DE102004029192B4

DE102004029192B4 - Elektrische Schaltung

Info

Publication number: DE102004029192B4
Application number: DE200410029192
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hans-Peter (FH) Spähn
Original assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Current assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: DE102004029192C5; DE102004029192A1

Abstract

Elektrische Schaltung (1) für den Betrieb eines induktiven Näherungsschalters, mit einem Differentialtransformator, der mindestens eine ein Magnetfeld erzeugende Sendespule (L1) aufweist wobei die elektrische Schaltung an eine erste Spannungsquelle (U1) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der ersten Spannungsquelle (U1) und der mindestens einen Sendespule (L1) eine zweite Spannungsquelle (U2) vorgesehen ist, deren Spannungswert gleich oder kleiner bemessen ist als der Spannungswert der ersten Spannungsquelle (U1), dass parallel zu der Sendespule (L1) mindestens ein Kondensator (C4) angeordnet ist, die beide gemeinsam einen Schwingkreis (10) bilden, dass zwischen dem Pluspol (P1) der ersten Spannungsquelle (U1) und dem Schwingkreis (10) eine schaltbare Stromquelle (S1) angeordnet ist, durch die im Schwingkreis (10) ein Wechselstrom anregbar ist, dass zwischen dem Pluspol (P2) der zweiten Spannungsquelle (U2) und dem Schwingkreis (10) ein Amplitudendetektor (AD) vorgesehen ist, der mit einem Halbwellendetektor (HD) elektrisch verbunden ist, und dass der Halbwellendetektor...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltung für den Betrieb eines induktiven Näherungsschalters mit einem Differentialtransformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Der DE 102 44 104 A1 ist ein induktiver Näherungsschalter zu entnehmen, der eine Sendespule und zwei Empfangsspulen aufweist, die gemeinsam einen Differentialtransformator bilden. Dem Differentialtransformator ist hierbei eine Auswerteschaltung nachgeschaltet, durch die Veränderungen des Magnetfeldes im Bereich der Sende- und Empfangsspulen in Bezug auf den Abstand eines Bauteils ermittelbar sind.
Als nachteilig bei einem solchen induktiven Näherungsschalter hat sich herausgestellt, dass aufgrund von Umwelteinflüssen, beispielsweise Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsveränderungen, die Amplitude der Sendespule erheblich gestört wird, wodurch eine exakte Ermittlung des Abstandes zwischen dem Differentialtransformator und einem Bauteil verfälscht wird.
Auch wenn Fremdgegenstände, die insbesondere aus Metall hergestellt sind, in den Bereich der Sendespule eintauchen, werden die Messergebnisse durch die Veränderung der Amplitude an der Sendespule gestört. Des Weiteren weist jede Spannungsquelle bestimmte elektrische Eigenschaften auf, die zueinander unterschiedlich ausgebildet sein können, so dass durch diese Spannungsquellen-eigenschaften die Amplitude an der Sendespule negativ beeinflusst sind.
Daher ist es erforderlich, jeden induktiven Näherungsschalter in dem individuellen Einsatzbereich zu kalibrieren, um diese Störeinflüsse zu erfassen und zu beheben.
Die sich unter Umständen permanent ändernden Bedingungen, die die Amplitude der Sendespule beeinflussen, verfälschen jedoch die Amplitude der Sendespule. Der induktive Näherungsschalter muss folglich oftmals kalibriert werden.
Aus der DE 4102542 A1 ist eine elektrische Schaltung für den Betrieb eines induktiven Näherungsschalters mit einem Differenzialtransformator zu entnehmen. Dabei sind die in den beiden Sensorspulen induzierten Spannungen ein Maß für die jeweilige magnetische Durchflutung, die durch das von der Sendespule ausgehende Wechselfeld erzeugt wird. Im unbeeinflussten Zustand hängt die Größe der in den Sensorspulen induzierten Spannungen ab von der räumlichen Anordnung der Sensorspulen und ihren jeweiligen Windungszahlen sowie von der Feldstärke und der Frequenz des sie durchflutenden Wechselfeldes. Dabei kann in einem ersten Betriebszustand die Differenzwechselspannung den Oszillatorverstärker derart ansteuern, dass die Schwingbedingungen des Oszillators im unbeeinflussten Zustand erfüllt sind. Bei einer Annäherung eines Auslösers fällt die Differenzwechselspannung ab bis diese beim gewünschten Ansprechabstand den Wert 0 annimmt. Bei diesem Schaltkriterium reißen die Schwingungen ab. Dies führt zu einem entsprechenden Schaltsignal.
