3eim Offnen der Kontakte 2, 3 und beim Schliessen der Kontakte 2, 10 entstehen also Keine Funken- und Lichtbogen- vorgänge sowie keine Feldemission. von Elektronen. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Einrichtung bei Abschaltung der Belastung Zn bedeutend erhöht.
-
Um die Leistungsverluste zu vermindern, die infolge der Stromaufnahme über die Stromkreise: beweglicher Kontakt 2 - unbeweglicher Schliesskontakt 10 - Widerstand II oder Emitter-Basis-Ubergang des Transistors 9 - Widerstand II hervorgerufen werden, ist es zweckmässig, anstelle des Widerstandes II Bauelemente anderer Schaltungen zu benutzen, die dauernd unter Spannung liegen, oder anstatt des Transistors 9 einen Zwillingstransistor mit zwei nach der Darlingtonschaltung zusammengeschalteten Transistoren anzuwenden.
-
Die zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Wechselstromkreisen bestimmte Einrichtung funktioniert ähnlich der vorstehend beschriebenen Einrichtung nur mit dem Unterschied, dass die Stromabschaltung von der Belastung nicht im Zeitpunkt des Schliessens der Kontakte 2 (Fig.2) und 10,sondern im Moment des Nulldurchganges der Wechselspannung bei geschlossenen Kontakten 2, 10 erfolgt, wenn der Symistor 12 gesperrt wird.
-
Im folgenden werden konkrete Beispiele der Umschaltung von verschiedenen Lasten mit Hilfe der beschriebenen Einrichtung zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen aufgeführt.
Beispiel I
-
Bei mehrmaligem Anschalten einer kapazitiven Belastung (Kondensator von 20,0 µF) an eine Speisequelle mit der Spannung von 21 V wurde an den Relaiskontakten ein Schaltstrom von I2 A gemessen. 3ei Benutzung der angemeldeten Einrichtung, deren beweglicher Kontakt den Kontaktzwischenraum ungefähr in 2 ms überwand, floss durch die Schliesskontakte kein Strom, da die kapazitive Last über den Transistor praktisch voll aufgeladen war, der während der ganzen Bewegung des beweglichen Kontaktes durch den Kontaktzwischenraum im Sättigungszustand war.
Beispiel 2
-
Beim Anschluss einer Glühlampe für einen Betriebsstrom von 0,15 A an eine 26 V-Spannungsquelle wurde an den Kont k-ten ein Schalt strom von 1,2 A erfasst, was einer Schaltleistung von 31,2 W (26 V x 1,2 A) entspricht. 3ei Benutzung der angemeldeten Einrichtung mit einem Siliziumtransistor und mit den im 3eispiel I angegebenen Zeitkennwerten betrug der Schaltstrom nur 0,46 A und die Schaltleistung nur 0,16 W (I,0 V x 0, 46 A). Also wurde die Schaltleistung an den Kontakten mit Hilfe der Einrichtung um mehr als 67 mal herabgesetzt.
3eispiel 3
-
Zur Umschaltung einer Wirkbelastung bei einer Speisequellenspannung von 3C V und einem Strom von 10 A wurde ein Relais mit Goldkontakten benutzt, deren maximal zulässiger Schalt strom 0,5 A bei einer Spannung bis 15 V betrug, wobei 10000 Ansprechvorgänge garantiert wurden (Gold neigt zu Nadelbildung und zum Verschweissen und taugt nicht zur Kommunitierung von Strömen über I A). Nach 20000 Ansprechvorgängen mit einer Frequenz von 5 Hz blieb der Ubergangswiderstand der Umschaltkontakte von acht Kontaktgruppen (zwei Relais) unverändert. Nach Öffnung des Relaisgehäuses wurden auf der Oberfläche der Goldkontakte keine Defekte und keine Kontaktverschmorung festgestellt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Die Einrichtung zur lichtbogenfreien Umschaltung von elektrischen Stromkreisen kann zum Schutz von Schleisskontakten der Umschaltkontaktgruppen, Kippschalter Knopfschalter in Gleich- und Wechselstromkreisen für alle Lastarten verwendet werden.
