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Die
Erfindung betrifft ein Baukastensystem für die Herstellung einer anwendungsspezifischen elektrischen
Baueinheit sowie eine aus einem solchen Baukastensystem hergestellte
elektrische Baueinheit, wobei ein Gehäuse der elektrischen Baueinheit
anreihbar ist, und das Gehäuse
außerdem
vorzugsweise einstückig
eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung der elektrischen Baueinheit
an einer Tragschiene aufweist, beispielsweise an einer so genannten
Hutschiene.
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Erfindungsgemäße elektrische
Baueinheiten können
nebeneinander an einer Tragschiene befestigt werden, beispielsweise
an einer DIN-Schiene TS35 „Hutschiene". Gattungsgemäße elektrische Baueinheiten
werden in großen
Stückzahlen
gefertigt und dienen in einer einfachen Ausführungsart dem Herstellen einer
lösbaren
elektrischen Verbindung von Drähten,
Adern und Leitungen mit Hilfe eines Klemmenkörpers. Als elektrische Baueinheit
sind aber auch Vorrichtungen mit mehreren Anschlussklemmen zu verstehen,
die in ihrem Inneren elektrische oder elektronische Bauelemente
mit weiteren Funktionen aufweisen. Beispiele für derartige Funktionen sind
die Wandlung elektrischer Signale von analog zu digital und umgekehrt,
Messverstärker
für Temperaturmessung,
Pegelwandlung und Impulszählung.
Erfindungsgemäße elektrische
Baueinheiten können
auch Leistungsausgänge,
beispielsweise zur Ansteuerung eines Schrittmotors, einen Schaltverstärker, eine
Hilfsspannungserzeugung und weitere spezielle Ausgänge aufweisen,
oder mit einer Anzeige versehen sein, beispielsweise zum Anzeigen
eines logischen Pegels oder des Vorhandenseins einer bestimmten
Spannung. Die Ausstattung derartiger elektrischer Baueinheiten mit
Befestigungseinrichtungen für
Tragschienen, wie sie in der Industrie in Form der so genannten
Hutschienen üblich
sind, erlaubt einen effektiven Aufbau eines kompletten Schaltschrankes
und einen einfachen Austausch.
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Aus
der
DE 198 07 710
C2 ist ein modulares Automatisierungsgerät mit anreihbaren,
auf einer Tragschiene gehaltenen Basismodulen bekannt, wobei das
Basismodul mit einem Elektronikmodul kontaktierbar ist und wobei
ein mit dem Basismodul lösbar
verrastbares Anschlussmodul mit Außenkontakten vorgesehen ist.
Bei der bekannten Lösung
sind die Außenkontakte
mit einer durch die Basismodule hindurchgeschleiften Versorgungsspannung
nicht unmittelbar, sondern nur mittelbar über das Elektronikmodul verbunden.
Bei der bekannten Lösung weist
das Basismodul Kontaktstellen auf, mit denen korrespondierende Kontaktstellen
des Elektronikmoduls kontaktierbar sind. Die Kontaktstellen des
Basismoduls werden mittels eines Busses durch die Basismodule hindurchgeschleift.
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Die
DE 196 00 997 C2 offenbart
ein Bussystem zur Übertragung
von Daten zwischen auf einer Tragschiene angeordneten Klemmen, wobei
es sich bei der bekannten Lösung
um eine Aneinanderreihung von eigenständig funktionsfähigen Reihenklemmen
handelt, die über
das offenbarte Bussystem miteinander kommunizieren können.
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In
der Praxis eines Herstellers für
anwendungsspezifische elektrische Baueinheiten besteht häufig das
Problem, dass kurzfristig und kostengünstig eine bestimmte Anzahl
von elektrischen Baueinheiten bestimmter Funktionalität aus dem
umfangreichen Gesamtprogramm bereitzustellen ist. Für ein schnelles
Reagieren des Herstellers ist daher eine sehr umfangreiche Lagerhaltung
notwendig, um kurzfristig auf Kundenwünsche reagieren zu können. Bei
Sonderwünschen
ist häufig
ein mindestens teilweises Überarbeiten
der Schaltungsanordnung der elektrischen Baueinheit erforderlich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, anwendungsspezifische elektrische Baueinheiten
unterschiedlicher Funktionalität
in hoher Qualität
schnell und kostengünstig
bereitstellen zu können
und auch Sonderwünsche
schnellstmöglich
bedienen zu können.
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Diese
Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Baukastensystem für die Herstellung
einer anwendungsspezifischen elektrischen Baueinheit sowie durch
die im Nebenanspruch bestimmte elektrische Baueinheit gelöst. Besondere
Ausführungsarten
der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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In
einer Ausführungsart
umfasst das erfindungsgemäße Baukastensystem
für die
Herstellung einer anwendungsspezifischen elektrischen Baueinheit
Gehäuseteile
zur Herstellung des Gehäuses
sowie elektrische Module, insbesondere elektrische Leiterplatten,
aus denen eine Schaltungsanordnung, vorzugsweise die Gesamtschaltung,
der anwendungsspezifischen elektrischen Baueinheit gebildet werden
kann. Die mit dem Baukastensystem hergestellte elektrische Baueinheit
weist mindestens ein Basismodul als elektrisches Modul auf. In einer
Ausführungsart
einer aus dem Baukastensystem hergestellten elektrischen Baueinheit
bildet allein das Basismodul die Schaltungsanordnung. In einer anderen Ausführungsart
können
Erweiterungsmodule über definierte
elektrische Schnittstellen mit dem Basismodul und/oder mit anderen
Erweiterungsmodulen verbunden werden und dadurch die Schaltungsanordnung
gebildet werden.
