JP5554827B2 - 電力を切り替えるためのモジュール回路構成およびこの目的のために設計されたアダプタ - Google Patents

Description

本発明は、電力を切り替えるためのモジュール回路構成、ならびにそのようなモジュール回路構成で使用できるように設計されたアダプタに関する。

電気機械スイッチ、言い換えればリレーまたは接触器が、多くの場合、電力を切り替え得るように使用される。概して、リレーは安価である。さらに、それは高い切替え容量、低い電力損失、および短時間過負荷に対する非感受性のために際立っている。しかし、移動可能な接極子と移動可能な常開接触子とを含む機械的構造のために、リレーは摩損しやすい。このために、電子リレー、言い換えれば半導体リレーが、高いスイッチング周波数を必要とする用途で多くの場合ますます使用されている。そのような電子スイッチは固体リレーとしても知られている。半導体リレーは、摩損がほとんどなく、振動への感受性が低く、ならびにスイッチング周波数が高いことによって特徴づけられる。

本発明は、従来のリレーの摩損を著しく低減することができる、電力を切り替えるためのモジュール回路構成を生成する目的に基づく。

本発明の中心概念は、実質的に無負荷で、したがって摩損がほとんどなしに、リレーの接触子を開閉することができるように、電気機械スイッチ（すなわち、電子スイッチ、言い換えれば半導体リレーを有するリレーまたは接触器）を接続することにある。本発明の別の態様は、半導体リレーがアダプタの一部であり、リレーおよびアダプタが、互いに着脱可能に連結され得る別個のモジュールとして構成されるものである。その結果、リレーおよび／または半導体リレーは機能障害の場合に互いとは無関係に取り替えることができる。

第一に、本発明は、請求項１の特徴によって上述の技術目的を達成する。

前記請求項によれば、モジュール回路構成が電力を切り替えるために設けられる。モジュール回路構成は、アダプタ筐体に配置されたアダプタに着脱可能に連結することができるリレー・ソケットを有する。アダプタは、半導体リレー、言い換えれば電子スイッチ、ならびにそれに電子的に接続された制御ユニットを有する。接続状態において、半導体リレーがリレーの機械スイッチに並列に接続されるように、アダプタに着脱可能に電気的および機械的に接続することができるリレーがさらに設けられる。制御ユニットは、リレーおよび半導体リレーを異なる時点に作動できるように構成される。

この接続によって、リレーは、さらに、より高い電力定格用の規模にした接触器とすることができることに注目するべきである。半導体リレーは、一般に知られている方法でトランジスタ、サイリスタ、またはトライアックで製作することができる。リレー・ソケットおよびリレーは標準の構成要素とすることができる。

有利には、アダプタは、制御ユニットに制御信号を印加するように働く少なくとも１つの第１の端子、ならびにリレーを半導体リレーおよび制御ユニットに接続するように、すなわち、リレーを作動および非作動にするように働く第２の端子を有する。接続状態では、リレーの機械スイッチは半導体リレーに並列に接続される。リレーは適切な場所に相補的な接続端子を有する。制御信号は、さらに、リレー・ソケットの適切なコネクタに印加することができ、それにより、したがって、回路構成の接続状態、すなわち連結状態で、リレー・ソケットを通って少なくとも１つの第１の端子への電気接続が存在する。

負荷をリレーに接続することができるように、モジュール回路構成は第４のコネクタを有することができる。これらの第４のコネクタは、例えばアダプタに配置することができ、その結果、負荷はアダプタに直接接続され得る。同様に、負荷がリレー・ソケットに接続されることが考えられる。この手法により、接続状態において、負荷を含むリレーの負荷回路の区間はリレー・ソケットおよびアダプタを通して延びる。

有利な改良によれば、電圧源がアダプタに実装され、この電圧源は制御ユニットを介してリレーに接続され得る。

代替の実施形態によれば、リレー・ソケットは電圧源を接続するように設計される。この場合、リレー・ソケット、アダプタ、およびリレーが接続状態にある場合、それらは、電圧源が制御ユニットによってリレーに接続され得るように電気的に接続される。

