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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft eine analoge elektronische Winkelsensorschaltung mit einem Masse- und einem Versorgungsspannungsanschluss sowie einem Ausgang und ein Verfahren zur elektronischen Nachbildung eines optimalen Potentiometers. Solche Winkelsensorschaltungen werden auch als Winkelsensoren mit ratiometrischem Ausgangssignal bezeichnet.
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Technischer Hintergrund
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Gemäß dem Stand der Technik werden Präzisions-Potentiometer in Spannungsteilerschaltung zur Messung von Winkeln eingesetzt. Diese haben einen vom eingestellten Teilerverhältnis abhängigen Innenwiderstand. Dies führt zu Messfehlern bei Anschluss an einer Folgeelektronik mit endlichem Eingangswiderstand (belasteter Spannungsteiler). Außerdem verringert sich die Lebensdauer eines Potentiometers durch die Belastung des Schleiferkontaktes. Darüber hinaus können Potentiometer durch verpoltes Anschließen zerstört werden, da die ansonsten üblichen Schutzbeschaltungen zur Strom- und/oder Spannungsbegrenzung zu weiteren Verfälschungen des Ausgangssignals führen könnten.
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Der zur vorliegenden Erfindung nächstgelegene Stand der Technik ergibt sich aus der
DE 69502512 T2 , die bereits eine analoge elektronische Winkelsensorschaltung mit einem Maße- und einem Versorgungsspannungsanschluss und einem Ausgang zeigt, die einen eigentlichen Sensor und eine geeignete Beschaltung dieses Sensors umfasst, wobei die Spannung am Ausgang gegen Masse proportional dem Produkt aus Versorgungsspannung und gemessenem Winkel ist.
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Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektronischen Ersatz für die klassischen Potentiometer zu finden, der die oben genannten Nachteile (Messfehler durch Innenwiderstand, begrenzte Lebensdauer wegen mechanischer Abnutzung der Schleiferkontakte, mögliche Zerstörbarkeit durch verpoltes Anschließen) vermeidet. Dementsprechend ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur elektronischen Nachbildung eines optimalen Potentiometers anzugeben, bei dem ebenfalls die oben genannten Nachteile vermieden werden können.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch eine analoge elektronische Winkelsensorschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Ebenso wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Schaltbilder näher erläutert. Es zeigt:
- 1: Ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen ratiometrischen Winkelsensors; und
- 2: ein detailliertes Schaltbild des Winkelsensors der 1.
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1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen ratiometrischen Winkelsensors, in dem im Wesentlichen nur die für die spezielle Funktion wesentlichen Elemente dargestellt sind, und Schaltungselemente, die lediglich der Spannungsversorgung, Spannungsstabilisierung und dem Schutz der Eingänge vor Überspannung oder Verpolung dienen, zumeist weggelassen sind.
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Wie in 1 dargestellt, wird der erfindungsgemäße ratiometrische Winkelsensor, der hier dargestellt ist, mit einer Versorgungsspannung +UB gegen Masse (GND) von 9 bis 11V versorgt. Die Versorgungsspannung +UB wird über den Spannungsteiler, der durch die Widerstände R1 und R2 gebildet ist, auf 4,5 bis 5,5V herabgesetzt. Zu diesem Zweck ist der eine Anschluss des Widerstands R1 mit +UB verbunden, der andere Anschluss von R1 mit R2 und dessen verbleibender freier Anschluss mit Masse (GND).
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Zum Schutz vor Überlastung und/oder Verpolung ist eine Zenerdiode D2 mit R2 parallel geschaltet. Zwischen den Widerständen R1 und R2 wird dann die entsprechend auf die Hälfte herabgesetzte Versorgungsspannung abgegriffen. In diesem Fall gilt also für die Widerstandswerte R1 = R2, damit in diesem speziellen Fall gilt +UV = ½ (+UB).
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Damit
+UV sehr genau konstant gehalten werden kann und unabhängig von Belastungsschwankungen ist, wird
+UV durch den einfach rückgekoppelten Operationsverstärker
10 stabilisiert. Der Ausgang des Operationsverstärkers
10, der ebenfalls
+UV führt, aber durch die Stabilisierung mit dem Operationsverstärker
10 in weiten Grenzen unabhängig von der Belastung, dient dann als Versorgungsspannung für einen analogen Winkelsensor
12. Bei diesem analogen Winkelsensor
12 kann es sich, wie hier dargestellt, um einen digitalen Winkelsensor
14 in Verbindung mit einem Digital-Analogwandler
16 handeln, oder aber um einen beispielsweise nach dem HALL-Effekt arbeitenden magnetischen Winkelsensor, wie er beispielsweise in der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2007 006 955 U1 beschrieben ist.
