DE10357111A1

DE10357111A1 - Elektronische und elektromechanische Module und eine Anordnung dieser Module

Info

Publication number: DE10357111A1
Application number: DE2003157111
Authority: DE
Inventors: Ruediger Kluge
Original assignee: Kluge Ruediger Dipl Ing
Current assignee: Kluge Ruediger Dipl Ing
Priority date: 2003-12-06
Filing date: 2003-12-06
Publication date: 2005-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft elektronische und elektromechanische Module, die sowohl auf Basisplatten zum Einlöten als auch auf lötfreien Steckplatinen verwendet werden können. Diese Module bestehen aus zwei Typen. Der erste Typ enthält elektronische, elektromechanische und mechanische Bauteile und kann andere fertige Module enthalten. Die Module des zweiten Typs dienen dazu, über Schnittstellenbausteine und Bedienelemente die Verbindung zu externen Systemen und zum Benutzer herzustellen. Die Module lassen sich auf Basisplatten in Form eines Baukastensystems mit definierten Abständen aneinandersetzen. Die Module eines Systems besitzen ein einheitliches Rastermaß, festgelegte mechanische und elektrische Schnittstellen. Die Module können miteinander und mit anderen Schaltungen auf den Basisplatten und außerhalb dieser verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft elektronische und elektromechanische Module und eine Anordnung dieser Module, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruch 1
Bei der Neuentwicklung von elektronischen Produkten werden im Elektroniklabor für die Erstellung von Funktionsmustern, Prototypen und Kleinserien oft elektronische Modulbaugruppen verwendet. Auch zur Schulung und in der Forschung werden derartige Module verwendet.
Allgemeine Problembeschreibung
Elektronische Produkte bestehen in der Regel aus einer Vielzahl von Schaltungsteilen, von denen ein relativ hoher Prozentsatz nicht Produkt spezifisch ist, d. h. diese Schaltungsteile sind in einer Vielzahl von elektronischen Produkten vorhanden. Beispiele hierfür sind:

• elektronische Schaltungen (Stromversorgung, Mikrocontrollersysteme, Verstärker usw.)
• Benutzerschnittstellen, (MMI Komponenten (Man Maschine Interface), z. B. Tasten, Anzeigen, LEDs usw.)
• elektronische Interfaces und Bussysteme (Leistungstreiber, I2C Bus, CAN Bus usw.)
• elektromechanische Interfaces (Steckverbinder, Schraubverbinder usw.)

Bei der Entwicklung von Funktions- und Labormustern für ein Produkt wird ein hoher Zeitaufwand für die Entwicklung und Aufbau von Schaltungsteilen aufgewendet, die nicht Produkt spezifisch, aber für viele Produkte gemeinsam sind.
Weiterhin wird viel Zeit für den mechanischen Aufbau von Funktionsmustern und Prototypen benötigt. Viele elektronische und elektromechanische Bauelemente besitzen Anschlussbelegungen, die nicht in einem einheitlichen Rastermaß sind. Dies gilt insbesondere für elektromechanische Komponenten und SMD Bauteile. Für ihre Verwendung in standard Laborplatinen (Lochraster Platinen zum Einlöten) und auf Prototypen – Steckplatinen (lötfrei), müssen daher Anpassungen vorgenommen werden, oder ihre Verwendung auf oben genannten Platinen ist gar nicht möglich.

Es ist bekannt, elektronische Module zu oben genannten Zwecken einzusetzen. Für bestimmte Bereiche der Elektronikindustrie haben sich verschiedene Standards herauskristallisiert. An dieser Stelle sollen einige Beispiele genannt werden. Im Bereich Mikrocontroller gibt es z. B. das PC104 System (http://www.pc104.org), ETX System (http://www.etx-ig.com) und viele firmenspezifische Lösungen z. B. von Kontron, Forth sowie Modulsysteme für andere elektronische Teilbereiche in den einschlägigen Katalogen der Elektronik – Distributoren.

Nachteil der bekannten Lösungen ist, dass sie nur Standards innerhalb ihres Spezialgebiets bieten. Befestigungstechnik, Verbindungstechnik, Formfaktor und Anschlußraster sind sehr unterschiedlich. Oft lassen sich diese Module auch nicht auf standard Laborplatinen (Lochraster Platinen zum Einlöten) und auf Prototypen – Steckplatinen (lötfrei) einsetzen. Für viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Benutzerschnittstellen und elektronischen Schnittstellen nach außen sind keine Standardlösungen vorhanden.

Alle bekannten Lösungen erfordern daher, dass schon für sehr frühe Funktionsmuster kundenspezifisch Leiterplatten erstellt werden müssen.

Aufgabe dieser Erfindung ist daher die Erstellung von elektronischen und elektromechanischen Modulen, in Form eines modularen elektronischen und elektromechanischen Baukastens in professioneller Qualität. Diese können z. B. in Forschung und Entwicklung, zur Erstellung von Funktionsmustern und Prototypen, vom ambitionierten Hobby – Elektroniker und für Schulungszwecke verwendet und zusammengeschaltet werden.

Lösungsweg

Die Erfindung löst die genannten Aufgabenstellungen entsprechend Anspruch 1 durch die Definition von elektronischen und elektromechanischen Modulen und eine Anordnung dieser Module. Diese Module sind so gestaltet, dass sie sowohl auf Basisplatten, z. B. in Form von Laborplatinen (Lochraster Platinen zum Einlöten) oder anderen Leiterplatten, als auch auf Prototypen – Steckplatinen (lötfrei) eingesetzt werden können.

