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Positionsgeber mit einem Transformator mit veränderlicher Kopplung
Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber mit einem Transformator mit veränderlicher
Kopplung, dessen Primärwicklung von einer Wechselspannung gespeist ist und dessen
Sekundärwicklungen Ausgangsspannungen entnehmbar sind, deren Amplituden von der
Relativstellung eines beweglichen Kernes gegenüber den Wicklungen abhängen.
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Derartige Positionsgeber sind bereits bekannt. Sie bestehen normalerweise
aus einer Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen, die durch einen beweglichen
Kern aus hochpermeablem Material miteinander gekoppelt sind. Die Primärwicklung
wird durch eine Wechselspannung gespeist, so daß je nach der Stellung des Kernes
gegenüber den beiden Sekundärwicklungen in diesen gleiche oder voneinander abweichende
Spannungen erzeugt werden, die ein Maß für die Stellung des Kernes im Transformator
sind. Die Ausgangssignale können über längere Leitungen fernübertragen werden, und
die Speisung der Primärwicklung erfolgt ebenfalls über entsprechende Speiseleitungen.
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Diese Fernspeisung der Primärwicklung des Positionsgeber-Transformators
hat jedoch den Nachteil, daß die Speiseleitungen gegenüber den Signalleitungen,
die an die Sekundärwicklungen angeschlossen sind, abgeschirmt werden müssen, um
eine Verfälschung der Meßergebnisse zu vermeiden. Außerdem bedeutet der doppelte
Leitungsaufwand hohe Kosten.
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Es ist bereits bekannt (USA.-Patentschrift 2 932 817), einen Transformator
mit veränderlicher Kopplung und einen elektronischen Schwingungserzeuger zur Speisung
der Primärwicklung des Transformators in einer Baueinheit unterzubringen und die
Stromversorgung des Schwingungserzeugers, d. h. eine Gleichspannung über Leitungen
zuzuführen. Diese bekannte Einrichtung arbeitet als Meßwandler, bei dem eine Kraft
in einen proportionalen Ausgangsstrom umgewandelt wird. Sie arbeitet nach dem Prinzip
eines Servosystems und enthält aus diesem Grund eine Vielzahl von zusätzlichen Bauelementen.
Eine Miniaturisierung dieses Meßwandlers ist deshalb sehr schwer möglich und wahrscheinlich
auch nicht beabsichtigt. Der Platzbedarf für die verschiedenen Bauelemente dieses
bekannten Meßwandlers wird dadurch noch vergrößert, daß der als Sperrschwinger aufgebaute
Schwingungserzeuger einen Rückkopplungstransformator enthält, der gleichzeitig die
Schwingungsfrequenz bestimmt. Zusätzlich ist noch der Transformator mit veränderlicher
Kopplung vorgesehen, dessen Primärwicklung an den Rückkopplungstransformator des
Oszillators angeschlossen ist. Es sind also zwei verhältnismäßig große Bauelemente
erforderlich, die außerdem noch gegeneinander abgeschirmt werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionsgeber mit
einem Transformator mit veränderlicher Kopplung zu schaffen, der eine minimale Anzahl
von Bauelementen benötigt und sich daher auf kleinstem Raum unterbringen läßt. Er
soll gleichzeitig die zur Speisung der Primärwicklung des Transformators erforderliche
Wechselspannung erzeugen, so daß Wechselspannungs-Speiseleitungen entfallen können.
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Ein Positionsgeber mit einem Transformator mit veränderlicher Kopplung,
dessen Primärwicklung von einer Wechselspannung gespeist ist und dessen Sekundärwicklungen
Ausgangsspannungen entnehmbar sind, deren Amplituden von der Relativstellung eines
beweglichen Kernes gegenüber den Wicklungen abhängen und bei dem der Transformator
mit veränderlicher Kopplung mit einem elektronischen Schwingungserzeuger eine Baueinheit
bildet, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des
Transformators als einzige frequenzbestimmende Induktivität in den Ausgangskreis
des Schwingungserzeugers eingefügt ist.
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Diese Lösung hat den erheblichen Vorteil, daß nur ein verhältnismäßig
großes Bauteil vorgesehen ist, nämlich der Transformator mit veränderlicher Kopplung,
der gleichzeitig als frequenzabstimmende Induktivität des Schwingungserzeugers ausgenutzt
wird. Alle übrigen Bauelemente lassen sich auf sehr geringem Raum unterbringen,
so daß der gesamte Positionsgeber
kaum größer als der Transformator
mit veränderlicher Kopplung ist.