リレーへのストレスが本質的に無負荷または少なくとも低負荷となり、したがって低い摩損となるように、リレーを作動させるように働く第１の制御信号に応じて、制御ユニットは第１の時点で半導体リレーをオンに切り替え、第２の後の時点でリレーを作動させる。このように、負荷電流はリレーの切替え時点に半導体リレーを通って確実に流れる。

半導体リレーのスイッチがリレーの動作中オフに切り替えられない場合、第２の制御信号に応じて、制御ユニットはリレーを非作動にし、後の時点で、例えば数ミリ秒の後に半導体リレーをオフに切り替える。

半導体リレーの電力損失を低減するために、半導体リレーはリレーの能動動作中の第３の時点にオフに切り替えることもできる。リレーを非作動にするために、第２の制御信号に応じて、制御ユニットは最初に半導体リレーをオンに切り替える。調整可能な時間間隔が経過した後、制御ユニットは、リレーが確実に非作動になるようにする。非作動にするとは、リレーが常時閉接触子要素として動作するかまたは常時開接触子要素として動作するかに応じて、リレーの接触子が開かれるまたは閉じられることを意味する。続いて、半導体リレーは再度オフに切り替えられる。

第２に、本発明は、請求項９の特徴によって上述の技術的目的を達成する。

この請求項によれば、上述のモジュール回路構成で使用するように構成されたアダプタが設けられる。アダプタは筐体に収容され、アダプタは、リレー・ソケットに着脱可能に電気的および／または機械的に接続されるための第１の手段と、リレーに着脱可能に電気的および／または機械的に接続されるための第２の手段とを有する。さらに、半導体リレーと、それに電気的に接続された制御ユニットとがアダプタに備え付けられる。

本発明は、添付図面に関連する実施形態に基づいてより詳細に以下で説明される。

本発明による、電力を切り替えるためのモジュール回路構成の概略側面図である。 適切な接続端子および位置決めピンをもつ図１に示されたアダプタの上面図である。 接続状態においてアダプタおよびリレーによって形成されるハイブリッド回路の等価回路図である。

図１は、電力を切り替えるためのモジュール回路構成１０を例として示す。モジュール回路構成１０は市販の標準工業用リレー・ソケット４０を有することができる。さらに、モジュール回路構成は、従来の筐体に収容される市販の工業用リレー２０を含むことができる。

リレー・ソケット４０およびリレー２０は、リレー２０がリレー・ソケット上に配置され得るように互いに調整される。さらに、好適な筐体１２０に収容されたアダプタ３０が設けられる。アダプタ３０の構造および動作モードはさらにより詳細に以下で説明される。リレー・ソケット４０、アダプタ３０、およびリレー２０は一緒にモジュール回路構成１０のモジュールを形成する。

アダプタ３０はリレー・ソケット４０に着脱可能に電気的および機械的に接続される。次に、リレー２０はアダプタ筐体１２０に着脱可能に電気的および機械的に接続される。リレー・ソケット４０は、直流電圧源１１０を接続することができる接続接触子４１および４２を有することができる。直流電圧源１１０はリレー２０のリレー・コイル２１に制御電圧を供給する。このために、接続接触子４１および４２はリレー・ソケット４０の接続接触子１０３または接続接触子１０２に電気的に接続される。モジュール回路構成１０の接続状態において、電気接続が、リレー・ソケット４０の接触子１０３または１０２とアダプタ３０の接続接触子１００または１０１との間に存在する。図１に概略的にさらに示されるように、接続接触子１０１はアダプタ３０の接続接触子３４に電気的に接続され、接続接触子１００は制御ユニット５０を介してアダプタ３０の接続端子３３に電気的に接続される。このために、制御ユニット５０は電子スイッチ（ここには図示せず）を有する。接続接触子１００および１０１は、有利には、リレー・ソケット４０に対面するアダプタ筐体１２０の面に配置され、一方、接続端子３３および３４はアダプタ筐体１２０の反対の面に配置される。接続状態では、リレー・コイル２１はリレー２０の適切な接続接触子を介して接続端子３３および３４に接続される。したがって、図示の実施形態では、断面が図３に示され、参照番号９０を有するリレー２０の制御回路は、リレー・コイル２１からアダプタ３０およびリレー・ソケット４０を介して直流電圧源１１０に進み、次いで再び戻る。

