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Die
Erfindung betrifft ein Relais, insbesondere für Hochfrequenzanwendungen,
umfassend wenigstens einen mit wenigstens einer ersten Leiterbahn
elektrisch verbundenen ersten Kontakt, der durch mechanische Mittel
selektiv in einer Kontaktstellung mit wenigstens zwei mit wenigstens
einer zweiten Leiterbahn elektrisch verbundenen zweiten Kontakten
elektrisch verbindbar ist, sowie eine Relaisanordnung.
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In
der Hochfrequenztechnik, insbesondere in Leistungsanwendungen, werden
Relais häufig
als robuste und technisch wenig aufwändige Bauteile eingesetzt.
Als Einzellösungen
für bestimmte
Funktionalitäten
sind Relais in vielfältigen
Formen verfügbar, die
meist recht einfache Schaltfunktion realisieren.
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Werden
jedoch, beispielsweise in der Hochfrequenz-Leistungstechnik, die Schaltfunktionen komplexer,
ist es häufig
notwendig, verschiedene verfügbare
Standardrelais zu verwenden, die aufwändig verschaltet und montiert
werden müssen,
damit die gewünschte
Schaltfunktion realisiert werden kann. Dies ist auch kostenträchtig, da
die Speziallösungen
viele Bauteile benötigen.
Daher erweisen sich Lösungen
mit Relais häufig
als nachteilig.
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Um
nicht mehrere Relais kompliziert zu einer Baugruppe verbinden zu
müssen,
wurden auch Einzellösungen
für Spezialfälle vorgeschlagen
und entwickelt, bei denen die Relaisschaltfunktionen und die Mechanik
in eine Leiterplatte integriert sind. Mechanik und Schaltfunktion
sind dabei eng miteinander verzahnt und das Relais lässt sich
lediglich für
diesen speziellen Fall verwenden, für den es entwickelt wurde.
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DE 199 13 903 C1 betrifft
ein elektromagnetisches Relais, konkret ein elektromagnetisches
Ankerrelais. Dabei sollen die Ankerfeder oder die Kontaktfeder unter
Vermeidung hoher Werkzeug- und Fertigungskosten bei gleichzeitig
verminderter Streubreite in den Federabmessungen hergestellt werden, wobei
zudem eine erhöhte
Wärmebelastbarkeit
der Federn angestrebt wird. Daher wird vorgeschlagen, als Material
für die
Federn eine flexible Leiterplatte zu verwenden.
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Ein
weiteres elektromagnetisches Relais wird durch die
DE 198 34 215 B4 beschrieben.
Darin geht es erneut um ein elektromagnetisches Ankerrelais, wobei
zwei einander gegenüber
angeordnete Leiterplatten vorgesehen sind und der Anker dort dazu
dient, wechselnd Kontakte der ersten oder der zweiten Leiterplatte
zu verbinden. Zwischen den beiden Leiterplatten ist ein durch den
Anker bewegbares Kontaktelement angeordnet, das zwei Stellungen aufweist
und Kontakte der ersten oder der zweiten Leiterplatte verbindet.
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DE 27 33 800 A1 betrifft
die Verkleinerung eines speziellen Ankerrelais. Dazu soll das Betätigungselement
nicht verschwenkt, sondern linear verschoben werden. So sollen weit
voneinander entfernte Kontakte weitgehend gleichzeitig oder in einer
vorbestimmten Reihenfolge beim Betätigen des Relais geschaltet
werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Relais anzugeben,
bei dem bei einem einheitlichen mechanischen Auf bau auf einfache
Art verschiedene Schaltfunktionen realisiert werden können.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Relais der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass das Relais eine räumlich
feste, erste Leiterplatte mit dem ersten Kontakt und der ersten
Leiterbahn und eine gegen die erste Leiterplatte durch die mechanischen
Mittel in verschiedene Kontaktstellungen bewegbare zweite Leiterplatte
mit den zweiten Kontakten und der zweiten Leiterbahn umfasst, wobei
die mechanischen Mittel zur Rotation der zweiten Leiterplatte um
einen bestimmten, einem Wechsel der Kontaktstellung zugeordneten
Schaltwinkel ausgebildet sind.
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In
den erfindungsgemäßen Relais
sind demnach zwei Leiterplatten vorgesehen, die letztendlich die
Schaltfunktion alleine definieren. Je nachdem, wie die Kontakte
und die Leiterbahnen auf den Leiterplatten ausgebildet sind, ist
es demnach möglich – nur durch
Veränderung
der Gestaltung der Leiterplatten – verschiedenste Schaltfunktionen
zu realisieren. Dabei ist eine erste, feststehende Leiterplatte
vorgesehen, die gegebenenfalls die in eine größere Schaltung integrierten
Anschlussleitungen sowie die ersten Kontakte umfasst. Die zweite,
in der Regel kleinere, bewegliche Leiterplatte wird, insbesondere
parallel zu der ersten Leiterplatte, angeordnet, wobei die zweiten
Kontakte und die zweiten Leiterbahnen so ausgestaltet sind, dass
die entsprechenden Schaltfunktionen ausgeführt werden können.
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Die
mechanische Ausgestaltung der Beweglichkeit der zweiten Leiterplatte,
die über
die mechanischen Mittel realisiert ist, ist damit vollständig von der
eigentlichen elektrischen Funktion getrennt. Es muss lediglich darauf
geachtet werden, dass durch die mechanischen Mittel die zweite Leiterplatte
in die verschiedenen Kontaktstellungen bewegbar ist. Somit können beliebige
elektrische Funktionen bzw. Schaltfunktionen weitgehend unabhängig von
der Ausgestaltung der Mechanik rea lisiert werden. Insbesondere können die
mechanischen Mittel auch getrennt von den Leiterplatten gefertigt
werden. Die zweite Leiterplatte kann dann insbesondere angeschraubt,
angenietet oder angeklebt werden.
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Mit
besonderem Vorteil kann die Schnittstelle zwischen der Elektronik
und der Mechanik, also die Ankopplung der ersten und der zweiten
Leiterplatte an die mechanischen Mittel, standardisiert werden. Damit
werden erhebliche Einsparungen an Kosten ermöglicht, da die mechanischen
Mittel für
eine Vielzahl von Relais Verwendung finden können.
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Insbesondere
ist es dann auch möglich,
das Relais so auszugestalten, dass die erste und/oder die zweite
Leiterplatte austauschbar befestigt sind. Dann ist es auch nachträglich noch
möglich,
die Schaltfunktion eines Relais anzupassen oder zu verändern. So
ist eine größtmögliche Flexibilität gegeben.
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Zusätzlich zu
den Leiterplatten können
auch die ersten und/oder die zweiten Kontakte austauschbar gestaltet
sein. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Kontakte
als Steck- oder Klemmkontakte ausgestaltet sind. Weiterhin ist es auch
möglich,
dass angelötete
Kontakte abgenommen werden können
und neue Kontakte angelötet werden
können.
Somit kann beispielsweise einem zu starken Verschleiß der Kontakte
durch einen rechtzeitigen Austausch vorgebeugt werden.
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Wie
bereits erwähnt,
können
mittels der ersten und der zweiten Leiterplatte beliebige elektrische Funktionen
bzw. Schaltfunktionen weitgehend unabhängig von der Ausgestaltung
der mechanischen Mittel realisiert werden. Um die konkrete Schaltfunktion zu
erreichen, können
verschiedene, aus der Leiterplattentechnik bekannte Ausgestaltungen
und Herstellungsverfahren ausgenutzt werden.
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So
ist es beispielsweise möglich,
dass ein durch eine Leiterplattenstruktur realisiertes Bauteil, insbesondere
ein Hochfrequenzbauteil, auf der ersten und/oder der zweiten Leiterplatte
vorgesehen ist. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
dass ein diskretes Bauteil auf der ersten und/oder zweiten Leiterplatte
vorgesehen ist. Auf diese Art ist es möglich, nahezu beliebige Schaltungen
auf den beiden Leiter platten zu ermöglichen, die Transistoren,
Kondensatoren, Spulen, Widerstände
und andere Bauteile der Elektrotechnik verwenden. Es ist ein großer Gestaltungsfreiraum
gegeben.
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Insbesondere
ist es auch möglich,
dass der Schalter vollständig
in die Hochfrequenzschaltung integriert ist, sodass zusätzliche
Schnittstellen, wie Stecker und dergleichen, sowie Verbindungsleitungen
vollständig
entfallen können.
Dieser Weg ist jedoch auch in anderer Richtung denkbar: So kann
ein solches Relais als Teil eines Bauteils realisiert werden. Es
ist beispielsweise denkbar, durch Variation einer Leiterfläche bei
einem Kondensator oder durch Veränderung
der Länge
von Stichleitungen mittels des Relais Eigenschaften eines Bauteils
in verschiedenen Stufen entsprechend den Kontaktstellungen zu schalten.
Etwas Derartiges lässt
sich für
alle Bauteile der Elektrotechnik realisieren, deren Eigenschaften
durch die Leiterplattenstruktur bestimmt werden.
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Auch
weitere grundsätzlich
bekannte Techniken zur Herstellung und Ausgestaltung von Leiterplatten
lassen sich anwenden. So kann die erste und/oder die zweite Leiterplatte
mehrschichtig mit wenigstens einer Durchkontaktierung ausgebildet sein.
Dadurch sind beispielsweise Überkreuzungen von
Leiterbahnen möglich.
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Das
Material der Leiterplatte sowie Materialien für die Beschichtungen sind im
Rahmen der vorliegenden Erfindung frei wählbar, wobei hier selbstverständlich auf
den geplanten Anwendungsbereich Rücksicht genommen werden muss.
Auch die Kontakte können
aus jedem geeigneten Material, beispielsweise aus Kupfer, hergestellt
werden.
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Insbesondere
in der Hochfrequenztechnik lässt
sich ein solches Relais vorteilhaft einsetzen.
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Hierzu
kann vorgesehen sein, dass die Leiterbahnen zumindest teilweise,
insbesondere vollständig,
als Leiterstreifen ausgebildet sind. Bei der Dimensionierung der
Streifenleitungen können
bewährte
Methoden der Hochfrequenztechnik zum Einsatz kommen.
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Weiterhin
ist beim Einsatz in der Hochfrequenztechnik denkbar, dass auf der
den ersten Leiterbahnen gegenüber
liegenden Seite der ersten Leiterplatte und/oder auf der den zweiten
Leiterbahnen (7) gegenüberliegenden
Seite der zweiten Leiterplatte (2) eine leitende Massefläche vorgesehen
ist.