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In
einer Ausführungsart
ist die Schaltungsanordnung in einem aus Gehäuseteilen des Baukastensystems
gebildeten Gehäuse
vorgebbarer Breite aufnehmbar. Dadurch lassen sich mit Hilfe des
Baukastensystems die für
unterschiedliche elektrische Baueinheiten erforderlichen Gehäuse in unterschiedlicher
Breite bei ansonsten gleichbleibender Kontur bereitstellen, und
in ein derartiges Gehäuse
lassen sich unterschiedliche Module in unterschiedlichen Anordnungen
bei wählbarer
Anzahl der Module aufnehmen.
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In
einer Ausführungsart
weist mindestens eines der Gehäuseteile
mindestens einen Teil einer Befestigungseinrichtung zur vorzugsweise werkzeuglosen
Befestigung der elektrischen Baueinheit an einer Tragschiene auf,
vorzugsweise bildet mindestens eines der Gehäuseteile einstückig eine
Aussparung aus, mit dem das Gehäuse
und damit die elektrische Baueinheit an der Tragschiene lösbar befestigt
werden kann, insbesondere in welche die Tragschiene eingeclipst
werden kann.
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Durch
das Baukastensystem kann eine auftragsspezifische Zusammenstellung
einzelner elektrischer Module sowie des erforderlichen Gehäuses für die bestellten
elektrischen Baueinheiten erfolgen, ohne dass eine spezifische,
für den
Anwender notwendige elektrische Baueinheit bevorratet werden muss.
Auch lässt
sich dergestalt kurzfristig ein Ersatzteil in Form einer elektrischen
Baueinheit erstellen, das eine früher ausgelieferte elektrische
Baueinheit ersetzen kann.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung weist die elektrische Baueinheit mindestens ein Basismodul
auf, das Basisfunktionen der elektrischen Baueinheit bereitstellt,
wie beispielsweise eine Signalverstärkung, eine Signalaufbereitung,
ein Filter oder dergleichen. Ein gegebenenfalls frei programmierbarer Prozessor
kann hierbei die Flexibilität
des Basismoduls erhöhen.
Hierbei kann die Signalaufbereitung oder Signalkonditionierung beispielsweise
durch einen an dem Basismodul oder einem Erweiterungsmodul vorgesehenen
Platinenschalter unterschiedliche Normsignale als Ausgangssignal
bereitstellen, beispielsweise an einem Ausgang der elektrischen Baueinheit.
Beispiele für
derartige Normsignale sind z.B. die Stromsignale von 0 bis 20 mA
oder von 4 bis 20 mA.
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In
einer Ausführungsart
weist die Schaltungsanordnung im Basismodul und/oder im Erweiterungsmodul
mindestens ein Netzteil auf für
die Energieversorgung des Basismoduls und/oder eines Erweiterungsmoduls, vorzugsweise
ein Netzteil, bei dem eine Eingangsseite des Netzteils galvanisch
getrennt ist von einer Ausgangsseite des Netzteils. In einer Ausführungsart
sind eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite des Basismoduls,
des Erweiterungsmoduls und/oder der Schaltungsanordnung insgesamt
galvanisch voneinander getrennt und vorzugsweise auch von der an
die elektrische Baueinheit anschließbaren Energieversorgungs-Anschlussleitung
galvanisch getrennt.
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In
einer Ausführungsart
ist das Basismodul mit mindestens einer Schnittstelle ausgerüstet, über die
das Basismodul mit weiteren Modulen verbindbar ist. Auch eine Verbindung
in den Bereich außerhalb des
Gehäuses
der elektrischen Baueinheit kann vorgesehen sein. So kann, je nach
Anforderung, das Basismodul hierbei einen zwei- bis zehnpoligen,
insbesondere einen vier-, sechs- oder achtpoligen Anschluss nach
außerhalb
des Gehäuses
aufweisen.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung bilden das Basismodul und ein Erweiterungsmodul, in
Form einer lateral zur Leiterplatte des Basismoduls angeordneten
weiteren Leiterplatte, die Schaltungsanordnung der elektrischen
Baueinheit. Das Erweiterungsmodul ist dabei über mindestens eine definierte Schnittstelle
mit dem Basismodul verbunden. Derartige Schnittstellen können drahtgebunden,
beispielsweise in Form einer Steckverbindung und/oder in Form von
verlöteten
Drahtverbindungen, aber auch drahtlos sein.
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Das
Basis- und/oder Erweiterungsmodul können auch gleichzeitig ein
oder mehrere drahtgebundene und ein oder mehrere drahtlose Schnittstellen
aufweisen. Auch eine Energieübertragung,
beispielsweise für
die Energieversorgung eines auf Hochspannungsniveau befindlichen Erweiterungsmoduls,
ist auf drahtlosem Wege möglich,
ebenso wie eine galvanisch getrennte Signalübertragung zwischen den Modulen,
beispielsweise durch Optokoppler oder elektromagnetische Übertragung.