Die Inhalte der Module werden folgendermaßen aufgegliedert:

• Module enthalten elektronischen Schaltungen (Mikrocontroller, Speicherbausteine, elektronische Schaltkreise
• Module enthalten Bedien-, Anzeige, Eingabe- und Ausgabeelemente, (MMI Komponenten (Man Maschine Interface), z. B. Tasten, Displays, LEDs, Tonausgabe usw.)
• Module enthalten elektromechanischen und mechanische Interface Komponenten (Steckverbinder, Schraubverbinder usw.)
• spezielle Module (z. B. ISM Module, GPS Module, GSM Module, Funk Module)

Diese Module werden in zwei Typen von Modulen zusammengefasst. Ein erster Typ enthält die elektronischen Schaltungen und umfasst die speziellen Module. Ein zweiter Typ enthält die elektromechanischen Interface Komponenten und die MMI Komponenten.

Die Module können auf Basisplatten gesteckt und auf verschiedene Arten miteinander und anderen Schaltungsteilen extern und intern verbunden werden. Eine Art der Basisplatte sind z. B. Lochraster Platinen, die Löcher und Lötaugen in regelmäßigen Abständen enthalten. Eine andere Art von Basisplatten sind r. B. lötfreie Steckplatinen. Eine weitere Art sind Basisplatten, die ein konventionelles Layout enthalten, also Leiterplatten (PCBs – Printed circuit boards) In diese können die Module eingelötet, oder bei Verwendung entsprechender Kontaktmittel, eingesteckt werden.

Die Module der jeweiligen Ausführungsform sind von der Größe und den Größenverhältnis untereinander so ausgelegt, dass sie mit einem definierten Zwischenraum, oder ohne einem Zwischenraum in Form eines Baukastensystems angeordnet werden können, so dass die verbrauchte Fläche auf der Basisplatte minimal wird, also in der Art von Bausteinen eines Baukastensystems. Die Module werden von einem kleinsten Basismodul durch Multiplikation der Seitenlänge und der Kontaktzahl der Kontaktmittel desselben abgeleitet.

Spezielle Ausführungsformen der Module können sowohl auf Standard – Laborplatinen (Lochraster Platinen), als auch auf Prototypen – Steckplatinen (lötfrei) in einem Rastermaß eingesetzt werden.

Module können zeitlich gesehen zunächst auf lötfreien Steckplatinen und später auf Lochraster Platinen zum Einlöten weiter verwendet werden. Sollen die Module auch nach dem Einsatz in Platinen zum Einlöten wiederverwendet werden, so werden auf diesen Platinen Stecksysteme eingesetzt, in welche die Module eingesetzt werden, sie sind also wiederverwendbar.

Die Module und das Modulsystem können jedoch für jedes beliebige Rastermaß und mit beliebigen Zwischenräumen erstellt werden. Die Module können auch alleine, ohne Basisplatte verwendet werden. Die Module können auf verschiedene Arten elektrisch miteinander verbunden werden.

Vorteile der Erfindung

• Der Anwender bekommt vorgefertigte, standardisierte, funktionierende Baugruppen in Form von sofort einsetzbaren Modulen für wiederkehrende Aufgabenstellungen.
• Der Anwender kann sich auf die für ihn wichtigen Komponenten bei der Entwicklung konzentrieren. Dies sind die Komponenten, welche das Firmen Know How enthalten.
• Die wiederverwendbaren Module sparen Zeit und damit Geld bei der Entwicklung von Funktionsmustern und Prototypen für ein Produkt ein.
• Die Durchlaufzeit für die Entwicklung von Produkten wird verringert.
• Elektronische, elektromechanische und mechanische Bausteine, elektronische Schaltungen, sowie fremde elektronische Module mit den unterschiedlichsten Anschlußbelegungen und Anschlußmaßen, werden mittels der Module auf ein einheitliches Rastermaß gebracht, so dass diese ohne mechanische Anpassungen und Bearbeitung auf den Basisplatten eingesetzt werden können. Es entfällt der Aufwand für die Suche nach Datenblättern mit Maßen und Anschlussbelegung der Bauteile, Übertragung der Maße auf die Basisplatte, Bohren und/oder Fräsen der Befestigungslöcher und der Anschlußpins für die Komponenten, sowie das Löten der Anschlußpins der Komponenten.
• Wird die Modulgröße entsprechend gewählt, können die Module sowohl auf Lochrasterplatinen als auch auf lötfreien Steckplatinen eingesetzt werden.
• Bei Anwendung der Module auf anwendungsspezifischen Leiterplatten (also Leiterplatten mit einem anwendungsspezifischen Layout) kann sich der Anwender auf die für ihn wichtigen und durch ihn selbst erstellten Schaltungsteile beim Layout konzentrieren. Das Layout wird durch die Standardisierung der Anschlüsse und der Befestigung wesentlich erleichtert.
• Da die Abmessungen der Module festliegen und deren Abstand zueinander definiert ist, kann von vorne herein der Platzbedarf kalkuliert und minimiert werden.
• Da die Maße für die mechanischen Befestigungsmittel der Module festliegen und diese einheitlich pro Modulgröße sind, können Bohrschablonen eingesetzt werden.
• Durch die einheitliche Anschlussbelegung und Bedruckung der Module wird die Anwendung vereinfacht, da auf das Studium von umfangreicher Papierdokumentation verzichtet werden kann.
• Durch die modulare Teilung der Frontblenden in Verbindung mit den Modulen des 2. Typs kann sehr schnell eine Frontblende aufgebaut werden, so dass die Basisplatte zusammen mit den Modulen und der Frontblende in ein Gehäuse eingebaut werden kann.
• Dadurch, dass bestimmte Ausführungsformen der Module stapelbar sind, kann Platzbedarf auf der Basisplatte eingespart werden.

