EP3959734B1 - Elektrischer schalter - Google Patents

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EP3959734B1
EP3959734B1 EP19739931.4A EP19739931A EP3959734B1 EP 3959734 B1 EP3959734 B1 EP 3959734B1 EP 19739931 A EP19739931 A EP 19739931A EP 3959734 B1 EP3959734 B1 EP 3959734B1
Authority
EP
European Patent Office
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contact
electrical switch
electrical
state
movable element
Prior art date
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Active
Application number
EP19739931.4A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP3959734A1 (de
Inventor
Matthias Strobl
Andreas Eismann
Walter Felden
Zoltan FONO
Oliver Ibisch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP3959734B1 publication Critical patent/EP3959734B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/16—Impedances connected with contacts
    • H01H33/161—Variable impedances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C10/00—Adjustable resistors
    • H01C10/30—Adjustable resistors the contact sliding along resistive element

Definitions

  • the invention relates to an electrical switch.
  • Switching arcs occur when AC or DC circuits are opened, closed or commutated. These switching arcs typically release the energy released in corresponding extinguishing devices until the arc is extinguished. Conventional electrical switches attempt to control the resulting switching arcs. This involves a great deal of technical effort, particularly given the increasing number of DC applications in which no current zero crossing occurs.
  • an electric current can be switched without switching arcs through a semiconductor switch, which requires complex control electronics and usually does not guarantee reliable galvanic isolation.
  • current semiconductor switches have a relatively high power loss even in the ON state.
  • the EP 3 031 062 A1 discloses a mechanical switch that operates by commutating the current to an energy absorbing path or a series of paths through at least one blocking semiconductor to open the circuit, the commutation being effected by a sliding movement of at least one shuttle electrode over at least one stationary electrode.
  • the electrical switch with an ON state and an OFF state for opening, closing or commutating an electrical circuit between a first contact and a second contact comprises an adjustable resistance element which is electrically arranged between the first contact and the second contact, wherein in the ON state the electrical switch is closed and in the OFF state it is open, wherein by means of a mechanical transit movement (T) the electrical switch is transferred from the ON state to the OFF state and vice versa, wherein in order to open or commutate the electrical circuit the resistance of the adjustable resistance element is increased by means of the transit movement and wherein the transit movement is carried out in such a way that the current voltage drop is smaller than the ignition voltage of an arc at any time and the switching energy in the adjustable resistance element is thereby dissipated in the form of electrical power loss.
  • T mechanical transit movement
  • the advantage here is that, with the appropriate design, a switching operation can be carried out without the formation of an arc. This avoids all the negative effects of a switching arc, such as burn-off, formation of switching gases, stochastic running behavior, influence from external magnetic fields. It is also advantageous that a simple mechanical structure is possible and a safe galvanic isolation is made possible by driving over an insulating zone. The simple mechanical structure results in many additional advantages with regard to a cost-optimized design of a resistance voltage switching device. Basic functions such as the magnetic overload release can be implemented relatively easily.
  • the electrical switch has at least a third contact, wherein a potential is commutated between these at least three contacts.
  • the first contact in the OFF state, is galvanically isolated from the second contact with an electrical resistance greater than 1M ⁇ (mega ohm).
  • the electrical resistance in the ON state of the adjustable resistance element can be less than 100 ⁇ (micro ohm), which leads to very low power loss in the ON state.
  • the adjustable resistance element is made of a conventional material or of a dopable semiconductor material such as silicon carbide (SiC).
  • the resistance of the adjustable resistance element is increased by changing the active length, shape, arrangement or doping.
  • the increase in the electrical resistance of the adjustable resistance element is carried out continuously or discretely.
  • the first contact in the OFF state, is galvanically separated from the second contact by galvanic isolation or by doping the adjustable resistance element.
  • the adjustable resistance element can be designed as a linear or rotary component.
  • the linear component can have a tubular or annular structure.
  • the adjustable resistance element comprises a movable element and a fixed element, wherein the movable element is substantially cylindrical is formed, wherein the fixed element is formed substantially in the shape of a hollow cylinder, wherein the movable element is formed so as to be immersible in the fixed element and can be moved against it, wherein a first contact system is attached to the fixed element and a second contact system is attached to the movable element, each for electrical contact between the movable element and the fixed element, wherein the distance between the first contact system and the second contact system is changed by the linear transit movement, whereby the division of the current path between the movable element and the fixed element changes.
  • first contact system and the second contact system are formed by contact springs, for example spiral-shaped contact springs, which due to their shape and design enable a very high current-carrying capacity with a small diameter at the same time, such as canted coil springs from Bal Seal Engineering.
  • a sliding arrangement has an advantageous effect on preventing the formation of foreign and oxidation layers and thus improves the contact behavior and long-term stability of the electrical switch in contrast to conventional switches with contacts that can be opened. Due to the type of contact with spiral contact springs on a cylinder, the lifting forces in the event of a short circuit are minimal. This means that, with the appropriate design, the contacts are not subjected to excessive mechanical stress with the corresponding noise. Such a switch therefore does not show an increased tendency to weld and, in contrast to electrical switches with contacts that can be opened, complex combination tests with different contact materials are not necessary.
  • the adjustable resistance element comprises a movable element and three fixed Elements, wherein the movable element and the third fixed element are essentially cylindrical, wherein the first fixed element is essentially designed as half a hollow cylinder and the second fixed element is also essentially designed as half a hollow cylinder, which is connected to the first fixed element by means of an insulator and thereby a hollow cylinder is formed, wherein the movable element is designed to be immersible in the hollow cylinder made up of the first and second fixed elements and can be moved against it, wherein a first contact system is attached to the movable element and a second contact system is attached to the third fixed element, each for electrical contact between the movable element and the hollow cylinder and the third fixed element and the hollow cylinder, wherein the distance between the first contact system and the second contact system is changed by a linear transit movement, whereby the division of the current path between the movable element and the hollow cylinder changes.
  • controllable resistance element comprises a movable, rotary disk element and two fixed elements, wherein the disk element has resistance zones, wherein the two fixed elements are each electrically connected to the disk element by a contact system and the electrical resistance between the fixed elements is changed by rotation of the disk element as a rotary transit movement.
  • the electrical switch is designed to switch an alternating or direct current.
  • the electrical switch 100 comprises an ON state and an OFF state for opening, closing or commutating an electrical circuit.
  • a first contact 110 and a second contact 120 are provided, between which the electrical circuit is switched.
  • the electrical switch 100 also comprises an adjustable resistance element 200, which is electrically arranged between the first contact 110 and the second contact 120.
  • the electrical switch 100 In the ON state, the electrical switch 100 is closed and in the OFF state it is open. The switching process, the transfer of the ON state to the OFF state and vice versa, takes place by means of a mechanical transit movement T of the adjustable resistance element 200.