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Für eine drahtgebundene
Schnittstelle können
bestimmte Verbindungskontakte fest vorbelegt sein, beispielsweise
zwei Adern für
die Energieversorgung, eine Ader für einen potentialfreien Masseanschluss,
zwei Adern für
einen Signaleingang, zwei Adern für einen Signalausgang sowie
zwei oder mehr Adern für
eine serielle oder parallele Datenübertragung. Daneben können ein
oder mehrere Verbindungskontakte frei und modulspezifisch belegt
werden. Es ist auch möglich,
dass jedes Modul bei seiner Inbetriebnahme oder auf einen Steuerimpuls
hin die Belegung seiner Schnittstellen über einen voreingestellten
Kanal, drahtgebunden oder drahtlos, an das angeschlossene weitere
Modul übermittelt.
Auf diese Weise kann beispielsweise das Basismodul die Kontaktbelegung
der Schnittstellen der angeschlossenen Erweiterungsmodule abfragen.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung weist die Schaltungsanordnung der mit dem erfindungsgemäßen Baukastensystem
hergestellten elektrischen Baueinheit mindestens ein stapelartig
ober- oder unterhalb des Basismoduls angeordnetes Erweiterungsmodul
auf, das ebenfalls durch eine Leiterplatte gebildet sein kann. Es
sind auch Kombinationen eines oder mehrerer Basismodule mit einem
oder mehreren Erweiterungsmodulen zusammensetzbar, je nach erforderlicher
Funktion der herzustellenden elektrischen Baueinheit.
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Das
Basismodul oder ein Erweiterungsmodul kann eine Weitbereichs-Spannungsversorgung bereitstellen.
Auf diese Weise lässt
sich die in der elektrischen Baueinheit realisierte Schaltungsanordnung
an jeden nationalen und internationalen elektrischen Energieversorgungssystem
betreiben, beispielsweise mit Gleichspannungen von 12 V, 24 V oder
48 V oder mit Wechselspannungen von 110 V oder 230 V.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung weist das Basismodul und oder ein Erweiterungsmodul
Anschlusseinrichtungen auf für
eine drahtgebundene Verbindung mit an die elektrische Baueinheit
zugeführten
Anschlussleitungen und/oder Verbindungsleitungen. Die an den Anschlusseinrichtungen
anliegenden Signale sind über
in Gehäuseteile
der elektrischen Baueinheit aufnehmbare Kontaktorgane mit Leitungen
außerhalb
des Gehäuses
der elektrischen Baueinheit verbindbar. Hierdurch können beispielsweise
Eingänge
und Ausgänge
des Basismoduls oder des Erweiterungsmoduls nach außen geführt werden
oder auch Verbindungen zu weiteren elektrischen Baueinheiten hergestellt
werden. Außerdem kann
auf diese Weise die Schaltungsanordnung mit einer externen Energieversorgungsleitung
verbunden werden.
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Erfindungsgemäß erkennt
das Basismodul der elektrischen Baueinheit in Art einer Autokonfiguration
beispielsweise bei der erstmaligen Inbetriebnahme der elektrischen
Baueinheit, ob und gegebenenfalls welche Erweiterungsmodule Bestandteil
der Schaltungsanordnung der elektrischen Baueinheit sind. Dadurch
ist eine „plug-and-plag" Funktion der elektrischen
Baueinheit bereitgestellt, die einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen
Baueinheit gewährleistet.
Diese Autokonfiguration kann auch regelmäßig in vorgebbaren Zeitabständen erfolgen, beispielsweise
zusammen mit einem Selbsttest der Basis- und/oder Erweiterungsmodule.
Dadurch lassen sich auftretende Fehler frühzeitig erkennen. In einer
Ausführungsart
kann die Autokonfiguration auch infolge eines Steuerimpulses erfolgen,
der beispielsweise über
eine an die elektrische Baueinheit angeschlossene Steuerleitung
oder über
einen Feldbus übertragen
wird, oder der durch Betätigen
eines vorzugsweise verdeckt und/oder gegen unbeabsichtigtes Betätigen geschützt an der
elektrischen Baueinheit angeordneten Tasters erzeugt werden kann.
Alternativ oder ergänzend
kann die elektrische Baueinheit auch manuell konfiguriert werden,
beispielsweise indem elektrische Verbindungen geschaltet werden
entsprechend der Bestückung
der elektrischen Baueinheit mit Basis- und Erweiterungsmodulen. Hierzu
können
die Basismodule und/oder Erweiterungsmodule sogenannte Jumper, Platinenschalter oder
dergleichen aufweisen.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung sind die Schnittstellen zwischen den Modulen der elektrischen
Baueinheit drahtgebunden, beispielsweise durch verlötete Drahtverbindungen
oder durch Steckverbindungen gebildet. Durch eine eindeutige Codierung
der einzelnen Verbindungspunkte sowie eine eindeutige Codierung
der Verbindungsdrähte,
beispielsweise durch Farben der Isolation, oder durch einen mechanischen
Verpolungsschutz, der bei Steckverbindungen nur das Verbinden der
Steckverbinder in der vorgesehenen Orientierung zulässt, kann
eine fehlerhafte Verbindung der Schnittstellenelemente verhindert
werden.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung kommunizieren die Basis- und Erweiterungsmodule der elektrischen
Baueinheit untereinander oder die mit dem Baukastensystem hergestellte
elektrische Baueinheit mit anderen elektrischen Baueinheiten und/oder
mit einem Rechner, der einer die elektrische Baueinheit aufweisende
Anlage zugeordnet ist, über Datennetze,
beispielsweise ein LAN oder WLAN, oder über einen Feldbus, beispielsweise
den so genannten CAN-Bus. Hierzu weisen die Basis- und Erweiterungsmodule
Schnittstellen auf, beispielsweise eine Ethernet-, Bluetooth-, USB-
oder eine galvanisch entkoppelte USB-Schnittstelle. Durch eine galvanisch
entkoppelte USB-Verbindung ist gegenüber einer herkömmlichen,
aus dem PC-Bereich bekannten USB-Verbindung, die im Bereich der
Messtechnik geforderte Störsicherheit
und Entkoppelung einzelner Bestandteile des Messsystems gewährleistet.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung weist das Basismodul und/oder ein Erweiterungsmodul
einen Mikroprozessor auf. Durch einen einzelnen oder mehrere Mikroprozessoren
in Modulen der elektrischen Baueinheit wird zum einen die Flexibilität der einzelnen
Module und damit der gesamten elektrischen Baueinheit erhöht, da in
Abhängigkeit
der Programmierung des Mikroprozessors unterschiedliche Funktionalitäten der
einzelnen Module realisiert werden können. Zum anderen bieten moderne
Mikroprozessoren bereits vielfältige
analoge und digitale Schnittstellen und stellen darüber hinaus
definierte Schnittstellen zur Datenübertragung zur Verfügung. Dadurch
ist die Anzahl der Bauelemente und damit auch der Kontaktstellen
zwischen Bauelementen erheblich reduziert.
