JPH01501431A - 電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置技術分野の記載 本発明はスイッチング装置関し、特に電気回路におけるアーク放電のないスイッ チング装置に関する。

従来の技術 電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置の開発において期待されて いる動向のうち一つの動向として、スイッチング電流が接点を迂回する付加的な 並列経路を設けるために、機械的な接点と制御半導体素子との結合がある。この 結合により、高い信頼性、高速応答性および多数のスイッチングサイクルを有す る制御半導体素子の利得と、低損失のスイッチング電圧を有する機械的な接点の 利得とが保持される。また、この結合により、電気回路におけるアーク放電のな いスイッチングをも行う。

通常、アーク放電のないスイッチング装置はメータ接点およびそのメータ接点を 保護する手段からなり、その手段はメータ接点に並列に接続され、かつ制御回路 に結合される制御半導体素子として構成されることができる。さらにまた、現在 、そのよ・５なアーク放電のないスイッチング装置を改良するに当たっての焦点 は、新しい制御回路を設けることに集まっている。

現在、２つのグループの制御回路が用いられている。すなわち、制御入力を伴う ものと伴わないものとがある。

従来技術としてスイッチング装置（ソヴイエト社会主義共和国連邦特許第１１０ ７１８６号）がある。このスイッチング装置は、制御半導体素子と、その制御半 導体素子の電力出力に並列に接続されかつ供給源に結合される電磁リレーのメー タ接点と、電磁リレーのコイルからなる制御回路に結合される制御半導体素子の 制御出力と、制御入力に接続点を有する抵抗とからなる。抵抗は制御半導体素子 の電力出力の一つに接続され、一方、電磁リレーのコイルは制御半導体素子の制 御出力に結合されている。

このスイッチング装置は以下の点で不完全である。制御回路に設けた制御入力は 、スイッチング装置の動作を制御するために、制御回路上の電位を変えなければ ならない。このことは、何らかの付加手段、例えば供給源に挿入されるメータ接 点を付加することなしでは不可能である。さらに、このことは、スイッチング装 置の信頼性の低下し、より複雑にする。

電磁リレーのコイルが制御半導体素子の制御出力に接続されているので、制御回 路内の電流は制限される。したがって、アーク放電の消弧に必要である制御半導 体素子の飽和は困難になり、応答速度に影響を及ぼす。さらに、電磁リレーのコ イルがあるために、スイッチング装置は電磁リレーの接点を保護するためにのみ 使用されることができる。

従来技術として、アーク放電のないスイッチング装置（ソヴイエト社会主義共和 国連邦特許第１１５９０７７号）がある。このスイッチング装置は、メモリと２ つの制御入力とを有する双安定電磁リレーのメータ接点に並列に結合される電力 出力を有する制御半導体素子からなり、制御半導体素子の制御出力は双安定電磁 リレーの制御入力に接続される入力を有するＯＲ（オア）素子からなる制御回路 に接続されている。

このスイッチング装置は、オンパルスおよびオフパルスを生成する制御手段、例 えば供給源回路に挿入したメータ接点をも必要とする制御入力を有するという点 で不十分である。

このことは、ＯＲ素子からなる制御回路が上述したスイッチング装置と比較して みてより早い応答速度を有しても、スイッチング装置の信頼性をより低くし、か つ制御回路をより複雑にする。双安定電磁リレーを用いるのは、この特定のタイ プのリレーの接点を保護するためにのみスイッチング装置に用いることができる ためである。

手短に述べると、制御回路内に制御入力を設ける電気回路におけるアーク放電の ないスイッチング装置ではより速い応答速度によって特徴づけられるが、これら の制御入力に与えられる制御信号を生成するための付加的な手段が必要とされる 。このことは、スイッチング装置をより複雑にし信頼性をより低くくする。その 上、そのようなスイッチング装置は狭い分野へ適応され、電磁リレーの接点を保 護するためにのみ用いられることができる。

信頼性および簡単な構造という本質的な要求があるために、アーク放電のないス イッチング装置が設けられた。応答速度は比較的遅くてもよい。本質的には、ト グルスイッチ、押しボタンおよびキーボードの接点を保護するものである。

従来技術として、制御半導体素子からなるアーク放電のないスイッチング装置（ ソヴイエト社会主義共和国連邦特許第９２０８９８号）がある。この制御半導体 素子の電力出力は供給源に接続されたメーク接点の可動接点および固定接点に並 列に接続され、一方では制御半導体素子の制御リードは制御回路の抵抗およびコ ンデンサに接続されている。抵抗は供給源に接続され、一方、コンデンサは制御 半導体素子の電力出力の一つに接続されている。コンデンサは制御回路の付加メ ーク接点を介して主メータ接点に接続され、主メータ接点および付加メーク接点 は連続動作を制御する装置によって結合される。一方、主メーク接点の可動接点 および制御回路の抵抗は供給源の一つの電極に接続されている。