  • the resistance of the adjustable resistance element 200 is increased by means of the transit movement T and the transit movement T is carried out in such a way that the current voltage drop at any time is smaller than the ignition voltage of an arc and that the switching energy in the adjustable resistance element 200 is thereby dissipated in the form of electrical power loss.
  • the adjustable resistance element 200 comprises a movable element 210 and a fixed element 220, wherein the movable element 210 is essentially cylindrical and the fixed element is essentially hollow-cylindrical.
  • the movable element 210 can be immersed in the fixed element 220 and moved against it.
  • the adjustable resistance element 200 comprises a first contact system 310 on the fixed element 220 and a second contact system 320 on the movable element 210, each for electrical contact between the movable element 210 and the fixed element 220.
  • the fixed element 220 can comprise a galvanic isolation 230, so that in the OFF state the first contact 110 is galvanically separated from the second contact 120.
  • the galvanic isolation can be achieved via the doping of the adjustable resistance element 200 itself.
  • FIG 2A the chain of electrical resistors of the electrical switch 100 according to the invention is shown. It is a series connection of electrical resistors, starting from the electrical resistance at the second contact 120 R_Cu2 via the resistance of the adjustable resistance element 200 R_SiC and the electrical resistance of the galvanic insulation 230 R_Iso to the first contact 110 with the resistance R_Cu1.
  • FIG 2B the electrical resistance of the adjustable resistance element 200 is shown plotted against the deflection of the mechanical transit movement T.
  • the first contact 110 is galvanically isolated from the second contact 120 with an electrical resistance greater than 1M ⁇ (mega ohm).
  • the electrical switch 100 is in the OFF state.
  • the resistance decreases after crossing the insulation zone 230, until the electrical resistance of the adjustable resistance element is less than 100 ⁇ (micro Ohm). In this position, the electrical switch is in the ON state.
  • the transition of the electrical switch 100 from the ON state to the OFF state is shown.
  • the resistance of the adjustable resistance element 200 is increased by means of a linear transit movement T of the movable element 210, the transit movement T being carried out in such a way that the current voltage drop is smaller than the ignition voltage of an arc at any time and the switching energy in the adjustable resistance element 200 is thus dissipated in the form of electrical power loss.
  • the electrical switch 100 is in the ON state.
  • the electrical current flows from the first contact 110 via the first contact system 310 to the movable element 210 and further via the second contact system 320 to the second contact 120.
  • the movable element 210 is made of copper, for example, the total resistance of the electrical switch in the ON position is in the range of less than 100 ⁇ (micro ohms).
  • the first contact system 310 and the second contact system 320 are formed by spiral-shaped contact springs, for example canted coil springs from Bal Seal Engineering.
  • the movable element 210 is now moved as shown in the Figures 3A, 3B and 3C moved to the left.
  • FIG 3C the electrical switch 100 according to the invention is shown in the OFF state.
  • the movable element 210 was further moved according to the representation of the Figures 3A, 3B and 3C moved to the left.
  • the second contact system 320 has been moved beyond the galvanic isolation 230 so that the first contact system 310 and the second contact system 320 are both in the zone of the first contact 110.
  • a current flow only occurs due to a leakage current of the galvanic isolation, since the resistance of the adjustable resistance element 200 is greater than 1M ⁇ (mega ohm).
  • the adjustable resistance element 200 has a first zone 221, which is made of copper, for example, and has a high conductivity.
  • the fixed element 220 dips into this first zone 221, so that due to the lowest resistance, the current flows over the front surface of the movable element 210 and the zone 221 with low conductivity of the adjustable resistance element 200.
  • the movable element 210 also has a termination 211, which can also be made of copper and thus has a low conductivity. The current therefore flows from the first contact 110 via the termination 211 and the movable element 210.
  • the movable element 210 is now moved further to the left, the first contact system 310 and the second contact system 320 are moved towards each other and the current flows through the adjustable resistance element 200 itself. As the movement is continued, the division of the current path between the movable element 210 and the fixed element 220 changes.
  • the second contact system 320 reaches the zone of galvanic isolation 230. If the second contact system 320 is now completely in the zone of galvanic isolation 230, the switch is opened and a current flow is no longer possible. In the end position of the movable element 210 in the illustration of the Figure 4J the first contact system 310 and the second contact system 320 are located in the zone of the first contact 110.
  • the electrical switch 100 may have at least a third contact, wherein it commutates a potential between these at least three contacts.
  • the adjustable resistance element 200 in particular its fixed element 220, can be made from a conventional material or from a dopable semiconductor material.
  • Silicon carbide (SiC) for example, is advantageous as a dopable semiconductor material, since this material meets important criteria and enables a compact design of the adjustable resistance element 200.
  • Silicon carbide as a semiconductor material has a very high breakdown field strength and a low specific forward resistance.
  • silicon carbide can be doped and thus its electrical properties can be adjusted from 0.1 to 109 ⁇ cm (ohm centimeters).
  • silicon carbide is high temperature resistant, the oxidation resistance is given up to 1600°C and the decomposition temperature is above 2700°C. Silicon carbide is also a very good heat conductor.
  • the increase in the resistance of the adjustable resistance element 200 can be achieved by changing the active length, the shape, the arrangement or the doping.
  • the first embodiment and the second embodiment show an increase in the resistance by changing the active length.
  • the current path within the adjustable resistance element 200, or the division of the current path between the movable element 210 and the fixed element 220, is changed by the transit movement T.
  • the increase in the electrical resistance of the adjustable resistance element 200 can be carried out continuously or discretely. In the first embodiment and in the second embodiment, a continuous increase in the electrical resistance is carried out.
  • the adjustable resistance element 200 can be designed as a linear component as explained in the first embodiment and the second embodiment, or also as a rotary component, whereby such an embodiment is not part of the invention.
  • Figure 5 which is not part of the invention, shows such a rotary component 200 in the form of a movable, rotary disk element 500.
  • This disk element 500 has resistance zones 511, 512, 513, 514, 515, 516, 517, 518.
  • a first fixed element 110 and a second fixed element 120 with respective contact systems 581 and 582 are electrically connected to the disk element 500.
  • the electrical resistance between the fixed elements 110 and 120 is changed by the rotation of the disk element 500 as a rotary trans-movement T.
  • the adjustable resistance element 200 is formed from a movable element 670 and three fixed elements 610; 620; 680.
  • the movable element 670 and the third fixed element 680 are essentially cylindrical in shape.
  • the first fixed element 610 is essentially designed as half a hollow cylinder and the second fixed element 620 is also essentially designed as half a hollow cylinder, wherein these two hollow cylinders are connected to the first fixed element 610 by means of an insulator 650, thereby forming a hollow cylinder.
  • the movable element 670 can be inserted into the hollow cylinder made up of first and second fixed elements 610; 620 and can be moved against it.
