JP2017126467A - 壁用直流スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 スイッチの接点でのアークの発生自体を無くして接点の長寿命化を実現した壁用直流スイッチを提供する。【解決手段】 主電路Ｌの負極側電路Ｌ２は、並列に配設されたバイパス電路Ｈ１と補助電路Ｈ２との２本の電路から成り、補助電路Ｈ２にＦＥＴ５が設けられ、そのゲートが正極側電路Ｌ１に接続されている。主スイッチ３がバイパス電路Ｈ１を開閉すると共に、ＦＥＴ５のゲートを電源側端子１の負極に接続する３路スイッチから成り、主スイッチ３がオン位置ではバイパス電路Ｈ１が閉状態にあると共に、ＦＥＴ５がオン状態にあって補助電路も閉状態にあり、オン位置からオフ位置に移行する途中の主スイッチ３の接点解離状態では、補助電路Ｈ２を介して負荷電流が流れ、オフ位置に移行が完了するとＦＥＴ５のゲートが電源側端子１の負極に接続されて、ＦＥＴ５がオフして主電路Ｌが開状態となる。【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電路を開閉する壁用直流スイッチに関し、詳しくは機械式スイッチに半導体スイッチを組み合わせて操作時のアーク発生を無くした壁用直流スイッチに関する。

省エネルギーの観点からＬＥＤ照明に対して直流電力を給電するシステムが検討されている。この場合、ＬＥＤ照明の電源をオン／オフするに際して直流スイッチが必要となるが、現状では一般ユーザーには使いづらいブレーカタイプしかない。
これは、直流をオン／オフする場合、交流電流のように周期的にゼロ点を通らないため、接点解離時に発生するアークの消弧が交流スイッチのように簡単ではなく、スイッチをオフしたとき直流アークが発生し続けて接点の消耗が交流スイッチの接点に比べて早いためであった。
そのため、壁面に取り付けられる交流スイッチのような壁用直流スイッチが検討されており、その１つとして機械式スイッチに並列に半導体スイッチを配置して、アークの瞬時消弧を図ったスイッチがあった（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１０６８３９号公報

しかしながら、上記半導体スイッチを機械式スイッチに並列に配置した構成は、発生したアークを短時間で消弧することができるものの、アークの発生自体を無くす構成ではないため接点は劣化した。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、スイッチの接点でのアークの発生自体を無くして接点の長寿命化を実現した壁用直流スイッチを提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、直流電源を接続する電源側端子と負荷を接続する負荷側端子との間に配設された主電路を開閉する機械式の主スイッチと、主スイッチでのアーク放電の発生を防止するための半導体スイッチとを備えた壁用直流スイッチであって、主電路は正極側電路と負極側電路とを有して、負極側電路が並列に配設されたバイパス電路と補助電路との２本の電路で構成されると共に、補助電路に半導体スイッチが設けられて当該半導体スイッチのベース或いはゲートが正極側電路に接続されて成る一方、主スイッチがバイパス電路を開閉すると共に、半導体スイッチのゲート或いはベースを電源側端子の負極に接続する３路スイッチから成り、主スイッチがオン位置ではバイパス電路が閉状態にあると共に、半導体スイッチがオン状態にあって補助電路も閉状態にあり、オン位置からオフ位置に移行する途中の主スイッチの接点解離状態では、補助電路を介して負荷電流が流れ、オフ位置に移行が完了すると半導体スイッチのゲート或いはベースが電源側端子の負極に接続されて、半導体スイッチがオフして主電路が開状態となることを特徴とする。
この構成によれば、主スイッチがオフ動作しても、半導体スイッチを介した補助電路に負荷電流が流れるため、主スイッチの接点にアーク放電は発生しない。よって、接点の長寿命化を図ることができる。そして、主スイッチが完全にオフした状態では半導体スイッチもオフするため、負荷は確実にオフするし、主電路に電流が流れ続けることもない。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成において、正極側電路の半導体スイッチの接続部より電源側に設けられた正極側電路を開閉する機械式の補助スイッチと、主スイッチと補助スイッチとを操作するボタン部を備えた操作ボタン装置とを有し、操作ボタン装置は、ボタン部がオフ操作されると、最初に主スイッチをオフ動作させ、主スイッチのオフ動作が完了したら補助スイッチをオフさせると共に、ボタン部がオン操作されると、最初に補助スイッチをオン動作させ、その後主スイッチをオン動作させることを特徴とする。
この構成によれば、補助電路が遮断されてから正極側電路が補助スイッチで遮断されるため、主スイッチがオフ状態では負荷は完全に電源から切り離される。よって、漏電や感電の恐れがない。また、補助スイッチは主電路に負荷電流が流れている状態でオン／オフ動作することがないため、アーク放電が発生することがなく、小型のスイッチで済む。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の構成において、補助電路には、突入電流防止手段が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、オフ状態からオンに移行する際に最初に負荷電流が流れるのは補助電路であるが、この補助電路に突入電流防止手段が設けられているため、突入電流を削減できる。そして、主スイッチが完全にオンした状態では、補助電路には電流が流れないため、突入電流防止手段を設けても負荷電流は流れないため電力ロスは発生しない。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の構成において、主電路に設けられた電流ヒューズと、電流ヒューズを溶断させるための溶断ボタン及び溶断電流発生回路とを有することを特徴とする。
この構成によれば、主スイッチをオフ操作しても接点の溶着により電路が遮断できない状態が発生しても、電流ヒューズを溶断させて電路を遮断させることができるため、スイッチが故障してもオン状態が継続されることなない。そのため、危険な状態の発生を防止できる。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の構成において、主スイッチがオフした際の半導体スイッチのチャタリング動作を防ぐためのチャタリング防止回路を有することを特徴とする。
この構成によれば、オフ操作時に半導体スイッチが不安定な動作をすることが無く、負荷に不安定な電流が流れることがない。

