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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein elektrische Steckverbinder für elektronische
Geräte.
Im einzelnen betrifft die Erfindung elektrische Kontakte zur Verwendung
in elektrischen Steckverbindern, um das Erzeugen von inneren Störsignalen
beim Anschließen
des Steckverbinders zu verhindern.
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BESCHREIBUNG
DES TECHNISCHEN STANDS
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Elektrische
Steckverbinder zur Verwendung mit elektronischen Peripheriegeräten sind
auf dem Gebiet gut bekannt. Ein immer wieder auftretendes Problem
mit vielen Steckverbindern des bekannten technischen Stands ist
das Erzeugen von inneren Störsignalen
beim Anschließen
eines elektronischen Peripheriegeräts an ein elektronisches System,
das bereits unter Strom gesetzt ist. Der Steckverbinder kann einen
Spannungsimpuls in das unter Strom gesetzte elektronische System
induzieren. Der Spannungsimpuls kann sich durch das elektronische
System bewegen und dadurch innere Störfehler in das System einführen. Dieses
Problem ist auf dem Gebiet als das Problem des „heißen Steckers" bekannt.
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Dieser
Zustand, der Fehler in elektronischen Systemen verursacht, ergibt
sich aus den sehr hohen Datenübertragungsgeschwindigkeiten
und der sehr niedrigen Energie der Signale innerhalb der Systeme.
Die Eingangskapazität
des Steckverbinders, der gedruckten Leiterplattenleiter und die
Gerätekapazität der integrierten
Pufferschaltkreisgeräte
sind die Grundlage des Problems. Vom Systembus muß Energie
fließen,
um diese Eingangskapazität
zu laden (allgemein einige zehn Picofarad). Wenn die Energie von
Systembus weggenommen wird, ereignet sich ein Spannungsimpuls zu
einem benachbarten Gerät auf
dem Bus, wodurch Fehler im System erzeugt werden. Der Spannungsimpuls
mag nicht größer sein als
normale Signale, so daß kein
neues Strahlungsrauschproblem eingeführt wird. Er kann jedoch bewirken,
daß Daten
unrichtig übertragen
werden. Dementsprechend sind die Verbindungen selbst ein großer Teil
des Problems. Dieses Problem ist allgemein, da es sowohl digitale
als auch analoge elektronische Geräte betrifft.
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Der
bekannte technische Stand ist dem Problem des „heißen Steckers" allgemein durch
Anwendung von logischen und Zeitsteuerungsschaltungen, wie beispielsweise
derjenigen, die im US-Patent Nr. 4245270 offengelegt wird, begegnet,
um die Spannung innerhalb der Verbindungsleitung langsam hochzufahren.
Das Bereitstellen der zusätzlichen Schalttechnik
ist jedoch kompliziert und aufwendig.
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Viele
Schaltungsschemen erfordern, daß bestimmte
Abschnitte des Steckverbinders vor anderen Abschnitten oder in einer
bestimmten Abfolge angeschlossen werden. Zum Beispiel legt das US-Patent Nr.
4079440 in Bezug auf Leistungsanwendungen eine Leiterplatte offen,
die zwei Verbindungsstecker mit unterschiedlichen Längen hat.
Der längere
Verbindungsstecker stellt vor dem kürzeren Stecker einen anfänglichen
Kontakt mit einer Stromleitung her, was das Auftreten von Stromstößen verringert.
Dieses Schema erfordert für
einen richtigen Betrieb jedoch manuelle Geschicklichkeit und eine
spezifische Einführungs-
und Entfernungszeitsteuerung.
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Eine
im US-Patent Nr. 4747783 offengelegte Steckverbinderbaugruppe versucht,
die Zeitsteuerungs- und Regelungsschalttechnik für Leistungsanwendungen zu beseitigen.