  • a first contact system 681 is attached to the movable element 670 and a second contact system 682 is attached to the third fixed element 680, each for electrical contact between the movable element 670 and the hollow cylinder and the third fixed element 680 and the hollow cylinder.
  • the linear transit movement T changes the distance between the first contact system 681 and the second contact system 682, which changes the division of the current path between the movable element and the hollow cylinder.
  • a separate current path is provided in the first fixed element 610 and in the second fixed element 620 and not a current path via a cylinder.
  • the half-shell principle can also be applied to other geometries, for example square or rectangular geometries as in Figure 6 shown on the right. The same applies to the first embodiment and the second embodiment.
  • the electrical switch 100 can be provided for switching or commutating an alternating or direct current.
  • an insulating zone be driven over, or become a non-conductive zone of a doped material.
  • silicon carbide any other material with similar properties can be used. If required, this material can also be applied to copper material using thin-film technology, for example in the form of rings.
  • the canted coil contact springs from Bal Seal Engineering are available in various sizes and are able, for example, to carry a continuous current of 2 kA (kiloamperes) and, in the event of a short circuit, of around 20 kA (kiloamperes) for 3 seconds.
  • the fourth embodiment doubles the increase in resistance, so that the installation space of the electrical switch 100 is reduced. Likewise, no connecting wires are necessary, but contacting via the contact springs is sufficient.
  • FIG. 7A and 7B A further, fifth embodiment of the adjustable resistance element 200 according to the invention is shown.
  • uniform resistance elements 701 are connected in series with a first connection surface 702 and a second connection surface 703.
  • Insulation elements 705 are arranged between the resistance elements 701, so that the series connection takes place via the electrical contacting of adjacent connection surfaces 702, 703.
  • Resistance elements 701 are designed as broken hollow discs with a first connection surface 702 and a second connection surface 703.
  • the movable element 210 with the second contact system 320 runs inside the resistance elements 701.
  • the opening and closing takes place analogously to the first or second embodiment by means of a transit movement T, wherein the transit movement T is carried out in such a way that the current voltage drop at any time is smaller than the ignition voltage of an arc and thus the switching energy in the adjustable resistance element 200 is dissipated in the form of electrical power loss.
  • connection surfaces 702; 703 are offset from each other.
  • connection surfaces 702; 703 can be offset by 45° so that after eight elements the same position of the first connection surfaces 702; 703 is reached again, as in the Figure 9 shown below left.
  • simultaneous contacting of at least three resistance elements 701, 701', 701" can be provided when using a conventional adjustable resistance element 200. This is described in the Figures 8A, 8B and 8C shown.
  • FIG 8A On the left, the stack of resistance elements 701, 701', 701" and the movable element 210 with the second contact system 320 are shown. In the illustration of the Figure 8A only one resistance element is contacted, for example in the ON state. Accordingly, only one resistor of the discrete resistor chain is active as shown in Figure 8A right.
  • a parallel relief path can be provided by means of a resistor R additional , as in Figure 9 shown. If the electrical resistance R additional is smaller than the sum of the electrical resistances of the intermediate resistance elements 701, the main current flows through this parallel relief path.
  • intermediate resistance elements 701 are deactivated by circuitry, so that the main current does not have to flow through them but through an electrical relief path.
  • first zone 221 within which the movable element can be accelerated when triggered.
  • the second contact system 320 is accelerated in the region of the first zone 221 with low electrical resistance (for example copper) such that the further transit movement T is carried out such that the current voltage drop is smaller at any time than the ignition voltage of an arc and thus the switching energy in the adjustable resistance element 200 is dissipated in the form of electrical power loss.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter.
  • Beim Öffnen, Schließen oder Kommutieren von Wechselstrom- oder Gleichstromkreisen entstehen Schaltlichtbögen. Diese Schaltlichtbögen geben typischerweise die freiwerdende Energie in entsprechenden Löscheinrichtungen ab, bis der Lichtbogen verlöscht. Herkömmliche elektrische Schalter versuchen die entstehenden Schaltlichtbögen zu kontrollieren. Vor allem bei der steigenden Anzahl an Gleichstromanwendungen, in denen kein Stromnulldurchgang erfolgt, ist dies mit beliebig viel technischem Aufwand verbunden.
  • Bei bisherigen Leistungsschaltern mit einfach- oder zweifachunterbrechenden Kontakten, bei denen der Lichtbogen in Ionisierungslöschkammern, beispielsweise mit Hilfe von Slotmotoren, geleitet wird, wird ein entstehender Schaltlichtbogen in der Ionisierungslöschkammer gelöscht. Problematisch ist hierbei das Entstehen eines ionisierenden Gases bei hohen Temperaturen mit entsprechendem Materialabtrag und Verschmutzung des elektrischen Schalters.
  • Ebenso kann ein elektrischer Strom ohne Schaltlichtbögen durch einen Halbleiterschalter geschaltet werden, der eine komplexe Ansteuerelektronik erfordert, und bei dem in der Regel keine sichere galvanische Trennung gewährleistet ist. Hinzu kommt, dass aktuelle Halbleiterschalter auch im ON-Zustand eine relativ hohe Verlustleistung aufweisen.
  • In der US 2012/199558 A1 wird ein kommutierender Leistungsschalter offenbart, der durch die physische Bewegung einer Pendelvorrichtung, die durch mindestens einen Satz elektrischer Schleifkontakte auf der Pendelvorrichtung den Strom durch die sich bewegende Pendelvorrichtung mit einer Folge unterschiedlicher Widerstände verbindet und somit mit dem Stromkreis verbunden ist, wobei ein zunehmender Widerstand in einen Stromkreis eingefügt wird. Die Bewegung der Pendelvorrichtung kann entweder linear oder rotierend sein. An keinem Punkt sind die gleitenden Statorelektroden von den passenden stationären Statorelektroden getrennt, um einen starken Lichtbogen zu erzeugen, der eine Beschädigung der gleitenden Statorelektroden minimiert. Stattdessen wird der Strom von einem Widerstandspfad zum nächsten mit ausreichend kleinen Widerstandsänderungen bei jedem Schritt kommutiert, so dass eine Lichtbogenbildung unterdrückt wird.
