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Phaßengeber
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Phasengeber für ein rotierendes
System, insbesondere einen optischen Chopper, das mit einem Gleichstrommotor mit
elektronischer Koiiutierung in Antriebsverbindung steht.
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Eine Vielzahl von Strahlungsmeßgeräten arbeitet nach dem Reierenzstrahl-Vergleichsprinzip,
bei dem in periodischer Wiederkehr Strahlungen, die verschiedene Wege durchlaufen
haben, miteinander verglichen werden. Zur Trennung und im allgemeinen auch zur Wiedervereinigung
der Strahlungswege sowie zum periodischen Einschwenken von Filtern verwendet man
im allgemeinen einen motorisch angetriebenen drehbaren Chopper, der aus einer sektorförmig
unterteilten Blende, einem unterteilten Spiegel, einem unterteilten Filterträger,
oder auch aus einer Kombination der genannten Elemente bestehen kann. In den bekannten
Vorrichtungen sind zur Auswertung des vom Chopper modulierten Signals ein oder mehrere
Phasensignale zur Markierung bestimmter Positionen des
Chopperrades
erforderlich.
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Die bekannten Chopperanordnungen verwenden vom Antrieb unabhängige
Markieruugsvorrichtungen in Form von mechanischen, magnetischen oder auch optischen
Schaltern. Dabei ist es erforderlich, daß sich mindestens eines der Markierungselemente,
beispielsweise Nocken, Permanentmagnete oder optische Markierungen, auf dem rotierenden
System mitbewegen. Mechanische Schalter werden wegen ihrer Baugröße, ihres unregeliäßigen
Bremvoroögens sowie Prellen und Verschleiß möglichst vermieten. Magnetische Schalter
benötigen auf dem stationaren Teil einen Aufnehmer, beispielsweise eine Induktionsspule,
eine Feldplatte oder auch einen Hallgenerator, und optische Schalter benötigen bekanntlich
eine Lichtquelle und einen Bopfänger.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Phasensignale auf
besonders einfache Weise zu erzeugen, insbesondere soll der konstruktive Aufwand
und der Platzbedarf vermindert und dadurch der Einsatzbereich von Spezialmeßgeräten
mit rotierendem Chopper entsprechend erweitert werden.
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Es ist bekannt, bei kollektorlosen Gleichstrommotoren die Läuferstellung
durch magnetfeldempfindliche elektronische Bauelemente, insbesondere Hallgeneratoren,
zu erfassen Unter dem Einfluß des Magnetfeldes des Rotors geben die Hallgeneratoren
eine sinusförmige Hallspannung ab, die zur Steuerung der aus steuerbaren Halbleiterelementen
bestehenden elektronischen Kommutlerungseinrichtung verwendet wird. Die tommutlerung
wird jeweils beim Nulldurchgang einer Hallipannung vorgenommen. Entsprechend der
Phasenzahl der Ständerwicklung werden die Hallgeneratoren in einem bestimmten räumli-
chen
Winkel zueinander angeordnet. Bei einer vierphasigen Ständerwicklung beträgt dieser
räumliche Winkel 900. Die Ständerwicklungen sind im allgemeinen im Stern geschaltet
und'der Sternpunkt ist mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise
dem negativen Pol, verbunden. Die anderen Enden der Ständerwicklung sind Jeweils
Uber ein steuerbares elektronisches Schaltelement, insbesondere einen Transistor,
an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen. Durch die Hallspannungen
werden die Transistoren so gesteuert, daß ein Drehfeld im Läufer entsteht (deutsche
Auslegeschrift 24 03 432).
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Es ist ferner bekannt, eine sinusförmige Spannung mit Hilfe eines
Verstärkers mit Kippcharakteristik in eine Rochteckspannung umzuwandeln. Zu diesem
Zweck kann beispielsweise ein Operationsverstärker vorgesehen sein, der mit einer
sehr schwachen Widerstandsgegenkopplung versehen ist. Er wirkt dabei als Schmitt-Trigger.
Wird die Rechteckspannung differenziert, so entstehen nadeltörmige Impulse, die
als Steuersignale verwendet werden können (deutsche Auslegesehrift 2337 083).
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Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß weder Elektromotor
auf der Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes synchron zur Rotordrehung beruht
und daß weder Gleichstrommotor zu diesem Zweck bereits einen internen Phasengobor
enthält. Die Erfindung besteht somit darin, daß die Stromzuführungen der Ständerwicklung
des Gleichstrommotors Jeweils mit dem Eingang einer elektronischen Triggerstufe
verbunden sind, die vorzugsweise ein Schmitt-Trigeer sein kann. In den Triggerstufen
werden die sinusförmigen Ständerspannungen umgeformt in nadelförmige Signale, die
als Phasensignale fur das rotie-
rende System verwendet werden können.