本発明によれば、主スイッチがオフ動作しても、半導体スイッチを介して負荷電流が流れるため、主スイッチの接点にアーク放電は発生しない。そして、主スイッチが完全にオフした状態では半導体スイッチもオフするため、負荷は完全に主電路から遮断される。

本発明に係る壁用直流スイッチの一例を示す回路図である。 壁用直流スイッチオフ操作による主スイッチと補助スイッチの動作説明図であり、（ａ）はオフ操作前、（ｂ）はオフ操作直後、（ｃ）はオフ操作完了の状態をそれぞれ示している。 壁用直流スイッチオン操作による主スイッチと補助スイッチの動作説明図であり、（ａ）はオン操作前、（ｂ）はオン操作直後、（ｃ）はオン操作完了の状態をそれぞれ示している。 壁用直流スイッチオフ操作による電流路の変化を示し、（ａ）は主スイッチがオンからオフへ移行する途中の状態、（ｂ）は主スイッチがオフ位置へ移行し、補助スイッチがオフしない状態、（ｃ）は主スイッチ、補助スイッチ共にオフした状態を示している。 壁用直流スイッチオン操作による電流路の変化を示し、主スイッチがオンする前に補助スイッチがオンした状態を示している。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る壁用直流スイッチの一例を示す回路図であり、１は電源側端子、２は負荷側端子、３は主スイッチ、４は補助スイッチ、５は半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ、６は溶断電流発生回路、７はチャタリング防止回路である。
電源側端子１と負荷側端子２の間には、正極側電路Ｌ１と負極側電路Ｌ２の２本から成る主電路Ｌが配設され、負荷側電路Ｌ２は更に並列に設けられたバイパス電路Ｈ１と補助電路Ｈ２の２本で構成されている。

主スイッチ３、補助スイッチ４は何れも機械式スイッチであり、主スイッチ３は負荷側電路Ｌ２に配置され、補助スイッチ４は正極側電路Ｌ１に配置されている。主スイッチ３がオン／オフされることで、後述するように補助スイッチ４もオン／オフ動作し、主電路Ｌが開閉される。
ＭＯＳＦＥＴ（以下、単に「ＦＥＴ」とする。）５は、補助電路Ｈ２に配置され、ゲートが正極側電路Ｌ１に接続され、ドレインが負荷側、ソースが電源側に接続されている。

また、主スイッチ３はオン接点とオフ接点を有する３路スイッチで構成され、負極側電路Ｌ２の電源端子１の接続先が、バイパス電路Ｈ１を介して負荷側端子２に接続される場合（オン接点に接続された場合）と、ＦＥＴ５のゲートに接続される場合（オフ接点に接続された場合）とで切り替えるよう構成されている。

溶断電流発生回路６は、主スイッチ３或いは補助スイッチ４の接点が溶着した場合に、主電路Ｌを切断して負荷をオフさせる保護回路であり、溶断ボタン１３をオン操作することで動作する。溶断ボタン１３がオンされると、正極側電路Ｌ１と負極側電路Ｌ２との間に配置されたサイリスタＴＨ１がオンして、定格を超える大電流が主電路Ｌに流れる。その結果、正極側電路Ｌ１に設けられている電流ヒューズＦ１が溶断して主電路Ｌが切断される。
このように、主スイッチ３をオフ操作しても接点の溶着により主電路Ｌが遮断できない状態が発生しても、電流ヒューズＦ１を溶断させて電路を遮断させることができるため、壁用直流スイッチが故障してもオン状態が継続されることがなく、危険な状態の発生を防止できる。