Diese Steckverbinderbaugruppe verwendet einen langen Stift in dem „Stecker", um zuerst einen
Kontakt mit seiner passenden „Buchse" herzustellen, um
die Spannung an der Buchse allmählich
zu steigern, bis der gesamte Stecker einen Anschlußkontakt
mit der Buchse herstellt. Der Stecker umfaßt einen Stift mit einem dünnen Isoliermaterial,
das die Oberfläche
umhüllt,
und einem dünnen
Material mit einem niedrigen Widerstand, welches das Isoliermaterial
umhüllt.
Wenn der Stecker einen anfänglichen
Kontakt mit der Buchse herstellt, muß der Strom durch den Widerstandsabschnitt
des Steckers hindurchgehen. Dies ermöglicht, daß die elektronischen Bauteile
im Peripheriegerät allmählich geladen
werden, und beseitigt die Stromstöße, die sich ergeben können.
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Diese
Vorrichtung ist aus mehreren Gründen nicht
wünschenswert.
Erstens erfordert sie die Verwendung von mehreren Kontakten unterschiedlicher Längen, wodurch
Probleme der manuellen Geschicklichkeit entstehen. Zweitens ist,
obwohl der niedrige Widerstand (d.h., 2 bis 60 Ohm) ausreicht, um
Stromstöße in Energieleitungen
zu beseitigen, er nicht ausreichend, um zu verhindern, daß der Spannungsimpuls
in das elektronische System eingeleitet wird. Außerdem führt die dünne Lage von Material mit einem niedrigen
Widerstand, welche die dünne
Lage von Isoliermaterial umhüllt,
ein zusätzliches
Problem in die Verbindung zwischen dem Peripheriegerät und dem
elektronischen System ein: die Kurzschlußkapazität. Wie es zuvor erläutert wurde,
ist Kapazität
in einem Steckverbinder unerwünscht.
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Es
wäre wünschenswert,
eine Signal-Steckverbinderbaugruppe bereitzustellen, die bei einem heißen Stecker
keine Fehler in ein elektronisches System einführen würde.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Steckkontakt mit einem Abschnitt
mit einem hohen Widerstand innerhalb eines Steckers zur Verwendung
in einer Signal-Steckverbinderbaugruppe bereit. Wenn der Stecker
der Baugruppe zuerst einen Kontakt mit den Buchsenkontakten innerhalb
einer Gegenbuchse herstellt, verhindert der Abschnitt mit einem
hohen Widerstand des Steckkontakts eine Spannungsspitze. Um Spannungsimpulse
zu verhindern, sind in Abhängigkeit
von der Anwendung Widerstandsabschnitte, vorzugsweise mit Widerständen, die
von 10 kΩ bis
1 GΩ reichen,
notwendig. Wenn der Stecker weiter in die Buchse eingeführt wird,
wird der Energiefluß allmählich gesteigert.
Schließlich
passieren die Buchsenkontakte innerhalb der Buchse den Abschnitt
mit einem hohen Widerstand und stellen einen Kontakt mit dem leitfähigen Abschnitt
des Steckers her, wodurch ein Übertragen
von gültigen
Signalen ohne das Erzeugen von inneren Störfehlern ermöglicht wird.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
können
der Buchsenkontakt oder sowohl der Steckerkontakt als auch der Buchsenkontakt
den Abschnitt mit einem hohen Widerstand haben.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Steckverbinderbaugruppe
bereitzustellen, die den Anschluß eines Peripheriegeräts an ein
unter Strom gesetztes elektronisches System ermöglicht, ohne innere Störfehler
in dieses System einzuführen. Dieses
Ziel wird mit dem Kontakt von Anspruch 1 erreicht.
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Andere
Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich
nach der Lektüre
der detaillierten Beschreibung des gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine isometrische Ansicht einer vereinfachten Illustration der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine graphische Darstellung der Spannung im Verhältnis zur Wegstrecke längs des Abschnitts
mit einem hohen Widerstand.