Als nachteilig bei diesem bekannt gewordenen Stand der Technik hat sich herausgestellt, dass die für den Betrieb der Schaltung notwendige Spannungsversorgung nicht wahlweise abgeschaltet oder zugeschaltet ist, und zwar in Abhängigkeit des gewünschten Schwingverhaltens. Zudem weist die elektrische Schaltung nach dem Stand der Technik eine Schaltungstopologie auf, die unterschiedlich ausgestaltet werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Schaltung für den Betrieb eines Differentialtransformators, insbesondere eines induktiven Näherungsschalters, bereit zu stellen, die die auf die Sendespule des Differentialtransformators einwirkende Spannung nach Bedarf, also in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Amplitudenwert an der Sendespule zu- oder abschaltet, so dass die Sendespule permanent mit einer nahezu konstanten Amplitude betrieben wird, ohne dass Umwelteinflüsse, wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Vergussmasse der Sendespule sowie Fremdgegenstände im Bereich der Sendespule und/oder die elektrischen Eigenschaften der Spannungsquelle den Betrieb der Sendespule negativ beeinflussen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind aus den Merkmalen der Unteransprüche zu entnehmen.
Dadurch, dass die von der ersten Stromquelle ausgesendete Spannung von der schaltbaren Stromquelle in einen Wechselstrom umgewandelt wird, wird in dem Schwingkreis eine Schwingung erzeugt, dessen Amplitude und Resonanzfrequenz durch den Amplitudendetektor und den Halbwellendetektor permanent überwacht werden. Folglich ist vorteilhafter Weise gewährleistet, dass bei Überschreiten des voreingestellten Amplitudenwertes die schaltbare Stromquelle abgeschaltet wird, so dass der Amplitudenwert an der Sendespule aufgrund der elektrischen Eigenschaften des Schwingkreises wieder unterhalb des voreingestellten Amplitudenwertes sinkt und anschließend die schaltbare Stromquelle wieder aktiviert ist. Daher bleibt der Amplitudenwert der Sendespule nahezu konstant.
Dieser konstante Amplitudenwert wird unabhängig von den Umwelteinflüssen, den elektrischen Eigenschaften der ersten Spannungsquelle und/oder von Fremdgegenständen beibehalten, denn die Veränderungen im Bereich der Sendespule haben keinen Einfluss auf die Funktionsweise, also auf die Amplitude der Sendespule, da die Amplitude der Sendespule durch geeignete elektrische Bauteile, beispielsweise den Amplitudendetektor und den Halbwellendetektor, permanent überwacht wird.
Durch die zweite Spannungsquelle wird eine Spannung eingestellt, die dem halben Amplitudenwert der Sendespule entspricht, denn mit Überschreiten der an der zweiten Spannungsquelle eingestellten Spannung wird die schaltbare Stromquelle abgeschaltet, so dass der Schwingkreis keine zusätzliche elektrische Energie erhält, und dessen Amplitudenwert über die Zeit ansteigt. Vielmehr sinkt die Amplitude der Sendespule nach einigen Durchläufen wieder unter den an der zweiten Spannungsquelle eingestellten Spannungswert, so dass durch die schaltbare Stromquelle, der Schwingkreis wieder mit Energie versorgt wird. Folglich ist eine einfache und schnelle Einstellung des gewünschten Amplitudenwertes an der Sendespule durch die Veränderung der Spannung der zweiten Spannungsquelle möglich. Die erste Spannungsquelle kann dabei unverändert gelassen werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachfolgend näher erläutert wird. Im einzelnen zeigt:
1 eine allgemeine elektrische Schaltung zur Überwachung und Steuerung der Amplitude einer Sendespule, die einem Differentialtransformator zugeordnet ist,
2 das Ausführungsbeispiel der elektrischen Schaltung gemäß 1 mit den notwendigen elektrischen Bauteilen und deren Verschaltung, und
3 eine Zusammenfassung von Messergebnissen der Amplitude der Sendespule gemäß 2 in Form eines Graphen in Abhängigkeit von der Außentemperatur.
