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Die Erfindung betrifft Schalter, die aus der Ferne betätigbar sind und eine erhöhte Lebensdauer aufweisen.
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Schalter, z.B. zum Öffnen und Schließen eines elektrischen Kontakts, können aus der Ferne betätigbar sein. Beim Aktivieren eines solchen Schalters, z.B. beim Schließen eines Kontakts oder beim Öffnen eines elektrischen Kontakts können die dabei zueinander zu verschiebenden Elemente durch Verschweißungen mechanisch miteinander verbunden werden. Eine solche Verbindung wird Kleber genannt und bedeutet im Allgemeinen, dass der Schalter nicht weiter funktionsfähig und auszutauschen ist. Ein zuverlässiges Trennen oder ein zuverlässiges Öffnen des Laststromkreises des Schalters ist dann nicht mehr garantiert.
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Es besteht deshalb der Wunsch nach fernbetätigten Schaltern mit erhöhter Lebensdauer. Insbesondere besteht der Wunsch nach Schaltern mit erhöhter Zuverlässigkeit beim Öffnen oder Schließen des Laststromkreises.
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Dazu wird ein fernbetätigter Schalter gemäß unabhängigem Anspruch 1 angegeben. Zusätzliche Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Schalters, bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen eines Verfahrens zum Betrieb eines Schalters an.
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Der Schalter ist aus der Ferne betätigbar. Er hat einen Laststromkreis mit einem ersten und einem zweiten externen Lastanschluss. Ferner hat der Schalter ein schließendes Element als Teil des Laststromkreises. Zusätzlich hat der Schalter einen Steuerstromkreis, der dazu vorgesehen und geeignet ist, den Laststromkreis zu schließen und zu öffnen. Der Steuerstromkreis hat einen ersten und einen zweiten Steueranschluss. Ferner hat der Schalter einen Öffner. Ein Signal am ersten und am zweiten Steueranschluss ist dazu vorgesehen, eine erste Wirkung am schließenden Element hervorzurufen. Der Öffner ist dazu geeignet, eine zweite Wirkung am schließenden Element hervorzurufen.
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Es ist möglich, dass die erste Wirkung eine am schließenden Element angreifende mechanische Kraft ist. Die zweite Wirkung kann ebenfalls eine am schließenden Element angreifende, zusätzliche mechanische Kraft umfassen.
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Analog zu konventionellen fernbetätigten Schaltern, z.B. Schützen oder Relais, kann der Schalter durch ein Anlegen eines Signals an den beiden Steueranschlüssen des Steuerstromkreises aktiviert werden. Ein Stromfluss durch die zwei Steueranschlüsse kann über einen Elektromagneten das schließende Element mit einem oder mehreren inneren Kontakten des Laststromkreises mechanisch verbinden und dadurch einen elektrischen Kontakt herstellen. Die erste Wirkung des Schalters entspricht somit im Wesentlichen der üblichen Betätigung eines konventionellen Schalters.
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Davon zu unterscheiden ist die zweite Wirkung durch den Öffner. Tritt z.B. ein Schutzkleber (Englisch: stuck) auf, sind zumindest ein innere Kontakt und das schließende Element möglicherweise durch Verschweißung miteinander verbunden, dass übliche Kräfte zum Betätigen des Schalters oder übliche Kräfte, die dazu vorgesehen sind, das schließende Element in seine Ruheposition zu bringen, nicht mehr ausreichend, um die Verbindung zu lösen.
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Es wurde herausgefunden, dass durch die Anwendung einer zusätzlichen Wirkung, z.B. in Form einer zusätzlichen mechanischen Kraft, die Wahrscheinlichkeit einer mechanischen Trennung des inneren Kontakts und des schließenden Elements deutlich erhöht.
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Es ist dabei möglich, dass die erste Wirkung am schließenden Element und die zweite Wirkung am schließenden Element gleichzeitig stattfinden. Alternativ ist es möglich, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder nur die erste Wirkung am schließenden Element oder nur die zweite Wirkung am schließenden Element stattfindet.
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So ist es möglich, dass nach Detektieren eines Klebers die zusätzliche mechanische Kraft gleichzeitig zusammen mit der angreifenden mechanischen Kraft des konventionellen Öffnungsversuchs angreift.
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Ebenso ist es möglich, dass auf das Detektieren eines Klebers hin der konventionelle Öffnungsversuch eingestellt wird und ausschließlich die zusätzliche, zweite Wirkung am schließenden Element angreift.