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Die
mechanischen Mittel sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung so
ausgestaltet, dass es möglichst
einfach erlaubt wird, die verschiedenen Kontaktstellungen zu erreichen
und dass ein hinreichend guter Kontakt zwischen den entsprechenden ersten
und zweiten Kontakten ermöglicht
wird, sodass eine elektrische Verbindung sichergestellt ist. Dabei
sollte weiterhin darauf geachtet werden, dass möglichst wenig Verschleiß an den
Kontakten und den Leiterplatten auftritt.
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Die
konkrete Auslegung der mechanischen Mittel wird dabei lediglich
von der Anzahl der benötigten
Kontaktstellungen, der Gesamtgröße der Anordnung,
den Anforderungen an den Anpressdruck in der Kontaktstellung und
die verfügbaren
Antriebsmotoren bestimmt, ist jedoch unabhängig von Details der zu realisierenden
Schaltfunktion.
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Daher
ist in weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen,
dass die mechanischen Mittel zum Beabstanden der parallel zur ersten Leiterplatte
angeordneten zweiten Leiterplatte von der ersten Leiterplatte, zur
Rotation der zweiten Leiterplatte um einen bestimmten, einem Wechsel
der Kontaktstellung zugeordneten Schaltwinkel und zum Annähern der
zweiten Leierplatte an die erste Leiterplatte zum elektrischen Verbinden
wenigstens eines ersten Kontakts mit wenigstens einem zweiten Kontakt
in einer Kontaktstellung ausgebildet sind.
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In
dieser Ausgestaltung ergibt sich ein Wechsel der Kontaktstellung,
indem zunächst
die erste Leiterplatte von der pa rallel angeordneten zweiten Leiterplatte
beabstandet wird. Ist die zweite Leiterplatte über der ersten Leiterplatte
angeordnet, so wird diese durch die mechanischen Mittel beispielsweise
angehoben, sodass die elektrische Verbindung zwischen dem bzw. den
entsprechenden ersten mit dem bzw. den entsprechenden zweiten Kontakten
gelöst
wird. Zudem besteht dann kein mechanischer Kontakt zwischen der
ersten und der zweiten Leiterplatte mehr. Um eine erneute Kontaktgabe
zu ermöglichen,
sind die mechanischen Mittel auch zum Annähern der zweiten Leiterplatte
an die erste Leiterplatte zum elektrischen Verbinden wenigstens
eines ersten Kontakts mit wenigstens einem zweiten Kontakt ausgebildet.
Um die Kontaktstellungen zu wechseln, ist zusätzlich vorgesehen, dass die
mechanischen Mittel zur Rotation der zweiten Leiterplatte um einen
bestimmten, einen Wechsel der Kontaktstellen zugeordneten Schaltwinkel
ausgebildet sind. Diese Rotation kann vollkommen losgelöst von dem
Beabstandungs- bzw. Annäherungsvorgang
stattfinden, jedoch auch mit diesem gekoppelt sein. In einer Ausgestaltung
wird daher zunächst
die Beabstandung vorgenommen, dann eine Rotation um einen bestimmten
Winkel, der so gewählt
ist, dass die nächste
Kontaktstellung erreicht wird, durchgeführt, und danach findet das
Annähern
statt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Beabstanden
und das Annähern
erfolgt, wobei die Rotation um den bestimmten Winkel während des
Beabstandens und des Annäherns
gleichzeitig abläuft.
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Der
einem Wechsel der Kontaktstellung zugeordnete bestimmte Schaltwinkel
legt dabei die Anzahl der Kontaktstellungen fest, die mit den mechanischen
Mitteln erreicht werden können.
So sind bei einem Winkel von 180° zwei
verschiedene Kontaktstellungen denkbar, bei einem Winkel von 60° jedoch sechs
verschiedene Kontaktstellungen. Dabei sollte beachtet werden, dass
der Zustand, in dem die erste Leiterplatte von der zweiten Leiterplatte
beabstandet ist, auch als eine Schaltstellung, in der keiner der
ersten mit keinem der zweiten Kontakte verbunden ist, verwendet
werden kann.
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Die
mechanischen Mittel können
dabei einen Linearmotor, insbesondere einen elektromagnetischen
Linearmotor oder einen Piezolinearmotor oder eine pneumatischen
Motor (Fluidmotor), zum Beabstanden und Annähern der Leiterplatten umfassen. Mit
solchen Linearmotoren ist es insbesondere auch möglich, hohe Anpressdrücke der
ersten Leiterplatte an die zweite Leiterplatte in der Kontaktstellung
zu erreichen, sodass niedrige Kontaktwiderstände realisierbar sind und das
Relais auch zum Schalten hoher Leistungen, insbesondere hoher Hochfrequenzleistungen,
einsetzbar ist.
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Bei
Linearmotoren müssen
dabei zwei verschiedene Gattungen unterschieden werden. Zum einen
sind Linearmotoren denkbar, beispielsweise Piezolinearmotoren, bei
denen jede Stellung des Linearmotors lagestabil ist, das bedeutet,
der Linearmotor bleibt in einer Stellung stehen, in die er gefahren
wurde. Alternativ sind jedoch auch Linearmotoren bekannt, bei denen
die Ruhestellungen nicht stabil sind, beispielsweise elektromagnetische
Linearmotoren, bei denen eine Anziehungskraft erzeugt wird, sodass eine
Auslenkung in eine Richtung möglich
ist, wobei nach der Auslenkung der Motor wieder dazu tendiert, beispielsweise
in eine Grundstellung zurückzukehren.
Bei einem Linearmotor mit nicht stabilen Ruhestellungen ist es denkbar,
dass ein Rückstellelement, insbesondere
eine Feder, zum Annähern
der zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte vorgesehen ist. Dann
wird beispielsweise, solange der Motor bestromt ist, gegen die Rückstellkraft
des Rückstellelements
eine Auslenkung erreicht, sodass die erste Leiterplatte von der
zweiten Leiterplatte beabstandet wird. Wird der Motor nicht mehr
bestromt, so wird die zweite Leiterplatte durch die Rückstellkraft
des Rückstellelements
wieder mit hinreichender Kraft an die erste Leiterplatte angepresst.
Außerdem
kann ein solches Rückstellelement
auch zur Anpassung des Anpressdrucks dienen.
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Ist
ein solcher Linearmotor zum Beabstanden und Annähern der Leiterplatten vorgesehen,
so kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass die mechanischen
Mittel eine Einrichtung zur automatischen Rotation der zweiten Leiterplatte
bei Beabstandung und/oder Annäherung
der zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte umfassen. Dabei liegt
letztendlich eine Kopplung der Drehbewegung an die Linearbewegung
zur Beabstandung bzw. zum Annähern
vor. Mit besonderem Vorteil ist daher der Linearmotor als Antriebsmittel
vollkommen ausreichend, um alle notwendigen Bewegungen der zweiten
Leiterplatte zu ermöglichen.
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In
konkreter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung
einen mit der zweiten Leiterplatte bewegungsgekoppelten Zylinder
sowie ein Führungsrohr
zur Führung
des Zylinders aufweist, wobei an der Innenwand des Führungsrohrs
oder der Außenwand
des Zylinders ein Führungsprofil
mit mehreren einer Kontaktstellung entsprechenden Rastpositionen
und an der Außenwand
des Zylinders oder an der Innenwand des Führungsrohrs wenigstens ein
in dem Profil geführter
Führungsstift
ausgebildet sind, wobei beim Beabstanden und Annähern der Leiterplatten der
Führungsstift
durch geneigte Führungsflächen des
Führungsprofils
einer folgenden Rastposition zugeführt wird, in welche er beim Annähern der
zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte eingreift. In diesem
Fall ist demnach das Führungsprofil
so ausgestaltet, dass die axiale Bewegung des Zylinders zusätzlich in
eine Rotation um einen vorgegebenen Winkel umgewandelt wird. Hierfür sind in
dem Führungsprofil
Führungsflächen vorgesehen,
durch die der Führungsstift
während
des Beabstandens und Annäherns
der zweiten Leiterplatte geführt
ist. Die Rastpositionen können
dabei beispielsweise durch im Wesentlichen rechteckige Schlitze
in einem unteren Teil des Führungsprofils realisiert
sein, die hinreichend lang ausgelegt sein sollten, damit der Führungsstift
nicht vor dem Zusammentreffen der ersten und der zweiten Kontakte
am unteren Profilrand anschlägt.
Findet nun die Beabstandung statt, wird also im Beispiel die zweite
Leiterplatte angehoben, so bewegt sich der Führungsstift nach oben, bis
er in Kontakt mit einer oberhalb des Schlitzes befindlichen geneigten
Führungsfläche im oberen
Teil des Profils gerät,
die er entlang geführt wird,
wodurch sich die zweite Leiterplatte zu drehen beginnt. Die geneigte
Führungsfläche endet
an einem Anschlag, der gleichzeitig die maximale Anhebehöhe bestimmen
kann. Von dort wird bei der Absenkung, also dem Annähern, der
zweiten Leiterplatte der Führungsstift
wieder an den unteren Teil des Profils geführt, wo er auf eine weitere
geneigte Führungsfläche trifft,
die eine weitere Rotation der zweiten Leiterplatte bewirkt und den
Führungsstift
dem nächsten
Schlitz, also der nächsten
Rastposition, zuführt. Über die
Rastpositionen werden die verschiedenen möglichen Raststellungen festgelegt,
wobei es aufgrund von Symmetrien auch möglich sein kann, dass eine
Kontaktstellung durch mehrere Rastpositionen realisiert wird. Eine
solche Ausgestaltung mit geneigten Führungsflächen kann beispielsweise durch
ein Sägezahnprofil
erreicht werden. Grundsätzlich
ist es auch denkbar, den (inneren) Zylinder fest auszugestalten
und das Führungsrohr
mit der zweiten Leiterplatte bewegungszukoppeln, gleichwohl ist
eine solche Ausführung
mechanisch schwieriger zu realisieren.
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In
einer Alternative zur Ausführung
mit einer Einrichtung zur automatischen Rotation der zweiten Leiterplatte
bei Beabstandung und/oder Annäherung der
zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte kann auch vorgesehen
sein, dass die mechanischen Mittel einen Drehmotor, insbesondere
einen Schrittmotor, zum Rotieren der zweiten Leiterplatte umfassen.