Die Zeichnungsfiguren stellen beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung dar.
1 Anordnung der Module des ersten Typs
2 Anordnung der Module des zweiten Typs zusammen mit der Anordnung der Module des ersten Typs
3 Anordnung der Module auf einer Basis – Leiterplatte
4 Anordnung der Module auf einer Basis – Steckplatine
Die Module einer Ausführungsform besitzen eine mechanisch modularen Aufbau, der es gestattet sie in Form eines Baukastensystems in beide Richtungen eines kartesischen Koordinatensystems aneinanderzureihen (siehe Ausführungsbeispiel in 3).
Ein Ausführungsbeispiel der Module (67), (68), (69) des ersten Typs sind in (3) dargestellt. Diese Module sollen überwiegend elektronische Schaltkreise enthalten. Sie können jedoch auch elektromechanische und mechanische Bauteile enthalten, wenn dies erforderlich ist. Ausserdem können die Module des ersten Typs wiederum Module enthalten, wie z.B. GPS-, GSM, GPRS, ISM-Module usw. Die Module des ersten Typs können sowohl auf Leiterplatten zum löten, als auch auf Steckplatinen eingesetzt werden. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Leiterplatte (76), den Kontaktmitteln (73) und den erwähnten Bauelementen. Sie besitzen eine mechanisch modulare Ausführung, alle Module sind von einem kleinsten Modul des ersten Typs abgeleitet, in diesem Beispiel Modul (68). Wie dies geschieht, wird im weiteren Verlauf an Hand der 1 beschrieben. Die Module einer Ausführungsform besitzen standardisierte Abmessungen, ein standardisiertes Kontakt- und Verbindungssystem, ein standardisiertes Befestigungssystem mit standardisierten Befestigungspunkten (75) und Befestigungsmitteln und einer standardisierten Höhe und Höhenbegrenzungen auf Ober- und Unterseite für die Bauelemente. Dadurch können die Module des ersten Typs gestapelt werden.
Die Leiterplatte der Module der ersten Art kann ein oder mehrlagig sein, mit Verbindungslagen auf den Oberflächen und in der oder den Innenlagen, sowie Versorgungs- und Schirmlagen besitzen, oder Split – Planes enthalten. Die Leiterbahnen der Verbindungslagen können als galvanische Verbindung, Impedanz angepasste Leitungen oder als HF Bauteile, wie Anpassungsleitungen, Kondensatoren, Filter usw. ausgeführt werden. Die Leiterplatten haben einen umlaufenden Randbereich, so dass sie mit einem entsprechenden Greifwerkzeug aus der Basisplatine herausgezogen werden können. An den Seiten, an denen sich keine Kontaktmittel befinden, gibt es beidseitig auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte schmale Beschriftungsfelder.
Die Verbindungungstechnik der Module untereinander oder zu andern Schaltungsteilen enthält die folgenden Möglichkeiten:
Auf der Unterseite oder der Oberseite der Basisplatte im Falle einer Lochraster Platine oder einer konventionellen Printplatte mittels der Kontaktmittel (73), der in die Basisplatte eingesetzten Module oder auf der Basisplatte aufgesetzten Module, wobei die Kontaktmittel auf der Oberfläche der Basisplatte aufliegen (SMD Technik) oder durch die Löcher der Basisplatte durchragen (THT):

• Löten und verbinden mit Fädeldraht
• Wire Wrap (Draht Wickel Technik) (nur bei THT)
• Leiterbahnen auf den Oberflächen und in den Innenlagen (falls vorhanden) der Basisplatte.
• Direkte Verbindung der Module untereinander mittels der Kontaktmittel auf der Oberseite der Module mittels Verbindungsmittel.
• Verbindungsmodule

Wird für die Kontaktierung der Module zur Basisplatte SMD – Technik verwendet, können diese nicht in lötfreien Steckplatinen eingesetzt werden.
Auf der Oberseite der Basisplatine im Falle einer lötfreien Steckplatine

• Drahtverbindungen auf Experimentierplatinen durch Stecken
• Direkte Verbindung der Module untereinander mittels der Kontaktmittel auf der Oberseite der Module mittels Verbindungsmittel.
• Verbindungsmodule

Die Belegung der elektrischen Schnittstellen und Versorgungsanschlüsse der Module werden standardisiert, d. h. auf bestimmte Anschlußpunkte der Kontaktmittel festgelegt. Die Verbindung der Module kann als Bussystem ausgelegt werden. Die Module erhalten eine Bedruckung mit der Anschlussbelegung.
Die Kontaktmittel können sowohl in der Nähe der Kanten (5) und (3) sein, als auch in der Nähe der Kanten (2) und (4) in x und y Richtung sein (in 1), wenn kein gemeinsamer Einsatz auf Laborplatinen und Steckplatinen vorgesehen ist. Dann können sie auch aus mehreren parallelen Kontaktreihen bestehen. Die Kontakte liegen nur in x – Richtung und sind einreihig, wenn sie sowohl auf Leiterplatten, wie in 3 gezeigt als auch auf Steckplatinen, wie in 4 gezeigt, eingesetzt werden sollen. Die Positionen der Kontaktmittel müssen nicht unbedingt alle mit Kontakten belegt sein, es sollen jedoch mindestens zwei Kontakte vorhanden sein. Die Ausführungsformen der Kontaktmittel enthalten folgende Möglichkeiten:

Unterseite Modul Oberseite Modul

Stift -

Stift Stift

Stift Buchse

Buchse Buchse

- Stift
Die Kontaktmittel können als SMD oder durchsteckbare Komponenten ausgeführt sein.
Auf den Modulen können sich zusätzlich spezielle Kontaktmittel befinden. Diese dienen zur Verbindung der Schaltungen auf den Modulen des ersten Typs mit anderen Schaltungsteilen oder Modulen des zweiten Typs. Beispiele hierfür können spezielle Kontaktmittel und Verbindungsmittel sein, wie Coax – Kontakte und -Kabel zur Übertragung von HF Signalen, Glasfaser- Steckverbinder und Glasfaserkabel, Steckverbinder und Kabel für Datenübertragungen usw.
Die Befestigung der Module auf der Basisplatine im Falle einer Platine zum löten erfolgt durch das Einlöten der Stifte der Kontaktmittel. Außerdem können die Leiterplatten durch die Löcher (75) mit Hilfe von Abstandhaltern und Befestigungsmitteln befestigt werden. Wenn die Module auf Platine zum löten nicht einglötet werden sollen, können diese auch in auf der Basiplatine befindlichen Kontaktmitteln eingesteckt werden. Die Befestigungsmittel halten dann die Module auf der Basiplatine fest. Zusätzlich zu den Abstandhaltern zu den Löchern (75) können die Abstände der Module von der Basisplatte mit Abstandhaltern, die über die Stifte auf der Unterseite der Module gesteckt werden, eingestellt werden. Wenn die Module auf lötfreien Steckplatinen eingesetzt werden, dienen lediglich die Stifte der Kontaktmittel auf der Unterseite der Module als Befestigung.
Bei entsprechender Auslegung der Kontaktmittel, z. B. auf der Unterseite der Module Stifte und auf der Oberseite Buchsen, können die Module gestapelt werden. Der definierte Abstand zwischen den Modulen wird durch die oben beschriebenen Befestigungsmittel und Abstandhalter erreicht. Die Verbindung der Module kann als Bussystem ausgelegt werden.
Zunächst wird erläutert, wie die Modularität bei den Modulen des ersten Typs definiert ist.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel über die Anordnung von Modulen des ersten Typs in einer allgemeinen Form. Wegen der besseren Übersicht sind alle weiteren Details in dieser Darstellung weggelassen. Ein Koordinatensystem ist in 1 als x und y Koordinate eingezeichnet. Ein Rastermaß ist durch kleine Pünktchen (20) dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Rastermaß RM_x = RM_y = RM, RM_x und RM_y können aber auch unterschiedlich sein.
Alle Module des ersten Typs werden von einem kleinsten Modul abgeleitet. In diesem Fall ist es das Modul (1).
In diesem Beispiel sind die Kontaktmittel in der Nähe der Kanten (5) und (3) angeordnet.
Die Kontaktmittel (6) und (100) von Modul (1) haben eine Anzahl von n Positionen, n = 2,3 ..., die im Rastermaß angeordnet sind. In diesem Beispiel ist n = B. Der Abstand zwischen erstem Kontakt (9) und letztem Kontakt (10) des Kontaktmittels ist daher
Die Kontakte der Kontaktmittel (6) und (100) des kleinsten Modul (1) haben einen Abstand (11) in y-Richtung von m-1 Positionen des Rastermaß RM. In diesem Beispiel ist m = 10, also
Vom kleinsten Modul (1) abgeleitete Module sind Modul (13) und Modul (16). Von Modul (1) können weitere Module abgeleitet werden, diese sind jedoch in 1 nicht eingezeichnet.
In x – Richtung hat der letzte Kontakt (10) des Kontaktmittels (6) des Modul (1) zum ersten Kontakt (21) des Kontaktmittel (22) des Modul (13) einen Abstand (23) A_x. Zwischen diesen Kontakten sind k freie Positionen des Rastermaß, in diesem Beispiel ist also k = 3. Der Abstand A_x ist daher
In y- Richtung haben die Kontakte des Kontaktmittel (100) des kleinsten Moduls (1) von den Kontakten des Kontaktmittel (25) von Modul (15) einen Abstand (26) A_y. Zwischen diesen Kontakten sind also i freie Positionen des Rastermaß, in diesem Beispiel ist also i = 4
Der Absand (26) A_y ist daher:
Das kleinste Modul (1) besitzt einen Rand (7) R_x , R_x < ½ A_x auf den Seiten (2) und (4) und einen Rand R_y (), R_y < ½ A_y auf den Seiten (3) und (5).
Die gesamte Länge Lg_x der Kante (5) des Modul (1) ist Lgx = (n-1)·RM + 2·Rx
Die gesamte Länge Lg_y der Kante (2) des Modul (1) ist Lgy = (m-1)·RM + 2 Ry
Die Abstände A_x, A_y der Module und deren Ränder R_x, R_y sind für alle Module gleich.
Die vom kleinsten Modul (1) abgeleiteten Module, in folgenden Beispiel das Modul (16), werden mittels Multiplikationsfaktoren N in x – Richtung und M in y – Richtung nach folgender Vorschrift erstellt:
Die Länge L'_x (27) zwischen dem ersten Kontakt (17) und dem letzten Kontakt (19) des Kontaktmittels (18) des Modul (16) ist:
Die Länge (14) zwischen den Kontakten des ersten Kontaktmittel (18) und des zweiten Kontaktmittel (29) des Modul (16) ist:
n' ist die Anzahl der Positionen des Kontaktmittels (18) des abgeleiteten Moduls, z. B. Modul (16), in x – Richtung:
m' ist die Anzahl der Positionen des Rastermaß in y – Richtung von Kontaktreihe zu Kontaktreihe inklusive der Kontaktreihen selbst der abgeleiteten Module.
Die Module des ersten Typs können wie in 1 gezeigt in x- und y – Richtung so aneinander gereiht werden, dass es außer den gewünschten Abständen A_x und A_y keinen weiteren Platzverlust gibt.
Das, was in der Beschreibung der Module des ersten Typs gesagt wurde, gilt sinngemäß auch für die Module des zweiten Typs. Hier werden daher nur die Abweichungen zwischen den Modulen des ersten und des zweiten Typs beschrieben.
Die Module des zweiten Typs einer Ausführungsform besitzen einen mechanisch modularen Aufbau, der es gestattet sie in Form eines Baukastensystems in einer Richtungen eines kartesischen Koordinatensystems aneinanderzureihen (siehe z. B. Ausführungsbeispiel in 3). Sie besitzen in y – Richtung die gleichen Abmessungen wie die Module des ersten Typs, in x- Richtung dagegen haben sie eine minimale und maximale Länge. Die Module des zweiten Typs dienen hauptsächlich dazu, die Verbindung mit der Außenwelt herzustellen. Auf den Modulen des zweiten Typs befinden sich daher hauptsächlich MMI – Komponenten, wie Anzeigeelemente, Schalter, Potis usw. sowie Interface – Komponenten wie Steckverbinder, Kontaktklemmen usw. Die Module des zweiten Typs werden hauptsächlich im Randbereich von Leiterplatten und Steckplatinen verwendet.
Die Module des zweiten Typs besitzen daher einen zusätzlichen Rand (4 (72)), der einen Abschluß zu der Vorderkante einer Basisplatte bietet.
Die Kontakte liegen nur in y – Richtung (3), damit die Module des zweiten Typs sowohl auf Platinen zum Einlöten, als auch auf Steckplatinen eingesetzt werden könne. Die Kontaktreihe des Kontaktmittels, welches sich in der Nähe des zusätzlichen Randes befindet, wird so ausgelegt, dass die Kontakte nicht auf der Oberseite der Module des zweiten Typs herausschauen. Dies ist erforderlich, weil sich in dem Bereich dieser Kontaktreiche in der Regel die MMI oder Schnittstellenbauteile befinden. Um dies zu erreichen, können verschiedene Techniken verwendet werden. Die erste Technik besteht darin, das auf der Unterseite der Module des zweiten Typs SMD lötbare Kontakte verwendet werden. Auf der Oberseite der Module des zweiten Typs sollten dann ebenso SMD Bauteile in diesem Bereich eingesetzt werden. Eine zweite Technik besteht in der Verwendung von Einpresskontakten in die Löcher für das Kontaktmittel, die nicht auf die Oberseite durchragen. Eine dritte Technik besteht darin, die Stifte in Lötpaste einzusetzen, die sich in den Löchern für die Kontaktmittel befindet. Das Löten geschieht dann mittels Reflow- oder Infrarot- Laser-Technik. Eine vierte Technik besteht dann, das Stifte mit einem rechteckigen Querschnitt in durchkontaktierte Löcher eingesetzt werden, so dass sie auf der Oberseite der Module des zweiten Typs bündig abschliessen. Die Löcher werden so bemessen, dass die Kontakte nach dem Einsetzen in diesen stecken bleiben. Beim Löten saugt sich dann das zugeführte Lötzinn durch Adhäsionswirkung in den Freiraum zwischen Kontaktstift und Lochwand.
Für die Stapelbarkeit gilt dasselbe wie für die Module des ersten Typs ausgeführt. Die Verbindung der Module kann als Bussystem ausgelegt werden.
An der Seite mit dem erweiterten Rand kann eine modulare Frontblende befestigt werden. Der Abstand der Frontblende kann über entsprechende Befestigungsmittel eingestellt werden. Dies ist erforderlich, damit die Module des zweiten Typs zusammen mit der Frontblende auf unterschiedlichen Basisplatten und Steckplatinen eingesetzt werden können. Die Frontblenden besitzen ausserdem noch Befestigungsmöglichkeiten auf der Basisplatte.