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Die
Erfindung betrifft einen Stellkondensator zur Abstimmung eines wenigstens
eine Induktivität und eine Kapazität umfassenden
RLC-Schwingkreises, wobei der Stellkondensator ein Plattenkondensator
mit einer Vario-Kondensatorplatte und wenigstens einer gegenüber
dieser in einer definierten Höhe mittels eines elektromotorischen
Antriebs bewegbaren Stator-Kondensatorplatte ist.
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Ein
derartiger Stellkondensator ist bereits aus der Patentschrift
US 7,061,745 B2 vorbekannt. Bei
einem derartigen Stellkondensator sind zwei Kondensatorplatten einander
gegenüber angeordnet, deren Überschneidungsgrad
abhängig von der relativen Lage der Platten zueinander
ist und welche somit einen Kondensator mit abhängig von
der Stellung der Kondensatorplatten veränderlicher Kapazität
bilden.
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Die
Verwendung von Drehkondensatoren zum Verändern der Resonanzfrequenz
von Schwingkreisen, etwa in herkömmlichen Radioempfängern zum
Einstellen von Sendern sowie zur veränderlichen kapazitiven
Kopplung und zur Impedanzanpassung in der Hochfrequenztechnik, gehören
zum elektrotechnischen Grundwissen. Den feststehenden Teil eines
solchen Drehkondensators nennt man Stator, den verstellbaren, beweglichen Teil
den Rotor. Für den Fall, dass die Kondensatorplatten als
Blechpakete ausgeführt sind, spricht man von einem Statorpaket
bzw. einem Rotorpaket. Dabei muss der Begriff des Drehkondensators
nicht zwingend auf einen halbkreis- oder kreisförmig aufgebauten
Ringkondensator hinweisen, sondern kann auch durchaus in Form eines
Plattenkondensators mit einer feststehenden und einer beweglichen
Kondensatorplatte verwirklicht sein.
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Innerhalb
eines RLC-Schwingkreises wird also bei der Verstellung der Kapazität
des Kondensators der Schwingkreis in seiner Frequenz und seiner Impedanz
verstellt, wobei die Frequenzeinstellung als „Tuning” und
die Impedanzeinstellung als „Matching” bezeichnet
wird.
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Ein
solcher Schwingkreis kommt beispielsweise in einer Erfassungsvorrichtung
gemäß dem deutschen Patent
DE 10 2004 052 396 B4 zum
Einsatz. Es handelt sich hierbei um eine Erfassungsvorrichtung für
Wischmops und/oder Textilien, die jeweils mit einer Antennenvorrichtung
zur induktiven Einkopplung einer Betriebsspannung in einem RFID-Tag
gekennzeichnet sind, die sobald die RFID-Tags in das magnetische
Wechselfeld einer Sendeantenne eingebracht werden, auf Grund einer induktiven
Einkopplung und der Induktion einer elektrischen Spannungsversorgung
einen Transponder-IC aktiviert, der bewirkt, dass der RFID-Tag ein magnetisches
Wechselfeld erzeugt, dass zu einer messbaren Verstimmung eines mit
einer Antennenspule erzeugten Magnetfeldes führt. Je nach
Ausgestaltung des RFID-Tags kann entweder die Existenz eines Tags
als solche ermittelt werden oder, für den Fall einer entsprechenden
eindeutigen Kennung des Tags, auch der Tag als solcher identifiziert
und erkannt werden. Im Ergebnis stellt also auch die Antenneneinheit
einen RLC- Schwingkreis dar, der zur Meidung von Messfehlern exakt
eingestellt werden muss, insbesondere so, dass etwaige Reflexionen der
Antennenspulen untereinander ausgeschlossen sind. Hierzu ist auch
ein Tuning und Matching dieses Antennenkreises erforderlich. Dabei
wird beispielsweise ein Drehkondensator der eingangs erwähnten Art
eingesetzt. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass eine manuelle
Einstellung mittels entsprechender Kondensatoren vor Ort sehr aufwändig
und unpraktikabel ist. Es bedarf also eher einer selbst regelnden Lösung,
etwa eines Drehkondensators, der mittels einer computergesteuerten
Prozessoreinheit, die mit einer Sensoreinheit zur Erfassung der
Reflexionen in Datenverbindung steht, selbsttätig eine
entsprechende Einstellung des Schwingkreises mittels des erwähnten
Drehkondensators vornimmt.
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Anstelle
der Regelung des Drehkondensators per Hand kann eine selbsttätige
Regelung mit einer Kapazitätsdiode erfolgen, wobei sich
derartige Kapazitätsdioden nicht als Betriebsfest erwiesen
haben. Die Verwendung einer in Sperrrichtung betriebenen Kapazitätsdiode
scheidet aus, weil im Rahmen der Leistungsübertragung im
RFID-Tag-Bereich in einem Frequenzbereich von 13,57 MHz Leistungen
bis zu 4 W übertragen werden und die hierdurch induzierten
Spannungen die Kapazitätsdiode ohne Weiteres zerstören.