Dabei können
insbesondere zwei Motoren vorgesehen sein. Ein solcher Drehmotor
hat den Vorteil, dass er so angesteuert werden kann, dass beliebige
Kontaktstellungen, also beliebige Winkel der zweiten Leiterplatte
im Vergleich zur ersten Leiterplatte, erreicht werden können. Es
sind dann keine festen Kontaktstellungen vorgesehen, wie dies beispielsweise
im Falle eines vorgegebenen Profils der Fall wäre, sondern die mechanischen
Mittel können
auch im Bezug auf die Zahl und die Lage der Kontaktstellungen verschieden
eingesetzt werden. Damit ist eine größere Flexibilität gegeben,
es wird jedoch zusätzlich
ein Drehmotor benötigt.
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Ein
wichtiges Problem beim Design von Relais ist es, sicher zu stellen,
dass in jeder Kontaktstellung eine elektrische Verbindung zwischen
dem entsprechenden wenigstens einen ersten Kontakt und dem wenigstens
einen zweiten Kontakt besteht. Dabei sind nicht nur ein hinreichender
Anpressdruck zu beachten, sodass gegebenenfalls Oxide, die sich
auf der Oberfläche
der Kontakte bilden oder mechanischer Verschleiß der Kontakte ausgeglichen
wird, sondern auch durch Fertigungstoleranzen gegebene mechanische
Ungenauigkeiten, die ein Kontaktieren verhindern können.
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Erfindungsgemäß kann daher
vorgesehen sein, dass ein gegebenenfalls weiteres Rückstellelement
zum Einstellen einer Anpresskraft der zweiten Leiterplatte an die
erste Leiterplatte vorgesehen ist. Dieses Rückstellelement kann das Rückstellelement für den Fall
eines Linearmotors mit nicht stabilen Ruhestellungen sein, es kann
jedoch auch ein weiteres Rückstellelement
vorgesehen sein. Über
das gegebenenfalls weitere Rückstellelement
kann demnach eingestellt werden, wie stark die Leiterplatten und
somit die Kontakt aneinander angepresst werden. In den Kontaktstellungen
liegt immer wenigstens ein erster Kontakt wenigstens einem zweiten
Kontakt gegenüber,
welche Kontakte miteinander elektrisch verbunden werden sollen.
Beim Annähern
der zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte treten diese
miteinander in Berührung.
Um einen möglichst
niedrigen Kontaktwiderstand zu erhalten, kann durch den großen Anpressdruck
beispielsweise eine Oxidbildung auf den Kontakten entgegengewirkt
werden, da beim Kontaktieren Kräfte
auftreten, die die Oxide entfernen.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die zweite Leiterplatte elastisch ausgebildet
ist. Hierdurch können
Fertigungstoleranzen und Montagetoleranzen an den Kontakten ausgeglichen
werden und eine gleichmäßige Kontaktgabe
gewährleistet
werden, da sich, insbesondere in Verbindung mit einem hinreichenden
Anpressdruck, die zweite Leiterplatte so verformen kann, dass alle
zu verbindenden Kontakte auch tatsächlich verbunden werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die mechanischen Mittel
ein Montageelement, insbesondere einen Montageteller, zur Halterung
der zweiten Leiterplatte umfassen. Dieses Montageelement besitzt
vorzugsweise dieselben Dimensionen wie die Leiterplatte, sodass
das Kontaktierungsverhalten verbessernde Elemente verwendet werden können. So
kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein elastisches Lagerelement
zwischen dem Montageelement und der zweiten Leiterplatte vorgesehen
ist. Diese zusätzliche
elastische Lagerung dient dazu, Fertigungstoleranzen auszugleichen, welche
die Parallelität
der zweiten Leiterplatte und der ersten Leiterplatte stören und
somit eine gleichmäßige Kontaktgabe
zwischen den Kontakten behindern könnten. Zusätzlich oder alternativ kann
auch ein insbesondere elastischer Abstandshalter zwischen der zweiten
Leiterplatte und dem Montageelement, gegebenenfalls, falls vorhanden,
dem Lagerelement, vorgesehen sein. Ein solcher Abstandhalter kann
eine geometrische Form aufweisen, die zum einen das Kontaktierungsverhalten
der ersten und zweiten Kontakte verbessert, zum anderen jedoch größere gestalterische
Möglichkeiten
einräumt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Abstandshalter die zweite
Leiterplatte unter Bildung wenigstens eines Hohlraums nur auf einem
Teil ihrer Oberfläche
kontaktiert. Die entstandenen Hohlräume können vorteilhaft genutzt werden.
So kann die Position der mehreren Hohlräume der Position der zweiten
Kontakte auf der elastischen zweiten Leiterplatte entsprechen. Ist
die zweite Leiterplatte elastisch und befindet sich ein zweiter
Kontakt gegenüber
einem Hohlraum, so kann sich die zweite Leiterplatte etwas in den
Hohlraum hinein verformen und so Toleranzen ausgleichen. Dies ist
insbesondere dann zweckmäßig, wenn
mehr als drei zweite Kontakte mit entsprechenden ersten Kontakten
elektrisch verbunden werden sollen. Drei Kontaktpunkte definieren
nämlich
die Ebene, in der die zweite Leiterplatte aufliegt. Dann kann es
vorkommen, dass keine gleichmäßige Kontaktgabe
erzielt wird, da beispielsweise ein vierter zweiter Kontakt nicht
oder mit schwächerer
Anpresskraft den entsprechenden ersten Kontakt berührt. Dadurch,
dass in dieser er findungsgemäßen Ausgestaltung
sich die Leiterplatte etwas in die Hohlräume hineinverformen kann, wenn
eine hinreichende Anpresskraft vorliegt, wird dennoch eine gleichmäßige Kontaktgabe
erzielt, da durch die Verformung der elastischen zweiten Leiterplatte,
die durch den Abstandshalter ermöglicht
wird, eine gleichmäßige Verteilung
der Anpresskraft auftritt. Alternativ oder zusätzlich kann auch wenigstens
ein auf der zweiten Leiterplatte vorgesehenes diskretes Bauteil
in dem Hohlraum angeordnet sein. Dann ist eine optimale Platzausnutzung
möglich.
Zusätzlich
behindern die hervorstehenden diskreten Bauteile dann nicht das Annähern der
zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Verbesserung des Kontaktierungsverhaltens ist erfindungsgemäß darin
zu sehen, dass der erste und/oder die zweiten Kontakte als Federkontakt
ausgebildet ist bzw. sind. Dann können folglich die Kontakte
selber etwas nachgeben, falls beispielsweise durch Fertigungstoleranzen
ein anderer Kontakt keine elektrische Verbindung erreichen konnte.
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Das
erfindungsgemäße Relais
eignet sich auch für
Anwendungen innerhalb von Magnetresonanzanlagen. Dann sollte allerdings
das Relais so ausgestaltet werden, dass es durch das Relais zu möglichst
wenig Feldverzerrungen kommt, die die Messung beeinträchtigen
könnten.
Dazu kann zweckmäßigerweise
vorgesehen sein, dass das Relais zumindest teilweise, insbesondere
größtenteils, aus
nichtmagnetischen Materialien besteht.
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Wie
bereits erwähnt,
erlaubt das erfindungsgemäße Relais
eine große
gestalterische Freiheit im Hinblick auf die zu realisierenden Schaltfunktionen. Einige
Beispiele, die natürlich
nicht erschöpfend
sind, sollen bereits an dieser Stelle vorgestellt werden.
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So
kann das zwei zweite Kontakte und eine sie verbindende zweite Leiterbahn
aufweisende Relais zur selektiven Verbindung von je zwei aus einer Mehrzahl
erster Kontakte ausgebil det sein. Sind beispielsweise drei Eingangsleitungen
mit drei ersten Kontakten vorhanden, so kann das Relais so ausgebildet
sein, dass es entweder die erste und die zweite, die zweite und
die dritte oder die dritte und die erste Eingangsleitung verbindet.
Dies ist natürlich
auch mit einer größeren Zahl
von Eingangsleitungen möglich.
Insbesondere kann das Relais als ein 1:n-Multiplexer ausgebildet
sein. In dieser Ausführungsform kann
beispielsweise ein zentral angeordneter erster Kontakt, der einer
ersten ersten Leiterbahn zugeordnet ist, über die zweite Leiterbahn der
zweiten Leiterplatte wahlweise mit einer Mehrzahl weiterer erster Kontakte
mit zugehörigen
ersten Leiterbahnen verbunden werden.
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In
einer anderen Variante kann das vier erste Kontakte, vier zweite
Kontakte und zwei zweite Leiterbahnen aufweisende Relais, wobei
je zwei zweite Kontakte über
eine Leiterbahn verbunden sind, als Zwei-Wege-Schalter ausgebildet
sein. Bei einem solchen Schalter kann beispielsweise der erste erste Kontakt
mit dem zweiten ersten Kontakt sowie der dritte erste Kontakt mit
dem vierten ersten Kontakt oder der erste erste Kontakt mit dem
vierten ersten Kontakt und der zweite erste Kontakt mit dem dritten ersten
Kontakt verbunden werden.
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Eine
andere mögliche
Schaltfunktion wird erreicht, wenn ein erster Kontakt über eine
Mehrzahl zweiter Kontakte selektiv mit als Stichleitungen verschiedener
Länge ausgebildeten
zweiten Leiterbahnen verbindbar ist. Auf diese Weise kann über das Relais
eine Stichleitung variabler Länge
realisiert werden.
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Ein
ebenso in verschiedenen Stufen schaltbares Bauteil erhält man,
wenn ein erster Kontakt über
eine Mehrzahl zweiter Kontakte selektiv mit als leitende Flächen verschiedener
Größe ausgebildeten zweiten
Leiterbahnen verbindbar ist. Auf diese Weise kann beispielsweise
ein Kondensator unterschiedlicher Kapazität realisiert werden.
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In
einer wiederum alternativen Ausführungsform
kann das Relais auch als Kreuzschienenschalter ausgebildet sein.
Ein Kreuzschienenschalter weist vier erste Kontakte auf, wobei das
Relais so ausgelegt ist, dass es entweder eine Verbindung zwischen
dem zweiten ersten Kontakt und dem dritten ersten Kontakt in einer
ersten Kontaktstellung erlaubt, oder Verbindungen zwischen dem ersten
ersten Kontakt und dem dritten ersten Kontakt sowie dem zweiten
ersten Kontakt und dem vierten ersten Kontakt in einer anderen Kontaktstellung
realisiert. Da sich hierzu Leitungen kreuzen müssen, ist eine mehrschichtige
Leiterplattenstruktur denkbar.