チャタリング防止回路７は、ＦＥＴ５のチャタリングを防止する回路であり、ＦＥＴ５のゲートとソースの間に配置されたトランジスタＱ１とコンデンサＣ３とを有して構成されている。
主スイッチ３がオン状態では、トランジスタＱ１はオフ状態であるため、コンデンサＣ１は充電されてＦＥＴ５のオン状態は安定している。主スイッチ３がオフされると、ＦＥＴ５に並列に設けられているコンデンサＣ１の作用でトランジスタＱ１が一瞬オンし、コンデンサＣ３を放電させてゲート電圧を０ボルトにしてＦＥＴ５を完全にオフさせる。

また、抵抗素子８は突入電流防止手段であり、主スイッチ３をオン操作した際に、負荷の特性により発生する突入電流を抑制するために設けられている。主スイッチ３をオン操作した直後は、補助電路Ｈ２を介して突入電流が流れようとする（後述する）が、抵抗素子８が電流を抑制して、大電流が流れて回路が損傷するのを防止している。尚、主スイッチ３のオン操作が完了すると負荷電流は補助電路Ｈ２からバイパス電路Ｈ１に切り替わるため、抵抗素子８に電流は流れず電力の消費はない。

壁用直流スイッチのオン／オフ操作で主スイッチ３と補助スイッチと４とは連動し、図２，３は連動させるボタン装置１０の説明図である。図２（ａ）は壁用直流スイッチオフ操作前で主スイッチ３がオンの状態、図２（ｂ）はオフ操作直後、図２（ｃ）はオフ操作完了の状態をそれぞれ示している。また、図３（ａ）がオン操作前の状態、図３（ｂ）はオン操作直後、図３（ｃ）はオン操作完了の状態を示している。ボタン装置１０は、壁用直流スイッチをオン／オフ操作する際に操作される板状のボタン部１１を有し、ボタン部１１は壁面に露出配置され、主スイッチ３及び補助スイッチ４は壁面に埋設されたボックス１２に組み付けられている。
また、図４，５は壁用直流スイッチ操作による電流路の変化、即ちボタン装置１０の動作に伴う電流路の変化を示し、図４（ａ）は主スイッチがオンからオフへ移行する途中の状態、図４（ｂ）は主スイッチがオフ位置へ移行し、補助スイッチがオフしない状態、図４（ｃ）は主スイッチ、補助スイッチ共にオフした状態、図５は主スイッチ３がオンする前に補助スイッチ４がオンした状態を示している。

以下、これらの図を参照してボタン装置１０の動作を説明する。最初に、オン状態からオフ操作された場合の動作を説明する。
図２（ａ）に示すボタン装置１０がオン状態では、主スイッチ３及び補助スイッチ４がオン状態にあり、負荷通電状態となる。この状態が図１の状態であり、図１に示すように、正極側電路Ｌ１と負極側電路Ｌ２のバイパス電路Ｈ１との間で負荷電流が流れている。この状態で図２（ａ）矢印Ｐ１に示すようにボタン部１１の一端を押下するとオフ動作する。この操作で、まず図２（ｂ）に示すように主スイッチ３の接点がオン位置から解離する（補助スイッチ４はオンのまま）。

このとき、電源側端子１の負極側は常時補助電路Ｈ２により負荷側端子２と接続されているため、図４（ａ）に示すように負極側電路Ｌ２は補助電路Ｈ２に負荷電流が流れて負荷オンの状態が継続する。
そして、接点がオフ位置に移行して主スイッチ３のオフ操作が完了すると、ＦＥＴ５のゲートがソースと同電位に変化する一方で、補助スイッチ４がまだオフしないことで、図４（ｂ）に示すようにバイパスコンデンサＣ１を介して負荷電流がながれる。そして、この電流の流れによりＦＥＴ５は確実にオフする。尚、バイパスコンデンサＣ１はｄｖ／ｄｔを緩やかにして、ＦＥＴ５を保護するために設置している。
その後、図２（ｃ）に示すように補助スイッチ４もオフすると、図４（ｃ）に示すように正極側電路Ｌ１が切断されるため、主電路Ｌは遮断されて負荷には電流は流れない。

次に、ボタン装置１０がオン操作された場合の動作を説明する。図３（ａ）の矢印Ｐ２に示すように、ボタン部１１の他端が押下されるとオン動作を開始する。
この操作で、図３（ｂ）に示すように補助スイッチ４が先にオンする（主スイッチ３はオフのまま）。このとき、負極側の電源側端子１は常時補助電路Ｈ２により負荷側端子２と接続されているため、図５に示すように負極側電路Ｌ２は補助電路Ｈ２を使用して負荷電流が流れる（負荷はオンする）。
そして、更に押下操作すると主スイッチ３もオン状態となる。この結果、図１に示す状態となり負極側電路Ｌ２は、バイパス電路Ｈ１を使用して負荷電流が流れる。尚、このときのＦＥＴ５はオン状態にあるが負荷電流は流れない。

