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Die Erfindung betrifft eine Reed-Schalter-Anordnung, die als Schalter in einer Vielzahl elektrischer oder elektronischer Geräte verwendet werden kann, beispielsweise in der Automobilindustrie, bei Schienenfahrzeugen, in der Luft- und Raumfahrtechnik, in der Umwelt- und Klimatechnik, Medizintechnik, Haus- und Haushaltstechnik, im Apparate- und Schaltanlagenbau usw.
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Reed-Schalter werden unter Anderem wegen ihrer geringen Größe, des günstigen Preises, ihrer Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer vielfältig eingesetzt. Sie besitzen zwei in der Längsrichtung eines Glasröhrchens angeordnete Kontaktzungen, deren Anschlüsse an den Stirnseiten aus dem Röhrchen herausgeführt und die in dem Röhrchen dicht eingeschmolzen sind. Die beiden ferromagnetischen Kontaktzungen überlappen mit ihren freien Enden. Kommen die beiden Endbereiche in Kontakt miteinander, fließt Strom durch den Reed-Kontakt, während der Stromfluss unterbrochen wird, wenn die Kontaktzungen voneinander getrennt sind. Es gibt verschiedene Typen von Reed-Kontakten, von denen die wesentlichen (neben Umschalt- und bistabilen Kontakten) solche mit Schließerkontakt einerseits und mit Öffnerkontakt andererseits sind. Außerdem sind Wechselkontakte mit Öffner und Schließer bekannt. Im Fall von Öffnerkontakten befinden sich im Normalzustand die Kontaktzungen in einem voneinander getrennten Zustand (es fließt kein Strom), während im Fall von Schließerkontakten die Kontaktzungen im normalen Zustand aufeinander liegen und Strom fließen kann. Zum Schalten werden die Kontaktzungen entweder aus dem geöffneten in den geschlossenen Zustand bewegt oder umgekehrt. Auch zum Schalten des Reed-Kontaktes gibt es verschiedene Möglichkeiten, beispielsweise, indem durch eine das Röhrchen umgebende Spule Strom geleitet und mittels des so erzeugten Magnetfeldes die unterschiedlich polarisierten Kontaktzungen aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden. Alternativ sind mittels Permanentmagneten schaltbare Reed-Kontakte bekannt, bei denen ein Permanentmagnet relativ zu den überlappenden Kontaktzungen bewegt und so der Kontakt geöffnet oder geschlossen wird. Mit Permanentmagnet schaltbare Reed-Schalter haben den Vorteil, dass sie für den Schaltvorgang (passiver mechanischer Schaltvorgang – PMS) keine externe Stromquelle benötigen.
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Konstruktionsbedingt werden Reed-Schalter bisher überwiegend in einem Bereich relativ niedriger Spannung, beispielsweise bis zu 300 V, eingesetzt. Wünschenswert wäre allerdings eine zuverlässige Anwendbarkeit auch im Bereich deutlich höherer Spannung von mehr als 300 V, bevorzugt bis zu 1000 V oder sogar darüber. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Reed-Schalter-Anordnung anzugeben, die auch in einem Bereich hoher Spannung von bis zu 1000 V oder mehr sicher und zuverlässig einsetzbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der Reed-Schalter-Anordnung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Messdekade nach Anspruch 11 mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Reed-Schalter-Anordnung sowie die Verwendung der Reed-Schalter-Anordnung oder der Messdekade nach Anspruch 12.
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Reed-Schalter-Anordnung, umfassend einen in einem Schaltergehäuse angeordneten Reed-Kontakt mit zwei in einem Röhrchen angeordneten Kontaktzungen, die in einem Kontaktbereich überlappen, und einem Permanentmagneten zum Schalten des Reed-Kontaktes, der bezüglich des Reed-Kontaktes beweglich gelagert ist. Das Schaltergehäuse umfasst ein Außengehäuse aus zwei ineinander geschachtelten Schalenbauteilen, welche aus einem elektromagnetisch abschirmenden Kunststoff bestehen. Durch die ineinander geschachtelten Schalenteile wird der Reed-Kontakt im Inneren des Außengehäuses dicht eingeschlossen und so gegen äußere Einflüsse wie insbesondere Feuchtigkeit gut geschützt und mechanisch stabilisiert. Zudem besteht das Außengehäuse aus einem elektromagnetisch abschirmenden Kunststoff, der den Reed-Kontakt praktisch vollständig gegen elektromagnetische äußere Felder abschirmt und so Störeinflüsse von außen auf ein Minimum reduziert. Auf den Kontaktbereich des Reed-Kontaktes wirkt daher nur noch das Feld des innerhalb des Außengehäuses angeordneten Permanentmagneten, der zum Schalten des Reed-Kontaktes verwendet wird. Fehlschaltungen des Reed-Kontaktes, die gerade bei Hochspannungsanwendungen unbedingt zu vermeiden sind, da sie im schlimmsten Fall zu einer Zerstörung des Reed-Schalters und des den Schalter verwendenden Geräts sowie zu einer Gefährdung des Benutzers führen können, lassen sich so zuverlässig verhindern. Durch die Abschirmung und den dichten Abschluss nach außen wird die Betriebssicherheit insgesamt erhöht.