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In
verschiedenen, teilweise auch genannten Ausführungsformen kann das Relais,
gegebenenfalls zusätzlich,
in wenigstens einer Kontaktstellung über die zweite Leiterplatte
fortgesetzte Schirmleitungen umfassen. Auch eine gute Abschirmung
kann somit über
das Relais erreicht werden.
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Daneben
betrifft die Erfindung auch eine Relaisanordnung mit mehreren matrixartig
in einer Reihen und Spalten umfassenden Relaisstruktur angeordneten
erfindungsgemäßen Relais,
welche Relais durch Beabstanden und Annähern der zweiten Leiterplatte
und der ersten Leiterplatte betätigt
werden, wobei eine Einrichtung zur automatischen Rotation der zweiten
Leiterplatte während
der Beabstandung und/oder dem Annähern der Leiterplatten vorgesehen
ist, wobei die mechanischen Mittel zur Betätigung der Relais eine Mehrzahl
von senkrecht zueinander angeordneten den Reihen zugeordneten ersten
und den Spalten zugeordneten zweiten Schaltschienen umfassen und
durch Betätigung
einer ersten Schaltschiene eine Reihe von Relais zur Betätigung ausgewählt wird
und durch nachfolgende Betätigung
einer zweiten Schaltschiene das durch die entsprechende Reihe und
Spalte gekennzeichnete Relais betätigt wird. Unter einer Betätigung des
Relais ist dabei das Wechseln in eine andere Kontaktstellung zu
verstehen.
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Das
erfindungsgemäße Relais,
das einfach durch eine senkrecht zu den Leiterplatten wirkende Kraft
betätigt
werden kann, er möglicht
es, im Falle einer matrixartigen Anordnung mehrerer Relais eine Mechanik
zu realisieren, die insgesamt mit weniger Motoren bzw. Krafterzeugern
auskommt. In der erfindungsgemäßen Relaisanordnung
müssen
lediglich Betätigungsmittel
für die
ersten und zweiten Schaltschienen vorgesehen sein, nicht jedoch
für jedes
individuelle Relais. So lässt
sich beispielsweise eine Relais Anordnung mit n Spalten und m Reihen
realisieren, wozu nur n + m Betätigungsmittel,
insbesondere Motoren, benötigt
werden.
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Die
Relais können – abgesehen
von der Notwendigkeit der Einrichtung zur automatischen Rotation – selbstverständlich alle
Ausgestaltungen aufweisen, die oben diskutiert wurden.
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Beispielsweise
kann die Einrichtung einen mit der zweiten Leiterplatte bewegungsgekoppelten Zylinder
sowie ein Führungsrohr
zur Führung
des Zylinders aufweisen, wobei an der Innenwand des Führungsrohrs
oder der Außenwand
des Zylinders ein Führungsprofil
mit mehreren einer Kontaktstellung entsprechenden Rastpositionen
und an der Außenwand
des Zylinders oder an der Innenwand des Führungsrohrs wenigstens ein
in dem Profil geführter Führungsstift
ausgebildet sind, wobei beim Beabstanden und Annähern der Leiterplatten der
Führungsstift
durch geneigte Führungsflächen des
Führungsprofils
einer nachfolgenden Rastposition zugeführt wird, in welche er beim
Annähern
der zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte eingreift. Diese Ausgestaltung
wurde bereits oben näher
diskutiert.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Relaisanordnung können an
der ersten Schaltschiene Kopplungseinrichtungen vorgesehen sein,
wobei eine Kopplungseinrichtung bei Betätigung der ersten Schaltschiene
das Relais an die zweite Schaltschiene ankoppelt. In konkreter,
zweckmäßiger Ausgestaltung
kann die Kopplungseinrichtung einen ersten und einen zweiten Mitnehmerstift
umfassen, wobei beim Ankoppeln der erste Mitnehmerstift formschlüssig von
einer entsprechenden Öffnung
am Relais und der zweite Mitnehmerstift für eine zur Umwandlung der Bewegung
der zweiten Schaltschiene in eine senkrecht dazu gerichtete Kraft
zur Beabstandung und Annäherung
der ersten und der zweiten Leiterplatte ausgebildeten Profilöffnung an
der zweiten Schaltschiene aufgenommen wird. Die Profilöffnung weist
dann – ähnlich dem
Führungsprofil – eine geneigte
Führungsfläche auf,
die zur Umwandlung der Bewegung der zweiten Schaltschiene in eine
zur Beabstandung und Annäherung
der zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte geeigneten Kraft
dient. Beispielsweise kann die Profilöffnung eine schräge Durchgangsöffnung sein,
wobei die Betätigung
des Relais, das über
die Kopplungseinrichtung an die zweiten Schaltschiene angekoppelt
ist, durch ein Hin- und Herbewegen der zweiten Schaltschiene erfolgt,
wobei die Beabstandung beim Hinbewegen der zweiten Schaltschiene
auftritt, die Annährung
beim Zurückbewegen
mittels desselben Führungselements
ermöglicht
wird.
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Ferner
kann die Kopplungseinrichtung zweckmäßigerweise ein elastisches
Element zur Kompensation der Bewegung der Kopplungseinrichtung zur
Betätigung
des Relais gegen die in dieser Richtung unbewegliche erste Schaltschiene
umfassen. Die erste Schaltschiene koppelt zwar über die an ihr befestigte Kopplungseinrichtung
ein Relais einer Reihe an die entsprechenden zweiten Schaltschienen
an, ist jedoch selbst nur in ihrer Bewegungsrichtung beweglich.
Bei Betätigung
der zweiten Schaltschiene wird jedoch die Kopplungseinrichtung zumindest
teilweise in einer dazu senkrechten Richtung bewegt, in der die
erste Schaltschiene unbeweglich ist. Zur Ermöglichung dieser Bewegung trotz
unbewegter erster Schaltschienen kann ein elastisches Element, insbesondere
eine Feder vorgesehen sein. Vorteilhafterweise kann dieses elastische
Element über
seine Rückstellkraft
auch als Antriebsmittel für die
Annäherungsbewegung
der zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte dienen.
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Mit
besonderem Vorteil können
die ersten Leiterplatten der einzelnen Relais als Teil einer die matrixartige
Relaisstruktur übergreifenden,
gemeinsamen ersten Leiterplatte ausgebil det sein. Gibt es nur eine
gemeinsame erste Leiterplatte, so entfallen vorteilhafterweise jegliche
Verkabelungen, die ansonsten zwischen den einzelnen Relais nötig gewesen
wären.
Außerdem
ist eine einfachere Fertigung ermöglicht.
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Zur
Stabilisierung der Schaltschienen kann vorgesehen sein, dass die
Schaltschienen in der matrixartigen Relaisstruktur benachbarten
mechanischen Lagerungen gleitgelagert sind. Dabei kann eine solche
Lagerung, die Öffnungen
aufweist, die dem Querschnitt der Schaltschienen entsprechen, zur
Lagerung mehrerer erster, bzw. zweiter Schaltschienen dienen. Werden
diese Lagerungen auf beiden Seiten der Relaisstruktur vorgesehen,
so ist eine stabile Anordnung mit wenig Spiel gegeben, die ein sicheres
Schalten der Relais ermöglicht.
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Wie
bereits erwähnt,
kann jeder Schaltschiene ein sie antreibender Motor, insbesondere
wiederum ein Linearmotor, zugeordnet sein. Hierzu bieten sich auch
Piezomotoren an, da die Betätigungsstrecken
der Schaltschienen nicht groß sein
müssen.
Es ist jedoch selbstverständlich
auch denkbar, einen normalen Elektromotor zu verwenden.
-
Soll
die Relaisanordnung beispielsweise in einer Magnetresonanzanlage
genutzt werden, wo die Messung nicht durch Streufelder gestört werden
darf, kann vorgesehen sein, dass sie zumindest teilweise, insbesondere
größtenteils,
aus nichtmagnetischen Materialien besteht.
-
In
einer speziellen Anwendung können
die Relais als Kreuzschienenschalter ausgebildet sein. Solche Kreuzschienenverteiler
weisen meistens n × n
Knoten auf, wobei jeder der Knoten von einem Kreuzschienenschalter
gebildet wird.
-
Auch
bei der erfindungsgemäßen Relaisanordnung
spielt die Anpresskraft und das Ausgleichen von Fertigungstoleranzen
eine große
Rolle. Dabei können
die erfindungsgemäßen Lösungen,
die bereits bezüglich
des Relais diskutiert wurden, auch hier verwendet werden. So kann
vorgesehen sein, dass die zweiten Leiterplatten elastisch ausgebildet sind.
Zusätzlich
oder alternativ können
die mechanischen Mittel Montageelemente, insbesondere einen Montageteller,
zur Halterung der zweiten Leiterplatte umfassen. Zwischen dem Montageelement
und der zweiten Leiterplatte kann ein elastisches Lagerelement vorgesehen
sein. Zusätzlich
oder alternativ zu dem Lagerelement kann ein insbesondere elastischer
Abstandshalter zwischen der zweiten Leiterplatte und dem Montagelement,
gegebenenfalls, falls vorhanden, dem Lagerelement, vorgesehen sein. Dieser
Abstandshalter kann die zweite Leiterplatte unter Bildung von wenigstens
einem Hohlraum nur auf einem Teil ihrer Oberfläche kontaktieren. Die Position
der mehreren Hohlräume
kann dabei der Position der zweiten Kontakte auf der elastischen
zweiten Leiterplatte entsprechen, alternativ oder zusätzlich kann
wenigstens ein auf der zweiten Leiterplatte vorgesehenes diskretes
Bauteil in dem Hohlraum angeordnet sein. Auch bei der Relaisanordnung
ist es schließlich
möglich,
dass die ersten und/oder die zweiten Kontakte als Federkontakt ausgebildet
sind.
-
Bezüglich der
Ausgestaltung der Relais bestehen auch hier eine Vielzahl von Möglichkeiten, verschiedenste
Schaltfunktionen zu realisieren.
-
Abschließend sei
noch angemerkt, dass bei komplexeren Anordnungen von erfindungsgemäßen Relais,
wenn die Relais beispielsweise nicht matrixartig in Reihen und Spalten
angeordnet sind, sondern auf einer komplexeren gemeinsamen ersten Leiterplattestruktur
angeordnet sind, beispielsweise ein x-y-Antrieb, ähnlich denen, die bei einem
Plotter verwendet werden, zur Betätigung der Relais verwendet
werden können.