このように、主スイッチ３がオフ動作しても、ＦＥＴ５を介した補助電路Ｈ２に負荷電流が流れるため、主スイッチ３の接点にアーク放電は発生しない。よって、接点の長寿命化を図ることができる。そして、主スイッチ３が完全にオフした状態ではＦＥＴ５もオフするため、負荷は確実にオフするし、主電路Ｌに電流が流れ続けることもない。
また、補助電路Ｈ２が遮断されてから正極側電路Ｌ１が補助スイッチ４で遮断されるため、主スイッチ３がオフ状態では負荷は完全に電源から切り離される。よって、漏電や感電の恐れがない。更に、補助スイッチ４は主電路Ｌに負荷電流が流れている状態でオン／オフ動作することがないため、アーク放電が発生することがなく、小型のスイッチで済む。
更に、主スイッチ３をオフ状態からオンに移行する際に最初に負荷電流が流れるのは補助電路Ｈ２であるが、この補助電路Ｈ２に突入電流防止手段としての抵抗素子８が設けられているため、突入電流を削減できる。そして、主スイッチ３が完全にオンした状態では、補助電路Ｈ２には電流が流れないため抵抗素子８に負荷電流は流れず、電力ロスは発生しない。
加えて、チャタリング防止回路７によりオフ操作時にＦＥＴ５が不安定な動作をすることが無く、負荷に不安定な電流が流れることがない。

尚、上記実施形態では、半導体スイッチとしてＦＥＴ５を使用しているが、トランジスタを使用しても良く、ＮＰＮトランジスタの場合はＦＥＴのゲートにベース、ドレインにコネクタ、ソースにエミッタをそれぞれ対応させれば良い。

１・・電源側端子、２・・負荷側端子、３・・主スイッチ、４・・補助スイッチ、５・・ＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチ）、６・・溶断電流発生回路、７・・チャタリング防止回路、８・・抵抗素子（突入電流防止手段）、１０・・ボタン装置、１１・・ボタン部、１３・・溶断ボタン、Ｌ・・主電路、Ｌ１・・正極側電路、Ｌ２・・負極側電路、Ｈ１・・バイパス電路、Ｈ２・・補助電路、Ｆ１・・電流ヒューズ。

Claims (5)

1. 直流電源を接続する電源側端子と負荷を接続する負荷側端子との間に配設された主電路を開閉する機械式の主スイッチと、前記主スイッチでのアーク放電の発生を防止するための半導体スイッチとを備えた壁用直流スイッチであって、
   前記主電路は正極側電路と負極側電路とを有して、前記負極側電路が並列に配設されたバイパス電路と補助電路との２本の電路で構成されると共に、前記補助電路に前記半導体スイッチが設けられて当該半導体スイッチのベース或いはゲートが前記正極側電路に接続されて成る一方、
   前記主スイッチが前記バイパス電路を開閉すると共に、前記半導体スイッチのゲート或いはベースを前記電源側端子の負極に接続する３路スイッチから成り、
   前記主スイッチがオン位置では前記バイパス電路が閉状態にあると共に、前記半導体スイッチがオン状態にあって前記補助電路も閉状態にあり、
   オン位置からオフ位置に移行する途中の前記主スイッチの接点解離状態では、前記補助電路を介して負荷電流が流れ、オフ位置に移行が完了すると前記半導体スイッチのゲート或いはベースが前記電源側端子の負極に接続されて、前記半導体スイッチがオフして前記主電路が開状態となることを特徴とする壁用直流スイッチ。
2. 前記正極側電路の前記半導体スイッチの接続部より電源側に設けられた前記正極側電路を開閉する機械式の補助スイッチと、
   前記主スイッチと前記補助スイッチとを操作するボタン部を備えた操作ボタン装置とを有し、
   前記操作ボタン装置は、前記ボタン部がオフ操作されると、最初に前記主スイッチをオフ動作させ、前記主スイッチのオフ動作が完了したら前記補助スイッチをオフさせると共に、
   前記ボタン部がオン操作されると、最初に前記補助スイッチをオン動作させ、その後前記主スイッチをオン動作させることを特徴とする請求項１記載の壁用直流スイッチ。
3. 前記補助電路には、突入電流防止手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の壁用直流スイッチ。
4. 前記主電路に設けられた電流ヒューズと、前記電流ヒューズを溶断させるための溶断ボタン及び溶断電流発生回路とを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の壁用直流スイッチ。
5. 前記主スイッチがオフした際の前記半導体スイッチのチャタリング動作を防ぐためのチャタリング防止回路を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の壁用直流スイッチ。

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