このスイッチング装置は以下の点で不完全である。付加メータ接点が制御半導体 素子の電力出力に接続されてリレーなしで切り換えられる。その結果、負荷、特 にフィラメントランプの容量性負荷がターンオン（ｔｕｒｎ　ｏｎ）されると、 制御回路の付加メータ接点を介して相当の電流が急に増す。このことは重大な欠 点である。なぜならば、制御回路の付加メータ接点の信頼性を低下させ、その結 果、スイッチング装置自身の信頼性を低くくする。

スイッチング装置は制御回路のメーク接点および付加メーク接点の連続動作を制 御する手段を含むために、スイッチング装置は信頼性をより低下し、より複雑に する。制御回路に用いられているメータ接点は動作が非常に遅い。したがって、 スイッチング装置の応答速度は、負荷を接続すると緩やかになる。制御回路には 制御入力が設けてないので、新しいタイプのスイッチング装置を含むスイッチン グ装置の適応分野がかなり広がる。なぜならば、その新しいタイプのスイッチン グ装置は電磁リレーの接点だけでなくまたトグルスイッチ。

押しボタンおよびキーボードのような手動で制御されるスイッチをも保護するた めに用いられることができる。しかしながら、所定の連続動作の主メータ接点お よび付加メーク接点では、各タイプのスイッチング装置における接点の保護がか なり制限される。また、スイッチング装置は直流回路にのみ利用される得ること も述べられている。

発明の開示 この発明の目的は、きわめて、高速な、簡単なおよび信頼性のある、電気回路に おけるのアーク放電のないスイッチング装置を提供することである。

この目的は以下のようにして達成される。電気回路におけるアーク放電のないス イッチング装置において、半導体制御素子の電力出力は双方向接点対の可動およ び固定メーク接点に並列に接続される。また、制御半導体素子の制御出力はその 双方向接点対の固定ブレーク接点および抵抗に接続される。

固定ブレーク接点および抵抗は制御回路の構成部である。また、可動接点および 抵抗は供給源の両電極に接続されている。

本発明によれば、アーク放電のないスイッチングは、制御半導体素子とメーク− ブレーク接点対と抵抗との接続により行われる。さらに、アーク放電のないスイ ッチングは、負荷回路−メーク接点間ばかりではなくまた制御回路−ブレーク接 点間で行われる。これにより、電気回路のアーク放電のないスイッチング装置は より信頼性が増す。

量産されたスイッチング装置を見ると、大部分のスイッチング装置はメーターブ レーク接点アセンブリを特徴とするものであった。それにより、公知の電気回路 のアーク放電のないスイッチング装置はブレーク接点を使用していない。ブレー ク接点を使用することにより、制御回路を構成し、全体としてそのスイッチング 装置を簡単にする。

本発明によれば、制御回路のブレーク接点および抵抗を使用することにより、ブ レーク接点がメータ接点に比べてより速く動作するので、負荷をより速く接続す る。

本発明によれば、制御回路のメーク−ブレーク接点アセンブリと抵抗とを使用す ることにより、それぞれ先端および中間の位置での可動接点を介して制御半導体 素子を制御することが可能である。したがって、メーターブレーク接点対を備え たスイッチング装置は本発明による電気回路におけるアーク放電のないスイッチ ング装置に用いられることができる。

これにより、その電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置の適用分 野が広がる。

図面の簡単な説明 例として以下に示す添付図面を参照してより詳細に本発明を説明する。

第１図は本発明による、種々の負荷からなる直流（ＤＣ）電気回路におけるアー ク放電のないスイッチング装置の回路図を示す。

第２図は本発明による交流（ＡＣ）回路に適した第１図の回路を示す。

発明を実施するための最良の形態 直流電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置はメーク−ブレーク接 点アセンブリ１　（第１図）からなる。