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Neben
der bereits erwähnten
Autokonfiguration lassen sich beispielsweise auch eine automatische
Funktionskontrolle, eine Fehleranalyse bei defekten Teilen der elektrischen
Baueinheit, Alarmfunktionen im Falle der Überschreitung des zulässigen Bereichs
für ein
Ein- oder Ausgangssignal und ähnliche
die Zuverlässigkeit
eines Messsystems erhöhende
Funktionen realisieren. Moderne, so genannte Mixed-Signal-Mikroprozessoren
stellen auch im Bereich der Analogtechnik umfangreiche Schaltungsteile
bereit, beispielsweise Verstärker,
Filter, Modulatoren einschließlich
Puls-Breiten-Modulatoren
(PBM), mit denen etwa ein Motor ansteuerbar ist. Solche Mikroprozessoren
erlauben daher für
eine beispielsweise im Bereich der Messtechnik eingesetzte elektrische
Baueinheit eine weitgehende Vereinfachung und/oder Miniaturisierung
einzelner Schaltungsteile.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung sind die durch die einzelnen Module realisierten Funktionen
durch eine Programmierung des Mikroprozessors wählbar. Hierdurch wird eine
weitere Steigerung der Flexibilität des erfindungsgemäßen Baukastensystems
erreicht, da abgesehen von einer individuellen Zusammenstellung
einzelner Module zu einer elektrischen Baueinheit auch die Funktionen
einzelner Module durch eine geeignete Programmierung des Mikroprozessors
ausgewählt
werden können und
somit nicht für
jede vom Kunden gewünschte Funktion
ein spezielles Modul bereitgestellt werden muss. Auch ist dergestalt
bei bereits hergestellten elektrischen Baueinheiten in gewissem
Umfang eine nachträgliche
Abänderung
der Funktionalität
möglich.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung ist der Mikroprozessor frei programmierbar, insbesondere vor
Ort feldprogrammierbar, sodass dergestalt auch bei bereits hergestellten
und/oder an der Tragschiene befestigten elektrischen Baueinheiten
durch das Programmieren die Funktion einer anwendungsspezifischen
elektrischen Baueinheit wählbar
ist. Dergestalt kann z.B. ein Servicetechniker vor Ort, d.h. dort, wo
die elektrische Baueinheit beispielsweise im Rahmen eines Messsystems
in einem Produktionsbereich eines Unternehmens installiert ist,
noch Änderungen
vornehmen und beispielsweise direkt vor Ort feststellbare Parameter
bei der anwendungsspezifischen Funktion der elektrischen Baueinheit
berücksichtigen.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung ist die anwendungsspezifische Schaltungsanordnung
einer Klemme eine Schaltung zur Signalverarbeitung, deren Eingangssignal
ein Sensorsignal und deren Ausgangssignal ein normiertes Strom-
oder Spannungssignal der Messtechnik, insbesondere ein Stromsignal
zwischen 4 mA und 20 mA oder zwischen 0 mA und 20 mA oder ein Spannungssignal
zwischen 2 V und 10 V oder zwischen 0 V und 10 V ist. Beispiele für Eingangssignale
sind Thermospannungen oder auch Temperatursensoren in Form von temperaturabhängigen Widerständen, beispielsweise PT100-Widerstände. Die
Bereitstellung von genormten Strom- oder Spannungssignalen erlaubt
eine problemlose Integration der elektrischen Baueinheit in ein
in der Messtechnik übliches
Umfeld.
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Das
Basis- oder Erweiterungsmodul kann ein so genanntes Autoscaling
vorsehen, bei dem mit Hilfe des Mikroprozessors automatisch ein
geeignetes Skalieren des Eingangssignals der Schaltung zur Signalverarbeitung
erfolgt, sodass dieses auf ein genormtes Strom- oder Spannungssignal
als Ausgangssignal abgebildet werden kann.