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3 ist
eine graphische Darstellung von Megaohm im Verhältnis zur Wegstrecke längs des Abschnitts
mit einem hohen Widerstand, wobei Kurven verschiedene Dicken des
Abschnitts abbilden.
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4a ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem verjüngten Abschnitt mit einem hohen
Widerstand.
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4b ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem stufenweise verjüngten Abschnitt
mit einem hohen Widerstand.
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4c ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem Widerstandsabschnitt aus gemischten
Materialien mit einem hohen Widerstand.
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4d ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem leitfähigen Widerhaken in dem Abschnitt
mit einem hohen Widerstand.
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4e ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei sich der Abschnitt mit einem hohen
Widerstand in ein Loch in dem leitfähigen Abschnitt erstreckt.
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4f ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem Gehäuse mit einem hohen Widerstand.
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4g ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem Einsatz mit einem hohen Widerstand
in dem Gehäuse.
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4h und 4i sind
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem Einsatz mit einem hohen Widerstand
in dem Gehäuse.
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5 ist
eine Illustration der vorliegenden Erfindung, eingesetzt auf einer
Leiterplatte.
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6 ist
eine Illustration der vorliegenden Erfindung, verwendet an einem
zylindrischen Steckverbinder.
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7 ist
eine Illustration der verschiedenen Steckverbinder des bekannten
technischen Stands.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
wird unter Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnungen beschrieben,
in denen gleiche Zahlen durchgehend gleiche Elemente darstellen.
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Unter
Bezugnahme auf 1 umfaßt das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Steckverbinderbaugruppe der vorliegenden Erfindung einen Stecker 6 zum
Zusammenpassen mit einer entsprechenden Buchse 8. Es sollte
zu erkennen sein, daß es
innerhalb jedes Steckers 6 typischerweise wenigstens zwei
oder mehr Steckkontakte 7 zum Zusammenpassen mit entsprechenden
Buchsenkontakten 15 gibt, obwohl der Einfachheit halber
nur ein Steckkontakt 7 detailliert gezeigt wird. Die Form
des Steckers 6 ist nicht entscheidend für die vorliegende Erfindung.
Der Einfachheit halber werden der Stecker 6 und der Steckkontakt 7 rechtwinklig
gezeigt, obwohl Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, daß viele
andere Formen verwendet werden können,
ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Steckkontakt 7 umfaßt einen
leitfähigen
Abschnitt 14, der aus einem beliebigen leitfähigen Material
(wie beispielsweise Messing, Nickel, Gold, Kupfer oder einem Supraleiter
usw.) hergestellt werden kann, und einen Abschnitt 12 mit
einem hohen Widerstand. Der Widerstandsabschnitt 12 wird
allgemein rechteckig geformt und erstreckt sich längs der
Breite W des Steckerkontakts 7. Der Widerstandsabschnitt 12 umfaßt eine
Schicht aus einem Material mit einem hohen Widerstand, eingesetzt
in die Fläche 16 des
Steckers 6, wobei ein erstes Ende 11 des Widerstandsabschnitts 12 zur
Buchse 8 freiliegt und ein zweites Ende 13 des
Widerstandsabschnitts 12 in Kontakt mit dem leitfähigen Abschnitt 14 ist.
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Eine
typische Buchse 8 schließt einen Buchsenkontakt 15 für jeden
entsprechenden Steckkontakt 7, der elektrisch mit seinem
entsprechenden Buchsenkontakt 15 zusammenpaßt, wenn
der Stecker 6 des Peripheriegeräts (nicht gezeigt) in die Buchse 8 des
elektronischen Systems (nicht gezeigt) eingeführt wird, ein.
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Im
Betrieb wird das erste Ende des Steckers 6 in den Hohlraum
der Buchse 8 eingeführt.