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Bevorzugt ist das Außengehäuse aus zwei gesondert, beispielsweise durch Spritzgießen, gefertigten einzelnen Schalenteilen aufgebaut und wird durch Zusammenbau der Einzelbauteile fertig gestellt, die den Reed-Schalter in sich aufnehmen. Es ist jedoch auch möglich, zumindest eines der Schalenbauteile durch Umspritzen oder Umgießen einer oder mehrerer anderer Komponenten der Reed-Schalter-Anordnung herzustellen. Zum Beispiel kann ein den Reed-Kontakt aufnehmendes Innengehäuse-Bauteil mit dem ersten Schalenbauteil des Außengehäuses umspritzt oder umgossen werden, und anschließend wird das separat gefertigte zweite Schalenbauteil auf die so entstandene Zwischenstufe aufgesetzt. Umgekehrt ist es auch möglich, das erste Schalenbauteil separat zu fertigen, die weiteren Komponenten der Reed-Schalter-Anordnung in dessen Innerem anzuordnen, anschließend die so erhaltene Zwischenstufe in einer geeigneten (Spritz-)Gussform zu platzieren und das zweite Schalenbauteil durch Einfüllen der Kunststoffmasse in die Form zu erzeugen. Es können auch beide Schalenteile durch Umspritzen oder Umgießen erzeugt werden. Das Umspritzen bzw. Umgießen hat den Vorteil, dass ein luft- und feuchtigkeitsdichter Anschluss erzielt und die Zahl der separat zu fertigenden Teile reduziert wird.
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Die zwei ineinander geschachtelten Schalenbauteile besitzen bevorzugt einen U-förmigen Querschnitt in einer zur Längserstreckungsrichtung des Röhrchens senkrechten Richtung. Das eine Bauteil ist dabei kleiner als das andere, und zwar derart, dass das kleinere Gehäusebauteil in das größere aufgenommen werden kann, wobei die Außenwände des kleineren an den Innenwänden des größeren Gehäusebauteils anliegen. Die beiden Außergehäusebauteile können lediglich ineinander gesteckt werden oder zusätzlich verklebt oder vergossen sein. Der Schalthebel wird bevorzugt mit seinem Griffteil durch eine Öffnung in einem der Gehäuseteile nach außen geführt und kann von dort bedient, beispielsweise, gegebenenfalls rastbar, gekippt, verschoben, gedrückt oder gedreht, werden.
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Als Kunststoff für die Schalenteile des Außengehäuses wird ein elektromagnetisch abschirmender Kunststoff eingesetzt. Geeignete Kunststoffe können in an sich bekannter Weise entsprechend den Anforderungen an den Schalter bei dessen Einsatz ausgewählt werden, insbesondere im Hinblick auf Temperaturbeständigkeit, elektrische Eigenschaften, Feuerfestigkeit und Bruchsicherheit. Im Hinblick auf die Herstellung werden bevorzugt thermoplastische, spritzgussfähige Kunststoffe verwendet. Geeignet sind beispielsweise Polystyrole, insbesondere ABS, Polyamide (zum Beispiel PA 6), Polyester, zum Beispiel Polyalkylenterephthalate, wobei der Alkylenteil bevorzugt 2 bis 6 Kohlenstoffatome aufweist, oder Polysulfone, zum Beispiel Polyether- oder Polyphenylsulfon. Zweckmäßig sind diese zum Erhalt abschirmender Eigenschaften mit leitfähigen Teilchen wie beispielsweise Graphit dotiert.
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Abgesehen von dem beschriebenen Aufbau des Außengehäuses entspricht die erfindungsgemäße Reed-Schalter-Anordnung grundsätzlich einem herkömmlichen Reed-Schalter mit einem herkömmlichen Reed-Kontakt. Er kann sowohl hinsichtlich der verwendeten Komponenten als auch der grundsätzlichen Anordnung dem entsprechen, was aus dem Stand der Technik bekannt ist. So wird der Reed-Kontakt in an sich bekannter Weise mit einem Permanentmagneten geschaltet. Als Permanentmagnet können alle bisher im Stand der Technik bereits zu diesem Zweck eingesetzten Materialien verwendet werden, zum Beispiel Ferrit, AlNiCo, NdFeB oder SmCo. Der Permanentmagnet wird zur Betätigung mit einem Schalthebel verbunden, um so einen Reed-Schalter zu ergeben. Unter einem Reed-Schalter wir hier also eine Kombination aus Reed-Kontakt und einer einen Permanentmagneten aufweisenden Schaltvorrichtung verstanden. Um welche Art von Schalter es sich handelt, ist prinzipiell gleichgültig. Es kann zum Beispiel ein Schiebe-, Kipp-, Druck- oder Drehhebel oder auch ein rastbarer Tastschalter verwendet werden. Zweckmäßig ist der Permanentmagnet an einem stirnseitigen Ende des Hebels angeordnet oder der Hebel besteht insgesamt aus einem dauermagnetischen Material wie beispielsweise einer Ferritlegierung. In ersterem Fall ist der Permanentmagnet bevorzugt in einem nichtmagnetischen Material wie Keramik oder einem Kunststoff eingebettet. Als Kunststoff wird zweckmäßig ein elektromagnetisch abschirmender Kunststoff eingesetzt, was die Betriebssicherheit der Schalteranordnung und die Sicherheit des Benutzers erhöht. Geeignete Kunststoffe können erneut in an sich bekannter Weise entsprechend den Anforderungen an den Schalter bei dessen Einsatz ausgewählt werden, insbesondere im Hinblick auf Temperaturbeständigkeit, elektrische Eigenschaften, Feuerfestigkeit und Bruchsicherheit. Bevorzugt werden thermoplastische, spritzgussfähige Kunststoffe verwendet. Geeignet sind, wie für das Außengehäuse, beispielsweise Polystyrole, insbesondere ABS, Polyamide wie PA 6, Polyester, zum Beispiel Polyalkylenterephthalate, wobei der Alkylenteil bevorzugt 2 bis 6 Kohlenstoffatome aufweist, oder Polysulfone, zum Beispiel Polyether- oder Polyphenylsulfon, die zum Erhalt abschirmender Eigenschaften zweckmäßig mit leitfähigen Teilchen wie beispielsweise Graphit dotiert sind.