In 1 ist eine elektrische Schaltung 1 für den Betrieb eines Differentialtransformators gezeigt, der aus einer ein Magnetfeld erzeugenden Sendespule L1 gebildet ist, die an eine eine Strom liefernde schaltbare Stromquelle S1 angeschlossen ist. Der Stromquelle S1 nachgeschaltet ist eine Spannungsquelle U1, welche die Stromquelle S1 mit Energie versorgt. Die schaltbare Stromquelle S1 wird periodisch durch den Halbwellendetektor HD gesteuert, insbesondere durch diesen, an- und ausgeschaltet, so dass ein Wechselstrom entsteht, wodurch die Spule L1 zusammen mit dem Kondensator C4, welche zusammen einen Schwingkreis 10 bilden, zu einer Schwingung mit ansteigender Amplitude angeregt wird. Der durch die Schwingung in der Spule L1 fließende sinusförmige Strom erzeugt ein sinusförmiges pulsierendes Magnetfeld, das für die Funktion des induktiven Näherungsschalters notwendig ist.
Um zu verhindern, dass der Schwingkreis 10 weiterhin von der schaltbaren Stromquelle S1 mit Energie versorgt wird, ist parallel zu der ersten Spannungsquelle U1 eine zweite Spannungsquelle U2 angeordnet, die ebenfalls mit dem Schwingkreis 10 elektrisch verbunden ist. Der Pluspol P2 der zweiten Spannungsquelle U2 ist mit einem Amplitudendetektor AD verbunden, der mit einem Halbwellendetektor HD gekoppelt ist. Beide elektrische Bauteile sind in Form einer Reihenschaltung an den Schwingkreis 10 angekoppelt.
Durch den Halbwellendetektor HD wird permanent die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 10 überwacht, also der Takt des Schwingkreises 10 abgenommen. Das periodische Zu- und Abschalten der schaltbaren Stromquelle S1 erfolgt durch den Halbwellendetektor, der diese Schaltvorgänge in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 10 durchführt.
Das periodische Schalten der Stromquelle S1 liefert einen Wechselstrom, durch den der Schwingkreis 10 zum Schwingen angeregt wird.
Erreicht nunmehr die Amplitude an der Sendespule L1 einen Wert, der doppelt so groß ist wie der Betrag der Amplitude an der zweiten Spannungsquelle U2 wird dies durch den Amplitudendetektor AD festgestellt und der Halbwellendetektor HD wird derart beeinflusst, dass durch diesen die schaltbare Stromquelle S1 nicht mehr betätigt wird, so dass der Schwingkreis 10 nicht mehr mit Energie versorgt wird.
Fällt nunmehr der Amplitudenwert an der Sendespule L1 unter den vorgegebenen Grenzwert, wird dies ebenfalls durch den Amplitudendetektor AD gemessen und der Halbwellendetektor HD wird derart beeinflusst, dass die schaltbare Stromquelle S1 durch den Halbwellendetektor HD wieder betätigt wird, so dass die Sendespule L1 erneut mit Energie versorgt wird.
Aus 2 ist der exakte Schaltplan einer solchen Schaltung 1 zu entnehmen, der nachfolgend näher erläutert wird. Zunächst wird die Funktionsweise der steuerbaren Stromquelle S1 beschrieben.
An die Spannungsquelle U2 ist ein Transistor T2A derart angeschlossen, dass der Pluspol P2 der Spannungsquelle U2 an dem Emitter des Transistors T2A anliegt. Der Kollektor des Transistors T2A ist mit einem Widerstand R3 verbunden, der den Strom (I3), der in die beiden Emitter der Transistoren T3A und T3B fließt bestimmt. Die beiden Transistoren T3A und T3B bilden einen Differenzschalter, der durch die Wechselspannung über den Schwingkreis 10 umgeschaltet wird. Befindet sich die Spannung über den Schwingkreis in der negativen Halbwelle, wird der Transistor T3A durchgeschaltet und der Strom I3 fließt zum Minuspol P3 ab. Befindet sich die Spannung in dem Schwingkreis 10 in der positiven Halbwelle wird der Transistor T3B durchgeschaltet und der Strom I3 fließt in einen Stromspiegel 11 und wird dort gespiegelt auf einen Stromspiegel 12. Dieser hat dann die Funktion der steuerbaren Stromquelle S1 in 1.