そのメーターブレーク接点アセンブリ１の可動接点２は供給源Ｕの正極に接続さ れ、一方、固定メータ接点３は、複数の負荷、すなわち容量性負荷４．抵抗負荷 ５．フィラメントランプ６、並列に接続されたダイオード８を有する誘導負荷７ のうち一つにまたはいつかの負荷Ｚ、、に接続されている。これらの負荷は、供 給源の負極となるように接地される。制御半導体素子９はトランジスタであり、 可動接点２および固定メーク接点３に並列に接続されている。そのトランジスタ ９のエミッタは可動接点２に接続され、一方、そのトランジスタ９のコレクタは 固定メータ接点３に接続されている。そのトランジスタ９のベースは、メーター ブレーク接点アセンブリ１のブレーク接点１０および接地された抵抗１１を含む 制御回路に接続されている。

交流電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置はメーターブレーク接 点アセンブリ１　（第２図）からなる。

そのメーターブレーク接点アセンブリ１の可動接点２は交流供給源Ｕの第１の極 に接続され、一方、固定メータ接点３は交流供給源Ｕの第２の極に接続された負 荷Ｚｎに接続されている。セミスタ（ｓｅｍｉｓｔｏｒ）１２　（シリコン抵抗 ）である制御半導体素子は可動接点２および固定メーク接点３に並列に接続され ている。セミメタ１２０カソードは可動接点２に接続され、一方、セミスタ１２ のγノードは固定メータ接点３に接続されている。セミスタ１２の制御電極は交 流供給源の第２の極に接続されている抵抗１１および可動ブレーク接点１０に接 続されている。

本発明による直流電気回路におけるアーク放電のないスイッチング素子は次のよ うに動作する。

初めに、トランジスタ９のエミッタおよびベースは可動接点２および固定ブレー ク接点１０によってショートされているので、トランジスタ９（第１図）は非導 通であり、ダイオードとして動作する。可動接点２および固定メータ接点３を通 って負荷Ｚ、に電流が流れない。非導通のトランジスタ９のエミッターコレクタ 接合を通って流れる逆方向電流は無視されることができる。スイッチング装置は 供給源により可動接点２．固定ブレーク接点１０および抵抗１１からなる回路を 介して動作する。

カットイン（ｃｕｔ　ｉｎ）すると、可動接点が動き始め、固定ブレーク接点１ ０上への圧力が減少する。その結果、可動接点２および固定ブレーク接点１０の 交差経路の抵抗が増大するようになる。抵抗１１の抵抗に加えて増加する交差経 路の抵抗は、確実にトランジスタ９を飽和する。その後、可動接点２および固定 ブレーク接点１０が離れ、飽和したトランジスタ９のベース−エミッタ接合は、 可動接点２および固定ブレーク接点１０の接点ギャップ内のスパークとアークと 電子の電界放出とを妨げる。このことは可動接点２および固定ブレーク接点１０ を非常に信頼性あるものにする。

可動接点２および固定ブレーク接点１０の分離過程においてトランジスタ９が飽 和するために、負荷ＺＩ、がより速い速度で接続される。

可動接点２が接点ギャップを超えて固定メータ接点３に接触するのに要した時間 の間、トランジスタ９は可動接点２および固定メーク接点３を迂回して流れる電 流に対して付加経路を設ける。この段階では、抵抗負荷５が接続され得るような 長い電線路およびケーブルの容量に分配される容量性負荷４が充電し始め、フィ ラメントランプ６が熱し始める。可動接点２および固定メータ接点３０間の電位 差はトランジスタ９のエミッターコレクタ接合の飽和電圧に等しくなる。その飽 和電圧は常にアーク放電電圧（８〜１０Ｖ）より低い。可動接点２が固定メータ 接点３に接触すると、その結果としてそれらの接触圧力および交差経路の抵抗が 変化し、その結果、トランジスタ９と可動接点２および固定メータ接点３との間 の電圧降下が変化し電流が再分配される。可動接点２および固定メーク接点３と の間の電圧降下が０．５Ｖ（シリコントランジスタに対して）より低くなると、 トランジスタ９は非導通になり、そのトランジスタ９のコレクタ特性が零に下が る。

全電流が可動接点２および固定メーク接点３を介して負荷Ｚ１に流れる。

このようにして、可動接点２および固定メータ接点３が接触し離れる場合、アー ク放電および電子の電界放出は生じない。このことは、負荷Ｚ。を接続する場合 にスイッチング装置を非常に信頼性あるものにする。

上記の過程を逆に行い始めると、可動接点２が動き始め、固定メータ接点３上の 圧力が減少する。この結果、可動接点２および固定メーク接点３の間の交差経路 の抵抗および電圧降下が増大するようになる。