Der Buchsenkontakt 15 wird zuerst einen Kontakt mit dem
Widerstandsabschnitt 12 herstellen. Da erwogen wird, daß das elektronische
System unter Strom stehen wird, wird dies ermöglichen, daß Energie aus dem elektronischen
System beginnt, von dem Buchsenkontakt 15 durch den Widerstandsabschnitt 12 und
in den leitfähigen
Abschnitt 14 des Steckkontakts 7 zu fließen. Der
Widerstandsabschnitt 12 verringer die Größe der Spannungsimpulse
derart, daß sie
keine Fehler in das elektronische System überleiten, wie es hier im folgenden
detailliert erläutert
wird. Ein Teil der durch den Stecker 6 „gesehenen" Spannung wird über den Widerstandsabschnitt 12 abfallen.
Wenn der Stecker 6 weiter in die Buchse 8 eingeführt wird, passiert
der Buchsenkontakt 15 längs
der Fläche 16 des
Widerstandsabschnitts 12, bis er schließlich den leitfähigen Abschnitt 14 des
Steckkontakts 7 erreicht. Wenn der Stecker 6 vollständig in
die Buchse 8 eingeführt
wird, wird der Buchsenkontakt 15 in unmittelbarem Kontakt
mit dem leitfähigen
Abschnitt 14 des Steckkontakts 7 sein. Dementsprechend
wird es keinen Spannungsabfall über
den Widerstandsabschnitt 12 des Steckkontakts 7 geben.
Hinsichtlich der Kapazität
begrenzt die Anordnung der vorliegenden Erfindung spezifisch die
Kapazität
zwischen den metallischen Abschnitten des Stecker- und des Buchsenkontakts 7, 15 (sie
umgeht den hohen Widerstand) auf ein annehmbar niedriges Niveau.
Sie tut dies durch Verringern ihrer wirksamen Kopplungsfläche und
der wirksamen dielektrischen Konstanten zwischen ihnen, die hauptsächlich Luft
ist, auf ein Minimum.
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Es
ist ein Hauptaspekt des Verhinderns eines Spannungsimpulses, die
durch den Steckkontakt 7 beim Einführen des Steckers 6 in
die Buchse 8 erfahrene Anfangsspannung zu verringer. Unter
Bezugnahme auf den Testaufbau 94 und die graphische Darstellung
von 2 ist deutlich zu erkennen, daß der Widerstandsabschnitt 12 die
durch den Buchsenkontakt 15 erfahrene Anfangsspannung verringert. Die
graphische Darstellung stellt die durch den Buchsenkontakt 15 erfahrene
Spannung dar, wenn der Stecker 6 aus der Buchse 8 entfernt
wird. Unter Bezugnahme auf den Teil der graphischen Darstellung links
vom Punkt 92 zeigt dieser eine Kurzschlußspannung
von 0 V über
den Steckkontakt 7, während
der Steckkontakt 7 in vollständigem Kontakt mit dem Buchsenkontakt 15 ist.
Am Punkt 92 berührt
der Buchsenkontakt 15 den Widerstandsabschnitt 12. Der
Widerstandsabschnitt 12 ermöglicht, wie zu sehen ist, daß sich die
Spannung über
den Buchsenkontakt 15 allmählich längs des abgeschrägten (oder gekrümmten) Abschnitts 93 der
graphischen Darstellung steigert, wenn der Stecker 6 aus
der Buchse 8 entfernt wird. Am Punkt 91 berührt der
Buchsenkontakt 15 nicht mehr den Steckkontakt 7.
Dementsprechend erfährt
der Buchsenkontakt 15 5 V. Die Kurve 93 zeigt
den allmählichen Übergang
zwischen den Punkten 91 und 92, der Spannungsimpulse
verhindert, was das Einführen
von Fehlern in das System verhindern wird. Offensichtlich würden Fachleute
auf dem Gebiet deutlich erkennen, daß die graphische Darstellung
beim Einführen
eines Steckers 6 in eine Buchse 8 umgekehrt wäre.