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Eine weitere Verbesserung der elektromagnetischen Abschirmung des Reed-Kontaktes gegen Störeinflüsse kann erreicht werden, indem zumindest auf einer dem Permanentmagneten zugewandten Seite des Röhrchens benachbart zu diesem ein elektromagnetisch abschirmendes Bauteil angeordnet ist. Dieses Abschirmbauteil ist dauerhaft und nicht beweglich angeordnet und schirmt die dem Permanentmagneten zugewandte Seite des Röhrchens gegen elektromagnetische Felder ab. Um das Schalten des Reed-Kontaktes durch den Permanentmagneten zu ermöglichen, ist in dem Bauteil benachbart zu dem Kontaktbereich, in dem die Kontaktzungen überlappen, eine Aussparung vorhanden. Diese Anordnung führt zu einer konzentrierten Einwirkung des durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes auf den Kontaktbereich, während die umliegenden Bereiche gegen das Magnetfeld abgeschirmt sind. Auf diese Weise wird eine erheblich verbesserte Schaltgenauigkeit erreicht, während Fremd- und Störeinflüsse ausgeschaltet werden. So wird nicht nur das Feld des Permanentmagneten in Bereichen außerhalb der Aussparung des Abschirmbauteils abgeschirmt, sondern auch die Einwirkung elektromagnetischer Felder aus anderen Quellen auf den Reed-Kontakt wird deutlich reduziert. Die Anordnung des Abschirmbauteils kann zudem die Schaltpräzision, mit der der Permanentmagnet das Schließen oder Öffnen des Kontaktes zwischen den Kontaktzungen bewirkt, erheblich verbessern. Zweckmäßig werden Lage und Größe der Aussparung im Abschirmbauteil derart bemessen, dass der Kontaktbereich freigegeben wird und der Permanentmagnet in der Schaltposition genau auf den Kontaktbereich einwirken und einen Schaltvorgang auslösen kann. Nach dem Bewegen des Schalters mit dem Permanentmagneten aus der Schaltposition in die Ruheposition kommt der Permanentmagnet zweckmäßig so zu liegen, dass er von der Aussparung entfernt ist und sich zwischen Röhrchen und Permanentmagnet das Abschirmbauteil befindet. Damit wirkt der Permanentmagnet in der Ruheposition nicht mehr auf den Kontaktbereich ein. Fehlschaltungen des Reed-Kontaktes lassen sich so noch zuverlässiger verhindern. Wegen der verbesserten Schaltpräzision lässt sich auch die Schaltgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Reed-Schaltern erhöhen.
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Grundsätzlich kann es ausreichen, das Abschirmbauteil auf derjenigen Seite des Röhrchens anzuordnen, auf der der Permanentmagnet angeordnet ist, mit dem der Reed-Kontakt geschaltet wird. Die Flächenausdehnung des Bauteils ist dabei zweckmäßig so groß, dass der Kontaktbereich, in dem die Kontaktzungen überlappen, soweit abgeschirmt ist, dass Fehlschaltungen durch Fremdeinflüsse weitestgehend verhindert werden. Bevorzugt ist das Bauteil mindestens so lang wie das Röhrchen des Reed-Kontakts. Auch in der Breite, in Richtung senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Röhrchens bzw. des Bauteils und parallel zu den gegen den Permanentmagneten gerichteten Oberflächen der Kontaktzungen, dehnt sich das Bauteil zweckmäßig mindestens soweit aus, dass es das Röhrchen abdeckt, wenn man es von der Seite des Permanentmagneten betrachtet. Bevorzugt ist es, wenn sich das Bauteil zusätzlich seitlich um das Röhrchen herum erstreckt oder das Röhrchen insgesamt umgibt. In einer bevorzugten Variante besitzt das Abschirmbauteil demnach eine gebogene Form, insbesondere mit einem U-förmigen Querschnitt in Richtung senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Röhrchens. ”U-förmig” umfasst dabei sowohl Formen mit gerundeten Übergängen zwischen den Schenkeln des ”U”s als auch abgekantete Formen und Formen, bei denen die gegenüber liegenden Schenkel nicht exakt parallel verlaufen. ”U-förmig” soll also grundsätzlich alle trogartigen Formen einschließen. Das Röhrchen ist in dem U bzw. in dem Trog angeordnet. Es wird – abgesehen von der dem Permanentmagneten abgewandten Seite, den stirnseitigen Röhrchenenden, an denen die Anschlüsse des Reed-Kontakts herausgeführt werden, und dem Bereich der Aussparung, der dem Permanentmagneten benachbart ist – von dem Abschirmbauteil umgeben.