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Die zusätzliche mechanische Kraft kann dabei eine Stärke und eine Richtung mit einer zeitlichen Abhängigkeit aufweisen. Insbesondere können Stärke und Richtung der zusätzlich mechanisch wirkenden Kraft einen zeitlich periodischen Verlauf aufweisen. Der zeitlich periodische Verlauf der Stärke und der Richtung der zusätzlichen Kraft können so gewählt sein, dass das schließende Element zu einer Schwingung angeregt wird.
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Es ist somit möglich, den Kleber aktiv zu beseitigen, indem das schließende Element im verklebten Zustand mehrfach und abwechselnd eine öffnende Kraft und eine schließende Kraft erfährt. Das schließende Element wird geruckelt, um die Verklebung zu lösen. Durch die dadurch entstehenden Vibrationen ist die Wahrscheinlichkeit, dass insbesondere Verschweißungen kleinerer Flächen mit hoher Wahrscheinlichkeit wieder gelöst werden können.
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Somit wird eine aktive Bekämpfung von Klebern angegeben.
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Ein zeitlich periodischer Verlauf von Stärke und Richtung der zusätzlichen mechanischen Kraft kann zum Beispiel erhalten werden, indem an eine Spule, die das schließende Element bewegen soll, ein Wechselstromsignal angelegt wird.
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Das Wechselstromsignal kann z.B. Frequenzen zwischen 1 und 10 KHz aufweisen. Ein solches Ruckeln oder Klingeln kann für Zeiträume zwischen 100 Millisekunden und 1 Sekunde aufrechterhalten werden. Die dabei abgegebene Energie kann im Intervall zwischen 1 und 10 Watt/Sekunden liegen. Die dabei an der Spule anliegende Spannung kann zwischen 10 und 100 % der üblichen Betriebsspannung der Spule sein.
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Andere als die oben angegebenen harmonischen Anregungen, z.B. Anregungen mit einem Rechtecksignal oder Anregungen mit einem Sägezahnsignal sind ebenfalls möglich.
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Dementsprechend ist es möglich, dass der Schalter eine Spule aufweist, die bei Aktivierung eine Kraft auf das schließende Element ausübt.
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Es ist möglich, dass der fernbetätigbare Schalter einen Sensor zum Detektieren einer Position des schließenden Elements aufweist.
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Solche Positionen können dabei in erster Linie die Position bei einer üblichen geöffneten Stellung oder die Position bei einer üblichen geschlossenen Stellung sein.
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Der Sensor kann dabei einen Mikroschalter umfassen, der so angeordnet ist, dass der Taster des Mikroschalters in der geschlossenen Position gedrückt wird.
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Anstelle eines Mikroschalters kann der fernbetätigbare Schalter auch zwei überlappende Blechkontakte aufweisen, die im geschlossenen Zustand durch einen Stempel zusammengedrückt werden, so dass eine elektrisch leitende Verbindung dazwischen besteht.
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Anstelle eines Mikroschalters oder eines Schalters mit zwei überlappenden Blechkontakten kann der fernbetätigbare Schalter auch über einen magnetischen Sensor, z.B. einen Näherungssensor wie ein Reed-Sensor verfügen. Der magnetische Sensor kann in Abhängigkeit der Stärke eines magnetischen Feldes einen Kontakt öffnen oder schließen. Entsprechend hat der fernbetätigbare Schalter dann auch einen Magneten, um den magnetischen Sensor zu aktivieren. Der Magnet oder der magnetische Sensor kann dabei stationär befestigt sein, während der andere (z. B. der Magnet) mit einem beweglichen Teil des fernbetätigbaren Schalters, z.B. dem schließenden Element, verbunden ist.
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Es ist möglich, dass der fernbetätigbare Schalter ferner einen Energiespeicher als Energiequelle zum Manipulieren des schließenden Elements aufweist.
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Die Energiequelle kann dabei ein Kondensator, ein Akkumulator oder eine Batterie sein.
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Die im Energiespeicher gespeicherte Energie kann dann im Falle eines Klebers dazu verwendet werden, das schließende Element zu einer Schwingung anzuregen.
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Zusätzlich kann der fernbetätigbare Schalter interne Schalter aufweisen, um den Steueranschluss von internen Schaltungselemente zu trennen. Wird die Energie des Energiespeichers dazu verwendet, den Kleber zu lösen, so wird der Energiespeicher z.B. elektrisch leitend direkt oder indirekt mit einem Aktor des Schalters, z.B. einer Spule, verschaltet. Diese Spule ist im Allgemeinen auch mit dem Steueranschluss verbunden, um eine Aktivierung oder Deaktivierung von außen zu erreichen. In diesem Fall wäre der Energiespeicher somit auch mit dem externen Steueranschluss verschaltet. Um nun unerwünschte Wechselwirkungen des Energiespeichers mit einer externen Schaltungsumgebung des fernbetätigbaren Schalters zu vermeiden, trennt der interne Schalter die internen Schaltungselemente des fernbetätigbaren Schalters elektrisch von seiner Schaltungsumgebung.