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Alternativ
könnte der Drehkondensator auch mit einem herkömmlichen
Servo- oder Schrittmotor über die erwähnte Prozessoreinheit
angesteuert werden. Eine solche Lösung wird jedoch als
vergleichsweise aufwändig und überdies ebenfalls
als fehleranfällig empfunden.
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Eine
durchaus praktikable Lösung besteht in der Verwendung herkömmlicher
Kondensator-Arrays, deren Kondensatoren jeweils mit entsprechenden
Schaltrelays geschaltet werden, um die jeweils zur Vermeidung der
Reflexionen gewünschte Kondensatoreinstellung zu erreichen.
Problematisch ist allerdings, dass jeweils nach Abschaltung der
Erfassungseinheit auch die Einstellungen der Relays verloren gehen
und diese anschließend neu angefahren werden müssen.
Die entsprechenden Einstellungen der Relays können dabei
von dem angeschlossenen Mikroprozessor bezogen werden.
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In
Ergänzung der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung
der
DE 10 2004
052 396 B4 besteht also Bedarf an einer Lösung
zur selbsttätigen Einstellung des im Rahmen der Erfassungsvorrichtung
benötigten Antennenschwingkreises.
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Auch
im Bereich der Kernresonanz-Spektroskopie oder NMR-Spektroskopie
zur Aufklärung von Molekülstrukturen, insbesondere
in Bereichen der organischen Chemie und Biochemie oder der Kernspintomographie
muss zur Analyse Energie in Form von Radiowellen auf die zu prüfende
Substanz eingestrahlt werden. Dabei muss die Einstrahlung der Energie
in Form einer Radiowelle mit einer eindeutig definierten Frequenz
erfolgen, wobei der hierzu benötigte Sendeschwingkreis
erneut ein RLC-Schwingkreis ist, der exakt in Frequenz und Impedanz
durch die erwähnten Methoden des Tunings und Matchings eingestellt
werden muss. Auch hierzu wird ein entsprechend selbsttätig
einstellbarer Drehkondensator benötigt.
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Der
Erfindung liegt also die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Stellkondensator
mit einer verbesserten Möglichkeit zur selbsttätigen
Einstellung eines RLC-Schwingkreises zu schaffen, der darüber
hinaus in den genannten Bereichen einsetzbar ist und hinreichend
betriebsfest ist.
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Die
Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Stellkondensatoren
gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung können den Ansprüchen
2 bis 7 entnommen werden.
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Gemäß Anspruch
1 handelt es sich bei dem Stellkondensator um einen Plattenkondensator,
dessen eine Vario-Kondensatorplatte gegenüber wenigstens
einer anderen Stator-Kondensatorplatte beweglich gelagert ist und
mittels eines elektromotorischen Antriebs bewegbar ist. Im Rahmen
der erfindungsgemäßen Lösung kann also
einfach mittels eines Plattenkondensators umfassend zwei oder mehrere
Kondensatorplatten eine Veränderung der Kapazität
und damit zur Frequenz- und Impedanzstellung des RLC-Schwingkreises
selbsttätig mittels des Antriebs erfolgen.
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Der
Stator des Stellkondensators ist dabei aus zwei vorzugsweise gleichen,
nicht miteinander verbundenen Kondensatorplatten gebildet, wobei
die Kontakte der beiden Platten die Anschlüsse des Gesamtkondensators
auf der Leiterplatte darstellen. Die Reihenschaltung der beiden
Teilkondensatoren erfolgt über die gemeinsame – um
das Dielektrikum des Plattenkondensators beabstandete – beweglich
gelagerte Vario-Kondensatorplatte.
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In
konkreter Ausgestaltung wird die beweglich gelagerte Kondensatorplatte
mittels eines elektromotorischen Antriebs relativ zu den als Stator
eingesetzten festen Kondensatorplatten bewegt. Die zwei feststehenden
Kondensatorplatten mit der gemeinsamen um das Dielektrikum beabstandeten
be weglich angeordneten Kondensatorplatte bilden also zwei mittels
einer Kondensatorplatte gleichzeitig verstellbare in Reihe geschaltete
Kondensatoren aus. Das gemeinsame Stellglied dieser beiden Kondensatoren
ist der mit der beweglich gelagerten Kondensatorplatte verbundene
elektromotorische Antrieb.
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Als
elektromotorischer Antrieb hat sich im Unterschied zu dem aus dem
Stand der Technik vorbekannten herkömmlichen Schritt- oder
Linearmotoren ein Piezo-Mini-Liniearmotor bewährt. Es handelt sich
dabei um einen linearen Ultraschall-Piezo-Motor, wie er etwa aus
der
DE 10 2004
059 429 B4 bekannt ist. Es handelt sich dabei im Wesentlichen
um einen Motor, bei dem ein Piezo-Aktuator auf einen beweglichen
Schieber einwirkt. Der Motor zeichnet sich durch eine hoch kompakte
Bauweise aus und besitzt eine hohe Positionsstabilität
ohne die insoweit üblichen und hier schädlichen
Hitzeverluste. Es bedarf keinerlei Getriebe oder sonstiger mechanischer Komponenten,
die mit Reibungsverlusten versehen und überdies fehleranfällig
sind. Der insoweit verwirklichte elektromotorische Antrieb kann
mit kleinen Spannungspulsen betrieben werden, wie sie etwa von einem
herkömmlichen Mikroprozessor geliefert werden können.