  • Die EP 3 031 062 A1 offenbart einen mechanischen Schalter, der durch Kommutierung des Stroms zu einem energieabsorbierenden Pfad oder einer Folge von Pfaden durch mindestens einen Sperrhalbleiter arbeitet, um den Stromkreis zu öffnen, wobei die Kommutierung durch eine Gleitbewegung mindestens einer Pendel-Elektrode über mindestens eine stationäre Elektrode bewirkt wird.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen alternativen elektrischen Schalter zur Verfügung zu stellen, der ein lichtbogenfreies Öffnen, Schließen oder Kommutieren von Wechselstrom- und Gleichstromkreisen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den elektrischen Schalter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Der elektrische Schalter mit einem ON-Zustand und einem OFF-Zustand zum Öffnen, Schließen oder Kommutieren eines Stromkreises zwischen einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt gemäß Anspruch 1 umfasst ein regelbares Widerstandselement, welches zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt elektrisch angeordnet ist, wobei im ON-Zustand der elektrische Schalter geschlossen ist und im OFF-Zustand geöffnet, wobei mittels einer mechanischen Transitbewegung (T) der elektrische Schalter vom ON-Zustand in den OFF-Zustand überführt wird und umgekehrt, wobei zum Öffnen oder Kommutieren des Stromkreises mittels der Transitbewegung der Widerstand des regelbaren Widerstandselements erhöht wird und wobei die Transitbewegung so ausgeführt wird, dass der aktuelle Spannungsfall zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als die Zündspannung eines Lichtbogens und dadurch die Schaltenergie im regelbaren Widerstandselement in Form von elektrischer Verlustleistung abgeführt wird.
  • Vorteilhaft hierbei ist, dass bei entsprechender Auslegung ein Schaltvorgang ohne die Entstehung eines Lichtbogens getätigt werden kann. Dabei werden alle negativen Auswirkungen eines Schaltlichtbogens vermieden, wie beispielsweise Abbrand, Entstehung von Schaltgasen, stochastisches Laufverhalten, Beeinflussung durch externe magnetische Felder. Ebenso vorteilhaft ist, dass ein einfacher mechanischer Aufbau möglich ist, und eine sichere galvanische Trennung durch das Überfahren einer isolierenden Zone ermöglicht wird. Durch den einfachen mechanischen Aufbau ergeben sich viele zusätzliche Vorteile im Hinblick auf eine kostenoptimierte Konstruktion eines Widerspannungsschaltgeräts. So können Grundfunktionen wie der magnetische Überlastauslöser relativ leicht implementiert werden.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Schalters weist dieser mindestens einen dritten Kontakt auf, wobei ein Potenzial zwischen diesen mindestens drei Kontakten kommutiert wird.
  • In einer Ausgestaltung ist im OFF-Zustand der erste Kontakt galvanisch getrennt vom zweiten Kontakt bei einem elektrischen Widerstand größer 1MΩ (Mega Ohm). Der elektrische Widerstand im ON-Zustand des regelbaren Widerstandselements kann kleiner 100µΩ (Mikro Ohm) betragen, was zu einer sehr geringen Verlustleistung im ON-Zustand führt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des elektrischen Schalters ist das regelbare Widerstandselement aus einem konventionellen Material oder aus einem dotierbaren Halbleitermaterial wie beispielsweise Siliciumcarbid (SiC) gefertigt.
  • In einer Ausgestaltung geschieht die Erhöhung des Widerstands des regelbaren Widerstandselements über eine Änderung der aktiven Länge, der Form, der Anordnung oder der Dotierung.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird die Erhöhung des elektrischen Widerstands des regelbaren Widerstandselement kontinuierlich oder diskret vorgenommen.
  • In einer Ausgestaltung ist im OFF-Zustand der erste Kontakt galvanisch getrennt vom zweiten Kontakt durch eine galvanische Isolation oder über die Dotierung des regelbaren Widerstandselements.
  • Das regelbare Widerstandselement kann als lineares oder als rotatorisches Bauteil ausgebildet sein. Das lineare Bauteil kann einen tubusförmigen oder einen ringförmigen Aufbau aufweisen.
  • In einer Ausgestaltung umfasst das regelbare Widerstandselement ein bewegliches Element und ein feststehendes Element, wobei das bewegliche Element im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist, wobei das feststehende Element im wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist, wobei das bewegliche Element in das feststehende Element eintauchbar ausgebildet ist und gegen dieses bewegt werden kann, wobei ein erstes Kontaktsystem am feststehenden Element und ein zweites Kontaktsystem am beweglichen Element angebracht ist jeweils zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem beweglichen Element und dem feststehenden Element, wobei durch die lineare Transitbewegung der Abstand zwischen dem ersten Kontaktsystem und dem zweiten Kontaktsystem geändert wird, wodurch sich die Aufteilung des Strompfads zwischen beweglichem Element und feststehendem Element ändert.
  • In einer weiteren Ausgestaltung werden das erste Kontaktsystem und das zweite Kontaktsystem von Kontaktfedern gebildet, beispielsweise von spiralförmigen Kontaktfedern, die aufgrund ihrer Formgebung und Gestaltung eine sehr hohe Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig kleinem Durchmesser ermöglichen wie beispielsweise bei Canted-Coil-Federn der Firma Bal Seal Engineering.
  • Eine schleifende Anordnung wirkt vorteilhaft der Bildung von Fremd- und Oxidationsschichten entgegen und verbessert dadurch das Kontaktverhalten und die Langzeitstabilität des elektrischen Schalters im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltern mit zu öffnenden Kontakten. Durch die Art der Kontaktierung mit spiralförmigen Kontaktfedern auf einem Zylinder sind im Kurzschlussfall die abhebenden Kräfte minimal. Dadurch tritt bei entsprechender Auslegung keine zu starke mechanische Belastung der Kontakte mit entsprechender Geräuschbildung auf. Ein derartiger Schalter zeigt daher keine erhöhte Verschweißneigung und aufwändige Kombinationstests mit verschiedenen Kontaktmaterialien entfallen im Gegensatz zu elektrischen Schaltern mit zu öffnenden Kontakten.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das regelbare Widerstandselement ein bewegliches Element und drei feststehende Elemente, wobei das bewegliche Element und das dritte feststehende Element im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sind, wobei das erste feststehende Element im wesentlichen als halber Hohlzylinder ausgebildet ist und das zweite feststehende Element ebenfalls im wesentlichen als halber Hohlzylinder ausgebildet ist, der mittels eines Isolators mit dem ersten feststehenden Element verbunden ist und dadurch ein Hohlzylinder gebildet wird, wobei das bewegliche Element in den Hohlzylinder aus erstem und zweitem feststehendem Element eintauchbar ausgestaltet ist und gegen diesen bewegt werden kann, wobei ein erstes Kontaktsystem am beweglichen Element und ein zweites Kontaktsystem am dritten feststehenden Element angebracht ist jeweils zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem beweglichen Element und dem Hohlzylinder und dem dritten feststehenden Element und dem Hohlzylinder, wobei durch eine lineare Transitbewegung der Abstand zwischen dem ersten Kontaktsystem und dem zweiten Kontaktsystem geändert wird, wodurch sich die Aufteilung des Strompfads zwischen beweglichem Element und dem Hohlzylinder ändert.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das regelbare Widerstandselement ein bewegliches, rotatorisches Scheibenelement und zwei feststehende Elemente, wobei das Scheibenelement Widerstandszonen aufweist, wobei die zwei feststehenden Elemente jeweils durch ein Kontaktsystem elektrisch mit dem Scheibenelement verbunden sind und der elektrische Widerstand zwischen den feststehenden Elementen durch Drehung des Scheibenelements als rotatorische Transitbewegung geändert wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist der elektrische Schalter zum Schalten eines Wechsel- oder Gleichstroms ausgebildet.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1: Elektrischer Schalter mit regelbarem Widerstandselement;
    • Figuren 2A und 2B: Elektrischer Widerstand des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters;
    • Figuren 3A, 3B, 3C: Elektrischer Schalter mit regelbarem Widerstandselement im ON-Zustand, Zwischenzustand und OFF-Zustand;
    • Figuren 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G, 4H, 4I, 4J: Transitbewegung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters zwischen ON-Zustand und OFF-Zustand;
    • Figur 5: Elektrischer Schalter, der nicht Gegenstand der Erfindung ist, mit beweglichem, rotatorischem Scheibenelement;
    • Figur 6: Elektrischer Schalter mit hohlzylinderförmig ausgebildetem feststehendem Element aus jeweils einem halben Hohlzylinder und Isolator;
    • Figuren 7A und 7B: Regelbares Widerstandselement mit diskreten Widerstands-Zuständen;
    • Figuren 8A, 8B und 8C: Regelbares Widerstandselement mit diskreten Widerstands-Zuständen;
    • Figur 9: Zusatzwiderstand für regelbares Widerstandselement mit diskreten Widerstands-Zuständen; und
    • Figur 10: Beschleunigung des beweglichen Elements mit Aktuator.