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In
einer Ausführungsart
weist das Gehäuse der
elektrischen Baueinheit von der Breite des Gehäuses unabhängige äußere Gehäuseseitenteile und in Abhängigkeit
von der erforderlichen Breite des Gehäuses kein, ein oder mehrere
zwischen diese Seitenteile einbringbare Gehäuseabstandsteile (spacer) auf.
Hierdurch ist es möglich,
bei Verwendung gleicher äußerer Gehäuseseitenteile
lediglich durch das Hinzufügen
von Gehäuseabstandsteilen
das Gehäuse
für unterschiedlichste
Konfigurationen geeignet zusammenzusetzen, d.h. für elektrischen
Baueinheiten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Modulen. Dies
senkt zum einen die Kosten, da nicht für jede Breite einer elektrischen
Baueinheit ein spezielles Gehäuse
hergestellt wird, zum anderen erlaubt dieses System ein auch nachträgliches
Erweitern einer bereits vorhandenen elektrischen Baueinheit um weitere
Module, ohne dass ein vorhandenes Gehäuses zerstört werden müsste.
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In
einer Ausführungsart
weist das Baukastensystem mindestens ein erstes Gehäuseteil
auf, das eine Außenfläche des
Gehäuses
bildet, an die eine weitere elektrische Baueinheit anreihbar ist,
und außerdem
mindestens ein zweites Gehäuseteil,
das mit dem ersten Gehäuseteil
oder einem weiteren zweiten Gehäuseteil
verbindbar ist und durch das die Breite des Gehäuses stufenweise vergrößerbar ist. Die
Gehäuseteile
sind vorzugsweise lösbar
zusammensteckbar.
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In
einer Ausführungsart
weist das erste und/oder zweite Gehäuseteil vorzugsweise einstückig Aufnahmemittel
auf für
die Aufnahme von elektrischen Kontaktorganen, mittels denen Basismodule und/oder
Erweiterungsmodule von außerhalb
der elektrischen Baueinheit elektrisch kontaktierbar sind. Es können insbesondere
Federklemm- oder Schraubkontaktorgane eingesetzt werden, die mit den
Anschlusseinrichtungen der Module elektrisch verbunden werden, beispielsweise
durch Löten,
Kleben, Klemmen oder dergleichen. In einer Ausführungsart sind die Aufnahmemittel
an dem Gehäuseteil
randseitig und achsensymmetrisch zu einer Mittelachse angeordnet.
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In
einer Ausführungsart
der Erfindung ist die Befestigungseinrichtung zur Befestigung der
elektrischen Baueinheit an einer Tragschiene einstückig von
einem oder mehreren Gehäuseteilen
ausgebildet. In einer Ausführungsart
der Erfindung bestehen die Gehäuseteile
jeweils aus Kunststoff, sodass die Befestigungseinrichtung zur Befestigung
an einer Tragschiene durch geeignete Ausgestaltung Eigenschaften
einer Feder aufweist und so eine einfache, lediglich durch Aufschnappen
bzw. Einrasten zu bewerkstelligendes, Befestigung der elektrischen
Baueinheit an einer Tragschiene, insbesondere an einer Hutschiene,
ermöglicht
ist.
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Die
Erfindung betrifft auch eine elektrische Baueinheit, die mit einem
erfindungsgemäßen Baukastensystem
hergestellt ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele
im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und
in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt
ein Basismodul,
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2 zeigt
eine Anordnung von einem Basismodul und einem Funktionsmodul,
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3 zeigt
eine Anordnung von einem Basismodul, einem Funktionsmodul sowie
einem Optionsmodul,
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4 zeigt
eine weitere Anordnung von einem Basismodul, einem Funktionsmodul
sowie einem Optionsmodul,
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5 zeigt
eine Anordnung von einem Basismodul, einem Funktionsmodul sowie
zwei Optionsmodulen,
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6 zeigt
eine weitere Anordnung von einem Basismodul, einem Funktionsmodul
sowie zwei Optionsmodulen,
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7 zeigt
eine Draufsicht auf eine Innenseite eines ersten Gehäuseteils,
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8 zeigt
ein weiteres erstes Gehäuseteil,
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9 zeigt
eine Draufsicht auf ein zweites Gehäuseteil,
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10 zeigt
eine Rückseite
des zweiten Gehäuseteils
der 9,
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11 zeigt
eine Draufsicht auf eine Anordnung aus Basis- und Funktionsmodul
mit drahtgebundener Schnittstelle,
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12 zeigt
die Seitenansicht der Anordnung aus 11,
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13 zeigt
eine perspektivische Ansicht auf eine Anordnung aus Basis- und Optionsmodul
mit drahtgebundener Schnittstelle, und
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14 zeigt
eine perspektivische Ansicht auf eine Anordnung aus Basis-, Funktions-
und Optionsmodul mit drahtloser Schnittstelle.
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Die 1 bis 6 zeigen
beispielhaft verschiedene Anordnungen von Basis- und Erweiterungsmodulen
von mit dem erfindungsgemäßen Baukastensystem
hergestellten elektrischen Baueinheiten. In der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden
die lateral zu den Basismodulen angeordneten Erweiterungsmodule
als Funktionsmodule bezeichnet, und die stapelartig zu den Basismodulen angeordneten
Erweiterungsmodule als Optionsmodule bezeichnet.