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel über die Anordnung von Modulen des ersten Typs und des zweiten Typs in einer allgemeinen Form. Wegen der besseren Übersicht sind alle weiteren Details in dieser Darstellung weggelassen. Die Module des ersten Typs aus 1 sind zusätzlich zu den Modulen des 2. Typs eingezeichnet, um die Beziehung zwischen diesen Modulen zu erläutern. Die Module des 2. Typs sind mit den Bezugszahlen (30), (31) und (32) versehen. Modul (30) besitzt die Kontaktmittel (36) und (37), die beispielhaft als Kontaktstreifen (36) und (37) eingezeichnet sind. Auf dem Modul (30) befindet sich ein Baustein (38). Auf dem Modul (30) können sich noch weitere elektromechanische, elektronische oder mechanische Bauteile befinden, die in 2 jedoch nicht gezeigt sind. Auf der Stirnseite des Modul (30) befindet sich eine Frontblende (45), die mit dem Modul (30) mittels Befestigungsmitteln mechanisch verbunden ist, wobei der Abstand zwischen Frontblende und Modul einstellbar ist. Die Frontblende (45) kann mit einer Basisplatte, auf der sich das Modul (30) befindet, mechanisch verbunden werden. In 2 ist ein weiteres Modul des zweiten Typs (31) gezeigt, mit den Kontaktmitteln (41) und (44), sowie den Bauteilen (39) und der modularen Frontblende (46) für die das oben Gesagte gilt. Analog dazu hat das Modul (32) die Kontaktmittel (42) und (43) und die Frontblende . Allen Modulen gemeinsam ist ein Rand (35), der dazu dient, dass die Module mit der Frontkante einer Basisplatte abschliessen.
Allen Modulen gemeinsam ist, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Kontaktmittel in y – Richtung angeordnet sind. Dies ist erforderlich, damit die Module des zweiten Typs sowohl auf Laborplatinen als auch auf Steckplatinen (lötfrei) eingesetzt werden können. Die Module des zweiten Typs können auch Kontaktmittel in x – Richtung besitzen, allerdings können sie dann nicht mehr auf Steckplatinen (lötfrei) eingesetzt werden. Dies gilt auch dann, wenn die Kontaktmittel mehr als eine Reihe haben.
Die Module des zweiten Typs haben in y – Richtung die gleichen Abmessungen wie die Module des ersten Typs. Die Module des zweiten Typs werden ebenso wie die Module des ersten Typs von einem kleinsten Modul des zweiten Typs, allerdings gilt dies nur für die y – Richtung, abgeleitet.
In 2 sind dies die Module (30) und (31). Ein davon abgeleitetes Modul ist das Modul (32). In x – Richtung haben die Module eine minimale Größe (33) und eine maximale Größe (32), jeweils in Vielfachen des Rastermaß RM (20). Dies ist erforderlich, damit die Module auf Steckplatinen (lötfrei) im Randbereich platziert werden können. Die minimale Größe (33) und eine maximale Größe (32) richtet sich nach der Art der Steckplatinen (lötfrei).
Die Abstände der Module (26) in y – Richtung der zweiten Art entsprechen dem Abstand (26) der Module der ersten Art, wie er weiter oben erläutert wurde.
Die Länge der Blenden der abgeleiteten Module werden ebenfalls von der kleinsten Blende (45) bzw. (46) mit den Längen (48) und (49) mit dem Multiplikationsfaktor M abgeleitet. Die Länge (50) der Frontblende des Modul (32) ist beispielsweise doppelt so lang wie die Blenden (45) und (46), da in diesem Fall M=2 ist.
Dieses Anwendungsbeispiel (Größe und Anordnung auf einer Basisplatte) beschreibt anhand der 3 und 4 den Einsatz derselben Module sowohl auf Laborplatinen (löten) (60) und Steckplatinen (lötfrei) (80) und (81). Der Platzverbrauch auf der Laborplatine soll dabei minimal sein.
3 zeigt den Einsatz der Module auf einer Laborplatine (60). Die Laborplatine ist in diesem Beispiel eine VME – Europlatine mit Löchern und/oder Lötaugen im Rastermaß RM=2,54mm=0,1". Dieses ist in x- und y- Richtung dasselbe. Dieses Beispiel funktioniert auch für doppelte Europlatinen. Für beliebige Größen von Platinen und Steckplatinen muss lediglich die Größe des kleinsten Moduls des ersten Typs, die minimale und maximale Länge der Module des zweiten Typs und die Abstände der Module angepaßt werden. Die Löcher und Lötaugen wurden in 3 wegen der besseren Übersicht weggelassen. Sie befinden sich innerhalb der Keepout Linie (65). Auf der Platine befinden sich die Module des ersten Typs (68), (67), (69), (71) und die Module des zweiten Typs (62), (64), (70). Die Module des ersten Typs (67), (69), (71) sind von dem kleinsten Modul (68) in der Weise wie oben beschrieben abgeleitet. Bei dem hier gezeigten Modul (68) ist n=7, m=7, k=1, i=1.