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Zur
Ausbildung eines selbsttätig regulierenden Regelkreises
ist der erwähnte elektromotorische Antrieb mit einer Prozessoreinheit
verbunden, die ihrerseits mit einer Sensorik zur Frequenz- und/oder Impedanzeinstellung
des RLC-Schwingkreises benutzt wird, verbunden und wird von der
Prozessoreinheit in Abhängigkeit von den von der Sensorik
gelieferten Messergebnissen derart angesteuert, dass beispielsweise
die Resonanzfrequenz des anzusteuernden Schwingkreises exakt eingesteuert
wird oder die in dem Schwingkreis bestehenden Reflexionen auf 0
reguliert werden.
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Hierzu
kann die Prozessoreinheit in einfacher Weise mittels einer geeigneten
Software parametriert werden.
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Der
vorstehend mittels des erfindungsgemäßen neuartigen
Stellkondensators verwirklichte selbsttätig regulierende
RLC-Schwingkreis kann idealerweise zur selbsttätigen Matching-
und Tuning-Einstellung der Antenneneinheit einer Erfassungsvorrichtung
zur Zählung und/oder Erfassung von Textilien oder Wischmops
in einem Sammelgefäß, die jeweils mit dem RFID-Tag
verbunden sind, eingesetzt werden.
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In
abermals vorteilhafter Verwendung kann der entsprechend selbsttätig
regulierende RLC-Schwingkreis auch zur Ansteuerung einer Sendeeinheit
im Bereich der NMR-Spektroskopie bzw. der Kernresonanz-Spektroskopie
eingesetzt werden, um einen Schwingkreis derart einzustellen, dass
eine Radiowelle mit einer exakt vorbestimmten Frequenz von dem Schwingkreis
ausgestrahlt wird.
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Die
Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung nur schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert,
ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt
zu sein.
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Es
zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild zum Aufbau des Stellkondensators,
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2 das
Ersatzschaltbild des in 1 dargestellten Stellkondensators
und
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3 ein
Prinzipschaltbild zum elektromotorischen Antrieb des in den 1 und 2 dargestellten
Stellkondensators.
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Gemäß dem
Prinzipschaltbild in 1 besteht der Stellkondensator
aus zwei fest mit einer Leiterplatte 1 verbundenen Stator-Kondensatorplatten 2 und 3,
die einander in Reihe geschaltet sind. Diesen beiden Stator-Kondensatorplatten 2 und 3 ist – um das
Dielektrikum des Stellkondensators beabstandet – eine bewegliche
weitere Rotor-Kondensatorplatte 4 zugeordnet, die mittels
eines in dieser Zeichnung nicht weiter dargestellten elektromotorischen
Antriebs über einen Schieber 5 relativ zu den
beiden Stator-Kondensatorplatten 2 und 3 beweglich
gelagert und verschiebbar ist.
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Im
Ergebnis stellt der Stellkondensator C gemäß dem
Ersatzschaltbild in 2 die Reihenschaltung zweier
Stellkondensatoren C1 und C2 dar,
wobei auf Grund des Umstandes, dass die beweglich gelagerte Vario-Kondensatorplatte 4 für
beide Stellkondensatoren C1 und C2 wirkt, ist die Verstellung der in Reihe
geschalteten Stellkondensatoren C1 und C2 miteinander gekoppelt.
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Für
den Fall, dass die beiden Stator-Kondensatorplatten 2 und 3 identisch
ausgebildet sind, gilt: C1 =
C2 = C
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Die
Gesamtkapazität C
ges dieser in
Reihe geschalteten Stellkondensatoren berechnet sich daher nach
der Formel:
also C
ges = C / 2
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Gemäß der
Darstellung in 3 wird dabei die Vario-Kondensatorplatte 4 mittels
eines Piezo-Mini-Linearmotors 6 angetrieben, wobei der
von einem Piezo-Aktuator angetriebene Schieber 5 mit der
Vario-Kondensatorplatte 4 über ein angewinkeltes
Verbindungselement 7 derart verbunden ist, dass die Vario-Kondensatorplatte 4 in
einer definierten Höhe, also um das Dielektrikum des Stellkondensators
bzw. der in Reihe geschalteten Stellkondensatoren C1 und C2 beabstandet von den beiden Statur-Kondensatorplatten 2 und 3 angeordnet
ist.
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- eine
Stator-Kondensatorplatte
- 3
- andere
Stator-Kondensatorplatte
- 4
- Vario-Kondensatorplatte
- 5
- Schieber
- 6
- Piezo-Mini-Linearmotor
- 7
- Verbindungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 7061745
B2 [0002]
- - DE 102004052396 B4 [0005, 0009]
- - DE 102004059429 B4 [0016]