  • In Figur 1 ist ein elektrischer Schalter 100 dargestellt. Der elektrische Schalter 100 umfasst einen ON-Zustand und einen OFF-Zustand zum Öffnen, Schließen oder Kommutieren eines Stromkreises. Dazu ist ein erster Kontakt 110 und ein zweiter Kontakt 120 vorgesehen, zwischen denen der Stromkreis geschaltet wird. Weiter umfasst der elektrische Schalter 100 ein regelbares Widerstandselement 200, welches zwischen dem ersten Kontakt 110 und dem zweiten Kontakt 120 elektrisch angeordnet ist. Im ON-Zustand ist der elektrische Schalter 100 geschlossen und im OFF-Zustand geöffnet. Der Schaltvorgang, die Überführung des ON-Zustands in den OFF-Zustand und umgekehrt, geschieht mittels einer mechanischen Transitbewegung T des regelbaren Widerstandselements 200.
  • Zum Öffnen oder Kommutieren des Stromkreises wird mittels der Transitbewegung T der Widerstand des regelbaren Widerstandselements 200 erhöht und die Transitbewegung T wird so ausgeführt, dass der aktuelle Spannungsfall zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als die Zündspannung eines Lichtbogens und dass dadurch die Schaltenergie im regelbaren Widerstandselement 200 in Form von elektrischer Verlustleistung abgeführt wird.
  • Das regelbare Widerstandselement 200 umfasst in einer ersten Ausführungsform ein bewegliches Element 210 und ein feststehendes Element 220, wobei das bewegliche Element 210 im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist und das feststehende Element im wesentlichen hohlzylinderförmig. Das bewegliche Element 210 kann in das feststehende Element 220 eintauchen und gegen dieses bewegt werden. Weiterhin umfasst das regelbare Widerstandselement 200 ein erstes Kontaktsystem 310 am feststehenden Element 220 und ein zweites Kontaktsystem 320 am beweglichen Element 210 jeweils zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem beweglichen Element 210 und dem feststehenden Element 220.
  • Durch eine lineare Transitbewegung T wird der Abstand zwischen dem ersten Kontaktsystem 310 und dem zweiten Kontaktsystem 320 geändert, wodurch sich die Aufteilung des Strompfads zwischen beweglichem Element 210 und feststehendem Element 220 ändert.
  • Das feststehende Element 220 kann eine galvanische Isolation 230 umfassen, sodass im OFF-Zustand der erste Kontakt 110 galvanisch getrennt ist vom zweiten Kontakt 120. Ebenso kann die galvanische Trennung über die Dotierung des regelbaren Widerstandselements 200 selbst geschehen.
  • In Figur 2A ist die Kette der elektrischen Widerstände des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 100 dargestellt. Es handelt sich um eine Reihenschaltung an elektrischen Widerständen, angefangen vom elektrischen Widerstand am zweiten Kontakt 120 R_Cu2 über den Widerstand des regelbaren Widerstandselements 200 R_SiC und dem elektrischen Widerstand der galvanischen Isolation 230 R_Iso zum ersten Kontakt 110 mit dem Widerstand R_Cu1.
  • In Figur 2B ist der elektrische Widerstand des regelbaren Widerstandselements 200 dargestellt aufgetragen über der Auslenkung der mechanischen Transitbewegung T. In der Darstellung der Figur 2B ist bei kleinen Positionen der erste Kontakt 110 galvanisch getrennt vom zweiten Kontakt 120 bei einem elektrischen Widerstand größer 1MΩ (Mega Ohm). In dieser linken Position -bei einem elektrischen Widerstand größer 1MΩ (Mega Ohm)- befindet sich der elektrische Schalter 100 im OFF-Zustand.
  • Fährt nun mittels der mechanischen Transitbewegung T das bewegliche Element 210 entsprechend der Darstellung der Figur 1 nach rechts, so nimmt der Widerstand nach dem Überschreiten der Isolationszone 230 ab, bis zu einem elektrischen Widerstand des regelbaren Widerstandselement kleiner 100µΩ (Mikro Ohm). In dieser Stellung befindet sich der elektrische Schalter im ON-Zustand.
  • In den Figuren 3A, 3B und 3C wird die Überführung des elektrischen Schalters 100 vom ON-Zustand in den OFF-Zustand dargestellt. Mittels einer linearen Transitbewegung T des beweglichen Elements 210 wird der Widerstand des regelbaren Widerstandselements 200 erhöht, wobei die Transitbewegung T so ausgeführt wird, dass der aktuelle Spannungsfall zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als die Zündspannung eines Lichtbogens und dadurch die Schaltenergie im regelbaren Widerstandselement 200 in Form von elektrischer Verlustleistung abgeführt wird.
  • In Figur 3A befindet sich der elektrische Schalter 100 im ON-Zustand. Der elektrische Strom fließt vom ersten Kontakt 110 über das erste Kontaktsystem 310 zum beweglichen Element 210 und weiter über das zweite Kontaktsystem 320 zum zweiten Kontakt 120. Ist das bewegliche Element 210 beispielsweise aus Kupfer gefertigt, so ist der Gesamtwiderstand des elektrischen Schalters in der ON-Stellung im Bereich kleiner 100µΩ (Mikro Ohm). Das erste Kontaktsystem 310 und das zweite Kontaktsystem 320 wird von spiralförmigen Kontaktfedern gebildet, beispielsweise von Canted-Coil-Federn der Firma Bal Seal Engineering.
