DE3014783A1 - Impulsgenerator - Google Patents

Description

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Beschreibung:

Die Erfindung geht aus von einem Impulsgenerator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebebenen Merkmalen.

Wiegand-Drähte sind in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische Drähte (z.B. aus einer Legierung von Eisen und Nickel, vorzugsweise 48 % Eisen und 52 % Nickel, oder aus einer Legierung von Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel, oder aus einer Legierung von Kobalt mit Eisen und Vanadium, vorzugsweise 52 % Kobalt, 38 % Bisen und 10 % Vanadium), die infolge einer besonderen mechanischen und thermischen Behandlung einen weichmagnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d.h. der Mantel besitzt eine höherr Koerzitivkraft als der Kern. Aufbau und Herstellung von Wiegand-Drähten sind in der DE-OS 21 43 326 beschrieben. Die Drähte we-rden im Verlauf des Herstellungsverfahrens verdreht und erhalten dadurch eine charakteristische, wendeiförmige Textur, die sich auch in einem wendeiförmigen Verlauf der Magnetisierung äußert. Wiegand-Drähte haben typisch eine Länge von 5 bis 50 mm, vorzugsweise von 20 bis 30 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns mit der Magnetisieruncjsrichtung des hartmagnetischen Mantels übereinstimmt, in ein äußeres Magnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachse übereinstimmt, der Magnetisierungsrichtung des Wiegand-Drahtes aber

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gesetzt ist, dann wird bei Überschreiten einer Feldstärke von ca. 16 A/cm die Magnetisierungsrichtung des weichen Kerns des

Wiegand-Drahtes umgekehrt. Diese Umkehrung wird auch als Rückstellung bezeichnet. Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren Magnetfeldes kehrt sich die Magnetisierungsrichtung des Kerns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Magnetfeldes erneut um, so daß der Kern und dar Mantel wieder parallel magnetisiert sind. Diese Umkehrung der Magnetisierungsrichtung erfolgt sehr rasch und geht mit einer entsprechend starken. Änderung des magnetischen Kraftflusses pro Zeiteinheit einher (Wiegand-Effekt). Diese Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionsspule einen kurzen und sehr hohen Cje nach Windungszahl und Belastungswiderstand der Induktionsspule bis ca. 12 Volt) Spannungsimpuls induzieren.

Auch beim Zurückstellen des Kerns wird ein Impuls in einer Induktionsspule erzeugt, allerdings mit wesentlich geringerer Amplitude und umgekehrtem Vorzeichen als im Falle des Umklappens von der antiparallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung.

Wählt man als äußeres Magnetfeld ein Wechselfeld, welches in der Lage ist, zuerst den Kern und danach auch den Mantel umzumagnetisieren und jeweils bis in die magnetische Sättigung zu bringen, so treten Wiegand-Impulse infolge des Umklappens der Magnetisierungsrichtung

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des weichmagnetischen Kerns abwechselnd mit positiver und negativer Polarität auf und man spricht von symmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man Feldstärken von ca. -(80 bis 120 A/cm) bis +(80 bis 120 A/cm). Das Um- „ magnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls sprunghaft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Induktionsspule, jedoch ist der Impuls wesentlich kleiner als der beim Umklappen des Kerns induzierte Impuls und wird zumeist nicht ausgewertet.

Wählt man jedoch als äußeres Magnetfeld ein solches, welches nur in der Lage ist, den weichen Kern, nicht aber den harten Mantel in seiner Magnetisierungsrichtung umzukehren, dann treten die hohen Wiegand-Impulse nur mit gleichbleibender Polarität auf und man spricht von asymmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man in der einen Richtung eine Feldstärke von wenigstens 16 A/cm (für die Rückstellung des Wiegand-Drahtes) und in der umgekehrten Richtung eine Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm.

Charakteristisch für den Wiegand-Effekt ist, daß die durch ihn erzeugten Impulse in Amplitude und Breite weitgehend unabhängig sind von der Änderungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen.