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In 1 weist
die Schaltungsanordnung 100 ein 6-poliges Basismodul 102 mit
Anschlusseinrichtungen 104 auf. Das Basismodul 102 weist
eine Leiterplatte mit darauf angeordneten und miteinander verschalteten
Bauelementen auf, die in der 1 nicht
dargestellt sind. Die Leiterplatte ist trapezförmig, wobei die parallelen
Grundlinien des Trapezes die Schmalseiten bilden und die Schenkel
des Trapezes die Längsseiten,
an denen – vorzugsweise äquidistant – die Anschlusseinrichtungen 104 angeordnet sind.
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Die
Anschlusseinrichtungen 104, die als ungefähr halbkreisförmige Ausnehmungen
in den Längsseiten
des Basismoduls 102 ausgebildet sind, sind mit in 1 nicht
dargestellten Kontaktorganen elektrisch verbindbar, die in einem
Gehäuseseitenteil oder
Gehäuseabstandsteil
angeordnet sind, das in 1 ebenfalls nicht dargestellt
ist. Beispielsweise sind die Anschlusseinrichtungen 104 bei
einer Leiterplatte durch bereichsweise vergoldete Metallisierungen
gebildet, die durch Federdruck in elektrisch kontaktierender Anlage
an den Kontaktorganen gehalten werden, oder durch eine leitfähige Verbindung
wie Löten
oder Kleben mit den Kontaktorganen verbunden sind.
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Die
sechs Anschlusseinrichtungen 104 sind symmetrisch zu einer
Mittelachse des von der Leiterplatte gebildeten Trapezes angeordnet.
Die Anzahl der Anschlusseinrichtungen 104 beträgt ein Vielfaches
von zwei. Das Ausführungsbeispiel
kann bei Bedarf um zwei weitere Anschlusseinrichtungen 104 ergänzt werden.
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In 2 weist
die Schaltungsanordnung 200 ein Basismodul 202 und
ein Funktionsmodul 206 auf. Das Basismodul 202 ist
6-polig und weist an den Längsseiten
der Leiterplatte die Anschlusseinrichtungen 204 auf. Über eine
nicht dargestellte definierte Schnittstelle kommunizieren das Basismodul 202 und
das Funktionsmodul 206 miteinander, tauschen insbesondere
Daten- und/oder Versorgungssignale aus. Das Funktionsmodul 206 ist
trapezförmig
und bildet insbesondere die Trapezkontur des Basismoduls 202 fort.
Die Außenkontur
der Schaltungsanordnung 200 ist trotz der lateralen Anordnung
des Funktionsmoduls 206 an der Schmalseite des Basismoduls 202 im
Wesentlichen deckungsgleich mit der Außenkontur der Schaltungsanordnung 100 des
in 1 dargestellten Basismoduls 102.
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3 zeigt
eine Schaltungsanordnung 300 mit einem Basismodul 302 mit
Anschlusseinrichtungen 304, einem Funktionsmodul 306 und
einem Optionsmodul 308. In einer abgewandelten Ausführungsart
können
auch das Funktionsmodul 306 und/oder das Optionsmodul 308 Anschlusseinrichtungen
aufweisen. Die Leiterplatten der Module sind planparallel zueinander
angeordnet, wobei die Leiterplatte des Funktionsmoduls 306 lateral
an die Leiterplatte des Basismoduls 304 anschließt, und
die Leiterplatte des Optionsmoduls 308 im Wesentlichen deckungsgleich
zu der Leiterplatte des Basismoduls 304 ist und oberhalb
der Leiterplatte des Basismoduls 304 stapelartig angeordnet
ist.
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Die
Festlegung des Funktionsmoduls 306 und/oder des Optionsmoduls 308 in
Bezug auf das Basismodul 302 kann durch eine Befestigung
des jeweiligen Moduls an einem Gehäuseteil erfolgen und/oder durch
eine Verbindung mit dem Basismodul, beispielsweise kann die Festlegung
jedenfalls teilweise auch durch eine elektrische Steck- oder Lötverbindung
von mindestens zwei Modulen erfolgen.
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Über in der 3 nicht
dargestellte drahtgebundene und/oder drahtlose Schnittstellen ist
eine Kommunikation zwischen dem Basismodul 302 und dem
Funktionsmodul 306 und/oder dem Optionsmodul 308 möglich; ebenso
kann eine Kommunikation zwischen dem Optionsmodul 308 und
dem Funktionsmodul 306 über
definierte Schnittstellen erfolgen.
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Die 4 zeigt
eine Schaltungsanordnung 400 mit einem Basismodul 402 mit
Anschlusseinrichtungen 404, einem Funktionsmodul 406 sowie
einem Optionsmodul 408. Die Kontur des Optionsmoduls 408 ist
im Wesentlichen deckungsgleich mit der sich aus der Kombination
des Basismoduls 402 mit dem Funktionsmodul 406 ergebenden
Kontur, insbesondere überdeckt
das Optionsmodul 408 das Basismodul 402 und das
Funktionsmodul 406. Dadurch lassen sich Schnittstellenelemente
auf den Modulen so anordnen, dass sie im zusammengebauten Zustand unmittelbar
benachbart sind, was bei drahtgebundenen Schnittstellen kurze Verbindungslängen ermöglicht und
bei drahtlosen Schnittstellen eine sichere Verbindung bei geringen
Sendeenergien.
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Für das stapelweise
Anordnen von Basis- oder Funktionsmodulen mit Optionsmodulen können die
Leiterplatten Abstandhalterelemente aufweisen, die beispielsweise
bei drahtgebundenen Schnittstellen durch Steckverbindungsleisten
gebildet sein können.
