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Elektrischer Schalter
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schalter, insbesondere
zur Nockenbetätigung, mit einer Leiterplatte.
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Besonders bei Mehrfach-Schaltern ist es wünschenswert, im Zuge einer
rationellen Fertigung eine Leiterplatte einzusetzen. Solche Mehrfach-Schalter sind
beispielsweise durch die CH-PSen 512 815, 513 459 und 513 460 bekannt. Die bekannten
Schalter weisen ein Gehäuse auf,
das mittels einer Leiterplatte
als Gehäusedeckel geschlossen ist. Die Kontaktbrücken der Schalter arbeiten gegen
die Leiterplatte und werden - gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Schalthebels
- von einer Nockenscheibe oder -walze betätigt. Bei den bekannten Schaltern wird
je nach Bauart eine bis zu 20-fache Kraft des Kontaktdruckes benötigt, um den Kontakt
zu schließen: dieses ungünstige Kraft/Weg-Verhältnis hat neben hohem Kraftaufwand
einen großen mechanischen Verschleiß der Teile und damit eine Herabsetzung der Lebensdauer
zur Folge, Schaltgenauigkeit und Schaltsicherheit sind gering und über die Zeit
mit großen Abweichungen behaftet. Die bekannten Schalter neigen zum Prellen, nicht
zuletzt aus diesem Grunde stellt sich große Kontaktabnützung ein, weshalb man das
Kontaktmaterial in großer Stärke verwenden muß. Durch das Prellen verursachte Schaltfunken
führen zu großer Rußablagerung auf dem Kontaktmaterial, was unsichere Kontaktgabe
zur Folge hat und zu Spannungsüberschlägen führt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Schalter
mit einem günstigeren Kraft/Weg-Verhältnis zu schaffen, mit dem bei geringerem Verschleiß
der Bauteile eine größere Schaltgenauigkeit und Schaltsicherheit als bei bekannten
Schaltern erreichbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Hauptanspruch aufgeführten
Merkmale gelöst.
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Der Schalter nach der Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die
Vorteile auf, daß auf Grund eines sehr günstigen Kraft/Weg-Verhältnisses eine kaum
meßbare Abnützung der Reibstellen - selbst nach längerem Betrieb - stattfindet;
mit einem Musterschalter wurden bereits 100.000 Schaltungen unter Strombelastung
durchgeführt, die Abnützung war minimal. Dies bedeutet eine sehr hohe Lebensdauer
des Schalters. Durch einen gleichmäßigen Kontaktdruck während des Betriebes durch
eine günstige Federcharakteristik der verwendeten Federmittel ist eine hohe Schaltsicherheit
erreichbar. Die einzelnen Bauteile des Schalters sind robust gestaltet, wodurch
selbst bei Handhabung als Schüttgut die Teile in der Fertigung nicht beschädigt
werden können. Durch die Wahl großer Kontaktabstände bei kleinen Schaltwegen ergeben
sich günstige Toleranzverhältnisse; hierdurch treten keine Kosten in Verbindung
mit Justier- und Prüfkosten auf.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels Zeichnungen
erläutert. Es zeigen Fig. 1 in perspektivischer Ansicht und teilweise geschnitten
einen elektrischen Mehrfach-Schalter, bei dem jeder Einzelschalter als Umschalter
aufgebaut ist, Fig. 2 ebenfalls in perspektivischer Ansicht und teilweise geschnitten
einen anderen Mehrfach-Schalter, bei dem jeder Einzelschalter als Umschalter in
Kombination mit einem AUS-Schalter kombiniert ist, Fig. 3 einen Schnitt durch einen
Einzel schalter mit einer geschlossenen Kontaktbrücke und einem Nocken zur Betätigung
eines Schalthebels, Fig. 4 einen Schnitt durch eine ähnliche Anordnung wie in Fig.