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Geeignete digitale Winkelsensoren 14 sind im Stand der Technik bekannt.
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Der analoge Winkelsensor 12 liefert nun ein Ausgangssignal, welches proportional dem gemessenen Winkel φ und der Versorgungsspannung + UV ist, mit der der Sensor 12 selbst versorgt wird. Um das Ausgangssignal des Sensors 12 nun noch gegen Belastungsschwankungen am Ausgang OUT der erfindungsgemäßen Schaltung zu stabilisieren, ist ein weiterer Operationsverstärker 18 vorgesehen. Wenn man hier aber bereits einen Operationsverstärker 18 vorsieht, so kann man diesen auch so beschalten, dass er gleichzeitig das Ausgangssignal des Sensors 12, welches zwischen 0 und 5,5V liegt, auf den Spannungsbereich 0 bis 11V verstärkt. Zu diesem Zweck muss die Rückführung des Ausgangssignals auf den Operationsverstärker lediglich über einen weiteren Spannungsteiler R 4 und R5 erfolgen. Damit das Ausgangssignal wieder den gesamten Bereich von 0 bis 11V abdeckt, wählt man die Widerstände R4 und R5 vorzugsweise dergestalt, dass der Operationsverstärker 18 eine Verstärkung hat, die dem Kehrwert der Herabsetzung der Spannung +UB durch den Spannungsteiler R1 und R2 entspricht, im vorliegenden Fall zu R4 = R5.
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Eine noch bessere Entkopplung der Ausgangsspannung OUT von Veränderungen der Belastungen am Ausgang OUT erreicht man, wenn man den Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 18, also den Anschluss des Widerstands R5 erst nach der Schutzbeschaltung des Ausgangs gegen Überlastung und Verpolung (Widerstand R6 und Zenerdiode D3) anschließt. Ein von der Belastung des Ausgangs OUT abhängiger Spannungsabfall über R6 wird dann bei der so gewählten Schaltungskonfiguration durch den Operationsverstärker 18 ausgeregelt.
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Der Ausgang OUT ist weiterhin über ein spannungsbegrenzendes Element V1 mit Masse verbunden, um die geforderte Überspannungssicherheit zu gewährleisten. Die Belastung des Ausgangs durch das Element V1 wird dabei ebenfalls durch die Nachregelung des Operationsverstärkers 18 ausgeglichen.
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Als Versorgungsspannung für die Operationsverstärker 10 und 18 dient im Gegensatz zur Versorgung des eigentlichen Sensors 12 mit einer herabgesetzten Spannung die volle Betriebsspannung +UB. Der erforderliche Verpol- und Überlastungsschutz wird durch eine strombegrenzende Impedanz (selbstrückstellende Sicherung PTC) R3 und die Zenerdiode D1 gewährleistet.
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Der aus den Widerständen R1 und R2 gebildete Spannungsteiler kann direkt an +UB angeschlossen werden, da die Belastung des Ausgangs dieses Spannungsteilers zwischen den Widerständen R1 und R2 durch den Operationsverstärker 10 so gering ist, dass für die Widerstände R1 und R2 Widerstandswerte im Bereich von 100 kΩ gewählt werden können. Dadurch sind die hier maximal fließenden Ströme soweit begrenzt, dass eine Beschädigung des Operationsverstärkers 10 ausgeschlossen werden kann. Der Verpolungsschutz wird durch die Diode D2 sichergestellt.
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In gleicher Weise kann eine schädliche Rückwirkung einer fehlerhaften Beschaltung des Ausgangs OUT auf den Operationsverstärker 18 dadurch vermieden werden, dass die Widerstände des Spannungsteilers R4 und R5 ebenfalls sehr hoch, im Bereich von etwa 100 kΩ gewählt werden.