図２はアダプタ３０の端末割当てを例として示す。接続端子３１および３２は、制御信号をアダプタ３０に供給できるようにリレー２０に対面するアダプタ筐体１２０の面に設けられる。リレー・コイル２１は接続端子３３、３４に接続され、一方、機械スイッチ２２、言い換えればリレー２０の接触子は接続端子３６および３７に接続され得る。機械スイッチ２２は図３に示される。リレー２０の対応する接続接触子は示されていない。接触子接続１００および１０１はアダプタ筐体１２０の底部に設けられる。リレー・ソケット４０の突合せ切抜き部に係合するガイド・ピン８０はアダプタ３０の筐体１２０に設けることができる。対応するガイド・ピンまたはガイド孔は、筐体１２０の上部に、またはリレー３０の底部に配置される。

接続状態で生成された、アダプタ３０とリレー２０とからなるハイブリッド回路の電気等価回路図が、図３を参照してさらに詳細に以下で説明される。

図３は、とりわけ、図１に示されたアダプタ３０の回路構造を筐体１２０なしで示す。図１に示された制御ユニット５０であり、固体リレーとも呼ばれる半導体リレー６０に接続される制御ユニット５０を、アダプタ３０は含む。半導体リレー６０は、例えばＰＮＰトランジスタとして構成することができる。この場合、制御ユニット５０の出力部はトランジスタ６０のベース端子６１に接続される。アダプタ３０は、例えば、入力が制御ユニット５０に接続される２つの接続接触子３１および３２（同様に図２に示される）を有する。例えばリレー２０を作動および非作動にするための制御信号は２つの接続接触子３１および３２に印加することができる。アダプタ３０は、さらに、接続接触子３５を有し、それは半導体リレー６０のエミッタ端子６２に接続される。接続接触子３８は半導体リレー６０のコレクタ端子６３に接続される。負荷７０は、リレー２０の負荷回路９５を介してアダプタ３０の接続接触子３５および３８に接続することができる。負荷回路９５および負荷７０は図３では破線で示される。負荷７０に供給されるエネルギーの源は示されていない。代替として、負荷７０はリレー・ソケット４０に接続することもできることに注目するべきである。この場合、モジュール回路構成１０が組み立てられた状態にある場合、負荷回路９５はリレー・ソケット４０およびアダプタ３０を少なくとも部分的に通して送り込まれる。リレー２０は、図２に示された接続端子３６および３７を介してアダプタ３０に電気的に接続される。接続端子３６および３７は組み立てられた状態で半導体リレー６０のエミッタ端子６２またはコレクタ端子６３に電気的に接続されるので、リレー２０の機械スイッチ２２は半導体リレー６０に並列に接続される。リレー２０がアダプタ筐体１２０上に配置されると、リレー・コイル２１は、接続接触子３４への１つのコネクタを介して、およびアダプタ３０の接続接触子３３への第２のコネクタを介して接続される。図示の例では、アダプタ３０の接続接触子３４は接続接触子１０１に直接接続され、一方、接続接触子３３は制御ユニット５０を介してアダプタ３０の接続接触子１００に接続される。この接続は図１に同様に概略的に示されている。この実施形態では、制御ユニット５０は、図１に関連して述べられた制御可能なスイッチ（ここには図示せず）を有し、それは接続接触子３３と１００との間に接続される。制御可能なスイッチと、制御可能なスイッチおよび半導体リレー６０を作動させる制御ユニット５０の制御論理部とは、図示のバージョンとは対照的に別個の構成要素として構成することができる。アダプタ筐体１２０がリレー・ソケット上に配置された後、アダプタ３０の接続接触子１００および１０１はリレー・ソケットの対応する接続接触子１０２および１０３に電気的に接続され、その結果、リレー・コイル２１は、図１に示されるように、直流電圧源１１０に電気的に接続される。したがって、リレー・コイル２１、制御ユニット５０、および直流電圧源１１０はリレー２０の制御回路９０に配置される。

図３に示されるように、アダプタ３０の半導体リレー６０およびリレー２０はハイブリッド回路を形成し、半導体リレー６０はリレー２０の機械スイッチ２２に並列に接続される。したがって、ハイブリッド回路はリレー２０の負荷回路９５の構成要素である。