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Eben dazu ist es möglich, dass der fernbetätigbare Schalter einen oder mehrere interne Schalter zum Abkoppeln des ersten und/oder zweiten Steueranschlusses umfasst.
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Es ist möglich, dass der fernbetätigbare Schalter zusätzlich einen Signalgenerator zum Erzeugen der zusätzlichen mechanischen Kraft umfasst.
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Der Signalgenerator kann dabei ein Generator sein, der aus der Energie des Energiespeichers ein Wechselstromsignal, mit dem die Spule beaufschlagt wird, erzeugt. Ein solcher Generator kann Teil eines DC/AC-DC-Umschalters sein. Der Umschalter schaltet dabei im konventionellen Betrieb in einen DC-DC-Durchgangsbetrieb. Auf das Detektieren eines Klebers hin schaltet der Umschalter in einen AC-DC-Betriebsmodus.
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Es ist möglich, dass der fernbetätigbare Schalter ferner eine Kontrollschaltung umfasst. Die Kontrollschaltung dient zum Regeln und/oder Steuern der zusätzlichen mechanischen Kraft.
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Die Kontrollschaltung kann dabei eine Logikschaltung enthalten. Die Kontrollschaltung kann mit dem Sensor zum Detektieren einer Position des schließenden Elements verschaltet sein. Zusätzlich kann die Kontrollschaltung einen oder mehrere interne Schalter zum Abkoppeln der Steueranschlüsse enthalten. Der Energiespeicher kann ebenfalls Teil der Kontrollschaltung sein. Der Signalgenerator kann ebenfalls Teil der Kontrollschaltung sein. Zusätzlich kann die Kontrollschaltung einen Stromdetektor aufweisen. Über den Stromdetektor kann die Kontrollschaltung erfahren, ob ein externes Signal zum Aktivieren des Schalters an den Steueranschlüssen anliegt. Stellt die Kontrollschaltung fest, dass ein externes Signal zum Schließen des Laststromkreises nicht anliegt aber gleichzeitig das schließende Element in seiner geschlossenen Position verbleibt, so kann die Kontrollschaltung daraus auf das Vorhandensein eines Klebers schließen und die entsprechenden Maßnahmen zum Wiederöffnen des Laststromkreises veranlassen. Eben dazu kann der fernbetätigbare Schalter einen Stromdetektor zum Detektieren eines durch den ersten und/oder zweiten Steueranschluss fließenden Stroms umfassen.
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Entsprechend dem oben Beschriebenen ist es möglich, dass der fernbetätigbare Schalter ein Schütz oder ein Relais ist.
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Entsprechend ist es möglich, dass die zusätzliche mechanische Kraft dazu vorgesehen ist, einen Kleber des schließenden Elements zu lösen.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine zusätzliche mechanische Kraft dazu dienen, während eines Öffnungsprozesses oder während eines Schließprozesses die zweite Wirkung zu aktiveren, um so gegen Mikroverschweißungen präventiv vorzugehen.
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Das präventive Aktivieren der Maßnahmen gegen Mikroverschweißungen kann regelmäßig beim jeden n-ten Aktivierungsprozess des fernbetätigbaren Schalters erfolgen, wobei n 1, 10, 100, 1000 oder mehr betragen kann. Die Zahl der Aktivierungen des fernbetätigbaren Schalters kann dabei in einer Speicherzelle einer Logikschaltung gespeichert sein und bei einem entsprechenden Löseprozess wieder auf null gesetzt werden.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines fernbetätigbaren Schalters mit einem schließenden Element umfasst den Schritt des Hervorrufens einer zusätzlichen mechanischen Kraft, die auf das schließende Element wirkt. Der Begriff „zusätzliche“ mechanische Kraft ist dabei gewählt, um die mechanische Kraft von der mechanischen Kraft eines konventionellen Aktivierungsprozesses zu unterscheiden. Die Kraft des konventionellen Betätigens und die zusätzliche Kraft können gleichzeitig oder nacheinander wirken.
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Es ist möglich, dass die zusätzliche mechanische Kraft nach dem Detektieren eines Klebers, während eines Öffnungsprozesses und/oder während eines Schließprozesses durchgeführt wird.
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Es ist möglich, dass die Richtung und/oder die Stärke der zusätzlichen Kraft eine zeitliche Abhängigkeit hat.