3, wobei sich die Kontaktbrücke aber in geöffneter Stellung befindet, Fig. 5 einen
Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Einzelschalters mit geschlossener
Kontaktbrücke, Fig. 6 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig, 5,
jedoch mit geöffneter Kontaktbrücke,
Fig. 7 einen Schnitt durch
ein anderes Ausführungsbeispiel eines Einzel schalters mit einer ersten Kontaktbrücke
für einen Umschalter und einer zweiten Kontaktbrücke, die von der ersten Kontaktbrücke
mit betätigbar ist, wobei der Schalthebel von einem Nocken nicht ausgelenkt ist,
Fig. 8 die gleiche Anordnung wie in Fig. 7, wobei jedoch der Schalthebel um eine
Stufe von dem Nocken angehoben und die erste Kontaktbrücke geöffnet wurde, Fig0
9 das gleiche Ausführungsbeispiel wie in Fig. 7, wobei jedoch der Schalthebel 11
von dem Nocken um eine zweite Stufe ausgelenkt ist, wodurch die erste Kontaktbrücke
zur Anlage an die zweite Kontaktbrücke kommt, Fig. 10 das gleiche Ausführungsbeispiel
wie in Fig. 7, wobei aber der Schalthebel von dem Nocken um eine dritte Stufe angehoben
wurde und dadurch die erste Kontaktbrücke soweit ausgelenkt hat, daß sie zusammen
mit der zweiten Kontaktbrücke einen Kontakt auf der Leiterplatte schließt.
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Ein Nockenschalter 1 (Fig. 1) besteht aus einem Gehäuse 4, das mittels
verschiedener Seitenwände 5, 6 in eine Anzahl Kammern aufgeteilt ist. In jeder der
Kammern ist ein Einzel schalter vorhanden. Das Gehäuse 4 ist mit einer als Deckel
dienenden Leiterplatte 2 geschlossen, die auf ihrer Innenseite aus der Zeichnung
nicht ersichtliche Leiterbahnen trägt, und die zweckmäßigerweise Steckanschlüsse
3 aufweisen kann, auf die Steckverbinder aufgesteckt werden.
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Ein solcher Mehrfach-Schalter wird beispielsweise für Programm-Schalter
verwendet, die ihrerseits für Wasch-oder Geschirrspülmaschinen Verwendung finden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Mehrfach-Schalter beschränkt, es können
ebenso Einzelschalter zur Anwendung kommen.
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In jeder der durch die erwähnten Seitenwände 5, 6 gebildeten Kammern
für die Einzelschalter ist ein kompletter Schalter vorhanden, der beim Ausführungsbeispiel
mit einem Schalthebel 11 ausgestattet ist, dessen Abtastnase 12 durch einen Durchbruch
15 im Gehäuse 4 hindurchragt und dort ein in der Zeichnung nicht dargestelStes Nockenprofil
abtastet. Der Abtasthebel 11 trägt seitliche Zapfen 13, die in den Seitenwänden
5, 6 gelagert sind. Der Schalthebel 11 trägt eine Kontaktbrücke 7, die
sich
zum einen am Schalthebel 11 und zum anderen an einer Rolle abstützt, die ihrerseits
auf der Leiterplatte 2 gelagert ist und dort auf einem Abschnitt einer Leiterbahn
abrollen kann. Zwischen dem Schalthebel 11 und dem Gehäuse 4 ist eine Flachfeder
14 eingespannt, die den Schalthebel 11 und die Kontaktbrücke 7 in der in Fig. 1
gezeigten Lage hält.
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In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Mehrfach-Schalters
gezeigt, wobei das Gehäuse 4 und die Leiterplatte 2 so aufgeschnitten sind, daß
nur eine einzige Kammer mit einem Schalter sichtbar ist. Man erkennt daraus, daß
neben der ersten Kontaktbrücke 7 eine zweite Kontaktbrücke 16 vorhanden ist, die
unter den Druck einer Druckfeder 18 steht und ebenfalls auf einer Rolle 17 gelagert
ist, die sich ihrerseits auf der Leiterplatte 2 abstützt. Die Funktion dieses Schalters
gemäß Fig. 2 wird anhand der Fig. 7 bis 10 weiter unten noch näher beschrieben werden.
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Aus Fig. 3 ist ein Schalter ersichtlich, der aus einem Gehäuse 20,
einen Schalthebel 21, einer Flachfeder 25 und einer Kontaktbrücke 24 besteht, die
über eine Rolle 23 kippen kann, die sich ihrerseits an einer das Gehäuse schließenden
Leiterplatte 19 abstützt. Die den Schalthebel 21 führenden Zapfen 22 zu beiden Seiten
des
Schalthebels 21 liegen etwa in einer Linie mit der Rolle 23.
