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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter mit einem regelbaren Widerstandselement.
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Beim Öffnen, Schließen oder Kommutieren von Wechselstrom- oder Gleichstromkreisen entstehen Schaltlichtbögen. Diese Schaltlichtbögen geben typischerweise die freiwerdende Energie in entsprechenden Löscheinrichtungen ab, bis der Lichtbogen verlöscht ist. Herkömmliche elektrische Schalter versuchen die entstehenden Lichtbögen zu kontrollieren. Vor allem bei der steigenden Anzahl an Gleichstromanwendungen, in denen kein Stromnulldurchgang erfolgt, ist dies mit beliebig viel technischem Aufwand verbunden.
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In elektromechanischen Schaltgeräten erfolgt eine gezielte Widerstandserhöhung. Diese Widerstandserhöhung kann beispielsweise dazu dienen, einen Abschaltvorgang zu initiieren, Umschalt- oder Kommutierungsvorgänge auszulösen, eine sichere Trennung zu gewährleisten, die Spannung im System soweit zu verringern, dass Abschaltvorgänge ermöglicht werden, Regelparameter im Stromkreis konstant zu halten, oder um Schutzfunktionen zu erfüllen.
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Bisher wurden elektromechanische Schaltgeräte typischerweise mit einfach oder zweifach unterbrechenden Schaltkontakten ausgestattet. Durch das Öffnen der Schaltkontakte und den dadurch entstehenden Lichtbogen entsteht ein Spannungsfall. Dieser wirkt der treibenden Spannung entgegen. Der Spannungsfall wirkt strombegrenzend wie ein Widerstand, der im Stromkreis eingebracht wird. Alternativ können Elemente der Leistungselektronik, beispielsweise steuerbare PN-Übergänge, eingesetzt werden zum gezielten Einbringen von Widerständen in Schaltkreisen.
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In der WO 2021 / 001 012 A1 wird ein elektrischer Schalter mit einem ON-Zustand und einem OFF-Zustand zum Öffnen, Schließen oder Kommutieren eines Stromkreises zwischen einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt sowie mit einem regelbaren Widerstandselement offenbart. Das regelbare Widerstandselement ist zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt elektrisch angeordnet und wird mittels einer mechanischen Transitbewegung vom ON-Zustand in den OFF-Zustand überführt und umgekehrt.
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In der WO 2021 / 001 017 A1 wird ebenfalls ein Schaltgerät zum lichtbogenfreien Schalten vorgestellt.
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In der WO 2021 / 001011 A1 wird ein Verfahren zur unterbrechungsfreien Anpassung von Parametern eines Stromkreises durch das gezielte Einbringen von ohmschen, kapazitiven oder induktiven Anteilen mittels zweier Schaltgeräte als Regelelemente und einem Sensor oder Messgerät offenbart.
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In der
EP 3 031 062 B1 wird ein Wechselschalter offenbart mit einem stationären Teilbereich mit einer stationären Elektrode, einem beweglichen Teilbereich mit einer beweglichen Elektrode, wobei eine geschlossene Position des Schalters definiert ist, wenn sich stationäre und bewegliche Elektrode in leitfähiger Verbindung zueinander befinden, wobei der bewegliche Teilbereich in Relation zum stationären Teilbereich bewegt werden kann, um die leitfähige Verbindung zwischen der stationären und der beweglichen Elektrode zu unterbrechen, um so eine geöffnete Position des Schalters zu definieren, und einem oder mehrere nicht-lineare, nicht-ohmsche blockierende Halbleiter in einem elektrischen Pfad, in den beim Öffnen des Schalters Strom kommutiert wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen alternativen elektrischen Schalter zur Verfügung zu stellen, der ein lichtbogenfreies Öffnen, Schließen oder Kommutieren von Wechselstrom- oder Gleichstromkreisen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den elektrischen Schalter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der elektrische Schalter mit einem ON-Zustand und einem OFF-Zustand zum Öffnen, Schließen oder Kommutieren eines Stromkreises zwischen einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt gemäß Patentanspruch 1 umfasst ein regelbares Widerstandselement, welches zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt elektrisch angeordnet ist, wobei