次に、図１および３に概略的に示されたモジュール回路構成１０の動作モードがより詳細に説明される。

初めに、リレー・ソケット４０は、好ましくは、トップ・ハット・レール（ここには図示せず）上に掛止めされ、かつ直流電圧源１１０がリレー・ソケット４０の端子４１および４２に図１に示されたように接続されることが想定される。

アダプタ筐体１２０、したがって、アダプタ３０はリレー・ソケット４０上に配置され、その結果、アダプタ３０の接続接触子１００および１０１はリレー・ソケット４０の接続接触子１０２または１０３に電気的に接続される。リレー２０は既にアダプタ筐体１２０上に配置されており、その結果、リレー・コイル２１は接触子３３および３４に電気的に接続され、一方、機械スイッチ２２、言い換えればリレー２０の常開接触子はアダプタ３０の端子３６および３７に電気的に接続される。さらに、負荷回路９５はアダプタ筐体１２０の接続接触子３５および３８に接続されることが想定される。さらなる考察では、リレー２０は常時開接触子要素として動作し、すなわち、待機状態で機械スイッチ２２が開かれていることが想定される。

リレー２０が作動されることになる場合、作動信号が、例えば接続接触子３１を介して制御ユニット５０に印加される。作動信号に応じて、制御ユニット５０は、最初に、半導体リレー６０を導電状態に作動し、その結果、負荷回路９５は閉じられ、負荷電流は半導体リレー３０を介してのみ流れることができる。この時点では、機械スイッチ２２は開かれている。設定可能な時間間隔の後、例えば数ミリ秒の後に、制御ユニット５０は接続接触子３３と１００との間に配置されたスイッチを閉じ、その結果として、電圧源１１０がリレー・コイル２１に適用される。続いて、リレー２０の機械スイッチ２２は一般的に知られている方法で閉じられる。切替え時点には、負荷電流はリレー２０の機械スイッチ２２を通ってではなく半導体リレー６０を通って流れているので、リレー２０は、実質的に無負荷で、ならびに摩損がほとんどなしに切り替えられ得る。さらに、機械スイッチ２２によって引き起こされることがある跳ね返りは負荷電流に影響しない。機械スイッチ２２を閉じると同時に、半導体リレー６０による電力損失が著しく低減される。

半導体リレー６０は動作中開いたままとすることができ、または閉じることができる。初めに、半導体リレー６０が動作中開いたままである場合が想定される。次に、リレー２０がオフに切り替えられることになる場合、対応するオフへの切替え信号が、例えば接続接触子３２を介して制御ユニット５０に印加される。オフへの切替え信号に応じて、制御ユニット５０は、接続接触子３３と１００との間に配置されたスイッチを開き、その結果として、制御回路９０、したがって機械スイッチ２２が開かれる。切替え時点に、半導体リレー６０は機械スイッチ２２に対する能動的バイパスとして機能するので、機械スイッチ２２は、再度、実質的に無負荷で、摩損がほとんどなしに開かれ得る。一定の期間、例えば数ミリ秒の後、ベース端子６１を介して、制御ユニット５０は半導体リレー６０が阻止状態になるようにする、すなわち、半導体リレー６０が開かれる。

リレー２０の動作中、言い換えれば、負荷回路９５が閉じられている間、半導体リレー６０がオフに切り替えられている場合、制御ユニット５０は、オフへの切替え信号に応じて、半導体リレー６０が再度オンに確実に切り替えられる、すなわち、確実に電導状態になるようにする。半導体リレー６０によって生成されたバイパスが、再度、能動的になるとすぐに、制御ユニット５０は、接続接触子３３と１００との間に配置されたスイッチが確実に開かれるようにする。その結果、機械スイッチ２２は同様に開かれる。負荷電流は切替え時点に半導体リレー６０を介して大部分が供給されるので、機械スイッチ２２は、再度、実質的に無負荷で、摩損がほとんどなしに切り替えられ得る。

誘導負荷がリレー２０に接続される場合、リレーが切り替えられるときに発生する逆電圧を、アダプタ３０に実装された保護回路によって半導体リレー６０に近づけないようにすることができる。

リレー３０およびリレー・ソケット４０は、アダプタ３０の挿入なしに互いに接続することもできる。しかし、これを必要とする状況の場合、アダプタ３５をリレー・ソケット４０とリレー３０との間に置くことができ、したがって、半導体リレー６０とリレー２０とからなるハイブリッド回路が生成される。