Dadurch, dass der Spannungswert der ersten Spannungsquelle U1 größer bemessen ist und vorzugsweise 12 Volt beträgt, als der Spannungswert der zweiten Spannungsquelle U2, der vorzugsweise 5 Volt aufweist, wird der Schwingkreis 10 derart erregt, dass die Sendespule L1 eine sich permanent vergrößernde Amplitude aufweist, denn mit jeder Periode wird zusätzlich Energie in den Schwingkreis 10 indiziert, so dass die Amplitude der Sendespule L1 zunimmt. Dies würde jedoch dazu führen, dass eine permanent anwachsende Amplitude an der Sendespule L1 vorhanden ist, die für einen induktiven Näherungsschalter nicht einsetzbar bzw. nicht verwendet werden kann.
Um daher die Amplitude exakt einzustellen – bei den genannten Spannungswerten der Spannungsquellen U1 und U2 beträgt die Amplitude der Sendespule ca. 11 Volt – ist dem Schwingkreis 10 eine Sperrdiode T2B vorgeschaltet, die über ihren Kollektoranschluss mit einem Widerstand R5 an dem Schwingkreis 10 angeschlossen ist. Der Emitteranschluss der Sperrdiode T2B ist mit dem Minuspol P3 über einen parallel geschalteten Widerstand R1 und einem Kondensator C2 verbunden, die eine Spitzenwertgleichrichtung der Amplitude des Schwingkreises bewirken.
Die Sperrdiode T2B ist solange geschlossen, wie der Amplitudenwert der Sendespule L1 unterhalb von 11 Volt liegt. Steigt der Amplitudenwert an der Sendespule L1 über diesen Wert an, wird die Sperrdiode T2B leitend, so dass der Kondensator C2 aufgeladen wird. Der Kondensator C2 ist mit dem Basisanschluss des Schaltransistors T2A verbunden. Ist der Kondensator C2 entladen, ist der Schalttransistor T2A geschlossen und der Strom I1 kann fließen und damit die steuerbare Stromquelle S1 sowie der Stromspiegel 12 ansteuern. Ist der Kondensator C2 aufgeladen, wird der Schalttransistor T2A geöffnet und der Strom I1 kann nicht fließen. Damit wird die steuerbare Stromquelle S1 und der Stromspiegel 12 nicht mehr angesteuert und die Amplitude des Schwingkreises 10 wird wieder kleiner. Die Amplitude wird auf diese Weise auf die Spannung Uss ≈ 2 × U2 geregelt.
Der Widerstand R5 weist bei dem angegebenen Ausführungsbeispiel einen Spannungsabfall von 0,5 Volt auf, so dass insgesamt eine Amplitude an der Sendespule L1 von 11 Volt als Grenzwert eingestellt ist, wenn die zweite Spannungsquelle U2 eine Spannung in Höhe von 5 Volt aufweist. Der an der Spannungsquelle U2 eingestellte Spannungswert regelt demnach die maximale Amplitude der Sendespule L1.
Falls Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeits- und/oder Temperaturveränderungen, während des Betriebes der Sendespule L1 auftreten, tangiert dies die Betriebsweise der Sendespule L1 nicht, denn diese Umwelteinflüsse bewirken zwar eine Amplitudenveränderung an der Sendespule L1, die jedoch auf den Schaltvorgang lediglich insoweit eine Auswirkung erzielt, als dass die Sendespule L1 von der steuerbaren Stromquelle S1 weniger Energie erhält, wenn der eingestellte Amplitudenwert überschritten ist. Die Umwelteinflüsse und/oder Eigenschaften der Stromquelle U1 wirken sich daher auf die Betriebsweise der Sendespule L1 nicht aus.
In 3 sind Messergebnisse in Form eines Schaubildes dargestellt, aus denen ersichtlich ist, dass die Amplitude der Sendespule L1 in Bezug auf die Temperaturveränderungen nahezu konstant verläuft, denn bei einem Temperaturwert von beispielsweise 75°C liegt an der Sendespule L1 eine Amplitude von 11,2 Volt an; bei einem Temperaturwert von minus 25°C beträgt die Amplitude an der Sendespule L1 11 Volt, so dass über einen Temperaturbereich von etwa 100°C die Veränderung der Amplitude in einer Größenordnung von 0,2 V eingetreten ist.