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Der
hohe Widerstand des Widerstandsabschnitts 12 begrenzt die
Stromdurchflußmenge
vom Systembus zu dem „kalten" Gerät, das in
das unter Strom stehende System eingesteckt wird. Der Beweis einer
zu schnellen Stromübertragung
ist ein vorübergehender
Spannungsimpuls an der Verbindung zum laufenden System. Der vorübergehende
Spannungsimpuls klingt ab, wenn er sich längs des Systembus' verbreitet, hauptsächlich,
weil der Bus und andere angeschlossene Geräte Ladungsquellen sind. Dementsprechend
verlangsamt der hohe Widerstand die Ladungsübertragung ausreichend, um Zeit
bereitzustellen, damit die Ladung angemessen ersetzt wird. Falls
die Spannung nicht unter die Erfassungsschwelle eines benachbarten
Geräts
abfallen kann, kann kenn Fehler auftreten.
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3 ist
eine graphische Darstellung des elektrischen Widerstands, gemessen
vom Ende des Steckkontakts 7. Diese graphische Darstellung
basiert auf einem Widerstandsabschnitt 12 mit einer rechteckigen
Form, 0,33 mm (13 Millizoll) breit und 0,38 mm (15 Millizoll) lang.
Das Material mit einem hohen Widerstand hatte einen spezifischen
Widerstand von 2,29 × 109 Ohm-Meter (9 × 1010 Ohm-Zoll). Wie
es gezeigt wird, steigert sich der Widerstand, wenn sich die Dicke
des Widerstandsabschnitts 12 steigert. Unter Bezugnahme
auf die Kurve 20 wird am ersten Ende 11 des Steckerkontakts 7,
wenn eine Widerstandsabschnittsdicke von 0,20 mm (8 Millizoll) verwendet
wird, ein Widerstand von 10 MΩ erreicht, der
allmählich
abnimmt, bis das zweite Ende 13 erreicht wird, wo der Widerstand
nominell Null beträgt. Die
Kurven 21, 22 und 23 illustrieren, daß der Widerstand
mit einer Abnahme der Widerstandsabschnittsdicke abnimmt. Die Form
der Kurven weicht ebenfalls ab, wenn die Widerstandsabschnittsdicke
verändert wird.
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Durch
Verändern
sowohl des spezifischen Widerstands als auch der Dicke des Widerstandsabschnitts 12 kann
die vorliegende Erfindung, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen
werden, an unterschiedliche Verwendungen und Anwendungen angepaßt werden.
Es ist jedoch ebenfalls außerordentlich wichtig,
die Kurzschlußkapazität auf ein
vernachlässigbares
Niveau zu verringern. Die Kurzschlußkapazität wird dadurch verringert,
daß die
Dicke der Einlage 12 verhältnismäßig dick gehalten wird (d.h.,
beim Anwenden der vorliegenden Erfindung auf einen SCSI-Bus typischerweise
ungefähr
0,13 mm (5 Millizoll)). Durch Einstellen des spezifischen Widerstands und
der Dicke des Abschnitts können
durch das Vermeiden von Spannungsstößen für verschiedene Arten von Signalen
und Anwendungen Steckverbinderbaugruppen mit gewünschten Charakteristika geschaffen
werden.
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In 4a bis 4h werden
alternative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dem in 4a abgebildeten
Ausführungsbeispiel
hat der Widerstandsabschnitt 12 ein verjüngtes Profil.
Durch Variieren der Form des verjüngten Profils 13 können die
Widerstandsübergangskurven,
die sich ergeben, wenn der Buchsenkontakt 15 über den
Widerstandsabschnitt 12 hinweggeht, variiert werden, wie
es für
eine bestimmte Anwendung gewünscht
wird.
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4b bildet
ein alternatives Ausführungsbeispiel
mit dem Widerstandsabschnitt 12 in einem stufenweise verjüngten Profil 17 ab.
Durch Variieren der Stufen zwischen den Stufen können die Widerstandsübergangskurven
wie gewünscht
variiert werden.