Ein Impulsgenerator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 21 57 286 bekannt. Bei diesem be-

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kannten Impulsgenerator werden nackte Wiegand-Drähte zyklisch zunächst an einem Rückstellmagneten vorbeibewegt, der sie magnetisch zurückstellt,und dann an einem Lesekopf vorbeibewegt, in dem sich ein Magnet (befindet, der umgekehrt magnetisiert ist wie der Rückstellmagnet und im Wiegand-Draht den charakteristischen Wiegand-Impuls auslöst, der in einer elektrischen Wicklung im Lesekopf einen Spannungsimpuls erzeugt.

Es ist ferner bekannt, daß die elektrische Wicklung, in der der elektrische Impuls erzeugt wird, nicht neben, sondern unmittelbar auf dem Wiegand-Draht angeordnet wird, wodurch eine enge magnetische Kopplung zwischen dem Wiegand-Draht und der Wicklung hergestellt und ein sehr kompakter Modul gebildet wird. Mit einem solchen aus einem Wiegand-Draht und darauf befindlicher Wicklung bestehenden Modul läßt sich ein Impulsgenerator bauen, bei dem zyklisch nacheinander zwei entgegengesetzt polarisierte Magnete am Modul vorbeibewegt werden und den Wiegand-Draht symmetrisch oder asymmetrisch erregen.

Gemäß einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag kann unter Verwendung eines Wiegand-Drahtes ein Impulsgenerator gebildet werden, indem man auf einem Wiegand-Draht zwei Wicklungen anordnet, von denen eine mit einem Wechselstrom gespeist wird, der ein magnetische Wechselfeld erzeugt, welches den Wiegand-Draht symmetrisch oder asymmetrisch erregt, wohingegen die zweite Wicklung zum Empfang der Wiegand-Impulse dient.

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Allen drei beschriebenen Varianten ist gemeinsam, daß der elektrische Spannungsimpuls in einer elektrischen Wicklung erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, daß - je nach Windungszahl und Belastungswiderstand - der Spannungsimpuls so hoch ist, daß er für viele Anordnungen ohne weitere Verstärkung weiterverwendet werden kann. Nachteilig ist jedoch im Falle der DE-OS 21 57 286,daß der Impulsgenerator verhältnismäßig groß ist, während andererseits ein Modul, bei dem auf einen Wiegand-Draht eine oder sogar zwei Wicklungen aufgebracht ist, sehr diffizil herzustellen ist. Dies wird deutlich, wenn man bedenkt, daß ein typischer Wiegand-Modul 2.B. aus einem 15 mm langen Wiegand-Draht besteht, auf den eine Wicklung mit sechs Lagen und 1300 Windungen aufgebracht ist, wobei der Außendurchmesser des gesamten Moduls nur 1 mm beträgt.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung eines vereinfachten, sehr kompakten Impulsgenerators.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Impulsgenerator mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung macht sich die bekannte, bislang aber praktisch nicht genutzte Erkenntnis (Report von R.C. Barker und J.H. Liaw

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"Some Properties of Wiegand Wire Under Asymmetrical Sine Wave Drive", Department of Engineering and Applied Science, Yale University, 28. Februar 1977)' zunutze, daß beim Erregen eines Wiegand-Drahtes infolge des wendeiförmigen Verlaufs der Magnetisierung im Wiegand-Draht zwischen den Enden des Wiegand-Drahtes eine elektrische Impulsspannung erzeugt wird, die allerdings sehr viel kleiner ist als die in einer auf dem Wiegand-Draht aufgebrachten Wicklung erzielbare Impulsspannung. Beim heutigen Stand der Verstärkertechnik ist es jedoch vielfach einfacher, bequemer und billiger, ein Signal mit geringer Amplitude elektrisch zu verstärken_Tals durch andere Maßnahmen (hier: die Verwendung einer Wicklung zur Erzeugung eines Spannungsimpulses) ein hohes Ursprungssignal zu erhalten. Im vorliegenden Fall kann die in der Herstellung diffizile Wicklung zum Empfang der Wiegand-Impulse auf dem Wiegand-Draht entfallen. An ihre Stelle kann, soweit erforderlich, eine Impulsverstärkerschaltung treten (Anspruch 2), die die an den Enden des Wiegand-Drahtes abgegriffene Impulsspannung elektronisch verstärkt. Dabei bietet sich wegen der Kleinheit des Wiegand-Drahtes die Möglichkeit, diesen als Bauelement in die Impulsverstärkerschaltung zu integrieren, z.B. auf eine Leiterplatte aufzulöten (Anspruch 3), wobei auch die Möglichkeit besteht, die Impulsverstärkerschaltung als Modul in integrierter Bauweise auszuführen, in den der Wiegand-Draht mit integriert, z.B. auf