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Es ist möglich und bevorzugt, dass die zusätzliche mechanische Kraft das schließende Element zu einer Schwingung anregt.
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Ein solcher fernbetätigbarer Schalter kann z.B. zum Öffnen oder Trennen von Batteriestromkreisen in Kraftfahrzeugen (z.B. sogenannten Hybrid Electric Vehicles, Plug-in-Hybrid Electric Vehicles, Battery Electric Vehicles und dergleichen) in Frage kommen.
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Es ist möglich, dass der fernbetätigbare Schalter sowohl den Pluskontakt als auch den Minuskontakt der Batterie von übrigen Schaltungskomponenten des Fahrzeugs trennt.
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Dazu kann der fernbetätigbare Schalter ein zweites schließendes Element aufweisen. Während das oben beschriebene schließende Element einen Kontakt zwischen einem ersten und einem zweiten externen Lastanschluss herstellen kann, kann das zweite schließende Element einen elektrischen Kontakt zwischen einem dritten und einem vierten externen Lastanschluss herstellen. Das schließende Element und das zweite schließende Element können dabei vom selben Aktor angetrieben und über die gleichen oben beschriebenen Mittel gegen Kleber geschützt werden.
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Der fernbetätigbare Schalter kann einen Statusanschluss aufweisen, an dem der Status des Schalters (z.B. offen, geschlossen, gestört) an eine externe Schaltungsumgebung übermittelt werden kann.
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Elektrische Schaltungskomponenten zum Lösen eines Klebers können in einem externen Modul außerhalb eines Gehäuses des Schalters angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, dass einige oder alle Schaltungskomponenten zum Lösen eines Klebers im Gehäuse des Schalters enthalten sind.
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Zentrale Aspekte und Funktionsprinzipien sowie Details konkreter Ausführungsform sind in den schematischen Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: mechanische und elektrische Komponenten eines fernbetätigbaren Schalters FBS.
- 2: ein Ersatzschaltbild mit einer Kontrollschaltung, die eine Logikschaltung aufweist.
- 3: ein Ersatzschaltbild mit zusätzlichen Schaltungskomponenten:
- 4: die Möglichkeit, alle Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen.
- 5: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen fernbetätigbaren Schalters.
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1 zeigt einen fernbetätigbaren Schalters FBS, bei dem ein schließendes Element SE, z.B. eine Brücke B, bei Aktivieren des Schalters einen ersten externen Lastanschluss ELA1 mit einem zweiten externen Lastanschluss ELA2 elektrisch leitend verbindet. Dazu wird das schließende Element SE durch eine magnetische Wechselwirkung zwischen einer Spule SP und einer Schubstange ST gegen innere Kontakte IK der externen Lastanschlüsse ELA1, ELA2 gedrückt. Z.B. durch die Wirkung einer Rückstellfeder (nicht gezeigt) kann das schließende Element SE bei Ausbleiben eines Aktivierungssignals von den inneren Kontakte EK zurückgezogen werden, um den externe Lastanschluss wieder zu öffnen.
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Der fernbetätigbare Schalter hat einen ersten Steueranschluss SA1 und einen zweiten Steueranschluss SA2. Durch Anlegen eines Signals, z.B. eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung an die beiden Steueranschlüsse SA1, SA2 wird die Spule SP im Allgemeinen aktiviert. Zwischen den Steueranschlüssen und der Spule ist ein Öffner OE verschaltet, der gegebenenfalls über zusätzliche Einwirkungen auf die Spule SP im Falle eines Klebers oder präventiv Einfluss auf das schließende Element SE ausübt. Ist das schließende Element SE beispielsweise durch Mikroverschweißungen mit den inneren Kontakten IK verbunden, so dass übliche Rückstellekräfte eine Trennung des schließenden Elements und der inneren Kontakte nicht mehr ermöglichen können, so unterstützt der Öffner OE, z.B. durch ein „Klingeln“ des schließenden Elements SE, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Unterbrechung der externeren Kontakte des Leistungsschaltkreises stark erhöht ist.
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Mechanisch mit dem schließenden Element SE ist ein Signalgeber SG, z.B. ein Arm, verbunden. Über den Signalgeber SG kann die Position, d.h. der Schaltzustand des schließenden Elements SE, dem Öffner OE mitgeteilt werden.
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Der Öffner erhöht die Wahrscheinlichkeit, den fernbetätigbaren Schalter FBS wieder zu normaler Tätigkeit zu bewegen, erheblich, so dass der fernbetätigbare Schalter weiterhin funktionsfähig bleibt und nicht ersetzt werden muss.
