DE102014222797A1

DE102014222797A1 - Elektronisch einstellbarer Rheostat

Info

Publication number: DE102014222797A1
Application number: DE102014222797.6A
Authority: DE
Inventors: Jochen Gundlach; Klaus-Peter Westrup; Gerrit Jens König
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2015-10-22

Abstract

Elektronisch einstellbarer Rheostat mit einem bipolaren Transistor 1, der mit einer Stromquelle 2 gesteuert wird, wobei der Basisanschluss des bipolaren Transistors 1 als Steuereingang und dessen Kollektor-Emitter-Strecke als steuerbarer Widerstand dienen, wobei der Kollektor und der Emitter des Transistors 1 auf demselben Gleichspannungspotential liegen, und eine Kapazität 3 und eine Induktivität 4 seriell oder parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des bipolaren Transistors 1 geschaltet sind und hier als Bandpassfilter 3, 4 wirken.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronisch einstellbaren Rheostaten gemäß dem Oberbegriff des des Patentanspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Rheostat kann vorteilhaft als Abgleichwiderstand in einem induktiven Näherungsschalter eingesetzt werden.
Rheostaten sind veränderbare Widerstände mit lediglich zwei Anschlüssen, die es sowohl in von Hand einstellbarer oder auch in digital einstellbarer Ausführung, beispielsweise von den Firmen „Microchip“ oder „Analog Devices“, hergestellt werden.
Für die Automatisierungstechnik sind elektronisch einstellbare Rheostaten von besonderem Interesse, weil sie von einem Mikrocontroller gesteuert werden können.
Dem Einsatz der genannten digital einstellbarer Rheostaten im Sensorbereich, beispielsweise für den Abgleich von induktiven Sensoren mit Arbeitsfrequenzen oberhalb 100 kHz, steht neben dem Kostenfaktor ihre vergleichsweise aufwändige digitale Steuerung, sowie deren begrenzte Bandbreite im Wege.
Die DE 32 05 737 C2 zeigt eine Anordnung mit einem schaltbaren Bedämpfungswiderstand, der induktiv an einen Schwingkreis gekoppelt ist. Der Transistor arbeitet hier als Schalter, so dass nur zwei Betriebszustände möglich sind.
Die DE 10 2007 014 343 B4 zeigt einen Bipolartransistor als steuerbaren Abgleichwiderstand in einem induktiven Näherungsschalter, wobei die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors mit einem Widerstand überbrückt ist. Das Hauptproblem besteht darin, dass die Anordnung nur bei Amplituden im Bereich kleiner 10 mV, wie sie in dem dargestellten Empfangskreis auftreten, verzerrungsfrei arbeitet.
Für einen Sendekreis mit 100 mV Amplitude oder mehr ist diese Anordnung weniger geeignet. Ein weiteres Problem besteht darin, dass der parallele Widerstand den Steuerbereich des Rheostaten einschränkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Probleme zumindest teilweise zu lösen und einen hochfrequenztauglichen analog einstellbaren Widerstand anzugeben, auch die beim Abgleich einer Sendespule auftretenden Amplituden im Bereich von einigen 100 mV verzerrungsfrei arbeitet und außerdem noch kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die wegen der bekannten Nichtlinearitäten in den Transistorkennlinien auftretenden Oberwellen und den damit verbundenen Verzerrungen der Signale durch geeignete Bandfilter (Bandpassfilter) zu unterdrücken bzw. herauszufiltern. Somit ist die erfindungsgemäße Anordnung besonders für sinusförmige Signale geeignet.
Die Bandfilter können als Serienschwingkreise oder als Parallelschwingkreise ausgestaltet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Bandpässe so dimensioniert, dass sie die Grundwelle (Grundfrequenz) des zu übertragenden Signals durchlassen, aber bereits die erste Oberwelle (Oberschwingung) merklich dämpfen. Zu diesem Zweck liegt Grenzfrequenz des Bandpassfilters (3, 4) oberhalb der Grundfrequenz und unterhalb der ersten Harmonischen des zu übertragenden Signals.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt den erfindungsgemäßen hochfrequenztauglichen Rheostaten mit einem Transistor,
2 zeigt den erfindungsgemäßen Rheostaten mit zwei Transistoren und zwei Stromquellen,
3 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit dem erfindungsgemäßen Rheostaten.
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem bipolaren Transistor 1, der je nach Phasenlage abwechselnd vorwärts oder invers betrieben wird. Die wegen der unterschiedlichen Kennlinien entstehende Asymmetrie wird durch das Resonanzverhalten des aus der Induktivität 3 und der Kapazität 4 bestehenden, vorteilhaft auf die Grundfrequenz des Signals abgestimmten Serienschwingkreises (3, 4) nahezu beseitigt.
Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit parallel geschalteten komplementären bipolaren Transistoren 1a und 1b, die von separaten Stromquellen 2a und 2b gesteuert werden. Die Stromquellen können vorteilhaft aus einer von einem Mikrocontroller beeinflussten Spanungsquelle mit einem nachgeschaltetem Widerstand als Strom-Spannungs-Wandler oder auch mit einem pulsweitenmodulierten Signal betrieben werden.