Der Schalthebel 21 umgreift mit zwei Fingern die Kontaktbrücke 24, die Flachfeder
25 hält den Schalthebel 21 in seiner Endstellung, in der seine Abtastnase 28 am
weitesten durch den Durchbruch 29 in dem Gehäuse 20 hindurchragt. In dieser Stellung
ist die Kontaktbrücke 24 geschlossen, d.h. sie schließt eine Stromkreis zwischen
der Rolle 23 und ihrem freien Ende, an dem ein Kontaktniet zu sehen ist.
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Wenn ein Nocken 26 den Schalthebel 21 um eine Stufe anhebt (Fig. 4)
dann wird die Kontaktbrücke 24 unter Zusammendruickung der Flachfeder 25 so verschwenkt,
daß der Durch si.e vorher geschlossene Stromkreis geöffnet wird.
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Sowohl beim Öffnungs- als auch beim Schließvorgang bewirken die beiden,
die Kontaktbrücke 24 an zwei Stellen berührenden Vorsprünge am Schalthebel 21 eine
zwangsweise Öffnung des eventuell verschweißten Kontaktniets an der Kontaktbrücke
24, sofern der Nocken 26 in Richtung eines Pfeiles 27 bewegt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 liegt der Kontaktniet
am freien Ende der Kontaktbrücke 24 auf der Seite der Flachfeder 25.
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Im Gegensatz hierzu ist die Kontaktbrücke 42 so eingelegt, daß der
an ihrem freien Ende angebrachte Kontaktniet auf der Seite der Abtastnase 39 liegt,
die durch den Durchbruch 38 im Gehäuse 36 hindurchgreift.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Schalthebel 37 durch
seitliche Zapfen 40 geführt, die in Seitenwänden einer jeden Schalterkammer gelagert
sind. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel stützt sich die Kontaktbrücke 42 über
eine Rolle 41 an der Leiterplatte 35 ab und stellt einen galvanischen Kontakt mit
Leiterbahnen 45 her. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt kein zwangsweises Öffnen
eines eventuell verschweißten Kontaktes, eine Öffnung kann nur durch die Kraft der
Flachfeder 44 erfolgen.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel liegen Rolle 41 und Zapfen 40
etwa in einer Linie, was zu einem sehr günstigen Kraft/Weg-Verhältnis führt. Zur
Betätigung dieser Schalter ist nur eine Kraft notwendig, die etwa 10 % über dem
Kontaktdruck liegt.
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Beim Schaltzustand gemäß Fig. 5 ist die Kontaktbrücke 42 geschlossen,
wobei der Schalthebel 37 von dem in Richtung eines Pfeiles 47 sich bewegenden Nocken
46 angehoben wurde. Befindet sich die Abtastnase 39 des Schalt-
hebels
37 aber auf einer tieferen Stufe des Nockens 46, aann ist die Schaltbrücke 42 geöffnet
(Fig. 6).
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anhand der rnig. 7 bis 10 wird ein anderes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Schalters beschrieben, zas sic Zt der Darstellung gemäß Fig. 2
deckt. Es sind verschider Schaltzustände möglich. Beim Schaltzustand wach Fig. 7
befindet sich die Abtastnase 12 des Schalthebels 1 auf einer tiefen Stufe des Nockens
51, der in Richtung eines Pfeiles 52 bewegt wird. In dieser Stellung ist die Kontaktbrücke
7 mit ihrem in der Zeichnung links liegenden, freien Ende geschlossen, da sie einen
auf der Leiterplatte 2 befestigten und mit einer Leiterbahn 50 galvanisch verbundenen
Kontaktniet berührt.