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Die Aussparung, die im Abschirmbauteil vorhanden ist, um das Schalten des Reed-Kontaktes mit dem Permanentmagneten zu erlauben, ist zweckmäßig nur gerade so groß, das ein zuverlässiges Schalten möglich ist. Abhängig von der Art und Anordnung des Permanentmagneten und der Kontaktzungen wird die Aussparung üblicherweise eine Längenausdehnung im Bereich von 80 bis 200%, insbesondere 90 bis 150%, der Länge des Kontaktbereiches in der Längserstreckungsrichtung des Röhrchens besitzen. Analog liegt die Breitenausdehnung im Bereich von 80 bis 200%, insbesondere 90 bis 150%, der Breite des Kontaktbereiches in einer zur Längserstreckungsrichtung des Röhrchens senkrechten und zur dem Permanentmagneten zugewandten Oberfläche der Kontaktzungen parallelen Richtung.
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Als Material für das abschirmende Bauteil eignen sich prinzipiell alle bekannten Materialien mit elektromagnetisch abschirmenden Eigenschaften. Bevorzugt werden Bauteile mit möglichst geringer Materialdicke verwendet, sodass sie ohne großen Platzbedarf zwischen Röhrchen und Permanentmagnet verbaut werden können. Beispielsweise kann eine mit leitfähigen Teilchen dotierte Kunststoff-Folie, insbesondere eine Ferrit-Folie, eingesetzt werden. Alternativ kann eine entweder ganz aus einem geeigneten Metall bestehende Folie oder eine mit einem solchen Metall kaschierte Kunststofffolie verwendet werden. Möglich ist weiterhin, das Bauteil als Metallgehäuse auszubilden. Bevorzugt wird als Metall ein solches mit hoher magnetischer Permeabilität und insbesondere ein Mu-Metall verwendet. Mu-Metalle, auch μ-Metalle genannt, sind weichmagnetische Nickel-Eisen Legierungen, die üblicherweise aus mindestens 70 Gew.-% Nickel bestehen und neben Eisen auch geringe Anteile an Molybdän, Chrom, Kobalt, Mangan oder anderen Metallen enthalten können. Auch Kombinationen der erwähnten Abschirmbauteile können verwendet werden, beispielsweise eine in einem Metallgehäuse angeordnete Abschirmfolie.
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Wird als Material für das Abschirmbauteil eine Folie verwendet, kann diese in einer Variante auf die Außenoberfläche des Röhrchens geklebt werden, wobei dann bevorzugt eine selbstklebende Folie eingesetzt wird. Alternativ kann das Röhrchen mit der Folie umwickelt werden. Möglich ist weiterhin, die Folie in ein Stützbauteil geeigneter Form einzulegen, das einerseits die Folie in der gewünschten Form festhält und abstützt und andererseits auch den Reed-Kontakt aufnimmt. Zu diesem Zweck ist das Stützbauteil bevorzugt als wannenförmiges Gehäusebauteil ausgebildet. Falls gewünscht, kann die Abschirmfolie in dem Stützbauteil befestigt, beispielsweise eingeklebt oder eingeklemmt, werden. Außerdem können im Stützbauteil Positionier- und/oder Haltemittel für den Reed-Kontakt vorhanden sein, mit denen dieser in eine gewünschte Position gebracht und/oder gegen Herausfallen gesichert wird. Beispielsweise kann es sich bei den Positionier- und/oder Haltemitteln um Haltevorsprünge handeln, zwischen denen der Reed-Kontakt eingeklemmt wird. Bevorzugt besteht das Stützbauteil aus Kunststoff, zweckmäßig einem elektrisch isolierenden Kunststoff, der bevorzugt spritzgussfähig ist, wie einem Polystyrol, insbesondere ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), Polyamid, Polysulfon, Polyester oder Epoxid.
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Wird als Abschirmbauteil ein Metallgehäuse eingesetzt, besitzt dieses bevorzugt eine wannenartige Form, in der der Reed-Kontakt aufgenommen werden kann. Wie schon vorstehend für das Stützbauteil beschrieben, kann auch das Metallgehäuse Positionier- und/oder Haltemittel aufweisen, um den Reed-Kontakt in einer gewünschten Position anzuordnen und zu halten. Möglich, wenn auch nicht erforderlich, ist weiterhin, zusätzlich zu dem Metallgehäuse ein Stützbauteil zu verwenden, in das das Metallgehäuse eingesetzt wird. Umgekehrt kann auch das Stützbauteil, welches bevorzugt, wie vorstehend beschrieben, aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff besteht, in das Metallgehäuse eingesetzt werden.