Die Module des zweiten Typs (62), (64), (70), sind an den Stirnseiten der Platine (60) angeordnet, und zwar so, dass sie mit dem Rand (72) in etwa mit des Stirnseite der Platine (60) abschließen. Bei den Modulen des zweiten Typs (62), (64), (70) wurden noch beispielhaft Bauelemente (63), (65) eingezeichnet. Die Größe und der Abstand der kleinsten Module wurde so gewählt, dass die Frontmodule mit möglichst wenig Raumverlust zwischen die Befestigungslöcher (61) der Printplatte (60) passen. In diesem Beispiel haben die kleinsten Module eine Grösse von 7×7 Kontaktpositionen des Rastermaß RM. Die Module des zweiten Typs haben in x – Richtung der Leiterplatte (60) entweder 8 oder 9 Positionen von RM. Dabei sind 8 Positionen die minimale Größe der Leiterplatte. Diese ergibt sich aus der minimalen Anzahl von Kontaktpositionen, die benötigt werden, damit die Module des zweiten Typs auch auf lötfreie Steckplatinen (80) in 4 gesteckt werden können und zwar in der Art, dass sie mit dem Rand (72) annähernd mit der Kante der Steckplatine (80) abschließen. Die maximale Länge der Module der zweiten Art ergibt sich aus der Forderung, das die Module der ersten Art, die sich zwischen den Modulen der zweiten Art befinden, mit möglichst wenig Platzverbrauch mit dem definierten Abständen aneinander gesetzt werden können. In den Randbereichen der Leiterplatte (60) beleibt noch Platz für Stromversorgungsleitungen (66).
4 zeigt den Einsatz derselben Module wie in 3 auf handelsüblichen lötfreien Steckplatinen. Die Steckplatinen bestehen aus den Steckplatinen Modulen (80) und (81), die in verschiedenen Varianten zusammengefügt werden können, so dass sich eine größere Basisplatte ergibt. Die Kontakte (85) haben eine Abstand RM voneinander sowohl in x- als auch in y- Richtung. Das RM entspricht dem der Laborplatinen. Die Steckplatinen Module (80) und (81) besitzen intern eine Vielzahl von Kontakten (84), die auf eine bestimmte Art elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Steckplatine (81) dient in der Regel zur Stromversorgung, die Kontakte sind daher in x – Richtung miteinander verbunden, wie in 4 gezeigt (82). Die Steckplatine (80) besitzt in diesem Beispiel Gruppen von 5 Kontakten (84), die miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Die übrigen Verbindungen wurden der Übersichthalber nicht eingezeichnet. Die 5-er Gruppen Kontakte der Steckplatine (80) sind jeweils durch einen Freiraum (92) getrennt, welcher 2 nicht mit Kontakten belegte Positionen des RM enthält. Zwischen den Modulen (80) und (81) ist dieser Freiraum (90) 3 RM. Bei anderen Herstellern von Steckboards kommen teilweise andere Freiräume und Gruppen zur Anwendung, die Module können jedoch z. B. bei Steckplatinen mit 6er Gruppen und gleichmässigen Freiräumen von 2 RM eingesetzt werden und Steckplatinen mit 5er Gruppen und Freiräumen von 2 RM.
Die Steckplatinen dienen, wie in 4 gezeigt, zur Aufnahme der Module des ersten Typs (68), (67), (69), (71) und des zweiten Typs (62), (64), (70) so wie zur Aufnahme von Bauelementeanschlüssen von weiteren Bauelementen, die jedoch in 4 nicht eingezeichnet sind. Die Module des ersten Typs müssen dabei maßlich so gestaltet sein, dass jeweils noch eine Reihe Kontakte der Module in den Kontakten der 5-er Gruppe platzt findet und gleichzeitig die Raumaufteilung auf der Platine (60) in 3 optimal wird.
Die Module des zweiten Typs (62), (64), (70) werden in den Randbereich der Steckplatinen platziert, da sie die elektromechanischen Interface Komponenten und die MMI Komponenten enthalten, die eine Verbindung zu Aussenwelt herstellen. Die erste Kontaktreihe der Module des zweiten Typs hat einen Abstand (87) von der Kante der Steckplatine (80), der durch den Rand (72) überbrückt wird, damit die Module in etwa mit dieser Kante abschließen. Der Abstand der ersten Lochreihe der Steckplatinen der einzelnen Hersteller, sowie der Platine (60) kann unterschiedlich sein, differiert jedoch nur um wenige Millimeter. Diese wird durch die Gestaltung der Befestigungsmittel der modularen Frontblende (die in den 3 und 4 nicht eingezeichnet ist, aber weiter oben beschrieben wurde, siehe 2 (45), (46), (47)) ausgeglichen. Die Module des zweiten Typs haben eine minimale Länge (88) und eine maximale Länge (86) zwischen den Kontaktstreifen der Module, die es gestattet, die Module sinnvoll auf der Steckplatine (80) zu platzieren. In diesem Beispiel ist die minimale Länge 7 RM, die maximale Länge ist 10 RM. Die nächsten sinnvollen Längen wären 21 bis 24 RM. Von dem Bereich 7 RM – 10 RM werden allerdings in diesem Beispiel nur der Bereich 7 und 8 RM ausgenutzt, da die Priorität auf eine optimale Raumaufteilung der Leiterplatte (60) gelegt wurde.
Bei geschickter Wahl der Größe des kleinsten Moduls des ersten Typs ist es also möglich, diese und die davon abgeleiteten Module des ersten und des zweiten Typs sowohl auf Leiterplatten zum Löten, als auch auf lötfreien Steckplatinen einzusetzen, und zwar so, dass sich auf der Leiterplatte eine optimale Raumaufteilung ergibt.
Zeichnungen