im ON-Zustand der elektrische Schalter geschlossen ist und im OFF-Zustand geöffnet, wobei mittels einer rotatorischen Bewegung (B) der elektrische Schalter vom ON-Zustand in den OFF-Zustand überführt wird und umgekehrt, wobei zum Öffnen oder Kommutieren des Stromkreises mittel der rotatorischen Bewegung (B) der Widerstand des regelbaren Widerstandselements erhöht wird und die rotatorische Bewegung (B) so ausgeführt wird, dass der aktuelle Spannungsfall zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als die Zündspannung eines Lichtbogens und dadurch die Schaltenergie im regelbaren Widerstandselement in Form von elektrischer Verlustleistung abgeführt wird, wobei das regelbare Widerstandselement ein feststehendes Element und mindestens ein bewegliches Element umfasst, wobei das mindestens eine bewegliche Element und das feststehende Element ineinander drehbar gelagert sind und mittels der rotatorischen Bewegung (B) zwischen dem ON-Zustand und dem OFF-Zustand des elektrischen Schalters bewegt werden können, wobei Kontaktsysteme zwischen dem feststehenden Element und dem beweglichen Element angeordnet sind, und wobei sich durch die rotatorische Bewegung (B) die Aufteilung des Strompfads zwischen dem mindestens einen beweglichen Element und dem feststehenden Element ändert. Die Kontaktsysteme werden von Kontaktfedern gebildet.
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Vorteilhaft hierbei ist, dass mehr Widerstand in möglichst kurzer Zeit innerhalb einer möglichst geringen Wegstrecke eingebracht werden kann als bei Lösungen mit linearen Bewegungen, und damit ein solches System effektiver ausgelegt werden kann. Die rotatorische Bewegung (B) führt zu einer Widerstandserhöhung in einem geschlossenen Stromkreis. Der Widerstand kann über Widerstandsmaterialien und/oder eine Luftstrecke bis in den MΩ-Bereich erhöht werden und dadurch eine sichere galvanische Trennung gewährleisten. Das Losbrechmoment eines rotatorischen Systems im Vergleich zu einem linearen System ist deutlich geringer, was zu schnelleren Schaltgeschwindigkeiten und einem geringeren Energiebedarf führt. Außerdem sind bei rotatorischen Systemen Umschaltungen möglich, das heißt dass bei gleichbleibender Betätigungsart auch zwischen zwei Kontakten hin und her geschaltet werden kann.
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Dies ermöglicht ein kostengünstiges Design im Vergleich zu einem linearen System mit Richtungsumkehr. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters ist, dass die überschüssige mechanische Energie, welche bei Schaltvorgängen frei wird, besser von der Konstruktion aufgenommen und abgebaut werden kann. Bei linearen Systemen wird diese Energie häufig von tragenden Bauteilen und Lagern aufgenommen, was zu begrenzt mechanischen Lebensdauern oder hohen konstruktiven Aufwänden führt. Das erfindungsgemäße rotatorische System, das federnd gelagert ist, kann diese Energie am Ende der Schaltung zum Beispiel durch zwei Zugfedern aufnehmen.
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In einer Ausgestaltung werden die Kontaktsysteme von Canted-Coil-Federn (Bal Seal Engineering) gebildet.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters weist das mindestens eine bewegliche Element N Widerstandszonen und das feststehende Element ebenfalls N Widerstandszonen auf. Die Kontaktsysteme können zwischen räumlich benachbarten Widerstandszonen des mindestens einen beweglichen Elements und des feststehenden Elements angeordnet sein.
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In einer Ausgestaltung sind Widerstandszonen des beweglichen Elements oder des feststehenden Elements paarweise mit leitenden Verbindungen verbunden, so dass jeweils zwei Widerstandszonen elektrisch in Reihe angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters sind die N Widerstandszonen des beweglichen Elements und die N Widerstandszonen des feststehenden Elements mittels der leitenden Verbindungen elektrisch in Reihe angeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung führt im ON-Zustand der Strompfad vom ersten Kontakt zum zweiten Kontakt direkt über die leitenden Verbindungen und nicht über die Widerstands zonen des beweglichen Elements oder die Widerstandszonen des feststehenden Elements und der elektrische Widerstand des regelbaren Widerstandselements beträgt kleiner 100µΩ (mikro Ohm) .