Ein solcher x-y-Antrieb fährt dann
die Position oberhalb eines Relais an und kann von dort, beispielsweise
mittels eines Betätigungsstiftes,
das entsprechende Relais betätigen.
-
Weitere
Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 einen
Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Relais,
-
2 ein
im Relais nach 1 verwendetes Führungsprofil,
-
3 die
in einem erfindungsgemäßen Relais
verwendete Steuerelektronik,
-
4A eine
Prinzipskizze der zweiten Leiterplatte des Relais nach 1,
-
4B eine
Prinzipskizze der ersten Leiterplatte des Relais nach 1,
-
5 einen
Querschnitt durch im erfindungsgemäßen Relais verwendbare erste
und zweite Leiterplatten,
-
6 einen
als Federkontakt ausgeführten Kontakt,
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7A eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen für
eine erste Schaltfunktion,
-
7B das 7A zugehörige Schaltbild,
-
8A eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen für
eine zweite Schaltfunktion,
-
8B das 8A zugehörige Schaltbild,
-
9A eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen für
eine dritte Schaltfunktion,
-
9B das 9A zugehörige Schaltbild,
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10A eine Prinzipskizze der Leiterbahnen für eine vierte
Schaltfunktion,
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10B das 10A zugehörige Schaltbild,
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11A eine Prinzipskizze der Leiterbahnen für eine fünfte Schaltfunktion,
-
11B das 11A zugehörige Schaltbild,
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12A eine Prinzipskizze der Leiterbahnen für eine sechste
Schaltfunktion,
-
12B das 12A zugehörige Schaltbild,
-
13 eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen für
eine siebte Schaltfunktion,
-
14 eine
Prinzipskizze der Leiterbahn für eine
achte Schaltfunktion,
-
15 eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen für
eine neunte Schaltfunktion,
-
16 eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen für
eine zehnte Schaltfunktion,
-
17 eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen für
eine elfte Schaltfunktion,
-
18 eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen für
eine zwölfte
Schaltfunktion,
-
19 eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen für
eine dreizehnte Schaltfunktion,
-
20 eine
Prinzipskizze der Leiterbahnen bei einem Kreuzschienenschalter,
-
21 bei
dem Kreuzschienenschalter aus 20 verwendete
Leiterplattenstrukturen,
-
22A und 22B Schaltbilder
zur Erläuterung
der Funktion des Kreuzschienenschalters,
-
23 eine
Prinzipskizze zur Funktion eines Kreuzschienenverteilers,
-
24 eine
Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Relaisanordnung,
-
25 seitliche
Schnitte durch einen Knoten der Relaisanordnung zur Erläuterung
der Kopplungsfunktion,
-
26 seitliche
Schnitte durch einen Knoten der Relaisanordnung zur Erläuterung
der Kopplungsfunktion.
-
1 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Relais 1. Es umfasst
hauptsächlich im
Bereich I angeordnete mechanische Mittel, mit denen eine zweite
Leiterplatte 2 gegen eine erste Leiterplatte 3 bewegt
werden kann, sodass die zweite Leiterplatte 2 verschiedene
Kontaktstellungen einnehmen kann.
-
Die
erste Leiterplatte 3 umfasst erste Leiterbahnen 4,
die mit ersten Kontakten 5 elektrisch verbunden sind. In
einer Kontaktstellung wird die zweite Leiterplatte 2 an
die erste Leiterplatte 3 angepresst, sodass zweite Kontakte 6 der
zweiten Leiterplatte 2, die wiederum elektrisch mit zweiten
Leiterbahnen 7 verbunden sind, mit ausgewählten ersten
Kontakten 5 in Kontakt treten, sodass eine elektrische
Verbindung gegeben ist. In verschiedenen Kontaktstellungen kontaktieren
verschiedene erste Kontakte 5 verschiedene zweite Kontakte 6.
-
Die
gesamte elektrische Schaltfunktion wird demnach durch die beiden
Leiterplatten 2 und 3 definiert, die dem Bereich
II zugeordnet sind.
-
Die
mechanischen Mittel im Bereich I sind nun dazu ausgebildet, bei
Betätigung
des Relais 1 die zweite Leiterplatte 2, welche
parallel zur ersten Leiterplatte 3 angeordnet ist, in eine
andere Kontaktstellung zu bewegen. Dazu ist vorgesehen, dass zunächst die
zweite Leiterplatte 2 von der ersten Leiterplatte 3 beabstandet,
also angehoben wird, wobei sie bereits während dieses Anhebens um eine
Mittelachse 8 gedreht wird. Danach wird die zweite Leiterplatte 2 wieder
der ersten Leiterplatte 3 angenähert, also abgesenkt, wobei
die restliche Drehung durchgeführt wird,
sodass sich insgesamt ein Drehwinkel ergibt, der einem einem Wechsel
der Kontaktstellung zugeordneten Schaltwinkel entspricht. Während des
Anhebens und Absenkens der zweiten Leiterplatte 2 wird
diese demnach um den Schaltwinkel gedreht. Danach befindet sie sich
in einer anderen Kontaktstellung, sodass eine elektrische Verbindung
zwischen anderen ersten Kontakten 5 und zweiten Kontakten 6 vorliegt.
-
Im
Folgenden soll nun die Ausgestaltung der mechanischen Mittel näher erläutert werden.
Das Relais weist für
den eben beschriebenen Schaltvorgang zwei bewegliche Systeme auf.
Zunächst
ist ein Betätigungssystem
vorgesehen, welches aus dem Schaltstab 9 und dem damit
starr verbundenen Druckstempel 10 besteht. Damit über den
Druckstempel 10 gekoppelt ist das Trägersystem, welches aus einem
Zylinder 11 und einem starr damit verbundenen Montageelement 12,
auf dem wiederum eine elastische Lagerung 13, ein Abstandshalter 14 und die
zweite Leiterplatte 2 starr montiert sind, besteht. Der
Zylinder 11 ist damit insgesamt bewegungsgekoppelt mit
der zweiten Leiterplatte 2.
-
Das
Betätigungssystem
kann sich lediglich in axialer Richtung, also senkrecht zu den Leiterplatte 2, 3 entlang
der Achse 8 bewegen, während
das Trägersystem
zusätzlich
zu der Bewegung in axialer Richtung auch um die Achse 8 rotieren
kann. Zur Ermöglichung
der Rotation sind an Trägerelementen 15 angeordnete
Lager 16 vorgesehen.
-
Das
Betätigungssystem
und das Trägersystem
sind über
den Druckstempel 10 miteinander in axialer Richtung gekoppelt,
wobei eine starre Kopplung vorgesehen sein kann, jedoch kann auch,
wie in diesem Ausführungsbeispiel,
ein Rückstellelement 17,
hier in Form einer Feder, zwischengeschaltet sein. Das Rückstellelement 17 dient
der Erzeugung eines angemessenen Anpressdrucks der zweiten Leiterplatte 2 an
die erste Leiterplatte 3, damit eine sichere und gute Kontaktgabe
erreicht wird. Das Betätigungssystem
und das Trägersystem
bilden zusammen ein Axialschaltsystem, welches das einzig bewegliche
System des Relais ist.
-
Zur
Betätigung
des Axialschaltsystems ist ein Linearmotor 18 vorgesehen. Über den
Linearmotor 18 kann das Beabstanden und Annähern zwischen
der zweiten Leiterplatte 2 und der ersten Leiterplatte 3 ermöglicht werden.
Hierzu kann der Linearmotor 18 über den Schaltstab 9 des
Betätigungssystems
das Axialschaltsystem in zwei stabile Stellungen bewegen. In der
Kontaktstellung wird die zweite Leiterplatte 2 an die erste
Leiterplatte 3 angepresst, sodass wenigstens ein erster
Kontakt 5 mit wenigstens einem zweiten Kontakt 6 elektrisch
verbunden wird. Die Kontaktstellung wird demnach durch das Anstoßen der
zweiten Leiterplatte 2 bzw. ihrer zweiten Kontakte 6 an
die feststehende erste Leiterplatte 3 bzw. ihre ersten
Kontakte 5 erreicht.
-
Die
zweite stabile Stellung ergibt sich aus der Ausgestaltung einer
Einrichtung zur automatischen Rotation der zweiten Leiterplatte 2 bei
Beabstandung und Annäherung
der zweiten Leiterplatte 2 an die erste Leiterplatte 3,
die im Folgenden näher
beschrieben werden soll. Die Einrichtung umfasst neben dem schon
erwähnten
Zylinder 11, an dem ein Führungsstift 19 befestigt
ist, ein Führungsrohr 20,
auf dessen Innenseite ein Profil 21 vorgesehen ist, in
welchem der Führungsstift 19 geführt ist.
-
Das
Profil 21 ist in abgewickelter Form in 2 näher dargestellt.
Es umfasst in diesem Fall drei Rastpositionen 22, in denen
der Führungsstift 19 in
den jeweiligen Kontaktstellungen eingreift. Die Rastpositionen 22 sind
als Schlitze ausgebildet, deren nach unten verlängerte Form verhindern soll, dass
der Führungsstift 19 bereits
vor dem Antreffen der zweiten Leiterplatte 2 an die erste
Leiterplatte 3 am unteren Rand der Rastpositionen 22 anschlägt.
-
Weiterhin
sind im Profil als Steigungen 23 und 24 ausgebildete
geneigte Führungsflächen vorgesehen,
die die Rotation des Trägersystems
und somit der zweiten Leiterplatte 2 um die Achse 8 ermöglichen.
Bewegt sich nämlich
das Betätigungssystem aus
dem Schaltstab 9 und dem Druckstempel 10 aufgrund
eines Betriebs des Linearmotors 18 nach oben, so wird durch
Wechselwirkung mit einer inneren Oberfläche 25 des Zylinders 11 auch
dieser und mit ihm der Führungsstift 19 nach
oben bewegt. Der Führungsstift 19 stößt dann
an der Steigung 23 an und wird durch die Kraft des Linearmotors 18 an
ihr entlang bewegt, wodurch sich der Zylinder 11 und somit
die zweite Leiterplatte 2 gegenüber dem feststehenden Trägerrohr 20 und
somit auch der ersten Leiterplatte 3 dreht. Schließlich erreicht
der Führungsstift 19 die
Position 26, also den obersten Punkt des Profils 21,
der die oben bereits erwähnte
zweite stabile Stellung definiert. Der Anschlag des Führungsstiftes 19 an
der Position 26 begrenzt demnach die Beabstandungsbewegung
der zweiten Leiterplatte 2. Um die Betätigung des Relais 1 abzuschließen, wird nun
das Betätigungssystem
wieder nach unten bewegt, sodass auch das Trägersystem über das Rückstellelement 17 nach
unten gedrückt
wird. Der Führungsstift 19 bewegt
sich demnach in dem Profil 21 nach unten, bis er an die
Steigung 24 anstößt, über die
eine weitere Drehbewegung des Trägersystems und
damit der zweiten Leiterplatte 2 erzeugt wird. Außerdem wird
der Führungsstift 19 durch
die Steigung 24 der nächsten
Rastposition 22 zugeführt,
die sich unter einer benachbarten Steigung 23 befindet.