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2 zeigt eine Version eines Öffners OE, der eine Kontrollschaltung KS aufweist. Die Kontrollschaltung ihrerseits hat eine Logikschaltung LS und einen Stromdetektor SD sowie einen internen Schalter SW1. Der Öffner OE hat einen zweiten internen Schalter SW2. Der zweite interne Schalter SW2 wird durch den Signalgeber SG betätigt. Zum Beispiel durch Schließen eines Stromkreises wenn das schließende Element in einer aktivierten Position ist, kann eben diese Position der Logikschaltung LS mitgeteilt werden. Der erste interne Schalter SW1 ist im Allgemeinen in einem Schaltzustand so, dass die Spule SP mit den Steueranschlüssen SA1, SA2 verschaltet ist. Über die Steueranschlüsse SA1, SA2 wird die Spule aktiviert. Über den Stromdetektor SD weist die Logikschaltung LS, ob an den Steueranschlüssen ein Signal zum Aktivieren des fernbetätigbaren Schalters FBS anliegt. Verschwindet ein Signal an den Steueranschlüssen SA1, SA2 aber verbleibt das schließende Element SE in einer Position so, dass der zweite interne Schalter SW2 geschlossen bleibt, so kann die Logikschaltung LS auf das Vorliegen eines gestörten Zustands schließen und Gegenmaßnahmen einleiten. Dazu wird der erste interne Schalter SW1 geöffnet, um die Steueranschlüssen SA1, SA2 von den internen Schaltungskomponenten des fernbetätigbaren Schalters zu trennen. Die zweite Wirkung auf das schließende Element, z.B. eine durch die Spule erzeugte harmonische Schwingung veranlasst durch die Logikschaltung LS wird Mikroverschweißungen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit wieder lösen, so dass der fernbetätigbare Schalter FBS wieder wie gehabt verwendet werden kann.
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Der Status des fernbetätigbaren Schalters kann über einen Statusanschluss STA an eine externe Schaltungsumgebung mitgeteilt werden.
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3 zeigt die Möglichkeit, einen Energiespeicher ES und einen Signalgenerator GE als Teile der Kontrollschaltung KS vorzusehen. Der Energiespeicher ES dient als Energiequelle während keine Energieversorgung über die abgekoppelten Steueranschlüsse SA1, SA2 möglich ist. Der Signalgenerator GE erzeugt ein Signal, das geeignet ist, das schließende Element von den internen Kontakten zu trennen. Vorzugsweise ist das vom Signalgenerator GE zur Verfügung gestelltes Signal ein zeitlich periodisches Signal, insbesondere ein harmonisches Signal.
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Die mechanischen Komponenten des fernbetätigbaren Schalters FBS können in einem Gehäuse G angeordnet sein. Zusätzliche Schaltungskomponenten, z.B. der Kontrollschaltung, können außerhalb des Gehäuses G angeordnet sein. Vorzugsweise ist der zweite interne Schalter des Öffners OE ebenfalls im Gehäuse G angeordnet.
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Alternativ dazu zeigt 4 die Möglichkeit, alle mechanischen und alle elektrischen Schaltungskomponenten an oder im Gehäuse G anzuordnen.
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5 illustriert eine perspektivische Ansicht eines Schnittmodels eines fernbetätigbaren Schalters FBS. Zwei äußere Kontakte AK stellen die externen Kontakte des Lastanschlusses ELA dar. Um einen Spulenkern SK sind eine oder mehrere Wicklungen der Spule (nicht gezeigt) gewickelt. Über die Schubstange ST wird das schließende Element, hier in Form einer Brücke B, gegen die inneren Kontakte IK gedrückt, wenn der Schalter FBS aktiviert wird.
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Der fernbetätigbare Schalter ist dabei nicht auf die gezeigten technischen Maßnahmen beschränkt. Schalter mit zusätzlichen Spulen, Anschlüssen, Kontrollschaltungen und dergleichen sind ebenfalls möglich.
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Bezugszeichenliste
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- AK:
- äußerer Kontakt
- B:
- Brücke
- ELA1, ELA2:
- erster, zweiter externer Lastanschluss
- ES:
- Energiespeicher
- FBS:
- fernbetätigbarer Schalter
- G:
- Gehäuse
- GE:
- Signalgenerator
- IK:
- innerer Kontakt
- KS:
- Kontrollschaltung
- LS:
- Logikschaltung
- OE:
- Öffner
- SA1, SA2:
- erster, zweiter Steueranschluss
- SD:
- Stromdetektor
- SE:
- schließendes Element
- SG:
- Signalgeber
- SP:
- Spule
- ST:
- Schubstange
- STA:
- Statusanschluss
- SW1, SW2:
- erster, zweiter interner Schalter