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Der Reed-Kontakt kann zudem in dem Stützbauteil und/oder Metallgehäuse fest eingebettet sein, vorzugsweise, indem er mit einer Vergussmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff umgossen wird. Geeignet sind hierfür prinzipiell alle gieß- oder spritzfähigen elektrisch isolierenden Kunststoffe, deren Eigenschaften den zu erwartenden Anforderungen, insbesondere hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Feuerfestigkeit, Bruchsicherheit und elektrischen Eigenschaften, genügen, die an die erfindungsgemäße Reed-Schalter-Anordnung gestellt werden. Derzeit bevorzugte Vergussmassen sind Epoxide. Das Einbetten des Reed-Kontaktes in ein elektrisch isolierendes Innengehäuse erhöht die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Reed-Schalter-Anordnung weiter, besonders wenn der Reed-Kontakt luft- und feuchtigkeitsdicht in der elektrisch isolierenden Kunststoffmasse eingebettet ist. Die Kombination eines elektrisch isolierenden Innengehäuses mit einem elektromagnetisch abschirmenden Außengehäuse erlaubt den Einsatz der Schalteranordnung bei besonders hohen Spannungen bis hin zu 1000 V oder darüber (Gleich- oder Wechselspannung).
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Alle vorstehend besprochenen Kunststoffe sind bevorzugt solche, die schwer entflammbar sind, insbesondere solche, die den Standards der Underwriters Laboratories zur Brennbarkeit von Kunststoffen (UL 94 und diesen analog IEC/DIN EN 60695-11-10 und -20) entsprechen. Insbesondere sollten die Kunststoffe mindestens der Klasse V-0 der UL94 entsprechen. Dies kann insbesondere in an sich bekannter Weise durch Dotierung der Kunststoffe mit flammhemmenden Additiven, zum Beispiel polyhalogenierten Verbindungen, organischen Phosphaten oder Metallhydroxiden, oder durch intumeszierende Materialien erreicht werden.
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Im Rahmen der Erfindung sind auch solche Reed-Schalter-Anordnungen umfasst, bei denen innerhalb des Außengehäuses mehr als ein Reed-Kontakt angeordnet ist. Bevorzugt sind die Reed-Kontakte im Außengehäuse zueinander parallel angeordnet, was innerhalb ein und desselben inneren Gehäusebauteils oder in getrennten inneren Gehäusebauteilen geschehen kann. Die Reed-Kontakte können mit nur einem Permanentmagneten gemeinsam geschaltet werden oder, alternativ, kann für jeden Reed-Kontakt ein eigener Permanentmagnet vorgesehen sein. Besonders im Falle der getrennten Schaltung ist zweckmäßig für jeden Reed-Kontakt eine eigene Abschirmfolie vorgesehen, wenn vorhanden, während beim Schalten mit nur einem Permanentmagneten auch nur eine gemeinsame Abschirmfolie vorgesehen sein kann, deren Aussparung dann entsprechend groß genug ist, damit der Permanentmagnet auf alle Kontaktbereiche einwirken kann.
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Die beschriebene Reed-Schalter-Anordnung weist aufgrund des abgeschirmten Reed-Kontaktes und des speziellen mehrteiligen Gehäuseaufbaus mit elektrisch hoch isolierenden und gut abgeschirmten Gehäusebauteilen eine gegenüber herkömmlichen Schaltern erhöhte Schaltpräzision und Schaltgeschwindigkeit und stark verbesserte Betriebssicherheit auf, die den Einsatz der Schalteranordnung auch im Hochspannungsbereich bis hin zu 1000 V (Gleich- oder Wechselspannung) oder mehr erlaubt, wobei zweckmäßig die einschlägigen Niederspannungsrichtlinien der EU zu beachten sind. Die erfindungsgemäße Reed-Schalter-Anordnung eignet sich daher besonders für den Einsatz in elektrischen und elektronischen Geräten, in denen hohe Spannungen auftreten. Ein Beispiel eines solchen Gerätes ist eine Messdekade, wie sie beispielsweise zu Eich- oder Kontrollzwecken verwendet wird und welche mindestens eine erfindungsgemäße Reed-Schalter-Anordnung umfasst. Einsatzmöglichkeiten für die Reed-Schalter-Anordnung oder die Messdekade liegen zum Beispiel in der Automobilindustrie, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, bei Schienenfahrzeugen, in der Luft- und Raumfahrtechnik, in der Umwelt- und Klimatechnik, insbesondere im Bereich erneuerbare Energien, in der Medizintechnik, Haus- und Haushaltstechnik sowie im Apparate- und Schaltanlagenbau.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen sind rein schematisch und beschreiben beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, ohne das die Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränkt wäre. Gleiche Teile sind in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen benannt. Im Einzelnen zeigen:
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1a eine erfindungsgemäße Reed-Schalter-Anordnung in Seitenansicht;
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1b eine Draufsicht auf die Unterseite der Reed-Schalter-Anordnung gemäß 1a in Richtung des Pfeils A;
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1c eine Schnittansicht entlang der Linie T-T der 1b;
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1d eine Schnittansicht entlang der Linie U-U der 1b;
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1e eine Draufsicht auf einen Reed-Kontakt, wie er in der erfindungsgemäßen Reed-Schalter-Anordnung eingesetzt werden kann;
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2a eine Vorstufe einer erfindungsgemäßen Reed-Schalter-Anordnung in perspektivischer Schnittansicht;
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2b die Vorstufe der 2a mit eingesetztem Reed-Kontakt;
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2c die Anordnung gemäß 2b mit zur Kontaktseite hin geschlossenem Gehäuse in Querschnittsansicht;
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2d die Reed-Schalter-Anordnung gemäß 2c in perspektivischer Darstellung;
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2e eine fertige Reed-Schalter-Anordnung in einem der 1d entsprechenden Querschnitt;
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3a eine Messdekade in Draufsicht und
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3b eine Teil-Schnittansicht entlang der Linie V-V in 3a.