Der Führungsstift
dringt dann in den Schlitz der Rastposition 22 ein, bis
die entsprechenden zweiten Kontakte 6 die entsprechenden
ersten Kontakte 5 berühren. Insgesamt
ergibt sich für
das Profil 21 eine sägezahnartige
Struktur. Der Weg 27, den der Füh rungsstift 19 entlang
des Profils 21 zurücklegt,
ist in 2 gestrichelt dargestellt.
-
2 lässt sich
demnach entnehmen, dass aufgrund der Symmetrie des Profils 21 drei
jeweils gleich beabstandete Rastpositionen 22 vorhanden sind,
sodass der Schaltwinkel hier jeweils 120° beträgt. Das bedeutet, es können drei
verschiedene Kontaktstellungen eingestellt werden, die jeweils einer
der Rastpositionen 22 zugeordnet sind. Das in 2 dargestellte
Profil 21 ist jedoch nur beispielhaft zu sehen, es sind
selbstverständlich
auch Profile denkbar, die eine größere Anzahl an Rastpositionen und
somit mehr mögliche
Kontaktstellungen aufweisen. Es sind auch nichtsymmetrische Profile
denkbar, in denen zwischen den einzelnen Rastpositionen unterschiedliche
Schaltwinkel zurückgelegt
werden.
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Weiterhin
ist an dieser Stelle anzumerken, dass natürlich auch die Neutralstellung,
also wenn sich der Führungsstift 19 an
der obersten Position 26 des Profils 21 befindet
und die zweite Leiterplatte 2 von der ersten Leiterplatte 3 beabstandet
ist, eine relevante Schaltposition darstellen kann.
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Im
Relais 1 wird nur ein Führungsstift 19 verwendet.
Jedoch kann auch vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Führungsstifte
verwendet werden, wenn gleichzeitig das symmetrische Muster in dem Führungsprofil 21 verdoppelt
bzw. vervielfältigt
wird.
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Der
verwendete Linearmotor 18 kann ein Piezolinearmotor, ein
pneumatischer Linearmotor (auch Fluidantrieb genannt) oder auch
ein elektromagnetischer Linearmotor sein. Vorzugsweise kann der Linearmotor 18 in
beide Richtungen entlang der Achse 8 aktiv bewegt werden
und verfügt
in den stabilen Lagen des Axialschaltsystems über ausreichende Haltekräfte. In
diesem Fall wird der Anpressdruck der Kontakte 6 auf die
Kontakte 5, wie oben bereits erwähnt, durch das Rückstellelement 17 erzeugt.
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Es
können
jedoch auch Linearmotoren 18 eingesetzt werden, die nur
in eine Richtung aktiv bewegt werden können und keine Haltekraft in
der Ruhestellung besitzen. In diesem Falle ist ein ebenso in 1 dargestelltes
Rückstellelement 28 vorgesehen,
welches zum einen der Einstellung des Anpressdrucks dient, zum anderen
jedoch auch dazu, nach einer entsprechenden Auslenkung des Linearmotors 18 den
Schaltstab 9 und den Druckstempel 10 wieder nach
unten zu bewegen, sodass die entsprechende Kontaktstellung erreicht
wird. Selbstverständlich
ist es auch denkbar, dass beide Rückstellelemente 17 und 28 vorgesehen
sind.
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Ein
hinreichend hoher Anpressdruck ist zur Sicherstellung ausreichender
Kontaktgabe sehr wichtig, da durch Oxidation oder mechanische Fertigungstoleranzen
bzw. Montagetoleranzen die Möglichkeit
besteht, dass keine Kontaktgabe stattfindet oder ein zu hoher Kontaktwiderstand
auftritt. Um den Toleranzen weiter entgegen zu wirken, weist das
Relais 1 ein ausgeklügeltes
elastisches Lagerungssystem auf, das solche Fertigungstoleranzen
oder Montagetoleranzen ausgleichen kann. So ist zunächst eine
zusätzliche
elastische Lagerung 13 vorgesehen, welche Toleranzen ausgleicht,
die die Parallelität
der ersten Leiterplatte 3 und der zweiten Leiterplatte 2 stören und
somit eine gleichmäßige Kontaktgabe zwischen
den Schaltkontakten behindern könnten.
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Weiterhin
kann es, insbesondere bei einem Relais 1 mit einer Vielzahl
von ersten Kontakten 5 und zweiten Kontakten 6 auch
bei Fertigungstoleranzen und Montagetoleranzen der Kontakte 5, 6 selber vorkommen,
dass eine gleichmäßige Kontaktgabe aufgrund
beispielsweise verschiedener Höhe
der Kontakte nicht mehr gewährleistet
ist. Die zweite Leiterplatte 2 ist elastisch ausgestaltet.
Der Abstandshalter 14 kontaktiert die zweite Leiterplatte 2 nun nicht
auf ihrer gesamten Fläche,
sondern nur teilweise, sodass Hohlräume 29 entstehen.
Diese Hohlräume 29 können zweierlei
Zwecken dienen. Zum einen sind die Hohlräume 29 gegenüberliegend
den zweiten Kontakten 5 ausgebildet, sodass beispielsweise bei
einem zu hoch ausge bildeten zweiten Kontakt 5 oder entsprechendem
ersten Kontakt 6 die elastische Leiterplatte 2 sich
etwas in den Hohlraum 29 hinein biegen kann, wodurch diese
Höhentoleranz
ausgeglichen wird. Zum anderen können
die Hohlräume 29 dazu
dienen, auf der zweiten Leiterplatte 2 vorgesehene diskrete
elektronische Bauteile 30 zu beherbergen. Diese behindern
dann nicht das Anpressen der zweiten Leiterplatte 2 an
die erste Leiterplatte 3.
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In
der Ausgestaltung der ersten Leiterplatte 3 und der zweiten
Leiterplatte 2 sind jegliche Gestaltungsfreiheiten gegeben.
So kann für
Hochfrequenzanwendungen vorgesehen sein, dass auf der unteren Seite
der ersten Leiterplatte 3 eine Massefläche 31 vorgesehen
ist. Zudem können,
zusätzlich
zu den bereits erwähnten
diskreten Bauteilen 30, die selbstverständlich auch auf der ersten
Leiterplatte 3 untergebracht werden können, jegliche durch Leiterplattenstrukturen
realisierbaren Bauteile 32 auf der ersten und/oder zweiten
Leiterplatte 2, 3 vorgesehen sein.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Relais 1 ist es
damit gelungen, die mechanischen Mittel im Bereich I, Bezugszeichen 9– 28,
weitgehend von der elektrischen Schaltfunktion, die im Wesentlichen durch
die Leiterplatten 2 und 3 bestimmt wird, zu trennen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste Leiterplatte 3 und
die zweite Leiterplatte 2, die beispielsweise angeschraubt,
aber auch angeleimt oder angenietet sein können, austauschbar gestaltet
sind. Die Mechanik gibt beim dargestellten Relais 1 lediglich
die Anzahl der Kontaktstellung und den Kontaktwinkel vor.
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Es
ist jedoch auch denkbar, statt der Einrichtung zur automatischen
Rotation mit den mit dem Führungsprofil 21 zusammenwirkenden
Führungsstift 19 einen
Drehmotor vorzusehen, insbesondere einen Schrittmotor, der über eine
geeignete Ansteuerung letztendlich auch andere Schaltwinkel realisieren
kann. Weiterhin ist es natürlich
auch möglich, auch
das Führungsprofil 19 bzw.
das Führungsrohr 20 austauschbar
zu gestalten.
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3 zeigt
in einer Prinzipskizze die Steuerelektronik 33 für das Relais 1.
Die Steuerelektronik 33 steuert den Linearmotor 18 an.
Ist zusätzlich
ein Drehmotor 34 vorgesehen, so kann auch dieser von der
Steuerelektronik 33 angesteuert werden.
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Die 4A und 4B zeigen
eine Prinzipskizze der im Relais aus 1 mit dem
Schaltwinkel von 120° verwendbaren
ersten Leiterplatte 3 und zweiten Leiterplatte 2.
Dabei ist eine zweite Leiterbahn 7 vorgesehen, die zwei
zweite Kontakte 6 verbindet. Das beispielshalber in 1 eingezeichnete diskrete
Bauteil 30 ist auf dieser speziellen Ausführungsform
der zweiten Leiterplatte 2 nicht vorgesehen.
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Die
in 4B dargestellte erste Leiterplatte 3 umfasst
erste Leiterbahnen 4, die hier nur teilweise dargestellt
sind. Diese sind mit ersten Kontakten 5a, 5b und 5c verbunden.
Die gestrichelten Linien 35 in 4A und 4B zeigen
an, wie die zweiten Kontakte 6 und die zweite Leiterbahn 7 in
den verschiedenen Kontaktstellungen orientiert sein kann. In der in 4A dargestellten
Kontaktstellung sind die ersten Kontakte 5a und 5b miteinander
verbunden. Wird die zweite Leiterplatte 2 um den Schaltwinkel
von 120° weiter
rotiert, also mittels des Profils 21 in die nächste Kontaktstellung
bewegt, so werden die ersten Kontakte 5b und 5c verbunden.
In der dritten Kontaktstellung werden die Kontakte 5c und 5a verbunden.
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Selbstverständlich sind
noch eine Vielzahl weiterer Leiterplattenlayouts denkbar, von denen
einige im weiteren Verlauf der Beschreibung noch diskutiert werden
sollen.
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5 zeigt
einen Querschnitt durch die Leiterplatten 2 und 3.
Dargestellt sind beispielhafte Kontakte 5, 6,
die hier als einfache Erhebungen ausgebildet sind. Die Kontakte 5, 6 sind
durch spezielle Beschichtungsverfahren auf Leiterbahnen 4, 7 aufgebracht.
Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kontakte 5, 6 wie
elektrische Bauteile auf der entsprechenden Leiterplatte 3, 2 bestückt werden.