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einem Siliziumträger befestigt ist (Anspruch 4). Auf diese Weise erhält man einen sehr kompakten und zuverlässigen Modul.

Ein solcher Modul kann auf vielfältige Weise zur Impulsabgabe angeregt werden. So tenn die Anregung z.B. dadurch erfolgen, daß zwei entgegengesetzt polarisierte Stabmagnete abwechselnd periodisch dem Modul mit dem Wiegand-Draht angenähert werden (Anspruch 5), z.B. dadurch, daß der Modul am Umfang eines rotierenden Läufers befestigt ist und nacheinander an den beiden ortsfesten Stabmagneten vorbeibewegt wird, oder dadurch, daß die beiden Stabmagnete auf einem rotierenden Läufer befestigt sind und am ortsfesten Modul mit Wiegand-Draht vorbeibewegt werden.

Es ist auch möglich, von zwei entgegengesetzt polarisierten Stabmagneten einen ortsfest beim Wiegand-Draht, z.B. im Modul, anzuordnen und den anderen relativ zum Wiegand-Draht beweglich anzuordnen. Der bewegliche Magnet muß dabei so stark sein, daß er bei Annäherung an den Wiegand-Draht das Magnetfeld des ortsfesten Magneten so stark überwiegt, daß das resultierende Magnetfeld wenigstens zur magnetischen Rückstellung des Wiegand-Drahtes ausreicht i(am Ort des Wiegand-Drahtes also eine Feldstärke von wenigstens ca. 16 A/cm erreicht).

Anstatt Permanentmagnete beweglich anzuordnen, kann man natürlich auch die Permanentmagnete bezogen auf den Wiegand-Draht ortsfest anordnen und stattdessen die -Feldstärke am Ort des Wiegand-

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Drahtes dadurch variieren, daß man dem oder den Permanentmagneten ferromagnetische Bauelemente annähert oder entfernt, durch die das Magnetfeld des einen oder des anderen Permanentmagneten am Ort des Wiegand-Drahtes geschwächt oder verstärkt wird.

Anstatt durch Permanentmagnete kann man den Wiegand-Draht auch durch Elektromagnete erregen, am einfachsten durch eine von Wechselstrom durchflossene Wicklung, welche magnetisch mit dem Wiegand-Draht gekoppelt ist und am Ort des Wiegand-Drahtes ein magnetisches Wechselfeld hervorruft, welches zur symmetrischen oder zur asymmetrischen Erregung des Wiegand-Drahtes fähig ist (Anspruch 6). Eine solche Erregerwicklung ist mit Vorteil neben dem Wiegand-Draht angeordnet.und kann auch in den Modul einer Irnpulsverstärkerschaltung integriert werden. Sie kann auch um den Wiegand-Draht herumgelegt sein; in diesem Fall hat man gegenüber der bekannten Anordnung zweier Wicklungen auf dem Wiegand-Draht, ο, nämlich einer Erregerwicklung und einer Empfängerwicklung, immer noch den Vorteiltes Wegfalls der diffizilen Empfängerwicklung»

Der erfindungsgernäße Schalter kann überall dort eingesetzt werden, wo Impulse mit einer Halbwertsbreite von ca. 20 ,us verwendbar sind, z.B. in Tastaturen, als magnetischer Näherungsschalter, zur Zündung von Thyristoren u. dgl. mehr.

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Die beigefügten Figuren 1 und 2 zeigen schematisch zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Wiegand-Draht 1 ersatzweise als ohmscher Widerstand gezeichnet und in einen Transistorverstärker integriert, bestehend aus einem npn-Transistor 2 in Emittergrundschaltung, einem Kollektorwiderstand R , einem Widerstand R_ß_ im Basis-Kollektorkreis und einem Widerstand R₁₃₁-, im Basis-Emitterkreis.