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Ein besonders kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Gebers läßt sich
dann erreichen, wenn der Spulenkörper des Transformators über die in sich abgeschirmten
Teile des Transformators hinaus verlängert ist und die Bauelemente des Schwingungserzeugers
aufnimmt. Vorzugsweise sind die Bauelemente des Schwingungserzeugers im verlängerten
Teil des Spulenkörpers in eine Einbettungsmasse eingebettet. Hierdurch ist größtmöglicher
Schutz gegen Erschütterungen und Feuchtigkeit gewährleistet.
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Da die Primärwicklung des Transformators mit veränderlicher Kopplung
gleichzeitig das frequenzbestimmende Element des Schwingungserzeugers ist, ist es
von größtem Vorteil, wenn sich die Induktivität der Primärwicklung beim Verschieben
des Kernes nicht oder kaum ändert. Um dies zu erreichen, ist gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung die Primärwicklung des Transformators über den gesamten
Bewegungsbereich des beweglichen Kernes angeordnet. Um bei diesem Aufbau eine möglichst
lineare Abhängigkeit der in den Sekundärwicklungen erzeugten Ausgangsspannungen
von der Stellung des Kernes zu erreichen, ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Sekundärwicklungen von der Mitte der
Primärwicklung aus mit stetig steigender Wicklungsdichte nach beiden Seiten etwa
über die gesamte Länge der Primärwicklung erstrecken.
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Um den Raumbedarf des elektronischen Schwingungserzeugers besonders
gering zu halten und um einen großen Wirkungsgrad des Schwingungserzeugers zu erreichen,
ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der Schwingungserzeuger
ein Gegentaktsperrschwinger mit zwei über Kreuz rückgekoppelten Transistoren, wobei
die Primärwicklung eine Mittelanzapfung hat und in die Kollektorstromkreise der
beiden Transistoren eingeschaltet ist. Gegentaktsperrschwinger-Schaltungen mit Transistoren
sind bereits bekannt (deutsche Auslegeschrift 1149 064). Es war jedoch noch
nicht bekannt, derartige Gegentaktsperrschwinger-Schaltungen derart mit einem Positionsgeber
zu kombinieren, daß nur ein Transformator mit veränderlicher Kopplung gleichzeitig
als frequenzbestimmendes Element dient.
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Damit das von der Stellung des Kernes abhängige Ausgangssignal des
Transformators mit veränderlicher Kopplung über längere Leitungen weiterübertragen
werden kann, werden gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
die Ausgangsspannungen der beiden Sekundärwicklungen je für sich gleichgerichtet
und gegeneinander geschaltet. Auf diese Weise ist es möglich, das Ausgangssignal
über nur zwei Leitungen über längere Entfernungen zu übertragen, ohne daß eine Beeinflussung
durch Störfelder erfolgen kann. Ein besonders geringer Aufwand ergibt sich für diese
Lösung, wenn die Ausgangsspannungen der beiden Sekundärwicklungen über je einen
Brückengleichrichter gleichgerichtet und über je einen Vorwiderstand an einen gemeinsamen
Ausgang gegeben werden, dem ein Glättungskondensator parallel geschaltet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von verschiedenen Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Positionsgebers
und F i g. 2 und 3 zwei verschiedene räumliche Ausgestaltungen des Positionsgebers
nach F i g. 1 im Schnitt.
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Der in F i g. 1 gezeigte Positionsgeber enthält einen elektronischen
Schwingungserzeuger, der als Gegentaktsperrschwinger aufgebaut ist. Er besteht aus
zwei Transistoren 10 und 11, deren Kollektoren an die beiden Enden einer mittelangezapften
Primärwicklung 18 angeschlossen sind. Die Basen der beiden Transistoren 10 und 11
werden außerdem über Spannungsteilerwiderstände 12, 13, 14, 15, 17 vorgespannt.
über die Widerstände 15 und 17 gelangen außerdem Rückkopplungssignale mit einer
derartigen Phasenlage an die Basen der beiden Transistoren 10 und 11, daß die Schaltungsanordnung
beim Anlegen einer Betriebsgleichspannung 20 schwingt. In diesem Schwingungszustand
sind die Transistoren 10 und 11 abwechselnd leitend. Die Schwingfrequenz wird hierbei
von der Induktivität der Primärwicklung 18 bestimmt.