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Im Einzelnen zeigt 1a eine fertige Reed-Schalter-Anordnung 1 in einer Draufsicht auf einer ihrer Längsseiten. Die Reed-Schalter-Anordnung 1 umfasst ein Schaltergehäuse 2, dessen Äußeres im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist und zu dessen Oberseite ein Schalter mit einem Schalthebel 40 herausgeführt ist, während über die Unterseite zwei metallische Anschlussstifte 34 vorstehen, die der elektrischen Kontaktierung des im Inneren des Schaltergehäuses 2 angeordneten und hier nicht sichtbaren Reed-Kontaktes dienen. Im gezeigten Fall ist die Reed-Schalter-Anordnung 1 im sogenannten Surface Mount Design (SMD) ausgebildet. Es ist jedoch genauso gut möglich, die Anschlussstifte 34 in an sich bekannter Weise beispielsweise zu den Stirnseiten des Schaltergehäuses 2 herauszuführen. Zur Entlastung der Anschlussstifte 34, zur Ausrichtung während der Montage und zur sicheren Fixierung der Reed-Schalter-Anordnung 1 auf der Montagefläche, auf welcher sie befestigt werden soll, stehen über die Unterseite des Schaltergehäuses 2 Zentrierstifte 72 vor. Diese greifen in passende Öffnungen in der Montagefläche ein, um die Reed-Schalter-Anordnung 1 in der gewünschten Lage auszurichten und gegen Verrutschen zu sichern.
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1b zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite der Reed-Schalter-Anordnung gemäß 1a, also eine Ansicht in Richtung des Pfeils A. In der Draufsicht ist erkennbar, dass insgesamt vier Zentrierstifte 72 über die Unterseite des Schaltergehäuses 2 vorstehen. Erkennbar ist weiterhin der mehrteilige Aufbau des Außengehäuses 7, welches den nach außen sichtbaren Teil des Schaltergehäuses 2 ausmacht. Das Außengehäuse 7 besteht aus einem wannenförmigen Gehäuseteil 70, das die Reed-Schalter-Anordnung 1 nach oben und an den Seiten begrenzt. Die Unterseite wird von einem Gehäusebauteil 71 abgeschlossen, das einen U-förmigen Querschnitt aufweist und in das Gehäusebauteil 70 eingesetzt ist. Dies ist in den Querschnitten der 1c und 1d zu erkennen. Die längsseitigen Wände des Bauteils 71 liegen dabei mit ihren Außenseiten an den inneren Längswänden des Bauteils 70 eng an. An den Boden des Bauteils 71 einstückig angeformt befinden sich die Zentrierstifte 72. In dem von den Außengehäusebauteilen 70 und 71 umschlossenen Innenraum der Reed-Schalter-Anordnung 1 ist ein Reed-Kontakt 3 angeordnet. Eine Draufsicht auf den Reed-Kontakt von der den freien Enden der Anschlussstifte 34 abgewandten Seite her ist in 1e dargestellt. Grundsätzlich kann es sich bei dem Reed-Kontakt 3 um jeden herkömmlichen Reed-Kontakt handeln. Er besteht aus einem Röhrchen 30, das üblicherweise aus Glas besteht, in dem zwei Kontaktzungen 31 und 32 aus ferromagnetischem Material angeordnet sind. Die beiden freien Enden der Kontaktzungen überlappen in der Mitte des Röhrchens 30 in einem Kontaktbereich 33. An den gegenüberliegenden Enden sind die Kontaktzungen 31 und 32 mit den Anschlussstiften 34 verbunden, die aus dem Röhrchen 30 nach außen herausgeführt und an den stirnseitigen Enden des Röhrchens 30 dicht mit dem Glasmaterial verschweißt sind. Das Innere des Röhrchens 30 kann mit einem Inertgas gefüllt sein oder es ist evakuiert.
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Der Reed-Kontakt 3 ist im Inneren des Außengehäuses 7 in einem wannenförmigen Bauteil 6 aufgenommen. Dieses weist in der Breitenrichtung B, welche senkrecht zur Längserstreckung L des Röhrchens 30 und parallel zu bzw. in der Oberfläche der Kontaktzungen 31, 32 (in 1e der Papierebene) verläuft, einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf. Das wannenförmige Bauteil 6 ist in das innere Gehäusebauteil 71 in der Art eingeschachtelt, dass die Außenseiten der Längswände an den Innenwänden des Bauteils 71 zu liegen kommen. Das Röhrchen 30 des Reed-Kontaktes 3 wird also von den Bauteilen 6 und 71 eingeschlossen. Ein Haltevorsprung 74, der sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Röhrchens 30 entlang des Bauteils 71 erstreckt, sowie Halterungsvorsprünge 60 (vergleiche 2a und 2b), die die Anschlussstifte 34 in ihren umgebogenen Bereichen abstützen, fixieren den Reed-Kontakt 3 in der gewünschten Position und verhindern ein Verrutschen desselben während des Betriebs.