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Der Wiegand-Draht 1 ist der Basis des Transistors 2 vorgeschaltet. Parallel neben dem Wiegand-Draht 1 liegen ortsfest ein stabförmiger Dauermagnet 3 und in Richtung des Pfeils 4 hin und her beweglich ein zweiter stabförmiger Dauermagnet 5, der jedoch entgegengesetzt magnetisiert ist. Bei Entfernung des Magneten 5 vom Wiegand-Draht 1 stellt der Magnet 4 den Wiegand-Draht 1 magnetisch zurück und bei Wiederannäherung des Magneten 5 an den Wiegand-Draht 1 überwiegt am Ort des Wiegand-Drahtes unterhalb eines vorgegebenen Abstand^ das Magnetfeld des Magneten 5 jenes des Magneten 4 so stark, daß die Magnetisierungsrichtung des weichen Kerns des Wiegand-Drahtes 1 umklappt und dadurch der charakteristische Wiegand-Impuls erzeugt wird, der sich in einem Spannungsimpuls an den Enden des Wiegand-Drahtes 1 äußert. Dieser Spannungsimpuls gelangt als Eingangssignal auf die Basis des Transistors 2. Das verstärkte Ausgangssignal erscheint am Kollektor.

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Fig. 2 zeigt einen Wiegand-Draht 1, der wie im Beispiel der Fig. 1 durch einen ortsfesten und einen beweglichen Stabmagneten 3 bzw. 5 asymmetrisch erregt wird. Der Wiegand-Draht 1 ist in eine Verstärkerschaltung integriert bestehend aus zwei in Emittergrundschaltung gekoppelten Transistoren 6 und 7, deren Basis durch den Wiegand-Draht 1 verbunden ist, die den gemeinsamen Emitterwiderstand R„„ und die Kollektor-

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widerstände R . und K _ besitzen. Die beim Wiegand-Impuls an den Enden des Wiegand-Drahtes 1 auftretende Impulsspannung gelangt als Eingangssignal auf die Basis der beiden Transistoren 6 und 7. Das verstärkte Ausgangssignal kann an den Kollektoren abgegriffen werden.

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Claims (7)

PATENTANWÄLTE ■ J U I 4 / O J DR. RUDOLF BAUER ■ DIPL-ING. HELMUT HUBBUCH DIPL.-PHYS. ULRICH TWELMEIER -TT4H wesTuiCHe uo-ai (am ieopolo^i αγ/| D-753O PFORZHEIM, (wES'-ülkm "SJ" (Ü7Q31) 1Ua'JOO/70 IS. April 19B0 III/Be Drο Eugen Dürrwächter DODUCO, 7530 Pforzheim " Impulsgenerator " Patentansprüche;

1. Impulsgenerator zur Erzeugung von am Ausgang des Impulsgenerators galvanisch abgreifbaren, elektrischen Spannunqs-

impulsen unter Verwendung eines Wiegand-Drahtes und mit Mitteln zum Erzeugen eines alternierenden Magnetfeldes am Ort des Wiegand-Drahtes, dadurch gekennzeichnet, daß der galvanische Abgriff der elektrischen Spannungsimpulse an den Enden des Wiegand-Drahtes (1) vorgesehen ist.

2. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Wiegand-Drahtes (1) mit dem Eingang einer

elektronischen Impulsverstärkerschaltung verbunden sind.

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3. Impulsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wiegand-Draht (1) in die Impulsverstarkerschaltunq

integriert ist.

4. Impulsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsverstärkerschaltung ein in integrierter Bauweise hergestellter Modul ist.

5. Impulsgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung des Wiegand-Drahtes

(1) relativ zum Wiegand-Draht (1) bewegliche Dauermagnete (5) vorgesehen sind.

6. Impulsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung des Wiegand-Drahtes eine

mit einer Wechselstromquelle verbindbare Wicklung vorgesehen ist.

7. Impulsgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung neben dem Wiegand-Draht angeordnet ist.

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