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Schließlich kann eine Programmiermöglichkeit für die vorliegende Schaltung durch Ansteuerung des Ausgangs des Sensorelements 12 direkt über eine Programmierleitung PROG vorgesehen sein. Die Programmierleitung PROG kann dabei, wie in einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung der hiesigen Anmelderin beschrieben, unterbrechbar ausgebildet sein, indem der Anschluss PROG direkt über ein Sicherungselement SI1 geführt ist, und hinter diesem Sicherungselement eine im Normalbetrieb sperrende Diode D4 vorgesehen ist. Durch Verpolen des Anschlusses PROG kann dann ein Auslösen des Sicherungselements SI1 und damit eine Unterbrechung dieses Programmierpfades erzwungen werden. Dabei fällt über die Diode D4 maximal deren Arbeitsspannung in Durchlassrichtung, also üblicherweise etwa 0,7V ab. Eine so geringe falsch gepolte Spannung hat keine schädlichen Auswirkungen auf die elektronischen Komponenten 16 und 18.
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2 zeigt einen ähnlichen erfindungsgemäßen ratiometrischen Winkelsensor, hier jedoch für den Betrieb mit einer Betriebsspannung zwischen 7,5 und 9V. Es handelt sich diesmal um eine wesentlich detailliertere Darstellung, in der alle Schaltungselemente gezeichnet sind, nicht nur diejenigen, die zum prinzipiellen Betrieb der Schaltung erforderlich sind. Des Weiteren liegt hier ein einheitlicher HALL-Winkelsensor 12 anstelle der Kombination aus digitalem Winkelsensor 14 und Digital-Analogwandler 16 der 1 vor.
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Die Anpassung an die andere Betriebsspannung erfolgt im vorliegenden Fall dadurch, dass der Abschwächungsfaktor nicht auf ½ sondern auf 0,65 festgesetzt wird, indem hier zwar auch der Widerstandswert des Widerstandes R2 auf 100 kΩ gewählt wird, der Widerstand R1 jedoch lediglich 64,9 kΩ beträgt. Entsprechend muss dann auch der Widerstand R5 zu 64,9 kΩ gewählt werden, während R4 bei 100 kΩ verbleibt. Damit ist sichergestellt, dass die Abschwächung durch den Spannungsteiler R1 und R2 der durch die Beschaltung des Operationsverstärkers im Rückführungszweig mit dem Spannungsteiler R4 und R5 erzwungenen Verstärkung umgekehrt proportional ist. Es sollte also stets gelten, R1/R2 = R5/R4, oder im vorliegenden Fall sogar R1 = R5 und R2 = R4. 2 zeigt somit auch, wie durch geeignete Wahl der Widerstände R1, R2, R4 und R5 die Schaltung auf unterschiedliche Bereiche für die Betriebsspannung +UB abgestimmt werden kann, wobei die Betriebsspannung des eigentlichen Sensorelements 12 stets bei 5V ± 10 % verbleibt.
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Die vorliegende Erfindung schafft also erstmals einen magnetischen Winkelsensor mit einem Sensorelement und einem Positionsgebermagneten (letzterer ist nicht dargestellt) zum funktions- und anschlusskompatiblen Ersatz von Potentiometern. Dementsprechend gibt der Signalausgang der erfindungsgemäßen Schaltung eine zur Versorgungsspannung proportionale Signalspannung aus. Dies wird als ratiometrisches Verhalten beziehungsweise Spannungsteiler-Verhalten bezeichnet. Damit ist das Ausgangssignal
OUT in einem zu definierenden Winkelmessbereich Φ zur Versorgungsspannung
+ UB und dem gemessenen Winkel φ proportional und es gilt:
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Insbesondere sind die Signalbereiche des Winkelsensors 12 und der Ausgangssignalbereich des Ausgangs OUT nicht auf den vollen Hub über die ganze Versorgungsspannung sondern auf vorzugsweise 10 bis 90% der Versorgungsspannung festgelegt. Dies geschieht dadurch, dass mittels Programmierung der Ausgangssignalbereich des Winkelsensors 12 mit vorzugsweise 10..90% definiert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist insbesondere der Winkelmessbereich des Winkelsensors 12 durch Programmieren auf einen beliebigen Teilwinkel kleiner als 360° definiert, zum Beispiel 0.. 90°. Dennoch wird durch die programmierte Skalierung der Ausgangsspannungsbereich des Winkelsensors 12 vollständig ausgenutzt, so dass auch am Ausgang der Sensorschaltung der volle Signalhub von 10 bis 90% zur Verfügung steht. Dies ist ein Vorteil gegenüber der Messung von Teilwinkeln mit Standard-Potentiometern. Mit Standard-Potentiometern ist die Auswertung von Teilwinkeln bei vollem Signalhub nur durch die Ausbildung von Teilkreis-Widerstandsbahnen möglich.