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Der Gehäuseaufbau und die verwendeten Materialien führen zu einer Verbesserung der Sicherheit der erfindungsgemäßen Schalteranordnung gegenüber herkömmlichen Konstruktionen. Durch das Ineinanderschachteln der bereits vorstehend beschriebenen Gehäuseteile 6, 70 und 71 wird ein sehr geschlossener, nach außen abgedichteter Gehäusekörper erzielt. Kombinationen aus Rastvorsprüngen und Rastausnehmungen, wie sie in 2a und 2e mit 76 bezeichnet sind, verhindern ein Auseinanderrutschen der einzelnen Gehäuseteile. Die Außengehäuseteile 70 und 71 sind aus einem elektromagnetisch abschirmenden Material gebildet. Damit kann die Abschirmung des Reed-Kontaktes 3 vor elektromagnetischen Störeinflüssen von außen verbessert werden. Bevorzugt wird derzeit mit Graphit dotiertes ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) für die Schalenteile 70 und 71 verwendet.
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Eine weitere Verbesserung der Abschirmung gegen von außen einwirkende elektromagnetische Felder wird dadurch erreicht, dass zwischen dem wannenförmigen Bauteil 6 und dem Reed-Kontakt 3 ein elektromagnetisch abschirmendes Bauteil 5 angeordnet wird. Im gezeigten Fall handelt es sich bei diesem Bauteil 5 um eine Ferritfolie, die U-förmig um die Außenoberfläche des Röhrchens 30 des Reed-Kontaktes 3 herumgebogen angeordnet ist. Lediglich die Unterseite, also derjenige Seite, auf welcher die Anschlussstifte 34 herausgeführt sind, wird von dem Bauteil 5 freigelassen. Beim Zusammenbau der Reed-Schalter-Anordnung 1 wird die Ferritfolie 5 in das wannenförmige Bauteil 6 eingelegt. Damit dies in der richtigen Position geschieht, sind im Bauteil 6 innenseitig Zentriervorsprünge 61 vorhanden, die die Ferritfolie 5 seitlich begrenzen (vergleiche 2a und 2b). Anschließend wird der Reed-Kontakt 3 in das Bauteil 6 eingesetzt.
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Der Reed-Kontakt 3 wird mittels eines Permanentmagneten 4 geschaltet, der in einer Schalthebelanordnung 40 eingebettet ist. Im gezeigten Fall handelt es sich bei der Schalthebelanordnung um einen Schiebeschalter, der in der Längserstreckungsrichtung L des Röhrchens 30 relativ zum Kontaktbereich 33 bewegt werden kann. In der Schaltposition ist der Permanentmagnet 4 unmittelbar gegenüber dem Kontaktbereich 33 angeordnet. Diese Schaltposition ist in 1c und 2a bis 2c dargestellt. Bei einem Schließerkontakt beispielsweise werden die in der Normalposition voneinander beabstandeten Kontaktzungen aufeinander zu bewegt und der Kontakt geschlossen, so dass Strom durch den Reed-Kontakt fließen kann. Wird die Schalteranordnung durch Betätigen des Schalthebels 40 aus der Schaltposition in die Ruheposition verschoben, d. h. in den gezeigten Beispielen in den Figuren nach links bewegt, wird der Permanentmagnet 4 vom Kontaktbereich 33 weg zur Seite verschoben. Das Magnetfeld wirkt nicht mehr auf den Kontaktbereich 33 ein, die Kontaktzungen lösen sich voneinander und der Stromfluss wird unterbrochen. Um ein dezidiertes Schalten aus der Ruhe- in die Schaltposition und umgekehrt zu ermöglichen, ist in der Schalteranordnung eine beweglich gelagerte Rastnase 41 vorhanden, welche in komplementäre Kerben 75 im Gehäusebauteil 70 einrasten kann, von denen eine der Schaltposition und die andere der Ruheposition entspricht.