Zwischen den Temperaturbereichen von 50°C und 0°C verläuft die Amplitudeverringerung nahezu linear, so dass auch größere Temperaturveränderungen auf die Funktionsweise des induktiven Näherungsschalters nahezu keinen Einfluss haben, wenn der Näherungsschalter in einem üblichen Temperaturbereich betrieben wird.

Claims

Elektrische Schaltung (1) für den Betrieb eines induktiven Näherungsschalters, mit einem Differentialtransformator, der mindestens eine ein Magnetfeld erzeugende Sendespule (L1) aufweist wobei die elektrische Schaltung an eine erste Spannungsquelle (U1) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der ersten Spannungsquelle (U1) und der mindestens einen Sendespule (L1) eine zweite Spannungsquelle (U2) vorgesehen ist, deren Spannungswert gleich oder kleiner bemessen ist als der Spannungswert der ersten Spannungsquelle (U1), dass parallel zu der Sendespule (L1) mindestens ein Kondensator (C4) angeordnet ist, die beide gemeinsam einen Schwingkreis (10) bilden, dass zwischen dem Pluspol (P1) der ersten Spannungsquelle (U1) und dem Schwingkreis (10) eine schaltbare Stromquelle (S1) angeordnet ist, durch die im Schwingkreis (10) ein Wechselstrom anregbar ist, dass zwischen dem Pluspol (P2) der zweiten Spannungsquelle (U2) und dem Schwingkreis (10) ein Amplitudendetektor (AD) vorgesehen ist, der mit einem Halbwellendetektor (HD) elektrisch verbunden ist, und dass der Halbwellendetektor (HD) elektrisch mit der schaltbaren Stromquelle (S1) gekoppelt ist und diese schaltet.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Transistor (T2A) den Amplitudendetektor (AD) bildet, wobei der Emitter des ersten Transistors (T2A) an den Pluspol (P2) der zweiten Spannungsquelle (U2) angeschlossen ist, und die Basis des ersten Transistors (T2A), über einen Spitzenwertgleichrichter (T2B) und einen ersten Widerstand (R5) mit dem Schwingkreis (10) verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter und ein dritter Transistor (T3A, T3B) den Halbwellendetektor (HD) bilden, und dass durch den Halbwellendetektor (HD) die schaltbare Stromquelle (S1, 12, T1A, T1B) periodisch übereinstimmend mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (10) geschaltet wird.
Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des zweiten Transistors (T3A) unmittelbar oder über einen zweiten Widerstand (R2) mit der Sendespule (L1), der Emitter des zweiten Transistors (T3A) mit dem Kollektor des ersten Transistors (T2A) und der Kollektor des zweiten Transistors (T3A) mit dem gemeinsamen Minuspol (P3) der ersten und zweiten Spannungsquelle (U1, U2) elektrisch gekoppelt ist und dass der zweite und der dritte Transistor (T3A, T3B) eine Differenzschaltung bilden.
Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem dritten Transistor (T3B) eine Stromspiegelschaltung (11, T4A, T4B) nachgeschaltet ist, durch die der periodisch wechselnde Strom auf die steuerbare Stromquelle (S1, 12, T1A, T1B) gespiegelt wird.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromspiegelschaltung (11, T4A, T4B) der zweiten Spannungsquelle (U2) auf eine weitere Stromspiegelschaltung (12, T1A, T1B) einwirkt, die der ersten Spannungsquelle (U1) nachgeschaltet ist.
Schaltung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (T2A) als Schalter arbeitet, welcher einschaltet, wenn die Amplitude des Schwingkreises (10) unterhalb der Spannung der zweiten Stromquelle (U2) liegt.
Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass derder erste Widerstand (R5) mit dem Schwingkreis (10) elektrisch verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 7, soweit er auf Anspruch 5 rückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stromspiegelschaltung (11, T4A, T4B) der zweiten Spannungsquelle (U2) die Stromspiegelschaltung (12, T1A, T1B) der ersten Spannungsquelle (U1) steuerbar ist.
Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter eines den Spitzenwertgleichrichter (T2B) bildenden vierten Transistors über einen Kondensator (C2) mit dem gemeinsamen Minuspol (P3) der ersten und zweiten Spannungsquelle (U1, U2) verbunden ist und dass der mit dem Spitzenwertgleichrichter (T2B) verbundene Anschluß des Kondensators (C2) auch mit der Basis des ersten Transistors (T2A) verbunden ist.