Dann können
sie insbesondere auch austauschbar ausgebildet sein, sodass oxidierte
oder verschlissene Kontakte 5, 6 ausgetauscht
werden können.
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Im
Falle eines für
Hochfrequenzanwendungen hergestellten Relais 1 werden die
Leiterbahnen 4, 7 als Streifenleiter ausgebildet
sein, wozu auf der unteren Seite der ersten Leiterplatte 3 sowie
auf der oberen Seite der zweiten Leiterplatte 2 zusätzlich eine
leitende Massefläche 31 angebracht
ist.
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Weiter
sind in 5 beispielhaft Durchkontaktierungen 36 dargestellt,
deren Herstellung eine allgemein bekannte Technik ist und die hier
nicht näher
erläutert
werden muss.
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Solche
Durchkontaktierungen 36 und zusätzliche Kontakte 5 und 6 können dazu
verwendet werden, die obere und untere Massefläche miteinander leitend zu
verbinden.
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Eine
alternative Ausgestaltung eines Kontakts 37 als ein Federkontakt 38 ist
in 6 dargestellt. Solche Federkontakte 38 dienen
auch dem Ausgleich von Fertigungs- und Montagetoleranzen, da sie
letztendlich in ihrer Höhe
geeignet variabel sind.
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Die 7 bis 12 zeigen
jeweils mögliche Schaltfunktionen
und wie diese realisiert sind. Dabei zeigt jeweils Fig. A eine Prinzipskizze
der Leiterbahnen für
die spezielle Schaltfunktion, Fig. B zeigt das der Fig. A zugehörige Schaltbild.
Um eine größere Übersichtlichkeit
zu erreichen, wurde in den Figuren jeweils auf die Darstellung der
Kontakte selber verzichtet. Dargestellt sind demnach nur nicht ausgefüllt die
ersten Leiterbahnen 4 und schraffiert die zweiten Leiterbahnen 7.
Während
die zweiten Leiterbahnen 7 komplett dargestellt sind, sind
von den ersten Leiterbahnen 4 nur die für die jeweilige Schaltfunktion
relevanten Teile dargestellt. Die Zuordnung der Leiterbahnen 4, 7 zu
den Leiterplatten 3, 2 sowie ihre Darstellung
ist auch rechts in 5 angedeutet.
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7A und 7B zeigen
eine Ausgestaltung eines Relais mit zwei verschiedenen Kontaktstellungen,
wobei der Schaltwinkel hier 180° beträgt. Die
Schaltfunktion ist hier, wie an der eingezeichneten Rotationsachse 8,
die senkrecht auf der Darstellung steht, zu erkennen ist, so, dass
entweder in der ersten Kontaktstellung eine Verbindung zwischen
a und c oder in der zweiten Kontaktstellung eine Verbindung zwischen
b und d ermöglicht
wird. Die entsprechende Schaltfunktion ergibt sich aus 7B durch
Verschieben des Striches 39 entlang der durch die gestrichelte
Linie 40 angegebenen Richtung. In den folgenden Figuren
wird jeweils eine gleichartige Darstellung verwendet, sodass auf
die Bezugszeichen aus Übersichtlichkeitsgründen weitgehend
verzichtet wird.
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8 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Relais,
die drei Kontaktstellungen aufweist und einen Schaltwinkel von 120° benötigt. Damit
können
selektiv a und b, a und c oder b und c verbunden werden.
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9 zeigt die Ausgestaltung eines Relais als
ein 1:3-Multiplexer.
Es sind drei Kontaktstellungen vorgesehen, der Schaltwinkel beträgt 120°. Dadurch
kann d wahlweise mit a, b oder c verbunden werden.
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10 zeigt ein Relais, das vier Kontaktstellungen
aufweist und einen Schaltwinkel von 90° vorsieht. Dadurch können in
diesem Fall wahlweise a und b, a und c, b und d und c und d verbunden
werden.
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11 zeigt eine Ausgestaltung des Relais als
ein 1:4-Multiplexer.
Die zentrale erste Leiterbahn e kann in den vier Kontaktstellungen
bei einem Schaltwinkel von 90° wahlweise
mit a, b, c oder d verbunden werden.
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12 zeigt ein Relais mit vier Kontaktstellungen,
wobei je zwei Kontaktstellungen funktional identisch sind. Der Schaltwinkel
beträgt
90°. Dieses Relais
ist als ein 2-Wege-Schalter ausgebildet, das bedeutet, es können entweder
a und c sowie b und d, oder a und b sowie c und d verbunden werden.
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In
den folgenden 13 bis 19 werden weitere
Prinzipskizzen der Leiterbahnen für kompliziertere Schaltfunktionen
dargestellt, weshalb aus Übersichtgründen die
entsprechenden Schaltbilder hier nicht dargestellt sind.
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13 zeigt
ein Relais mit vier Kontaktstellungen, von denen je zwei Kontaktstellungen
funktional identisch sind. Der Schaltwinkel beträgt 90°. Dieses Relais wirkt wie ein
2-Wege-Schalter,
wobei eine Schirmleitung 41 zwischen den Wegen 42 jeweils mittels
der mittleren zweiten Leiterbahn 43 fortgesetzt werden.
Auf der ersten Leiterplatte 3 können die Schirmleitungen 41 beispielsweise über Durchkontaktierungen 36 mit
der gegebenenfalls darunter liegenden Massefläche 31 verbunden werden.
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14 zeigt
ein weiteres Relais mit vier Kontaktstellungen, von denen je zwei
Kontaktstellungen funktional identisch sind. Der Schaltwinkel beträgt auch
hier 90°.
Damit ergibt sich ein 2-Kanal-2-Wege-Schalter, wobei wiederum eine
Schirmleitung zwischen den jeweiligen Wegen fortgesetzt wird.
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15 zeigt
ein weiteres Relais mit vier Positionen, bei dem je zwei Positionen
funktional identisch sind. Der Schaltwinkel beträgt wiederum 90°. Die Schaltfunktion
entspricht im Wesentlichen dem 2-Kanal-2-Wege-Schalter mit Schirmleitung
zwischen den beiden Wegen aus 14, jedoch
ist hier zusätzlich
ein Hilfsschalterabschnitt 74 unter den zweiten Leiterbahnen
vorgesehen, welcher in jeder Kontaktstellung zur Verbindung von
Hilfsschalterleiterbahnen 44 dient, sodass eine Rückmeldung
erfolgt, in welcher Kontaktstellung sich die zweite Leiterplatte 2 gerade
befindet.
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16 zeigt
ein Relais mit fünf
Kontaktstellungen, wobei der Schaltwinkel hier 72° beträgt. 17 zeigt
ein weiteres Relais, bei dem 8 Kontaktstellungen vorgesehen sind,
wobei je vier Kontaktstellungen funktional identisch sind. Der Schaltwinkel beträgt 45°.
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18 zeigt
ein Relais, das zur stufenweisen Verstellung eines Bauteils, hier
einer Stichleitung, dienen kann. Auf der zweiten Leiterplatte 2 sind hier
als Stichleitungen 45 verschiedener Länge ausgebildete zweite Leiterbahnen
vorgesehen. Diese können
selektiv mit der ersten Leiterbahn 4 verbunden werden.
Damit wird eine in ihrer Länge
stufenweise einstellbare Stichleitung erhalten.
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Ein
weiteres durch ein Relais realisiertes stufenweise schaltbares Bauteil
zeigt 19. Hierbei sind vier Positionen
mit einem Schaltwinkel von 90° vorgesehen,
wobei die zweiten Leiterbahnen hier als leitende Flächen 46 verschiedener
Größe ausgebildet
sind, sodass in den verschiedenen Kontaktstellungen eine Kapazität mit jeweils
unterschiedlichem Wert erhalten wird.
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20 zeigt
eine Prinzipskizze der Leiterbahnen für einen Kreuzschienenschalter.
Dieses Relais weist zwei Kontaktstellungen auf, der Schaltwinkel
beträgt
180°. Es
kann ersichtlich eine Verbindung zwischen b und c oder aber eine
Verbindung zwischen b und d sowie a und c geschaffen werden. Ersichtlich
müssen
sich zum Erhalt dieser Schaltfunktion die ersten Leiterbahnen a
und d kreuzen. Aus diesem Grund ist hier eine mehrschichtige Ausbildung der
ersten Leiterplatte 3 erforderlich, wie beispielhaft in 21 dargestellt
ist. Dabei sind getrennt durch eine Masselage 47 zwei Ebenen 48, 49 für erste
Leiterbahnen 4 in der ersten Leiterplatte 3 vorgesehen. Erste
Kontakte 5 können
mit den in 20 gestrichelt dargestellten
ersten Leiterbahnen 4 der unteren Ebene 49 über Durchkontaktierungen 36 verbunden werden.
(Hier nicht dargestellt, in der Praxis aber natürlich vorhanden. In der Figur
ist nur die Durchkontaktierung dargestellt, welche Masseflächen an
Kontakte anschließt.)
In 20 sind demnach die Leiterbahnen b und d auf der
unteren Ebene 49 angeordnet.
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22A und 22B sind
Schaltbilder, die einen so genannten „aktivierten” Kreuzschienenschalter
(22A) sowie einen so genannten „nicht aktivierten” Kreuzschienenschalter
(22B) zeigen. Rechts sind jeweils Darstellungen
des aktivierten bzw. nicht aktivierten Kreuzschienenschalters dargestellt,
wie sie für
die durch einen Kreuzschienenschalter gebildeten Knoten 50 verwendet
werden.
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Ein
Kreuzschienenverteiler, wie er häufig
in der Hochfrequenztechnik eingesetzt wird, ist in seinem Prinzip
in 23 dargestellt. Darin sind mehrere Kreuzschienenschalter
zu einem Kreuzschienenverteiler 51 mit 3 × 3 Knoten 50 zusammengeschaltet. Ersichtlich
ist augenblicklich nur der zentrale Knoten 50 aktiviert.
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Ein
solcher Kreuzschienenverteiler 51 kann beispielsweise durch
eine erfindungsgemäße Relaisanordnung
ohne aufwändige
Verkabelung und mit nur wenigen Antrieben realisiert werden. Dies
soll im Folgenden in den 24 bis 26 näher erläutert werden.