トランジスタ９は動作状態を介して非導通から飽和状態にさせられ、トランジス タ９と可動接点２および固定メータ接点３の間の電流が再分配される。可動接点 ２および固定メータ接点３が離れると、可動接点２および固定メーク接点３の電 圧はトランジスタ９のコレクターエミッタ接合の飽和電圧に等しくなる。この飽 和電圧は常にショートアーク放電電圧より低い。可動接点２が接点ギャップを超 えるに要する時間の間、トランジスタ９を介して負荷Ｚアに電流が流れる。可動 接点２および固定メータ接点３が接触すると、トランジスタ９は非導通になり、 負荷に流れる電流が低下する。

このようにして、可動接点２および固定メータ接点３に接触し離れる場合、アー ク放電および電子の電界放出は生じない。このことは、負荷Ｚ７の接続を断つ場 合に、本発明によるスイッチング装置を非常に信頼性あるものにする。

可動接点２−固定ブレーク接点１〇−抵抗１１またはトランジスタ９のエミッタ ーベース接合−抵抗１１からなる回路内の電流消費によって、電力損失が発生す る。これらの電力損失を減らすために、絶えず電圧以下である他の回路の構成部 を使用するかまたはトランジスタ９の代わりにダーリントント回路に接続される ２つのトランジスタを有する複合トランジスタを用いるかのいずれかを利用する 方が得策である。

交流電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置は上述したスイッチン グ装置と同じである。わずかに違うところは、可動接点２およびブレーク接点１ ０（第２図）が接触するときではなくて、セミスタ１２が非導通であって一方で 可動接点２およびブレーク接点１０が閉じられた状態にある場合に交流電圧が零 を通るときに、負荷に電流が流れなくなる。

以下に示す例は、開示した電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置 により異なった負荷の切換えを示す。

例１ 容量性負荷＜２０．ＯｍｃＦコンデンサ）が２４Ｖの供給源に接続された場合、 リレー接点のスイッチング電流は１２Ａである。

ここに開示したスイッチング装置を用いると、可動接点はほぼ２マイクロ秒で接 点ギャップを超える。可動接点が接点ギャップを超える間、飽和状態にあったト ランジスタを介して容量性負荷はほとんど完全に放電されたので、メータ接点間 でのスイッチング電流が流れないのは明らかであった。

例２ フィラメントランプが２６Ｖの供給源（フィラメントランプの動作電流は０．１ ５Ａであった）に接続された場合、接点間のスイッチング電流は１．２Ａであっ た。このことは、３１．２ワツト（２６シＸ　１．２Ａ）のスイッチング電力に 相当する。

シリコントランジスタを備え、例１で述べた時間パラメータを有するここで開示 したスイッチング装置を用いた場合、スイッチング電流は０．４６Ａであった。

したがって、スイッチング電力は０．４６ワツト（１，ＯＸ　Ｏ，４６Ｖ）であ った。このことは、スイッチング装置はほぼ率６７で接点のスイッチング電力を 減じることを意味する。

例３ ３０Ｖの供給電圧およびＩＯＡの電流で抵抗負荷を切り換えるために、金接点の リレーが用いられた。これらの接点の最大スイッチング電流は、１５Ｖより高く ない電圧および保証スイッチング回数１０．０００回でスイッチング電流０．５ Ａであった。金はニードル（ｎｅｅｄｌｅ）およびウェルド（ｗｅｌｄ＞接点を 形成しやすく、したがってスイッチング電流がＩＡを超えるときには金を使用す ることができないということがわかる。周波数５Ｈｚで２０．０００回の動作後 、２つのリレーの８接点アセンブリ内のメーターブレーク接点の交差経路の抵抗 はずっと変化しなかった。そのリレーを開いたが、金接点の表面には着炭および 他の欠陥は見出せなかった。

産業上の利用可能性 電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置は、電磁リレー、トグルス イッチング、どのような負荷を適用した直流および交流回路内の押しボタンのス イッチング接点のアセンブリのメータ接点を保護するために用いられることがで きる。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 制御半導体素子からなり、該制御半導体素子の電力出力は供給源に結合されたメ ーク接点の可動接点および固定接点に並列に接続され、一方、該制御半導体素子 の制御出力は該供給源に接続される制御回路の抵抗に接続される電気回路におけ るアーク放電のないスイッチング装置において、前記メーク接点はメータープレ ーク接点アセンブリ（１）のメーク接点であり、 さらに、前記制御回路は前記制御半導体素子の前記制御出力に結合されるこのメ ータープレーク接点アセンブリ（１）のブレーク接点を備え、該制御回路の前記 可動接点（２）および前記抵抗は前記供給源の両電極に結合されることを特徴と する電気回路におけるアーク放電のないスイッチング装置。