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Die 5 zeigt
eine Schaltungsanordnung 500 mit einem dreilagigen Aufbau,
wobei über
eine Anordnung von Basismodul 502 mit Anschlusseinrichtungen 504,
einem daran lateral anschließenden Funktionsmodul 506 und
einem darüber
angeordneten Optionsmodul 508 entsprechend der Schaltungsanordnung 400 der 4 ein
weiteres Optionsmodul 510 angeordnet ist, dessen Kontur
im Wesentlichen mit der Kontur des Basiselements 502 übereinstimmt.
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Die 6 zeigt
eine Schaltungsanordnung 600 mit einem dreilagigen Aufbau,
wobei über
eine Anordnung von Basismodul 602 mit Anschlusseinrichtungen 604,
einem daran lateral anschließenden Funktionsmodul 606 und
einem darüber
angeordneten Optionsmodul 608 entsprechend der Schaltungsanordnung 400 der 4 ein
weiteres Optionsmodul 610 angeordnet ist, dessen Kontur
im Wesentlichen mit der Kontur der Kombination aus Basiselements 602 und
Funktionsmodul 606 übereinstimmt.
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Die 7 zeigt
eine Draufsicht auf eine Innenseite eines ersten Gehäuseteils 120 aus
Kunststoff. Die Innenfläche 122 ist
plan und bildet eine Auflagefläche
für die
Leiterplatte eines Basismoduls 102 (1) und gegebenenfalls
eines Funktionsmoduls 206 (2). Auf
einander gegenüberliegenden
Seiten und symmetrisch zu einer Längsachse 124 bildet das
erste Gehäuseteil
einstückig
Aufnahmemittel 126 für
die Aufnahme von nicht dargestellten elektrisch leitfähigen Kontaktorganen
auf, beispielsweise Feder- oder Schraubklemmen. Die Aufnahmemittel 126 begrenzen
einen Einführkanal 130 für eine Anschlussleitung
und einen Einführkanal 132 für ein Werkzeug
zum Betätigen
des Kontaktorgans. Die Längsrichtung
der Einführkanäle 130, 132 einander in
Bezug auf die Längsachse 124 gegenüberliegender
Aufnahmemittel 126 schließen einen Winkel von weniger
als 12° ein,
insbesondere zwischen 45° und 90°, und vorzugsweise
von etwa 60°.
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Die
Kontaktorgane verlaufen um eine von den Aufnahmemitteln 126 ausgebildete
Kante 128 und kontaktieren an dieser Position die Anschlusseinrichtung 104 der
Leiterplatte des zugehörigen
Basis-, Funktions- oder Optionsmoduls. Die gedachten Verbindungslinien
der Kanten 128 der einzelnen Aufnahmemittel 126 entsprechen
den Schenkeln der Trapezkontur der Leiterplatten der Module. Insgesamt
sind auf den beiden Seiten jeweils vier Aufnahmemittel 126 angeordnet,
die baukastenartig je nach Bedarf, d.h. je nach Anzahl der Anschlusseinrichtungen
der in das Gehäuseteil
eingesetzten Module, mit Kontaktorganen bestückbar sind.
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Auf
der Unterseite 134 des ersten Gehäuseteils 120, die
der breiten Grundseite der Leiterplatte des Basismoduls 104 zugeordnet
ist, bildet das erste Gehäuseteil
einstückig
eine Befestigungseinrichtung für
die Befestigung der elektrischen Baueinheit an einer Tragschiene 136 aus.
Die Befestigungseinrichtung umfasst ein in Richtung des Pfeils 144 verschiebbares
Federelement 138, mittels dem das erste Gehäuseteil 120 und
damit die elektrische Baueinheit vorzugsweise werkzeuglos federverrastend
und lösbar
auf die Tragschiene 136 aufclipsbar ist, indem die abgekröpften Enden 140 in
zugehörige
Aussparungen 142 der Befestigungseinrichtung eingreifen.
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Die 8 zeigt
ein weiteres erstes Gehäuseteil 150,
das mit dem ersten Gehäuseteil 120 der 7 zusammensetzbar
ist. Hierzu bildet das weitere erste Gehäuseteil 150 einstückig hohle
Verbindungselemente 152 aus, in die einstückig von
dem Gehäuseteil 120 ausgebildete
Verbindungsstifte 146 klemmend einsteckbar sind. Die Verbindungsstifte 146 können ebenfalls
hohl sein. Es sind mehrere Verbindungsstifte 146 und Verbindungselemente 152 auf
dem ersten Gehäuseteil 120 und
dem weiteren ersten Gehäuseteil 152 symmetrisch
zur Längsachse 124 angeordnet.
Die beiden ersten Gehäuseteile 120, 150 bilden
im zusammengesteckten Zustand das Gehäuse der elektrischen Baueinheit
mit minimaler Breite.
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Die
Rückseite
des ersten Gehäuseteils 120 ist
mindestens abschnittsweise plan, vorzugsweise ganzflächig plan,
und bildet eine Außenfläche des Gehäuses der
elektrischen Baueinheit, an die eine weitere elektrische Baueinheit
anreihbar ist. Die Rückseite
des weiteren ersten Gehäuseteils 150 ist mindestens
abschnittsweise plan, vorzugsweise ganzflächig plan, und bildet eine
Außenfläche des Gehäuses der
elektrischen Baueinheit, an die eine weitere elektrische Baueinheit
anreihbar ist.