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Bei der Schaltstellung gemäß Fig. 8 hat der Nocken 51 die Abtastnase
12 des Schalthebels 11 auf die nächst höhere Stufe angehoben, wodurch die Kontaktbrücke
7 geöffnet wurde. Alle Kontakte sind offen. Bei weiterem Anheben der Abtastnase
12 des Schalthebels 11 (Fig. 9) kommt das in der Zeichnung rechts liegende Ende
der Kontaktbrücke 7 in galvanische Verbindung mit der zweiten Kontaktbrücke 16,
die ihrerseits ebenfalls über eine Rolle 17 auf einer Leiterbahn der Leiterplatte
2 gelagert ist. In dieser Schaltstellung ist die Druckfeder 18 ganz leicht zusammengedrückt
worden. Bei weiterem Anheben der
Abtastnase 12 des Schalthebels
11 durch den Nocken 51 wird die zweite Kontaktbrücke 16 durch die weiter verschwenkende
erste Kontaktbrücke 7 verschwenkt und kommt zur Anlage an einem auf der Leiterplatte
2 angebrachten Kontaktniet, es kommt jetzt zu einer galvanischen Verbindung von
der Leiterbahn 50 über die Rolle 9, die erste Kontaktbrücke 7, die zweite Kontaktbrücke
16 zu einer anderen Leiterbahn auf der Leiterplatte 2. Hierbei ist die Druckfeder
18 weiter zusammengedrückt worden, und auch die Flachfeder 14 ist weiter zusammengedrückt.
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Der Stromkreis umfaßt bei dieser Schaltstellung auch noch die Rolle
17 und eine weitere Leiterbahn, auf der die Rolle 17 gelagert ist.
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Es genügt auch, wenn an dem Schalthebel 11, 21, 37 nur auf einer Seite
ein Zapfen 13, 22, 40 zur Führung des Schalthebels vorhanden ist.
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Die Abtastnase 12, 28, 39 weist eine sehr steile Auflauffläche auf,
die nahezu parallel zu den senkrechten Auflaufflächen des Nockens 26, 46, 51 verläuft.
Der Ausdruck "nahezu" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die beiden Flächen, also
die Auflauffläche der Abtastnase und die Auflaufflächen des Nockens bei einem Laborversuch
um etwa 7 Grad gegeneinander geneigt waren, was zu sehr guten Ergebnissen führte.
Durch die steile Auflauffläche der Abtastnase werden kleine und genaue Schaltwege
erreicht. Die sich auf der Rückseite der Abtastnase befindliche Ablauffläche ist
gewölbt, d.h. der Schalthebel 11, 21, 37 geht langsam in seine durch die entspannte
Flachfeder 14, 25, 44 definierte Ausgangslage zurück, wenn er von dem Nocken 26,
51 entlastet wird; ein Prellen der Kontakte wird hierdurch zuverlässig vermieden.
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Das freie Ende bisher bekannter Abtastnasen war gerundet, um Materialverschleiß
zu vermeiden. Bei dem Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwischen der
Auflauf-und der Ablauffläche eine yeradlinige Kante vorgesehen, die die Genauigkeit
des Schaltpunktes außerordentlich stark erhöht. Durch die - im Schnitt gesehen -
spitze Ausbildung des freien Endes der Abtastnase ist der Schaltpunkt eindeutig
definiert.
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Die Flachfeder 14, 25, 44 ist in der Nähe des Drehpunktes von Schalthebel
11, 21, 37 und Kontaktbrücke 7, 8, 42, 24 zwischen dem Gehäuse 4, 20, 36 und dem
Schalthebel eingespannt. Hierdurch entsteht kaum ein wahrnehmbarer Federweg, wodurch
keinerlei Ermüdung der Flachfeder auftreten kann.
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Durch günstige Anordnung der Rolle 9, 'v, 23, 41 in Bezug auf den
Drehpunkt des Schalthebels sowie auf Grund der Anordnung der Flachfeder, die nahe
am Drehpunkt des Schalthebels angreift, ist der Federdruck im Bereich der Rolle
sehr groß, im Bereich der Abtastnase jedoch sehr klein.
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Der auf der Seite der Abtastnase befindliche Kontakt der Kontaktbrücke
7, 8, 42 ist selbstreinigend, da die Kontaktbrücke beim Schalten gegenüber der Leiterplatte
leicht verschoben wird; dies ist wichtig, da dieser Kontakt schleichend schließt.
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Die auf Seite 3 erwähnten 100.000 Testschaltungen wurden mit einer
ohmschen Belastung von 16 A durchgeführt.
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Anstatt einer metallischen Flachfeder 14, 15, 44 kann auch eine Feder
verwendet werden, die Bestandteil des aus Kunststoff hergestellten Gehäuses 4, 20,
36 ist.