Claims

Modulsystem zur Entwicklung von elektronischen oder elektromechanischen Funktions- und Labormustern, gekennzeichnet durch – wenigstens ein mittels wenigstens zwei Kontakte (9, 10, 17, 21, 24) aufweisenden Kontaktmitteln (6, 18, 22, 25, 28, 29, 100) auf eine Basisplatte steckbares und wenigstens ein elektronisches und/oder elektromechanisches und/oder mechanisches Bauelement enthaltendes Modul eines ersten Typs (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69), welches derart ausgebildet ist, dass es mit weiteren Modulen des gleichen ersten Typs (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69) in beiden Richtungen eines kartesischen Koordinatensystems (x, y) mit einem definierten Zwischenraum (A_x, A_y, 3, 12) oder ohne Zwischenraum aneinandergereiht werden kann, wobei die Abmessungen (Lg_x, Lg_y, Lg'_x, Lg'_y) der Module des ersten Typs (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69) in den Richtungen des kartesischen Koordinatensystems (x, y) von einem kleinsten Modul des ersten Typs (1, 15, 68) durch Multiplikation (N, M) einer Seitenlänge (Lg_x, Lg_y) und der Zahl der Kontakte (n, m) desselben abgeleitet werden und durch – wenigstens ein mittels wenigstens zwei Kontakte aufweisenden Kontaktmitteln (36, 37, 41, 42, 43, 44) auf die Basisplatte steckbares und wenigstens elektronische Schnittstellenkomponenten und/oder elektromechanische Schnittstellenkomponenten und/oder mechanische Schnittstellenkomponenten und/oder Benutzerschnittstellenkomponenten (38, 39, 65) enthaltendes Modul eines zweiten Typs (30, 31, 32, 62, 64, 70), welches derart ausgebildet ist, dass es mit weiteren Modulen des gleichen zweiten Typs (30, 31, 32, 62, 64, 70) in nur einer Richtung des kartesischen Koordinatensystems (y) mit einem definierten Zwischenraum (A_y, 3, 12) oder ohne Zwischenraum aneinandergereiht werden kann, wobei die Module des zweiten Typs (30, 31, 32, 62, 64, 70) in dieser einen Richtung des kartesischen Koordinatensystems (y) die gleichen Abmessungen (Lg_y, Lg'_y) aufweisen wie die Module des ersten Typs (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69) und wobei die Module des zweiten Typs (30, 31, 32, 62, 64, 70) in der anderen Richtung des kartesischen Koordinatensystems (x) in ihren Abmessungen lediglich durch eine minimale und eine maximale Länge begrenzt sind und dass ein zusätzlicher Rand (72) vorgesehen ist, der einen Abschluss zu einer Kante (45, 46, 47) der Basisplatte bietet.
Modulsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte in einem Raster des kartesischen Koordinatensystems (x, y) Löcher (20) aufweist.
Modulsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte eine Labor- oder Lochrasterplatine, eine Leiterplatte oder eine Prototypen-Steckplatine (80, 81) ist.
Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens eines der Module des ersten Typs (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69) eine elektronische Schaltung, insbesondere einen Mikrocontroller oder ein Mikrocontrollersystem, einen Speicherbaustein, einen elektronischen Schaltkreis, eine Stromversorgung oder einen Verstärker, enthält und/oder dass das wenigstens eine Modul des ersten Typs als ISM-Modul, als GPS-Modul, als GSM-Modul, als GPRS-Modul oder als Funk-Modul ausgebildet ist und dass – wenigstens eines der Module des zweiten Typs (30, 31, 32, 62, 64, 70) Mensch-Maschine-Schnittstellen Komponenten wie Bedien-, Anzeige-, Eingabe- und Ausgabeelemente, insbesondere Tasten, Displays, Anzeigen, LEDs, Tonausgabeelemente, enthält und/oder dass das wenigstens eine Modul des zweiten Typs (30, 31, 32, 62, 64, 70) Steckverbinder oder Schraubverbinder enthält und/oder dass das wenigstens eine Modul des zweiten Typs (30, 31, 32, 62, 64, 70) Leistungstreiber oder ein Bussystem, insbesondere einen I2C Bus oder einen CAN Bus enthält.
Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69, 30, 31, 32, 62, 64, 70) elektrisch miteinander verbindbar sind.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69, 30, 31, 32, 62, 64, 70) jeweils eine Leiterplatte umfassen, auf der die Bauelemente oder Komponenten (38, 39, 65) angeordnet sind.
Modulsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte einen umlaufenden Randbereich aufweist, so dass sie mit einem entsprechenden Greifwerkzeug aus der Basisplatte gezogen werden kann.
Modulsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte auf der Ober- und/oder Unterseite Beschriftungsfelder und/oder eine Bedruckung mit einer Anschlussbelegung aufweist.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69, 30, 31, 32, 62, 64, 70) ein standardisiertes Kontakt- und Verbindungssystem besitzen.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69, 30, 31, 32, 62, 64, 70) ein standardisiertes Befestigungssystem mit standardisierten Befestigungspunkten und standardisierten Befestigungsmitteln (75) besitzen.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69, 30, 31, 32, 62, 64, 70) eine standardisierte Höhe und Höhenbegrenzungen auf Ober- und Unterseite für die Bauelemente bzw. Komponenten besitzen.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module des ersten Typs (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69) Kantenlängen (Lg'_x, Lg'_y) aufweisen, welche nach folgenden Vorschriften berechnet werden: Lg'x = (N·(n+k) – (k+1))RMx + 2Rx, Lg'y = (M·(m+i) – (i+1))RMy + 2Ry, wobei Lg'_x, Lg'_y die Kantenlängen in den beiden Richtungen des kartesischen Koordinatensystems, RM_x, RM_y das Rastermaß in den beiden Richtungen des kartesischen Koordinatensystems, R_x < ½RM_x, R_y < ½RM_y die über den jeweiligen äußeren Kontakt überstehenden fest vorgegebenen konstanten Ränder, n=2, 3, ...=konstant, m=2, 3, ... =konstant die Kantenlängen (Lg_x, Lg_y) des kleinsten Moduls (1) nach den folgenden Vorschriften festlegende ganze Zahlen: Lgx = (n-1)RMx + 2Rx, Lgy = (m-1)RMy + 2Ry,k=0,1, 2..., i=0,1, 2... den jeweiligen Abstand A_x= (k+1)RM_x=konstant bzw. A_y = (i+1)RM_y=konstant benachbarter Module festlegende ganze Zahlen und N=1, 2, 3..., M=1, 2, 3... variable Skalierungs-Faktoren darstellen.
Modulsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (R_x, R_y) in beiden Richtungen des kartesischen Koordinatensystems (x, y) identisch sind.
Modulsystem nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Module des zweiten Typs (30, 31, 32, 62, 64, 70) eine Kantenlänge (Lg'_y) aufweisen, welche nach folgenden Vorschriften berechnet wird: Lg'y = (M·(m+i) – (i+1) )RMy + 2Ry, wobeim=2, 3, ... =konstant die eine Kantenlänge (Lg_y) des kleinsten Moduls (30, 62) nach der folgenden Vorschrift festlegende ganze Zahl: Lgy = (m-1)RMy + 2RY,darstellt.
Modulsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermaß (RM_x, RM_y) in beiden Richtungen des kartesischen Koordinatensystems (x, y) identisch ist.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsmodul vorgesehen ist.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmittel (6, 18, 22, 25, 28, 29, 100) in der Nähe zweier gegenüberliegender Kanten (45, 46, 47) des jeweiligen Moduls (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69, 30, 31, 32, 62, 64, 70) angeordnet sind.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite des Moduls des zweiten Typs (30, 32) eine Frontblende (45, 46) aufweist.
Modulsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontblende (46) modular ausgebildet ist.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite der Module (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69, 30, 31, 32, 62, 64, 70) Kontakte vorgesehen sind.
Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69, 30, 31, 32, 62, 64, 70) stapelbar ausgebildet sind.
Modul eines ersten Typs (1, 13, 15, 16, 67, 68, 69) für ein Modulsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
Modul eines zweiten Typs (30, 31, 32, 62, 64, 70) für ein Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21.