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In einer weiteren Ausgestaltung des elektrischen Schalters verläuft im Schalt-Zwischenzustand zwischen dem ON-Zustand und dem OFF-Zustand der Strompfad vom ersten Kontakt über die Widerstandszonen zum zweiten Kontakt.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters wird durch die Drehung des beweglichen Elements vom ON-Zustand zum OFF-Zustand der Strompfad durch die Widerstandszonen verlängert.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist im OFF-Zustand der erste Kontakt vom zweiten Kontakt galvanisch getrennt bei einem elektrischen Widerstand größer 1MΩ (Mega Ohm).
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters ist das mindestens eine bewegliche Element innerhalb des feststehenden Elements drehbar gelagert.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind das feststehende Element als Hohlzylinder und das mindestens eine bewegliche Element als Zylinder ausgebildet. Die Widerstandszonen können streifenförmig auf einem Kreisbogen des Hohlzylinders und des Zylinders angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters sind die Widerstandszonen aus einem konventionellen Material oder aus einem dotierbaren Halbleitermaterial wie beispielsweise SiC gefertigt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des elektrischen Schalters dient dieser zum Schalten eines Wechsel- oder Gleichstroms.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1: elektrischer Schalter;
- 2A und 2B: elektrischer Schalter mit regelbarem Widerstandselement und jeweils zwei Widerstandszonen des beweglichen Elements und des feststehenden Elements; und
- 3A und 3B: elektrischer Schalter mit regelbarem Widerstandselement und jeweils vier Widerstandszonen des beweglichen Elements und des feststehenden Elements.
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In 1 ist ein elektrischer Schalter 100 dargestellt. Dieser weist einen ON-Zustand und einen OFF-Zustand zum Öffnen, Schließen oder Kommutieren eines Stromkreises auf. Mittels eines Drehschalters 101 kann der Zustand des elektrischen Schalters 100 gewählt werden.
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Im ON-Zustand des elektrischen Schalters 100 ist der elektrische Schalter 100 geschlossen und im OFF-Zustand geöffnet, wobei mittels einer rotatorischen Bewegung (B) der elektrische Schalter 100 vom ON-Zustand in den OFF-Zustand überführt werden kann und umgekehrt.
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Der Stromkreis, der vom elektrischen Schalter 100 geöffnet, geschlossen oder kommutiert wird, wird zwischen einem ersten Kontakt 110 und einem zweiten Kontakt 120 geschaltet. In den 2A und 2B sind dieser erste Kontakt 110 und der zweite Kontakt 120 dargestellt, sowie ein regelbares Widerstandselement 200, welches zwischen dem ersten Kontakt 110 und dem zweiten Kontakt 120 elektrisch angeordnet ist.
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Zum Öffnen oder Kommutieren des Stromkreises mittels der rotatorischen Bewegung (B) wird der Widerstand des regelbaren Widerstandselements 200 erhöht und die rotatorische Bewegung (B) so ausgeführt, dass der aktuelle Spannungsfall zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als die Zündspannung eines Lichtbogens und dadurch die Schaltenergie im regelbaren Widerstandselement 200 in Form von elektrischer Verlustleistung abgeführt wird.
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Das regelbare Widerstandselement 200 umfasst ein feststehenden Element 220 und mindestens ein bewegliches Element 210, wobei das mindestens eine bewegliche Element 210 und das feststehende Element 220 ineinander drehbar gelagert sind und mittels der rotatorischen Bewegung (B) zwischen dem ON-Zustand und dem OFF-Zustand des elektrischen Schalters bewegt werden können. Des Weiteren sind Kontaktsysteme 310; 320 vorgesehen, die zwischen dem feststehenden Element 220 und dem beweglichen Element 210 angeordnet sind, wobei sich durch die rotatorische Bewegung (B) die Aufteilung des Strompfads zwischen dem mindestens einen beweglichen Element 210 und dem feststehenden Element 220 ändert.