  • Zum Auslösen des elektrischen Schalters 100, also zum Überführen des elektrischen Schalters 100 vom ON-Zustand in den OFF-Zustand, wird nun das bewegliche Element 210 entsprechend der Darstellung in den Figuren 3A, 3B und 3C nach links bewegt.
  • In einer Zwischenstellung, die in Figur 3B dargestellt ist, fließt der Strom wiederrum vom ersten Kontakt 110 über das erste Kontaktsystem 310, dem beweglichen Element 210 zum zweiten Kontaktsystem 320 und im regelbaren Widerstandselement 200 zum zweiten Kontakt 120. Durch die lineare Transitbewegung T wurde der Abstand zwischen dem ersten Kontaktsystem 310 und dem zweiten Kontaktsystem 320 geändert, nämlich verringert, wodurch sich die Aufteilung des Strompfads zwischen beweglichem Element 210 und feststehendem Element 220 ändert.
  • In Figur 3C ist der erfindungsgemäße elektrische Schalter 100 im OFF-Zustand dargestellt. Durch die Transitbewegung T wurde das bewegliche Element 210 weiter entsprechend der Darstellung der Figuren 3A, 3B und 3C nach links bewegt. Das zweite Kontaktsystem 320 wurde über die galvanische Isolation 230 hinausbewegt, sodass das erste Kontaktsystem 310 und das zweite Kontaktsystem 320 beide in der Zone des ersten Kontakts 110 sind. Somit geschieht ein Stromfluss nur aufgrund eines Kriechstroms der galvanischen Trennung, da der Widerstand des regelbaren Widerstandselement 200 größer 1MΩ (Mega Ohm) ist.
  • In den Figuren 4A bis 4J wird eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 100 dargestellt. Das regelbare Widerstandselement 200 weist eine erste Zone 221 auf, die beispielsweise aus Kupfer gestaltet ist und eine hohe Leitfähigkeit hat. Im ON-Zustand des elektrischen Schalters taucht das feststehende Element 220 in diese erste Zone 221 ein, sodass aufgrund des geringsten Widerstands der Strom über die Stirnfläche des beweglichen Elements 210 und der Zone 221 mit geringer Leitfähigkeit des regelbaren Widerstandselements 200 fließt. Ebenso weist das bewegliche Element 210 einen Abschluss 211 auf, der ebenfalls aus Kupfer gefertigt sein kann und somit eine geringe Leitfähigkeit hat. Der Strom fließt daher vom ersten Kontakt 110 über den Abschluss 211 und das bewegliche Element 210.
  • Wird nun die Transitbewegung T ausgeführt, entsprechend der Darstellung der Figuren 4A bis 4J der Bewegung des beweglichen Elements 210 nach links, so kommt es zu einer räumlichen Separation des Abschlusses 211 und auch des beweglichen Elements 210 von der Zone 221, so dass der Strom über das erste Kontaktsystem 310 und das zweite Kontaktsystem 320 fließt.
  • Wird nun das bewegliche Element 210 weiter nach links bewegt, so werden das erste Kontaktsystem 310 und das zweite Kontaktsystem 320 aufeinander zubewegt und der Strom fließt durch das regelbare Widerstandselement 200 selbst. Bei weiterer Durchführung der Bewegung ändert sich die Aufteilung des Strompfads zwischen dem beweglichen Element 210 und dem feststehenden Element 220.
  • In Figur 4H erreicht das zweite Kontaktsystem 320 die Zone der galvanischen Isolation 230. Wenn nun das zweite Kontaktsystem 320 vollständig in der Zone der galvanischen Isolation 230 ist, ist der Schalter geöffnet und ein Stromfluss nicht mehr möglich. In der Endposition des beweglichen Elements 210 in der Darstellung der Figur 4J befinden sich das erste Kontaktsystem 310 und das zweite Kontaktsystem 320 in der Zone des ersten Kontakts 110.
  • Der elektrische Schalter 100 kann mindestens einen dritten Kontakt aufweisen, wobei von ihm ein Potenzial zwischen diesen mindestens drei Kontakten kommutiert wird.
  • Das regelbare Widerstandselement 200, insbesondere sein feststehendes Element 220, kann aus einem konventionellen Material oder aus einem dotierbaren Halbleitermaterial hergestellt sein. Als dotierbares Halbleitermaterial ist beispielsweise Siliciumcarbid (SiC) vorteilhaft, da dieses Material wichtige Kriterien erfüllt und eine kompakte Bauweise des regelbaren Widerstandselements 200 ermöglicht. Siliciumcarbid als Halbleitermaterial hat eine sehr hohe Durchbruchfeldstärke und einen geringen spezifischen Durchlasswiderstand. Des Weiteren ist Siliciumcarbid dotierbar und damit in den elektrischen Eigenschaften einstellbar von 0,1 bis 109 Ω·cm (Ohm Zentimeter). Weiter ist Siliciumcarbid hochtemperaturbeständig, die Oxidationsbeständigkeit ist bis 1600°C gegeben und die Zersetzungstemperatur liegt über 2700°C. Ebenso ist Siliciumcarbid ein sehr guter Wärmeleiter.
  • Die Erhöhung des Widerstands des regelbaren Widerstandselements 200 kann über eine Änderung der aktiven Länge, der Form, der Anordnung oder der Dotierung geschehen. Die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform zeigen eine Erhöhung des Widerstands über die Änderung der aktiven Länge. Der Strompfad innerhalb des regelbaren Widerstandselements 200, beziehungsweise die Aufteilung des Strompfads zwischen dem beweglichen Element 210 und dem feststehenden Element 220, wird durch die Transitbewegung T geändert.
  • Die Erhöhung des elektrischen Widerstands des regelbaren Widerstandselements 200 kann kontinuierlich oder diskret vorgenommen werden. In der ersten Ausführungsform und in der zweiten Ausführungsform wird eine kontinuierliche Erhöhung des elektrischen Widerstands vorgenommen.
  • Das regelbare Widerstandselement 200 kann als lineares Bauteil wie in der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform erläutert, oder auch als rotatorisches Bauteil ausgebildet sein, wobei eine solche Ausführungsform nicht Teil der Erfindung ist. Figur 5, die nicht Teil der Erfindung ist, zeigt ein solches rotatorisches Bauteil 200 in Form eines beweglichen, rotatorischen Scheiben-Elements 500. Dieses Scheiben-Element 500 weist Widerstandszonen 511, 512, 513, 514, 515, 516, 517, 518 auf. Ein erstes feststehendes Element 110 und ein zweites feststehendes Element 120 mit jeweiligen Kontaktsystemen 581 und 582 sind elektrisch mit dem Scheiben-Element 500 verbunden. Der elektrische Widerstand zwischen den feststehenden Elementen 110 und 120 wird durch die Drehung des Scheiben-Elements 500 als rotatorische Transbewegung T geändert.