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In einer besonderen Ausfuhrungsform des Phasengebers mit dreiphasigem
Ausgang kann vorzugsweise eine Summenbildung der positiven Ausgangsimpulse von zwei
Triggerstufen vorgesehen sein.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Fig. 1 die Schaltung eines Phasengebers nach der Erfindung schematisch
veranschaulicht ist. In den Fig. 2 und 3 sind die Ständerspannungen des Elektronikmotors
bzw. die erzeugten Ausgangssignale jeweils in einem Diagramm veranschaulicht.
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In Fig. 1 ist ein Gleichstrommotor mit 2, die zugehörige Steuerelektronik
mit 20 und ein Phasengeber mit 50 bezeichnet. Der Gleichstrommotor 2 enthält in
seinem Ständer 3 vier Wicklungen 6 bis 9, die am Umfang räumlich Jeweils um 900
gegeneinander versetzt sind. Im Luftspalt 10 zwischen dem Ständer 3 und einem Läufer
12 sind zwei Hallgeneratoren 14 und 16 angeordnet, die um ° 90 gegeneinander versetzt
sind und die eine dem magnetischen Feld im Luftspalt proportionale Spannung liefern.
Die Ständerwicklungen 6 bis 9 sind im Stern geschaltet und der Sternpunkt 18 ist
mit dem Nullpotential einer Gleichspannungsquelle 22 von beispielsweise 12 V verbunden.
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Die Ständerwicklungen 6 bis 9 sind Jeweils Uber ein steuerbares elektronisches
Schaltelement an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle 22 angeschlossen.
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Als steuerbare Schaltelemente sind Transistoren vorgesehen, die in
der Figur mit 24 bis 27 bezeichnet sind.
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Die Steuerelektroden der Transistoren 24 und 25 sind an
den
Hallgonorator 14 und die Steuerelektroden der Transistoren 26 und 27 sind an den
Hallgenerator 16 angeschlossen.
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Die bekannte Steuerelektronik 20 enthält ferner einen Transistor 30,
dessen Steuerelektrode über ein Potentiometer 31 mit einem festen Widerstand 32
und einem einstollbaren Widerstand 33 für die Einstellung der Drehzahl an Nullpotential
angeschlosson ist. Der Steuerkreis des Transistors 30 enthält eine Kapazität 34
und einen Widerstand 35. Der Lastkreis des Transistors 30 ist Jeweils Ueber eine
Diode 38 bzw. 39 bzw. 40 bzw 41 mit einer der Motorwicklungen 6 bis 9 verbunden.
Die Dioden 38 bis 41 wirken als Tachogeneratoren, deren Generatorstrom mit Hilfe
des Transistors 30 mit dem durch den Widerstand 33 eingestellten Sollwert verglichen
wird.
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Der Kollektorwiderstand 47 bestimmt gemeinsam mit dem Transistor 30
den Basisstrom für einen Transistor 42, der den Mittelwert der Ausgangsspannungen
der Hallgeneratoren 14 und 16 bestimmt. Dieser Mittelwert regelt den Steuerstrom
für die Steuertransistoren 24 bis 27, deren Kollektorströme Jeweils mit dem Strom
in der zugehörigen Motorwicklung identisch sind. Zwischen Kollektor und Steuerelektrode
des Transistors 42 ist eine Gegenkopplung mit einer Kapazität 43 sowie einer Reihenschaltung
aus einem Widerstand 44 und einer Kapazität 45 vorgesehen.
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Der Phasengeber 50 enthält vier Operationsverstärker 52 bis 55 mit
einer schwachen Widerstandsgegenkopplung, sogenannte Schmitt-Trigger, die nicht
gegengekoppelt sind, ao daß die Schalthysterese verschwindet. Die Schmitt-Trigger
haben somit die Funktion von Null-Volt-Komparatoren.