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Im Gegensatz zu den „klassischen“ Potentiometern des Standes der Technik ist bei der vorliegenden Erfindung der Innenwiderstand des Signalausgangs konstant und unabhängig von der Größe der ausgegebenen Signalspannung. Durch den Treiber-Operationsverstärker 18 ist der Innenwiderstand des Signalausgangs im Übrigen Größenordnungen niedriger als bei einem klassischen Potentiometer.
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Durch den Eingangs-Spannungsteiler R1 und R2 mit einem Abschwächungsfaktor von K<1 (in 1: K=0,5, in 2 K=0,65) wird eine interne Betriebsspannung UV für den Sensor 12 erzeugt. Dessen Ausgangssignal OUT1 wird dann einem Ausgangs-Operationsverstärker 18 zugeführt, dessen Verstärkungsfaktor durch Beschaltung des Rückführungszweiges mit dem Spannungsteiler aus R4 und R5 auf 1/K eingestellt wird. Dieser erzeugt dann ein Ausgangssignal Uout, welches der oben genannten Formel folgt und äußerst stabil gegen Belastungen ist, da es, wie oben ausgeführt, einen sehr niedrigen und konstanten Innenwiderstand aufweist. Als Messbereich Φ können Teilwinkel von 360°, wie zum Beispiel 90° oder 180° festgelegt werden. Die interne Versorgungsspannung UV für den Sensor 12 wird vorzugsweise auf 5V festgelegt. Da Sensoren 12 auf der Basis von HALL- oder MR-Sensortechnologie keinen toten Bereich haben, ist der erfinderische Winkelsensor über den vollen mechanischen Messbereich von 360° lückenlos nutzbar.
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Mechanischer Messbereich und Ausgangsgröße herkömmlicher Potentiometer sind starr miteinander gekoppelt, so dass bei der Messung über mechanische Teilwinkel auch der Ausgangs-Spannungsbereich und damit die Messgenauigkeit verringert sind. Um dies zu umgehen, muss bei der Messung von Teilwinkeln mit herkömmlichen Potentiometern auch die Widerstandsbahn in Teilkreis-Geometrie ausgeführt werden. Beim erfinderischen Winkelsensor werden mechanische Teilwinkel durch Programmieren des Winkelsensors 12 so skaliert, dass das Ausgangssignal dennoch den vollen Ausgangsbereich nutzt. Operationsverstärker 18 ist vorzugsweise ein Operationsverstärker mit Rail-to-Rail Ausgang, so dass der Ausgangs-Spannungsbereich nahezu den vollen Bereich der Versorgungsspannung +UB erreichen kann.
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Bei den beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen liegt der zulässige Betriebsbereich, in dem die Ausgangsspannung proportional zur angelegten Versorgungsspannung ist, bei ± 10 % der Nenn-Versorgungsspannung. Die Nenn-Versorgungsspannung selbst kann in einem Bereich von 7V bis 40V festgelegt werden, wobei ein Spannungsbereich von 7 bis 16V bevorzugt ist.
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Als Winkel-Sensorelement kann entweder, wie in 1 dargestellt, ein digitaler Winkelgeber und ein Digital-Analogwandler gewählt werden, andererseits kann auch ein HALL- oder GMR-Sensor Verwendung finden.
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Erfindungsgemäß wird das Sensorelement 12 stets mit einer einheitlichen Versorgungsspannung Uv im Bereich von 5V ± 10 % versorgt, die proportional zu der Eingangsspannung +UB ist, die ebenfalls um ± 10 % schwanken darf. Die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung ist die folgende:
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Dem Sensorelement 12 ist eine Abschwächerstufe R1, R2, 10 vorgeschaltet und eine Verstärkerstufe R4, R5, 18 mit dazu reziprokem Verstärkungsfaktor nachgeschaltet. Die angelegte Versorgungsspannung +UB wird also zuerst um einen Faktor K (K<1) heruntergeteilt und diese Teilspannung +UV wird gepuffert durch den Operationsverstärker 10 als Referenzspannung für den Betrieb des Sensorelementes 12 verwendet. Zum anderen wird aus der Versorgungsspannung +UB über die Schutzbeschaltung R3, D1 die interne Betriebsspannung für die Versorgung der Operationsverstärker 10 und 18 abgeleitet. Die Schwankungen der Versorgungsspannung im Bereich von ± 10 % bilden sich somit als Schwankung der internen Versorgungsspannung des Sensorelementes 12 oder zumindest des einem digitalen Sensorelement 14 nachgeschalteten Digital-Analogwandlers 16 ab. Der winkel-proportionale Ausgangsspannungsbereich erstreckt sich dabei von 10 % bis 90 % der Versorgungsspannung +UB.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist also als anschluss-kompatibler Ersatz für klassische Potentiometer gemäß dem Stand der Technik hervorragend geeignet.