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Ein
drittes alternatives Ausführungsbeispiel wird
in 4c gezeigt. Der Widerstandsabschnitt 12 besteht
aus zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen spezifischen
Widerständen.
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4d,
ein viertes alternatives Ausführungsbeispiel,
zeigt, daß der
Widerstandsabschnitt 12 vom leitfähigen Abschnitt 14 vorsteht.
Ein leitfähiger
Widerhaken 18 steht vom leitfähigen Körper 14 in den Widerstandsabschnitt 12 vor.
Ein fünftes
alternatives Ausführungsbeispiel, 4e,
hat einen Widerstandsabschnitt 12, der sich in ein Loch 19 im
leitfähigen
Abschnitt 14 erstreckt. Wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen
werden, sind viele andere Variationen möglich, ohne vom Geist der Erfindung
abzuweichen. Diese unterschiedlichen Ausführungsbeispiele können zum
Variieren der Widerstandsübergangskurven
für unterschiedliche
Anwendungen verwendet werden.
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4f bildet
ein sechstes Ausführungsbeispiel
ab. Der leitfähige
Körper 14 wird
von einem Gehäuse 30 mit
einem hohen Widerstand umschlossen. Der Buchsenkontakt 15 stellt
zuerst einen Kontakt mit dem Gehäuse 30 mit
einem hohen Widerstand her. Wenn der Buchsenkontakt 15 einen
Kontakt mit dem leitfähigen
Abschnitt 14 herstellt, erfährt der Buchsenkontakt wesentlich
keinen Widerstand.
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In 4g ist
das Gehäuse 30 nicht
leitfähig. Jedoch
stellt der Abschnitt 12 mit einem hohen Widerstand den
anfänglichen
Kontakt mit dem Buchsenkontakt 15 her. Die Abschnitte 12 mit
einem hohen Widerstand werden mit dem leitfähigen Abschnitt 14 elektrisch
verbunden und werden physisch (nicht gezeigt) mit demselben verbunden.
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4h und 4i bilden
einen Stecker 7 mit einem Gehäuse 85 ab, das einen
ersten Abschnitt 31 mit einem hohen Widerstand und einen
zweiten Abschnitt 32 mit einem niedrigen Widerstand umschließt. Beim
vollständigen
Zusammenpassen ist der Buchsenkontakt 15 in vollständigem Kontakt
mit dem Abschnitt 32 mit niedrigem Widerstand.
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5 illustriert,
daß die
vorliegende Erfindung ebenfalls mit den Kontakten auf einer gedruckten
Leiterplatte verwendet werden kann. Die Widerstandsabschnitte 70A bis
N der vorliegenden Erfindung können
bei einem oder mehreren Steckkontakten 72A bis N auf einer
herkömmlichen
gedruckten Leiterplatte 71 eingesetzt werden. 6 zeigt,
daß die
vorliegende Erfindung an unterschiedlich geformte Anwendungen angepaßt werden
kann, zum Beispiel an einen Stecker 83 mit einer zylindrischen Form
mit einem Widerstandsabschnitt 81 und einem leitfähigen Abschnitt 82.
Buchsenkontakte 84 innerhalb der Buchse 85 stellen
einen Kontakt mit dem Widerstandsabschnitt 81 vor dem leitfähigen Abschnitt 82 her.
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7 illustriert
einige elektrische Steckverbinder des bekannten technischen Stands.
Die Größe und die
Form der Steckverbinder sind verschieden. Wie Fachleute auf dem
Gebiet erkennen werden, kann die vorliegende Erfindung mit den Kontakten
innerhalb dieser verschiedenen Steckverbinder verwendet werden.
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Obwohl
die Erfindung teilweise unter detaillierter Bezugnahme auf bestimmte
spezifische Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, sollen solche Detail erläuternd statt einschränkend sein.
Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, daß viele Variationen in der
Struktur und der Arbeitsweise vorgenommen werden können, ohne
vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er in den Unterrichtungen hierin
offengelegt wird.