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Die Widerstandsgegenkopplungen sind mit 56 bis 59 bezeichnet. Die
Eingänge der Schmitt-Trigger 52 bis 55 sind Jeweils über ein kapazitives Kopplungsglied
sowie Jeweils einen nicht näher bezeichneten Stecker mit einer der Ständerwicklungen
6 bis 9 verbunden. Die kapazitiven Kopplungsglieder sind in der Figur mit 60 bis
63 bezeichnet. Der nichtinvertierende Eingang der Schmitt-Trigger ist Jeweils über
einen Ableitwiderstand, die in der Figur mit 66 bis 69 bezeichnet sind, an Nullpotential
gelegt. Die Ausgänge der Schmitt-Trigger 52 bis 55 sind Jeweils mit einem Differenzierglied
versehen, das aus einer Kapazität und einem Widerstand besteht. Die Kapazitäten
sind in der Figur mit 72 bis 75 und die Widerstände mit 76 bis 79 bezeichnet. Für
den Fall, daß an den Ausgängen A, B und C nur die Impulse eines Vorzeichens verwendet
werden sollen, können die Ausgänge der Schmitt-Trigger 52 und 54 Jeweils mit einer
Diode 82 bzw. 83 versehen sein, die beispielsweise alle negativen Impulse ableiten.
Die Ausgänge der Schmitt-Trigger 53 und 55 sind Jeweils über eine Diode 84 bzw 85
mit dem Ausgang B verbunden.
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Diese Dioden 84 und 85 bewirken in Verbindung mit einem Ableitwiderstand
86, daß am Ausgang B nur die Summe der positiven Impulse der beiden Ausgänge der
Schmitt-Trigger 53 und 55 wirksam ist.
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Die Ständerspannungen sind Jeweils um 900 gegeneinander phasenverschoben,
wie dem Diagramm der Fig. 2 zu entnehmen ist, in dem die Spannungen U6 bis U9 der
Ständerwicklungen 6 bis 9 des Gleichstrommotors 2 in Abhängigkeit von der Phasenlage
des Läufers aufgetragen sind. Jeweils im positiven Nulldurchgang dieser Spannungen
wird an einem der Ausgänge A bis C des Phasengebers 50 ein Nadelimpuls erzeugt,
wie es in den Figuren 3a bis c angedeutet ist. Im positiven Null-
durchgang
der Spannung U6 im Phasenwinkel 0 nach Fig. 2a bildet die angeschlossene Triggerstufe
53 nach Fig. 3b einen Nadelimpuls Ug, der am Ausgang B des Phasengebers erscheint.
Mit einer Phasenverschiebung von(/2 wird beim positiven Nulldurchgang der Spannung
U7 nach Fig. 2b am Ausgang des Schmitt-Triggers 54 ein Nadelimpuls Uc gebildet,
der in Fig. 3c angedeutet ist und am Ausgang C des Phasengebers 50 orschoint. Entsprechend
wird bei,r beim positiven Nulldurchgang der Spannung U8 durch den Schmitt-Trigger
55 ein Nadelimpuls gebildet, der über die Diode 85 zum Ausgang B gelangt. Entsprechend
wird beim positiven Nulldurchgang der Spannung U9 nach Fig. 2d beim Phasenwinkel
3 t/2 vom Schmitt-Trigger 52 ein Nadelimpuls UA gebildet, der am Ausgang A des Phasengebers
50 erscheint und in Fig. 3a angedeutet ist.
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Die Ausgangssignale UA bis UC können zur Steuerung von phasenbezogenen
Prozessen, insbesondere zur Integration von Detektorsignalen, in Me8vorrichtungen
mit zwei alternierenden Wellenlängen, beispielsweise zur optischen Modulation mit
rotierenden Chopperscheiben, verwendet werden. Die Ausgangsimpulse können vorzugsweise
zur Markierung von zwei Signalbereichen von tt2 bis t und 3 t/2 bis 2M nach Fig.
2 sowie von zwei Sperrbereichen von 0 bis t/2 und von Ir bis 3 r/2 verwendet werden.
Dabei werden die Sperrbereiche gleichartig behandelt und es können somit Jeweils
die beiden Ausgangsimpulse der Schmitt-Trigger 53 und 55 auf den gemeinsamen Ausgang
B geführt werden. Zu diesem Zweck können die Ausgangsimpulse UA bis UC beispielsweise
Jeweils einer Kippstufe mit einer vorbestimmten RUckstel zeit zugeführt werden,
welche die Dauer einer einzigen Integrationszeit bestimmt. Die Rückstellzeit ihrer
Kippspannung steuert eine weitere Kippstufe mit
einer viel kleineren
Rückstellzeit, die als Einschreibezeit für ein integriertes Signal des Detektors
verwendet wird. Die Rückstellzeit der zweiten Stufe steuert das Zurücksetzen des
Integratorkreises.
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4 Patentansprüche 3 Figuren