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Die 9 zeigt
eine Draufsicht auf ein zweites Gehäuseteil 160 und die 10 eine
Rückseite des
Gehäuseteils 160,
das im Wesentlichen U- oder C-förmig
ist und als Abstandshalterelement (spacer) für die Herstellung eines breiteren
Gehäuses
eingesetzt werden kann. Hierzu kann das zweite Gehäuseteil 160 mit
seiner Rückseite
mit dem ersten Gehäuseteil 120 (7)
zusammengesteckt werden. Die Rückseite
weist hierzu hohle Verbindungselemente 162 auf, deren Position
und Form mit den hohlen Verbindungselementen 152 des weiteren
ersten Gehäuseteils 150 (8) übereinstimmen.
Die Vorderseite weist Verbindungsstifte 156 auf, deren Position
und Form mit den Verbindungsstiften 146 des ersten Gehäuseteils 120 (7) übereinstimmen.
Auf diese Weise können
ein oder mehrere zweite Gehäuseteile 160 zusammengesetzt
und zwischen die beiden ersten Gehäuseteile 120, 150 gesetzt
werden, um dadurch – abhängig von
der Anzahl der in das Gehäuse eingesetzten
Module – eine
stufenweise Verbreiterung des Gehäuses der elektrischen Baueinheit
bereitzustellen.
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Das
zweite Gehäuseteil 160 bildet
zwischen seinen Schenkeln 164, die einstückig Aufnahmemittel 166 für Kontaktorgane
ausbilden, einen Aufnahmeraum 170, in den ein Erweiterungsmodul
einsetzbar ist, insbesondere ein Optionsmodul 308, 408 (3, 4).
Das zweite Gehäuseteil 160 weist eine
Befestigungseinrichtung auf, mit der das Gehäuse und damit die elektrische
Baueinheit an der Tragschiene 136 (7) festlegbar
ist. Das zweite Gehäuseteil 160 bildet
hierzu vorzugsweise einstückig ein
Federelemente 168 aus, mittels dem das Gehäuse werkzeuglos
lösbar
an der Tragschiene 136 festlegbar ist.
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Die 11 zeigt
eine Draufsicht und die 12 eine
Seitenansicht eines Funktionsmoduls 706, das über eine
drahtgebundene Schnittstelle 780 mit einem Basismoduls 702 verbindbar
ist. Die Schnittstelle 780 umfasst als elektrische Verbindungselemente
eine Steckerleiste 782 an dem Basismodul 702 und
eine Buchsenleiste 784 an dem Funktionsmodul 706,
wobei die Verbindungsrichtung lateral in Bezug auf die Leiterplatte
des Basismoduls 702 ist. In einer Ausführungsart weisen die elektrischen Verbindungselemente
einen mechanischen Verpolschutz auf. Außerdem können die elektrischen Verbindungselemente
auch eine mechanische Verbindung bereitstellen, entweder allein
aufgrund des klemmenden Eingriffs der Steckerstifte 786 in
die Buchsenelemente 788, oder alternativ oder zusätzlich durch
ein mechanisches Verbindungselement, beispielsweise eine Verbindungsschraube
oder einen Verbindungsstift.
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Die 13 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Optionsmoduls 808, das über eine
drahtgebundene Schnittstelle 880 mit einem Basismoduls 802 verbindbar
ist. Die Schnittstelle 880 umfasst als elektrische Verbindungselemente
eine Steckerleiste 882 an dem Basismodul 802 und
eine Buchsenleiste 884 an dem Funktionsmodul 806,
wobei die Verbindungsrichtung vertikal in Bezug auf die Leiterplatte des
Basismoduls 802 ist. In einer Ausführungsart weisen die elektrischen
Verbindungselemente einen mechanischen Verpolschutz auf. Außerdem können die
elektrischen Verbindungselemente auch eine mechanische Verbindung
bereitstellen, entweder allein aufgrund des klemmenden Eingriffs
der Steckerstifte 886 in die Buchsenelemente 888,
oder alternativ oder zusätzlich
durch ein mechanisches Verbindungselement, beispielsweise eine Verbindungsschraube oder
einen Verbindungsstift.
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Die 14 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Schaltungsanordnung umfassend
ein Basismodul 902, ein Funktionsmodul 906 und
ein Optionsmodul 908, die jeweils eine drahtlose Schnittstelle 980 aufweisen,
mittels denen eine Einweg- oder Zweiweg-Signalübertragung zwischen den Modulen durchführbar ist.
Die Schnittstellen sind im Ausführungsbeispiel
als Funkschnittstellen ausgeführt
und umfassen jeweils eine Antenne 990, die auch als flächiges Element
oder gedruckte Leiterbahn ausgebildet sein kann. Alternativ oder
ergänzend
zu einer Funkschnittstelle können
auch optische oder sonstige drahtlose Schnittstellen vorgesehen
sein. Darüber hinaus
können
Basis- oder Erweiterungsmodule neben drahtlosen Schnittstellen auch
drahtgebundene Schnittstellen aufweisen, beispielsweise wie in den Ausführungsbeispielen
der 12 und 13 dargestellt
und beschrieben. Insbesondere das Basismodul 902 weist
alle Schnittstellen auf, die in den diesem Basismodul 902 zugeordneten
Erweiterungsmodulen realisiert sind, damit eine Verbindung dieses Basismoduls 902 mit
allen zugeordneten Erweiterungsmodulen möglich ist.