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In 2A ist der erfindungsgemäße elektrische Schalter 100 im ON-Zustand dargestellt, in der 2B im Schalt-Zwischenzustand zwischen dem ON-Zustand und dem OFF-Zustand.
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Das bewegliche Element 210, welches mittels der rotatorischen Bewegung (B) gedreht werden kann zwischen dem ON-Zustand und dem OFF-Zustand, und das feststehende Element 220 weisen jeweils N Widerstandszonen auf. Entsprechend des Ausführungsbeispiels in den 2A und 2B ist N = 2 , dies bedeutet, dass das bewegliche Element 210 zwei Widerstandszonen RB1 und RB2 und das feststehende Element 220 zwei Widerstandszonen RF1 und RF2 aufweisen. Die Kontaktsysteme 310; 320 sind zwischen räumlich benachbarten Widerstandszonen des beweglichen Elements 210 RB1, RB2 und des feststehenden Elements 220 RF1, RF2 angeordnet.
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Beim beweglichen Element 210 sind die beiden Widerstandszonen RB1, RB2 mit einer leitenden Verbindung 410 verbunden, so dass diese zwei Widerstandszonen RB1, RB2 elektrisch in Reihe angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine elektrische Reihenschaltung der Widerstandszonen, beispielsweise vom ersten Kontakt 110 zur ersten Widerstandszone des feststehenden Elements 220 RF1 über das Kontaktsystem 310 zur zweiten Widerstandszone RB2 des beweglichen Elements 210, weiter über die leitende Verbindung 410 zur ersten Widerstandszone RB1 des beweglichen Elements 210, über das Kontaktsystem 320 zur zweiten Widerstandszone RF2 des feststehenden Elements 220 und von dort zum zweiten Kontakt 120, wie dies in 2B im Schalt-Zwischenzustand dargestellt ist.
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Bei weiterer Drehung des beweglichen Elements 210 im Uhrzeigersinn verlängern sich jeweils die Strompfade in den Widerstandszonen RB1, RB2; RF1, RF2.
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Im ON-Zustand entsprechend der Darstellung in 2A führt der Strompfad vom ersten Kontakt 110 zum zweiten Kontakt 120 direkt über die leitende Verbindung 410 und nicht über die Widerstandszonen RB1, RB2; RF1, RF2 und der elektrische Widerstand des regelbaren Widerstandselements 200 beträgt daher kleiner 100µΩ (mikro Ohm).
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Im Schalt-Zwischenzustand zwischen dem ON-Zustand und OFF-Zustand entsprechend der Darstellung in 2B verläuft der Strompfad vom ersten Kontakt 110 über die Widerstandszonen RB1, RB2; RF1, RF2 zum zweiten Kontakt 120.
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Durch die Drehung des beweglichen Elements 210 entsprechend der rotatorischen Bewegung (B) wird das bewegliche Element 210 vom ON-Zustand zum OFF-Zustand bewegt und der Strompfad durch die Widerstandszonen RB1, RB2; RF1, RF2 verlängert sich.
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Im OFF-Zustand ist der erste Kontakt 110 vom zweiten Kontakt 120 galvanisch getrennt bei einem elektrischen Widerstand größer 1MΩ (Mega Ohm). Im OFF-Zustand sind die Kontaktsysteme 310; 320 an Isolationszonen RFI1, RFI2; RBI1, RBI2 angeordnet, so dass eine galvanische Trennung vom ersten Kontakt 110 und zweiten Kontakt 120 vorliegt.
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Entsprechend der Darstellung der 2A und 2B kann das bewegliche Element 210 innerhalb des feststehenden Elements 220 gelagert sein. Ebenso ist aber denkbar, dass das bewegliche Element 210 das feststehende Element 220 umschließt.
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Das feststehende Element 220 kann als Hohlzylinder ausgebildet sein und das bewegliche Element 210 als Zylinder. Die Widerstandszonen RB1, RB2; RF1, RF2 können streifenförmig auf Kreisbögen des Hohlzylinders und des Zylinders angeordnet sein.