  • In einer vierten Ausführungsform wird das regelbare Widerstandselement 200 aus einem beweglichen Element 670 und drei feststehenden Elementen 610; 620; 680 gebildet. Das bewegliche Element 670 und das dritte feststehende Element 680 sind im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Das erste feststehende Element 610 ist im wesentlichen als halber Hohlzylinder ausgebildet und das zweite feststehende Element 620 ebenfalls im wesentlichen als halber Hohlzylinder, wobei diese beiden Hohlzylinder mittels eines Isolators 650 mit dem ersten feststehenden Element 610 verbunden sind und dadurch ein Hohlzylinder gebildet wird.
  • Das bewegliche Element 670 kann in den Hohlzylinder aus ersten und zweiten feststehenden Elementen 610; 620 eintauchen und gegen diesen bewegt werden. Ein erstes Kontaktsystem 681 ist am beweglichen Element 670 und ein zweites Kontaktsystem 682 am dritten feststehenden Element 680 angebracht jeweils zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem beweglichen Element 670 und dem Hohlzylinder und dem dritten feststehenden Element 680 und dem Hohlzylinder.
  • Durch die lineare Transitbewegung T wird der Abstand zwischen dem ersten Kontaktsystem 681 und dem zweiten Kontaktsystem 682 geändert, wodurch sich die Aufteilung des Strompfads zwischen beweglichem Element und dem Hohlzylinder ändert. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform und zur zweiten Ausführungsform ist ein separater Strompfad in dem ersten feststehenden Element 610 und im zweiten feststehenden Element 620 vorgesehen und nicht ein Strompfad über einen Zylinder. Das Prinzip aus Halbschalen kann ebenso auf weitere Geometrien, beispielsweise auf quadratische oder rechteckförmige Geometrien wie in Figur 6 rechts dargestellt, angewendet werden. Gleiches gilt für die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform.
  • Der erfindungsgemäße elektrische Schalter 100 kann zum Schalten oder Kommutieren eines Wechsel- oder Gleichstroms vorgesehen sein.
  • Um eine sichere galvanische Trennung zu gewährleisten, kann während der Transitbewegung T entweder eine isolierende Zone überfahren werden, oder eine nichtleitende Zone eines dotierten Materials werden.
  • Alternativ zu Siliciumcarbid (SiC) kann jedes andere Material verwendet werden, das ähnliche Eigenschaften aufweist. Dieses Material kann außerdem bei Bedarf in Dünnschichttechnik, beispielsweise in Form von Ringen, auf Kupfermaterial aufgebracht werden.
  • Bei der Ausgestaltung des ersten Kontaktsystems 310 und zweitem Kontaktsystems 320 ist darauf zu achten, dass der Bereich, in dem die Federn kontaktieren, ausreichend abgeschirmt ist. Das bedeutet, dass der Strompfad von Feder und Siliciumcarbidelement bevorzugt sein muss, da es ansonsten aufgrund des Potenzialunterschieds zu einem Lichtbogen kommen kann. Die Kontaktfedern der Firma Bal Seal Engineering vom Typ Canted-Coil sind in verschiedenen Baugrößen verfügbar und beispielsweise in der Lage, einen Dauerstrom von 2 kA (Kilo Ampere) und im Kurzschlussfall von circa 20 kA (Kilo Ampere) für 3 Sekunden zu führen.
  • Die vierte Ausführungsform verdoppelt die Widerstandserhöhung, sodass der Bauraum des elektrischen Schalters 100 verkleinert wird. Ebenso sind keine Anschlusslitzen nötig, sondern die Kontaktierung über die Kontaktfedern ist ausreichend.
  • In den Figuren 7A und 7B ist eine weitere, fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen regelbaren Widerstandselements 200 dargestellt. In dieser Ausführungsform werden gleichförmige Widerstandselemente 701 mit erster Anschlussfläche 702 und zweiter Anschlussfläche 703 in Reihe geschaltet. Zwischen den Widerstandselementen 701 sind Isolationselemente 705 angeordnet, so dass die Reihenschaltung über die elektrische Kontaktierung benachbarter Anschlussfläche 702, 703 geschieht. Widerstandselementen 701 sind als aufgebrochene Hohlscheiben mit erster Anschlussfläche 702 und zweiter Anschlussfläche 703 ausgebildet.
  • Im Innern der Widerstandselementen 701 verläuft das bewegliche Element 210 mit dem zweiten Kontaktsystem 320. Das Öffnen und Schließen erfolgt analog zu der ersten oder zweiten Ausführungsform mittels einer Transitbewegung T, wobei die Transitbewegung T so ausgeführt wird, dass der aktuelle Spannungsfall zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als die Zündspannung eines Lichtbogens und dadurch die Schalt-Energie im regelbaren Widerstandselement 200 in Form von elektrischer Verlustleistung abgeführt wird.
  • Der Stapel an Widerstandselementen 701 kann so gebildet werden, dass die Anschlussflächen 702; 703 jeweils versetzt zueinander liegen. Beispielsweise können die Anschlussflächen 702; 703 jeweils um 45° versetzt liegen, so dass nach acht Elementen wieder die selbe Position der ersten Anschlussflächen 702; 703 erreicht wird, wie es in der Figur 9 unten links dargestellt ist.
  • Zur Verringerung des maximalen Spannungsfalls und dadurch zur Reduktion der Auftrittswahrscheinlichkeit von Schaltlichtbögen kann eine gleichzeitige Kontaktierung von mindestens drei Widerstandselementen 701, 701', 701" bei der Verwendung eines konventionellen regelbaren Widerstandselement 200 vorgesehen sein. Dies ist in den Figuren 8A, 8B und 8C dargestellt.
  • In Figur 8A links ist der Stapel an Widerstandselementen 701, 701', 701" und das bewegliche Element 210 mit dem zweiten Kontaktsystem 320 dargestellt. In der Darstellung der Figur 8A wird nur ein Widerstandselement kontaktiert, beispielsweise im ON-Zustand. Entsprechend ist nur ein Widerstand der diskreten Widerstands-Kette aktiv entsprechend der Darstellung in Figur 8A rechts.
  • Wird nun durch die Transitbewegung T das bewegliche Element 310 entsprechend der Darstellung in den Figuren 8A, 8B und 8C nach links bewegt, so sollen mindestens drei Widerstandselementen 701 den elektrischen Kontakt bilden. Dadurch teilt sich der Spannungsabfall auf diese drei Widerstände auf und die Gefahr der Bildung eines Schaltlichtbogens ist entsprechend reduziert. In Figur 8C sind weitere drei Widerstandselementen 701 kontaktiert in der diskreten Widerstands-Kette des regelbaren Widerstandselements 200.