Die 3 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit dem erfindungsgemäßen Rheostaten als Abgleichwiderstand. Der Oszillator ist ein induktiv gekoppelter Meißner-Oszillator, dessen frequenzbestimmender Schwingkreis aus der Sendespule 7 und der Kreiskapazität Cs besteht. Die Rückkopplung erfolgt über die induktiv mit der Sendespule 7 gekoppelten gegensinnig in Reihe geschalten Empfangsspulen 8a und 8b, die zusammen mit der Sendespule 7 einen Differentialtransformator bilden. Der Differentialtransformator weist einen offen magnetischen Kreis auf, so dass er von einem zu detektierenden leitfähigen Target beeinflussbar ist.
Der Verstärker 9 dient zur Entdämpfung des Schwingkreises. Er kann selbstverständlich auch anders als dargestellt ausgeführt sein. Der Differentialtransformator kann so abgeglichen werden, dass sich die in den Empfangsspulen 8a und 8b induzierten Spannungen nahezu aufheben. Wenn die mit Us(t) bezeichnete Spannung am Eingang des Verstärkers 9 bezüglich Phasenlage und Amplitude die Schwingungsbedingung nicht erfüllt, schwingt der Oszillator zunächst nicht an. Das ändert sich, wenn Phase und Amplitude der Spannung Us(t) durch den Einfluss eines sich nähernden Targets soweit geändert werden, dass die Schwingbedingung erfüllt ist.
Der Oszillator kann somit durch die Annäherung oder Entfernung eine Targets eingeschaltet werden, was mit einer deutlichen gut auswertbaren Amplitudenerhöhung verbunden ist. Der über einen Impedanzwandler an den Hochpunkt des Schwingkreises angeschlossene Gleichrichter liefert nun ein Ausgangssignal, welches über einen Tiefpass einem Komparator oder dem hier gezeigten Mikrocontroller 6 zur Analog/Digital-Wandlung und Erzeugung eines vorzugsweise binären Schaltsignals zugeführt wird.
Der Differentialtransformator kann aber auch so abgeglichen werden, dass der Oszillator ohne äußeren Einfluss schwingt, und bei der Annäherung eines gut leitfähigen oder hoch permeablen Targets kollabiert. Je besser der Abgleich der Differentialtransformators gelingt, umso empfindlicher arbeitet die Anordnung. Um Fertigungstoleranzen und ggf. Temperatureinflüsse auszugleichen, ist ein Feinabgleich im laufenden Betrieb von Vorteil. Der dazu erforderliche Eingriff in den Differentialtransformator erfolgt erfindungsgemäß über die Anzapfung der Sendespule 7.
Da die beiden Teile der Sendespule 7 notwendigerweise unterschiedlich fest mit den Empfangsspulen 8a und 8b gekoppelt sind, kann die räumliche Verteilung des Magnetfeldes im Differentialtransformator und damit Amplitude und Phase der in den Empfangsspulen 8a und 8b induzierten Spannung Us(t) mit einem an die Anzapfung der Sendespule 7 angeschlossenen von der Auswerteeinheit 6 gesteuerten erfindungsgemäßen Rheostaten nach 3 beeinflusst werden. So ist der Targetabstand, bei dem das Schaltsignal seinen Zustand ändert, einstellbar.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarer Transistor als steuerbarer Widerstand, 1a, 1b sind komplementäre Transistoren
2: Stromquelle, Steuerstromquelle, (auch zweifach als 2a und 2b)
3: Kapazität (Filterkapazität)
4: Induktivität (Filterspule)
5: Hochfrequente innenwiderstandsbehaftete Wechselspannungsquelle
6: Auswerteeinheit, Mikrocontroller
7: Sendespule
8: Empfangsspulen (8a und 8b)
9: Verstärker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3205737 C2 [0006]
DE 102007014343 B4 [0007]

Claims

Elektronisch einstellbarer Rheostat mit einem bipolaren Transistor (1), der mit einer Stromquelle (2) gesteuert wird, wobei der Basisanschluss des bipolaren Transistors (1) als Steuereingang und dessen Kollektor-Emitter-Strecke als steuerbarer Widerstand dient, wobei Kollektor und Emitter des Transistors (1) auf demselben Gleichspannungspotential liegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor mit einem Bandpassfilter verbunden ist, welches mindestens eine Kapazität (3) und eine Induktivität (4) aufweist, und zur Unterdrückung von Oberwellen dient.
Elektronisch einstellbarer Rheostat, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz des Bandpassfilters (3, 4) oberhalb der Grundfrequenz und unterhalb der ersten Harmonischen des zu übertragenden Signals liegt.
Elektronisch einstellbarer Rheostat, nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass er zwei parallel geschaltete komplementäre bipolare Transistoren (1a, 1b) aufweist
Elektronisch einstellbarer Rheostat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bipolaren Transistoren (1a, 1b) von derselben Stromquelle (2) gesteuert werden.
Induktiver Näherungsschalter mit einem Rheostaten nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Abgleichwiderstand zur Einstellung des Schaltabstandes.