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Als Materialien für die Widerstandszonen RB1, RB2; RF1, RF2 können konventionelle Materialien dienen wie Graphit oder Edelstahl oder auch dotierbares Halbleitermaterial wie beispielsweise SiC.
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Die Kontaktsysteme 310; 320 können von Kontaktfedern gebildet werden, beispielsweise von Canted-Coil-Federn (Bal Seal Engineering). Wichtig ist hierbei, dass die für den sicheren Betrieb notwendige Kontaktkraft stets gewährleistet ist und die Kontaktsysteme 310; 320 in der Lage sind, Fertigungstoleranzen auszugleichen. Als Materialien für die Kontaktsysteme 310; 320 kommen Kupferlegierungen, gängige Kontaktwerkstoffe oder auch Werkstoffe in Verbindung mit Kontaktpasten, Kontaktölen oder Kontaktfetten.
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Der erfindungsgemäße elektrische Schalter 100 kann eingesetzt werden zum Schalten von Wechsel- oder Gleichstromkreisen.
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In den 3A und 3A ist ein weiteres Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 100 dargestellt. Dabei weist das feststehende Element 220 vier Widerstandszonen RF1, RF2, RF3, RF4 auf und das bewegliche Element 210 ebenfalls vier Widerstandszonen RB1, RB2, RB3, RB4. Es sind vier Kontaktsysteme 310; 320; 330; 340 zwischen dem beweglichen Element 210 und dem feststehenden Element 220 vorgesehen. Die leitende Verbindung 410 verbindet die Widerstandszonen RB1 und RB4, die leitenden Verbindung 420 die Widerstandszonen RB2 und RB3 des beweglichen Elements 210 und die leitende Verbindung 430 verbindet die Widerstandszonen RF2 und RF3 des feststehenden Elements 220.
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In 3A ist der ON-Zustand des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 100 dargestellt, hier verläuft ebenfalls der Strompfad vom ersten Kontakt 110 zum zweiten Kontakt 120 direkt über die leitenden Verbindungen 410; 420; 430 und nicht über die Widerstandszonen RB1, RB2, RB3, RB4; RF1, RF2, RF3, RF4 und der elektrische Widerstand des regelbaren Widerstandselements 200 beträgt kleiner 100µΩ (mikro Ohm).
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Im Schaltzwischenzustand zwischen dem ON-Zustand und dem OFF-Zustand entsprechend der Darstellung in 3B verläuft der Strompfad vom ersten Kontakt 110 über die Widerstandszone RF1 des feststehenden Kontakts über das Kontaktsystem 310 zur Widerstandszone RB4 des beweglichen Elements 210 über die leitende Verbindung 410 zur Widerstandszone RB1 des beweglichen Elements 210 über das Kontaktsystem 320 zur Widerstandszone RF2 des feststehenden Elements 220 über die leitende Verbindung 430 zur Widerstandszone RF3 des feststehenden Elements 220 über das Kontaktsystem 330 zur Widerstandszone RB2 des beweglichen Elements 210 über die leitende Verbindung 420 zur Widerstandszone RB3 des beweglichen Elements 210 über das Kontaktsystem 340 zur Widerstandszone RF4 des feststehenden Elements 220 und von dort zum zweiten Kontakt 120.
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Im OFF-Zustand ist das bewegliche Element 210 soweit gedreht, dass die Kontaktsysteme 310; 320; 330; 340 die Widerstandszonen RB1, RB2, RB3, RB4; RF1, RF2, RF3, RF4 verlassen und auf den Isolationsbahnen kontaktieren. Dadurch kommt es zu einer galvanischen Trennung von erstem Kontakt 110 und zweitem Kontakt 120 mit einem elektrischen Widerstand größer 1MΩ (Mega Ohm) .
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Wichtig ist bei der Anordnung entsprechend der Darstellung in den 3A und 3B, dass die rotatorische Bewegung (B) simultan durchgeführt wird, das bedeutet, dass die Kontaktsysteme 310; 320; 330; 340 simultan mit dem beweglichen Element 210 bewegt werden.