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24 zeigt
eine erfindungsgemäße Relaisanordnung 52,
in der neun erfindungsgemäße Relais 53,
hier Kreuzschienenschalter 54, in einer Reihen 55 und
Spalten 56 umfassenden matrixartigen Relaisstruktur angeordnet
sind. Diese Relais 53 sind analog dem in 1 dargestellten
Relais 1 aufgebaut, umfassen folglich jeweils eine feststehende erste
Leiterplatte und eine dagegen bewegbare zweite Leiterplatte, deren
Layout mit den Kontakten und den Leiterbahnen beispielsweise aus 20 entnommen
werden kann. Dabei ist jedoch vorgesehen, dass die ersten Leiterplatten
der einzelnen Relais 53 als Teil einer die matrixartige
Relaisstruktur übergreifenden,
gemeinsamen ersten Leiterplatte 57 ausgebildet sind, die
in 24 gestrichelt angedeutet ist.
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Die
Relais 53 werden durch Beabstanden und Annähern der
zweiten Leiterplatte und der ersten Leiterplatte betätigt, wobei
eine Betätigung
in diesem Fall bedeutet, dass ein Wechsel der Kontaktstellung stattfindet.
Der Kreuzschienenschalter 54 wird demnach von einem aktivierten
in einen nicht aktivierten oder von einem nicht aktivierten in einen
aktivierten Zustand umgeschaltet. Dabei ist eine Einrichtung zur automatischen
Rotation der zweiten Leiterplatte während der Beabstandung und
dem Annähern
der Leiterplatte vorgesehen. Diese Einrichtung kann im Wesentlichen,
wie in 1 bereits dargestellt, einen mit der zweiten Leiterplatte
bewegungsgekoppelten Zylinder sowie ein Führungsrohr zur Führung des
Zylinders aufweisen, wobei an der Innenwand des Führungsrohrs
ein Führungsprofil
mit zwei einer Kontaktstellung entsprechenden Rastpositionen und
an der Außenwand
des Zylinders ein in dem Profil geführter Führungsstift ausgebildet sind,
wobei auch hier beim Beabstanden und Annähern der Leiterplatten der Führungsstift
durch geneigte Führungsflächen des Führungsprofils
einer folgenden Rastposition zugeführt wird, in welche er beim
Annähern
der zweiten Leiterplatte an die erste Leiterplatte eingreift. Das Funktionsprinzip
dieser Einrichtung wurde mit Bezug auf die 1 und 2 bereits
ausführlich
erläutert und
soll hier nicht nochmals wiederholt werden.
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Im
Unterschied zu dem Relais 1 werden die Relais 53 jedoch
nicht jeweils einzeln durch einen Linearmotor oder ein sonstiges
Antriebsmittel betätigt, sondern
der dem Schaltstab 9 entsprechende Schaltstab 58 (siehe 25 und 26)
der Relais 53 wird durch ein ausgeklügeltes Schaltschienensystem
betätigt.
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Dabei
sind den Reihen 55 zugeordnete erste Schaltschienen 59 und
den Spalten 56 zugeordnete zweite Schaltschienen 60 vorgesehen,
sie sich jeweils oberhalb des Schaltstabs 58 der Relais 53 kreuzen.
Die Schaltschienen 59 und 60 sind jeweils in der
matrixartigen Relaisstruktur benachbarten mechanischen Lagerungen 61 gleitgelagert.
Jeder Schaltschiene ist zudem ein sie antreibender Motor, in diesem
Fall ein Linearmotor 62, zugeordnet. Es werden daher für die Betätigung der
neun Relais 53 lediglich sechs Motoren 62 benötigt.
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Durch
Betätigung
einer ersten Schaltschiene 59 wird nun eine Reihe 55 von
Relais 53 zur Betätigung
ausgewählt
und durch nachfolgende Betätigung
einer zweiten Schaltschiene 60 wird das durch die entsprechende
Reihe 55 und Spalte 56 gekennzeichnete Relais 53 betätigt. Dies
geschieht mit Hilfe von Kopplungseinrichtungen 63, die
an den ersten Schaltschienen 59 befestigt sind und bei
Betätigung einer
erste Schaltschiene 59 das Relais 53 an die entsprechende
zweite Schaltschiene 60 ankoppeln.
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Die
Funktionsweise der Kopplungseinrichtungen 63 im Zusammenspiel
mit den Schaltschienen und der nähere
Aufbau der Kopplungseinrichtungen 63 wird durch die 25 und 26,
welche idealerweise gleichzeitig zu betrachten sind, näher erläutert. Dabei
sind jeweils zwei seitliche Ansichten, die in 24 mit
III und IV bezeichnet sind, in verschiedenen Phasen dargestellt.
Dabei zeigt 25 die Ansicht III, 26 die
Ansicht IV zu verschiedenen Zeitpunkten des Betätigungsprozesses.
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Die
Kopplungseinrichtungen 63 umfassen, wie in den 25 und 26 dargestellt,
einen ersten Mitnehmerstift 64 und einen zweiten Mitnehmerstift 65.
Entsprechend der Position des Mitnehmerstiftes 64 ist in
einem Fortsatz 66 des Schaltstabes 58 des Relais 53 eine Öffnung 67 vorgesehen,
die zur formschlüssigen
Aufnahme des Mitnehmerstiftes 64 ausgebildet ist. In der
zweiten Schaltschiene 60 ist eine Profilöffnung 68 vorgesehen,
die den zweiten Mitnehmerstift 65 aufnehmen kann.
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Die
Kopplungseinrichtung 63 umfasst ferner ein elastisches
Element 69 zur Kompensation der Bewegung der Kopplungseinrichtung 63 zur
Betätigung
des Relais 53 gegen die in dieser Richtung unbewegliche
erste Schaltschiene 59. Der Ablauf der Betätigung ist
in den 25 und 26 durch
die verschiedenen Phasen IIIa, IIIb und IIIc sowie die entsprechenden
Phasen IVa, IVb und IVc erläutert.
In IIIa und IVa ist die Grundstellung dargestellt. Weder die erste
Schaltschiene 59 noch die zweite Schaltschiene 60 wurden
betätigt.
Dementsprechend ist die zweite Schaltschiene 60 nicht über die
Kopplungseinrichtung 63 mit dem Relais 53 bzw.
dessen Schaltstab 58 gekoppelt. Eine Betätigung der
zweiten Schaltschiene 60 hat in diesem Fall keinen Effekt. Um
nun ein Relais 53 betätigen
zu können,
muss zunächst
die der entsprechenden Reihe 55 zugeordnete erste Schaltschiene 59 betätigt werden.
Dazu wird die erste Schaltschiene 59 zunächst in 25 nach links
bewegt, wie durch den Pfeil 70 angedeutet ist. Dabei dringen
der erste Mitnehmerstift 64 und der zweite Mitnehmerstift 65 in
die Öffnung 67 bzw.
die Profilöffnung 68 ein.
Dies ist in 25 in der Ansicht IIIb dargestellt.
Diese Änderung
ist in 26, Ansicht IVb, noch nicht
ersichtlich, da die Bewegung senkrecht zur Ansichtsebene stattgefunden
hat. Wie 25, Ansicht IIIb, jedoch eindeutig
zu entnehmen ist, ist der Schaltstab 58 nun an die zweite
Schaltschiene 60 angekoppelt. Durch die formschlüssige Aufnahme
des ersten Mitnehmerstiftes 64 in der Öffnung 67 ist eine
unmittelbare Bewegungskopplung der Kopplungseinrichtung 63 und
des Schaltstabes 58 nach oben bzw. unten in 25 bzw. 26 gegeben.
Wie ferner aus 26, Ansicht IVb zu entnehmen
ist, befindet sich der zweite Mitnehmerstift 65 nun am
unteren Anschlag der Profilöffnung 68,
welche eine Steigung 71 aufweist.
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Erfolgt
nun eine Betätigung
der Spalte 56 des Relais 53 entsprechenden zweiten
Schaltschiene 60 nach rechts in 26, wie
durch den Pfeil 72 dargestellt ist, so bewegt sich der
zweite Mitnehmerstift 65 entlang des Profils die Steigung
hinauf. Dadurch wird die Bewegung der zweiten Schaltschiene 60 in 26 nach
rechts in eine Bewegung der Kopplungseinrichtung 63 und
somit des Schaltstabes 58 in 25 und 26 nach
oben umgesetzt, wie durch den Abstand 73 in 25 angedeutet
ist. Es ergibt sich der in den Ansichten IIIc und IVc gezeigte Zustand.
Der zweite Mitnehmerstift 65 befindet sich nun am oberen
Anschlagspunkt der Profilöffnung 68. Da
die erste Schaltschiene 59 aufgrund ihrer Lagerung in den
Lagerungen 61 nicht in diese Richtung bewegt werden kann,
ist, wie den Ansichten IIIc und IVc zu entnehmen, das elastische
Element 69 nun entsprechend zusammengedrückt.
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In
der in den Ansichten IIIc und IVc der 25 und 26 dargestellten
Situation befindet sich nun die zweite Leiterplatte beabstandet
zu der ersten Leiterplatte und wurde mittels des Führungsprofils
der Einrichtung zur automatischen Rotation bereits ein Stück weit
gedreht. Zur Vervollständigung der
Betätigung
werden nun die Schaltschienen 59, 60 wieder in
ihre ursprüngliche
Stellung zurückgeführt. Dazu
wird zunächst
die zweite Schaltschiene 60 in 26 nach
links bewegt. Dadurch wird der Schaltstab 58 wieder nach
unten gedrückt,
die zweite Leiterplatte wird der ersten Leiterplatte angenähert und schließlich an
diese angepresst, während
die restliche Rotation in die nachfolgende Kontaktstellung vollzogen
wird. Das Relais 53, der Kreuzschienenschalter 54,
ist nun umgeschaltet. Um das Relais 53 und die zweite Schaltschiene 60 wieder
zu entkoppeln, muss nun nur noch die erste Schaltschiene 59 durch
Bewegung in 25 nach rechts wieder in ihre Ursprungsposition
zurückgeführt werden.
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Obwohl
in diesem Falle als Relaisanordnung ein Kreuzschienenverteiler beschrieben
wurde, ist es doch möglich,
in der erfindungsgemäßen Relaisanordnung
eine Vielzahl anderer elektrischer Schaltfunktionen zu verwirklichen.
Insbesondere können die
Relais 53 auch alle verschiedene Schaltfunktionen repräsentieren.
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Das
erfindungsgemäße Relais
und die erfindungsgemäße Relaisanordnung
eignen sich insbesondere auch zum Einsatz in der Magnetresonanz, wenn
die Anordnungen größtenteils
aus nichtmagnetischen Materialien bestehen. Insbesondere Relais zur
Anwendung in der Hochfrequenztechnik werden häufig im Bereich der Magnetresonanz
angewandt.