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Der geforderte Verpolungsschutz wird dadurch erreicht, dass im Versorgungspfad und im Signalpfad Ausgangsimpedanzen (R3, R6) vorgesehen sind, die im Fall des verpolten Anschlusses eine strom- und/oder spannungsbegrenzende Wirkung haben. Im Versorgungspfad ist eine strombegrenzende Impedanz R3 (eine selbst rückstellende Sicherung PTC) eingefügt. Im Messzweig für die Versorgungsspannung zum Eingang des Operationsverstärkers 10 ist ein hochohmiger Widerstand R1 und eine Zenerdiode D2 als spannungsbegrenzendes Element eingefügt. Im Signalausgang ist sowohl ein strombegrenzendes (R6) als auch ein spannungsbegrenzendes Element (V1 und D3) eingefügt.
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Der Messbereich ist auf Teilwinkelbereiche so programmierbar, dass der gesamte Ausgangs-Signalhub genutzt wird.
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Der Versorgungsspannungsbereich ist durch Festlegung des Spannungsteilers R1, R2 und der Ausgangsverstärkung über den Spannungsteiler R4/R5 im Rückführungszweig des Operationsverstärkers 18 an übliche Potentiometerversorgungsspannungen von z. B. 8 oder 12V anpassbar.
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Auch dieser erfindungsgemäße ratiometrische Winkelsensor kann irreversibel programmierbar ausgeführt sein gemäß der Lehre zum technischen Handeln, die aus der parallel eingereichten Patentanmeldung der Anmelderin entnehmbar ist.
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Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:
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Der erfindungsgemäße ratiometrische Winkelsensor hat einen konstanten und von der Größe des Ausgangssignals unabhängigen Innenwiderstand. Eine Belastung des Ausgangssignals durch angeschlossene Lastimpedanzen ist in weiten Grenzen (0 bis 10 mA) möglich. Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt das Einbringen von Spannungs- und/oder strombegrenzenden Elementen zum Schutz gegen verpoltes Anschließen oder Überspannungen von außen, ohne dass dadurch das Ausgangssignal verfälscht wird. Der Messbereich ist auf Teilwinkelbereiche programmierbar. Durch Anpassung an die für Potentiometer üblichen Versorgungsspannungen zwischen 7V und 15V kann die erfindungsgemäße Schaltung als anschluss-kompatibler und vorteilhafter Ersatz für Potentiometer dienen.
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Der mechanische Winkel-Messbereich kann lückenlos auf 360° mit einer definierten Übergangsstelle von 360° auf 0° programmiert werden. Der mechanische Messbereich ist auch auf Teilwinkel programmierbar, wobei das Ausgangssignal auf den vollen Ausgangsbereich skaliert werden kann.
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Der Spannungsteiler ist zum Beispiel ein Elektronisches Potentiometer mit nichtflüchtigem Speicher. Oder ein durch Stromimpulse trimmbares Silizium-Spannungsteilerelement. Dieser Spannungsteiler wird durch Leitungen mit einem Programmiergerät verbunden und nach Fertigen der Baugruppe vor der Endmontage für ein bestimmtes Teilerverhältnis programmiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Operationsverstärker für UV
- 12
- Winkelsensor
- 14
- Digitaler Winkelsensor
- 16
- Digital-Analogwandler
- 18
- Operationsverstärker für Ausgang
- GND
- Masse
- OUT
- Ausgangssignal
- PROG
- Programmiereingang
- R1, R2
- Eingangsspannungsteiler
- R4, R5
- Spannungsteiler zur Einstellung der Verstärkung von 18
- R3, R6
- Schutzwiderstände gegen Überlastung
- D1, D2, D3
- Überlastungs- und Verpolungsschutzdioden
- D4
- Diode zum irreversiblen Unterbrechen der Programmierleitung
- SI1
- Sicherungselement zum irreversiblen Unterbrechen der Programmierleitung
- V1
- Ausgangs-Schutzimpedanz
- UB
- Betriebsspannung der Schaltung
- UV
- Herabgesetzte Betriebsspannung für den Sensor