Claims (7)

1. 電力を切り替えるためのモジュール回路構成であって、
   制御電子回路(５０)と、
   半導体リレー（６０）と、
   前記半導体リレー(６０)と並列に接続されたリレーコイル(２１)と機械スイッチ(２２)を有する電気機械リレー（２０）とを含み、
   前記制御電子回路（５０）は、異なる時点で前記電気機械リレー(２０)と前記半導体リレー（６０）を制御するように適合され、
   電源（１１０）へ接続可能であり、連続接触端子（１０２，１０３）を有する標準化リレーソケット（４０）と、
   アダプタハウジング（１２０）、前記制御電子回路(５０)、前記半導体リレー（６０）および接触端子対としてのそれぞれ制御信号接触端子(３１，３２)、リレー回路接触端子（３３，３４）、リレーコンタクト接触端子（３６，３７）、負荷電流接触端子（３５，３８）および電流接触端子（１００，１０１)を含むモジュールアダプタ（３０）を含むモジュール構成により特徴付けられ、
   前記電気機械リレー(２０)は、ハウジング、前記リレーコイル(２１)および前記機械スイッチ（２２）を含む標準化された構成を有し、
   モジュール成分としてのそれぞれ前記電気機械リレー（２０）、前記モジュールアダプタ（３０）及び標準化リレーソケット（４０）は、取り外し可能で電気的および機械的に接続され、
   前記モジュールアダプタ（３０）の前記電流接触端子(１００，１０１)へ、連続接触端子(１０２，１０３)を介して接続された前記電源(１１０)と、
   制御信号コンダクタへ接続された前記モジュールアダプタ(３０)の前記制御信号接触端子(３１，３２)と、
   前記リレーコイル(２１)のリレー回路(９０)へ接続された前記モジュールアダプタ(３０)のリレー回路接触端子（３３，３４）と、
   前記機械スイッチ(２２)へ接続された前記リレーコンタクト接触端子（３６，３７）、および
   負荷電流回路（９５）へ接続された前記負荷電流接触端子（３５，３８）を含むモジュール構成により特徴付けられるモジュール回路構成。
2. 前記モジュールアダプタ（３０）は、前記電気機械リレー（２０）を示し、前記制御信号接触端子（３１，３２）、前記リレー回路接触端子（３３，３４）、前記リレーコンタクト接触端子(３６，３７)および前記負荷電流接触端子（３５，３８）を含む側部を有するハウジング（１２０）を有し、ガイドピン（８０）は、モジュール成分としてのそれぞれ前記電気機械リレー（２０）、前記モジュールアダプタ（３０）及び標準化リレーソケット（４０）間のガイドホールへ延伸し他へ接続する請求項１記載の回路構成。
3. 前記制御電子回路(５０)は、前記電気機械リレー（２０）を駆動するために、前記モジュールアダプタ（３０）内に電源を使用する請求項１又は２記載の回路構成。
4. 前記制御電子回路（５０）は、前記電気機械リレー（２０）を駆動するために、前記標準化リレーソケット（４０）を介してループされた電源(１１０)を使用する請求項１又は２記載の回路構成。
5. 前記電気機械リレー（２０）の機械スイッチ(２２)が操作なしのときに開き、動作信号の制御下で前記制御電子回路(５０)が最初に前記半導体リレー(６０)を導電状態に切り換え、その後まもなく、前記リレーコイル(２１)のスイッチが入れられ電流を導き、機械スイッチ(２２)が閉じる請求項１乃至４のいずれかに記載の回路構成。
6. 非作動信号により制御される前記制御電子回路（５０）が、初めに、前記電気機械リレー(２０)を非動作にし、機械スイッチ(２２)を開き、その後、半導体リレー(６０)を遮断する請求項５記載の回路構成。
7. 機械スイッチ(２２)を閉じた後、制御電子回路（５０）は前記半導体リレー(６０)をオフに切り換え、非動作信号により制御され、再び、前記半導体リレーを作動させて、次いで機械スイッチ(２２)を開くために前記電気機械リレー(２０)を非動作にし、前記半導体リレー(６０)を遮断する請求項５記載の回路構成。

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