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Um eine Einwirkung des Permanentmagneten 4 auf den Reed-Kontakt 3 und speziell den Kontaktbereich 33 der Kontaktzungen 31 und 32 zu ermöglichen, ist in dem elektromagnetisch abschirmenden Bauteil 5 eine Aussparung 50 vorgesehen. Diese Aussparung 50 liegt dem Kontaktbereich 33 des Reed-Kontaktes 3 genau gegenüber. Die Abmessungen der Aussparung 50 sind bevorzugt gerade nur so groß, dass ein präzises Schalten des Reed-Kontaktes 3 mittels des Permanentmagneten 4 möglich ist. Bevorzugt liegt die Breite der Aussparung 50 bei 80 bis 200% und insbesondere 90 bis 150% der Breite b des Kontaktbereiches 33 (vergleiche 1e). Die Länge der Aussparung 50 in der Längserstreckungsrichtung L des Röhrchens 30 beträgt bevorzugt ebenfalls 80 bis 200% und insbesondere 90 bis 150% der Länge/des Kontaktbereiches 33. Durch die Anordnung des elektromagnetisch abschirmenden Bauteils 5, das zumindest im Bereich zwischen dem Röhrchen 30 des Reed-Kontaktes 3 und dem Permanentmagneten 4 und im gezeigten Fall das Röhrchen 30 an drei Seiten U-förmig umgebend angeordnet ist, werden elektromagnetische Störeinflüsse auf den Reed-Schalter praktisch vollständig ausgeschlossen. Außer dem magnetischen Feld des Permanentmagneten wirken keine elektromagnetischen Felder auf den Reed-Kontakt ein, so dass Fehlschaltungen vollständig ausgeschlossen werden können. Zudem wirkt das magnetische Feld des Permanentmagneten nur auf den Reed-Kontakt ein, wenn sich der Permanentmagnet in der Schaltposition befindet. Dagegen wird das magnetische Feld in der Ruheposition durch die Abschirmfolie 5 ebenfalls abgeschirmt, so dass ein erheblich genaueres Schalten möglich wird, als dies ohne Anordnung des Bauteils 5 möglich wäre. Diese erhöhte Präzision bei der Schaltung und das Abschirmen gegen Störeinflüsse erlauben den Einsatz der erfindungsgemäßen Reed-Schalter-Anordnung 1 auch im Hochvoltbereich von bis zu 1000 V oder darüber sowie eine erhöhte Schaltfrequenz.
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Das wannenförmige Bauteil 60, in welchem der Reed-Kontakt 3 angeordnet ist, besteht bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Geeignet sind beispielsweise Epoxide. Eine besonders sichere Anordnung wird erhalten, wenn der Hohlraum 61 des Bauteils 6 nach der Anordnung des Abschirmbauteils 5 und des Reed-Kontaktes 3 mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff ausgegossen wird. Dies kann entweder vor dem Einsetzen des Bauteils 6 in das Außengehäuse 7 geschehen oder auch erst im Anschluss daran. Hierfür sind im Bauteil 71 Öffnungen 73 vorhanden, durch die hindurch nach dem Zusammenbau der Einzelbauteile der Reed-Schalter-Anordnung 1 die Kunststoffmasse in den Hohlraum 61 eingegossen wird. Zweckmäßig wird die Kunststoffmasse durch eine der Öffnungen 73 solange eingefüllt, bis sie zur zweiten Öffnungen 73 wieder austritt. So kann eine schnelle und praktisch vollständige Füllung des Hohlraums 61 mit der Kunststoffmasse sichergestellt werden. Auf diese Weise ist der Reed-Kontakt 3 luft- und feuchtigkeitsdicht in dem Schaltergehäuse 2 eingeschlossen. Dieses umfasst einen dicht abschließenden, elektrisch isolierenden inneren Kern aus dem mit Kunststoffvergussmasse ausgefüllten wannenförmigen Bauteil 6, das wiederum von einem elektromagnetisch abschirmenden und den elektrisch isolierenden Teil dicht umschließenden Außengehäuse 7 umgeben wird. Auf diese Weise wird eine auch im Hochspannungsbereich sicher zu bedienende Reed-Schalter-Anordnung erhalten.
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Zusätzlich besteht außerdem der Schalthebel 40, welcher den Permanentmagneten 4 aufnimmt, vorzugsweise aus einem elektromagnetisch abschirmenden Material. In allen Fällen bevorzugt ist der Einsatz eines mit elektrisch leitfähigen Partikeln dotierten Kunststoffes. Geeignet sind die bereits in Zusammenhang mit dem Außengehäuse genannten Materialien. Unter diesen ist derzeit mit Graphit dotiertes ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) besonders bevorzugt. Der Permanentmagnet 4 kann dabei mit dem Kunststoff, der den Schalthebel 40 bildet, umgossen und so in diesen eingebettet werden.
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3a zeigt eine Messdekade 8, hier am Beispiel einer Widerstandsmessdekade, welche eine Vielzahl Schiebeschalter 80 aufweist, die über eine Gehäuseoberseite 81 vorstehen. Mit den Schiebeschaltern 80 können in diesem Beispiel 28 in Reihe geschaltete Widerstände zu beispielsweise je 1 W einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander aktiviert werden, um so eine lückenlose Einstellung von Widerstandswerten in 1 Ohm-Schritten zu ermöglichen. Zum Schalten kann für wenigstens einen Teil und bevorzugt alle der Schalter 80 eine erfindungsgemäße Reed-Schalter-Anordnung 1 verwendet werden. 3b verdeutlicht dies in einer Schnittansicht entlang der Linie V-V der 3a. Die Reed-Schalter-Anordnung 1 ist unterhalb der Gehäuseoberseite 81 derart angeordnet, dass nur der Schalthebel 40 über die Gehäuseoberfläche nach außen vorsteht. Der Schalter 80 ist auf den Schalthebel 40 aufgestülpt, sodass der Reed-Schalter von außen durch Schieben betätigt werden kann. Ansonsten entspricht die Messdekade 8 den aus dem Stand der Technik bekannten Messdekaden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC/DIN EN 60695-11-10 und -20 [0017]