  • Zur Verringerung der Strombelastungszeit der Widerstandselemente 701 kann ein Parallel-Entlastungspfad mittels eines Widerstands RZusatz vorgesehen sein, wie in Figur 9 dargestellt. Ist der elektrische Widerstand RZusatz kleiner als die Summe der elektrischen Widerstände der zwischenliegenden Widerstandselemente 701, so fließt durch diesen parallelen Entlastungspfad der Hauptstrom.
  • Ebenso ist denkbar, dass die zwischenliegenden Widerstandselemente 701 schaltungstechnisch deaktiviert werden, so dass der Hauptstrom nicht durch diese fließen muss sondern durch einen elektrischen Entlastungspfad.
  • Entsprechend der Darstellung in den Figuren 4A bis 4J ist die Ausbildung einer ersten Zone 221 vorteilhaft, innerhalb derer das bewegliche Element beim Auslösen beschleunigt werden kann. Dies ist näher in Figur 10 dargestellt, wobei das bewegliche Element 210 mittels eines Aktuators A beschleunigt wird. Das zweite Kontaktsystem 320 wird im Bereich der ersten Zone 221 mit geringem elektrischen Widerstand (beispielsweise Kupfer) so beschleunigt, dass die weitere Transitbewegung T so ausgeführt wird, dass der aktuelle Spannungsfall zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als die Zündspannung eines Lichtbogens und dadurch die Schalt-Energie im regelbaren Widerstandselement 200 in Form von elektrischer Verlustleistung abgeführt wird.

Claims (12)

  1. Elektrischer Schalter (100) mit einem ON-Zustand und einem OFF-Zustand zum Öffnen, Schließen oder Kommutieren eines Stromkreises zwischen einem ersten Kontakt (110) und einem zweiten Kontakt (120) sowie mit einem regelbaren Widerstandselement (200), welches zwischen dem ersten Kontakt (110) und dem zweiten Kontakt (120) elektrisch angeordnet ist, wobei im ON-Zustand der elektrische Schalter (100) geschlossen ist und im OFF-Zustand geöffnet, wobei mittels einer mechanischen Transitbewegung (T) der elektrische Schalter (100) vom ON-Zustand in den OFF-Zustand überführt wird und umgekehrt,
    wobei zum Öffnen oder Kommutieren des Stromkreises mittels der Transitbewegung (T) der Widerstand des regelbaren Widerstandselements (200) erhöht wird und
    die Transitbewegung (T) so ausgeführt wird, dass der aktuelle Spannungsfall zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als die Zündspannung eines Lichtbogens und dadurch die Schalt-Energie im regelbaren Widerstandselement (200) in Form von elektrischer Verlustleistung abgeführt wird
    , wobei das regelbare Widerstandselement (200) ein bewegliches Element (210) und ein feststehendes Element (220) umfasst,
    wobei das bewegliche Element (210) im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist,
    wobei das feststehende Element (220) im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist,
    wobei das bewegliche Element (210) in das feststehende Element (220) eintauchbar ausgebildet ist und gegen dieses bewegt werden kann,
    wobei ein erstes Kontaktsystem (310) am feststehenden Element (220) und ein zweites Kontaktsystem (320) am beweglichen Element (210) angebracht ist jeweils zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem beweglichen Element (210) und dem feststehenden Element (220),
    dadurch gekennzeichnet, dass durch die lineare Transitbewegung (T) der Abstand zwischen dem ersten Kontaktsystem (310) und dem zweiten Kontaktsystem (320) geändert wird, wodurch sich die Aufteilung des Strompfads zwischen beweglichem Element (210) und feststehendem Element (220) ändert, wobei das erste Kontaktsystem (310) und das zweite Kontaktsystem (320) von Canted-Coil-Federn gebildet werden.
  2. Elektrischer Schalter (100) gemäß Anspruch 1, wobei der elektrische Schalter (100) mindestens einen dritten Kontakt aufweist, wobei ein Potential zwischen diesen mindestens drei Kontakten kommutiert wird.
  3. Elektrischer Schalter (100) gemäß Anspruch 1, bei dem im OFF-Zustand der erste Kontakt (110) galvanisch getrennt ist vom zweiten Kontakt (120) bei einem elektrischen Widerstand größer 1MΩ (Mega Ohm).
  4. Elektrischer Schalter (100) gemäß Anspruch 1 oder 3, bei dem im ON-Zustand der elektrische Widerstand des regelbaren Widerstandselements (200) kleiner 100µΩ (mikro Ohm) beträgt.
  5. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das regelbare Widerstandselement (200) aus einem konventionellen Material oder aus einem dotierbaren Halbleitermaterial wie beispielsweise SiC gefertigt ist.
  6. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Erhöhung des Widerstands des regelbaren Widerstandselements (200) über eine Änderung der aktiven Länge, der Form, der Anordnung oder der Dotierung geschieht.
  7. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Erhöhung des elektrischen Widerstands des regelbaren Widerstandselements (200) kontinuierlich oder diskret vorgenommen wird.
  8. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem im OFF-Zustand der erste Kontakt (110) galvanisch getrennt ist vom zweiten Kontakt (120) durch eine galvanische Isolation (230) oder über die Dotierung des regelbaren Widerstandselements (200).
  9. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das regelbare Widerstandselement (200) als lineares oder rotatorisches Bauteil ausgebildet ist.
  10. Elektrischer Schalter (100) gemäß Anspruch 9, bei dem das lineare Bauteil einen tubusförmigen oder einen ringförmigen Aufbau aufweist.
  11. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, bei dem das regelbare Widerstandselement (200) ein bewegliches Element (670) und drei feststehende Elemente (610; 620; 680) umfasst,
    wobei das bewegliche Element (670) und das dritte feststehende Element (680) im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sind,
    wobei das erste feststehende Element (610) im Wesentlichen als halber Hohlzylinder ausgebildet und das zweite feststehende Element (620) ebenfalls im Wesentlichen als halber Hohlzylinder ausgebildet ist, der mittels eines Isolators (650) mit dem ersten feststehenden Element (610) verbunden ist und dadurch ein Hohlzylinder gebildet wird,
    wobei das bewegliche Element (670) in den Hohlzylinder aus erstem und zweitem feststehenden Element (610; 620) eintauchbar ausgebildet ist und gegen diesen bewegt werden kann,
    wobei ein erstes Kontaktsystem (681) am beweglichen Element (670) und ein zweites Kontaktsystem (682) am dritten feststehenden Element (680) angebracht ist jeweils zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem beweglichen Element (670) und dem Hohlzylinder und dem dritten feststehenden Element (680) und dem Hohlzylinder,
    wobei durch eine lineare Transitbewegung (T) der Abstand zwischen dem ersten Kontaktsystem (681) und dem zweiten Kontaktsystem (682) geändert wird, wodurch sich die Aufteilung des Strompfads zwischen beweglichem Element (670) und dem Hohlzylinder ändert.
  12. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, zum Schalten eines Wechsel- oder Gleichstroms.
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