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Die Primärwicklung 18 ist auf einem Transformator 19 mit veränderlicher
Kopplung angeordnet. Dieser Transformator 19 hat zwei Sekundärwicklungen 22 und
23, in die je nach der Stellung eines im Transformator 19 beweglichen Kernes 24
gleiche oder voneinander abweichende Spannungen induziert werden. Der Kern 24 wird
von einem Teil 70, dessen Position angezeigt werden soll, in Richtung des Pfeiles
25 bewegt. Befindet sich der Kern 24 in der gezeigten Mittelstellung, so werden
in den Sekundärwicklungen 22 und 23 gleiche Wechselspannungen erzeugt. Befindet
sich der Kern 24 jedoch in einer oberen Stellung, so ist die in der Sekundärwicklung22
erzeugte Spannung größer als die der Sekundärwicklung 23. Der umgekehrte Fall liegt
vor, wenn sich der Kern 24 in einer unteren Stellung befindet.
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Die Ausgangsspannungen der Sekundärwicklungen 22 und 23 werden je
für sich durch je einen Vollweg-Brückengleichrichter 29 bzw. 32 gleichgerichtet.
Der Brückengleichrichter 29 liefert an den Ausgangsklemmen 33, 38 positive Ausgangsspannung,
während der Brückengleichrichter 32 an den Ausgangsklemmen 34, 41 negative Ausgangsspannung
liefert. Die beiden Klemmen 38 und 41 der Brückengleichrichter sind über zwei einander
gleiche Summierungswiderstände 39 bzw. 42 an einen gemeinsamen Ausgangspunkt
40 angeschlossen, der durch einen Belastungswiderstand 49 belastet
ist. Die anderen Ausgangspunkte 33 und 34 der Brückengleichrichter sind gemeinsam
mit dem gemeinsamen Ausgangspunkt 36 des Belastungswiderstandes 49 verbunden. Zusätzlich
ist der Belastungswiderstand 49 noch durch einen Glättungskondensator 44 überbrückt.
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Steht der Kern 24 in der Mitte, so daß in den Sekundärwicklungen
22 und 23 einander gleiche Wechselspannungen erzeugt werden, so sind auch die Gleichspannungen
an den Punkten 38 und 41 gegenüber dem gemeinsamen Punkt 36 in der Größe gleich,
jedoch von entgegengesetzter Polarität. Diese Potentiale an den Punkten 38 und 41
summieren sich über die Widerstände 39 und 42 zu dem Potential 0 am Punkt 40. Befindet
sich der Kern 24 nun in der oberen Stellung, so überwiegt die positive Spannung
am Punkt 38, so daß am Punkt 40 ein positives Ausgangssignal erscheint. Befindet
sich der Kern 24 jedoch in der unteren Lage, so überwiegt die negative Spannung
am Punkt 41, so daß sich am Ausgangspunkt 40 eine negative Ausgangsspannung
ergibt.
F i g. 2 zeigt nun in schematischer Weise einen möglichen
Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsgebers. Auf einem Wickelkörper 60 ist an erster
Stelle die Primärwicklung 18 des Transformators 19 mit ihren beiden Wicklungshälften
9.8 B und 18 C untergebracht. Auf dieser Primärwicklung 18 sind dann die beiden
Sekundärwicklungen 22 und 23 angeordnet, und zwar in der Weise, daß die Wicklungsdichte,
von der Mitte ausgehend, nach außen hin zunimmt. Der Kern 24 ist in Längsrichtung
kürzer als die Länge der Primärwicklung 18, so daß er sich bei einer Bewegung über
einen begrenzten Bewegungsbereich immer innerhalb der Primärwicklung 18 befindet.
Hierdurch bleibt die Induktivität der Primärwicklung 18 über den gesamten Bewegungsbereich
des Kernes 24 im wesentlichen konstant.
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Die Primärwicklung 18, der Kern 24 und die Sekundärwicklungen 22 und
23 sind von einer Abschirmung 66 umgeben. Außerdem ist der Wickelkörper 60 über
den Bereich des Transformators 19 hinaus verlängert und trägt in einer Vergußmasse
69 verschiedene Bauelemente. Der Transformator 19 und die Vergußmasse 69 mit den
Bauelementen sind außerdem durch ein gesamtes Gehäuse 68 abgedeckt. Durch die gezeichneten
Bauelemente 71 soll angedeutet werden, daß in diesem dafür vorgesehenen Platz z.
B. die gesamten Bauelemente der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 untergebracht
sein können.
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F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
und zwar ist die Primärwicklung 18 gegenüber der nach F i g. 2 anders aufgebaut.
An Stelle zweier, übereinanderliegender Wicklungshälften 18 B und 18 C sind die
beiden Wicklungsteile 18 B und 18 C in der Anordnung nach F i g. 3 ineinander verschachtelt
gewickelt. Auch in dieser Ausführungsform erstreckt sich die Primärwicklung 18 über
eine solche Länge, daß der Kern 24 im gesamten Bewegungsbereich innerhalb der Primärwicklung
bleibt.