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Magnetischer Impulsgeber
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mit einem Wiegand-Draht Die Erfindung betrifft einen magnetischen
Impulsgeber gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Unter dem Titel "Der Wiegand-Effekt" ist in der Fachzeitschrift "Funkschau",
1980, Heft 8, Seite 78 bis 80 der prinzipielle Aufbau eines Wiegand-Elementes, seine
Wirkungsweise und verschiedene Anwendungsmöglichkeiten beschrieben.
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Nach jedem erzeugten Wiegand-Impuls ist es notwendig, die Schale und
den Kern des Wiegand-Drahtes im Verlauf eines Vorbereitungszyklus nachzumagnetisieren.
Dies wird bisher durch externe Dauermagnete unterschiedlicher Stärke bewerkstelligt.
Während zuerst ein stärkerer Magnet ein Nachmagnetisierungsfeld für den gesamten
Wiegand-Draht liefert, erzeugt anschließend ein schwächerer Magnet ein Feld entgegengesetzter
Polarität, durch das nur der Drahtkern ummagnetisiert wird.
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Die hierfür geeigneten Magnete sind relativ teuer. Ihre geometrische
Zuordnung zum Wiegand-Element setzt eine mechanische Justierbarkeit voraus. Je nach
Verwendungs-
zweck kann der für die beiden Magnete benötigte Platzbedarf
störend sein. Die AnsprechschwelLe für das einen Wiegand-Impuls auslösende externe
Feld ist nicht einstellbar.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen auf dem Wiegand-Effekt
beruhenden Impulsgeber zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden
werden.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes
auf.
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Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die Verwendung der Sensorspule als Erregerspule in Verbindung mit einer
elektronischen Stromsteuerschaltung externe Magnete zum Remagnetisieren entfallen,
daß die während des Vorbereitungszyklus wirkenden Magnetfelder genau einstellbar
sind, daß die Stromsteuerschaltung nicht notwendigerweise in unmittelbarer Nähe
des Wiegand-Elementes angeordnet sein muß, daß die einstellbare Ansprechschwelle
eine höhere Empfindlichkeit ermöglicht und daß durch den verkürzten Vorbereitungszyklus
eine höhere Impulsabtastfrequenz als bisher gegeben ist.
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Anhand von drei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung in Verbindung
mit den Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Wiegand-Element
in schematischer Darstellung, Fig. 2 in Prinzipdarstellung die erstmalige Magnetisierung
eines Wiegand-Drahtes,
Fig. 3 das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Impulsgebers gemäß der Erfindung, Fig. 4 das Impulsdiagramm der Zykluslogik
zur Steuerung der Erregerstromschaltung des Impulsgebers von Fig. 3, Fig. 5 den
zeitlichen Verlauf des durch die Bestromung der Sensorspule während eines Vorbereitungszyklus
erzeugten Magnetfeldes aufgrund einer Ansteuerung durch die Erregerstromschaltung
gem. Fig. 3, Fig. 6 das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines
Impulsgebers gemäß der Erfindung, Fig. 7 das Impulsdiagramm zur Steuerung des Impulsgebers
gem. Fig. 6, Fig. 8 den zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes, das durch die Sensorspule
bei einer Ansteuerung durch die Stromsteuerschaltung gern. Fig. 6 erzeugt wird,
Fig. 9 das Prinzipschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines Impulsgebers
gemäß der Erfindung, Fig.lO a) Ansteuerimpuls und Stromverläufe der Strombis 10
c) steuerschaltung gem. Fig. 9.
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Fig. 1 zeigt ein Wiegand-Element WE in schematischer Darstellung.
Es besteht aus einem sogenannten Wiegand-Draht WD, der von einer Sensorspule SP
umgeben ist. Durch
ein spezielles Bearbeitungsverfahren hat die
als Schale DS bezeichnete äußere Zone eine wesentlich höhere magnetische Koerzitivkraft
als der Kern DK des Wiegand-Drahtes WD. Diese Eigenschaft ermöglicht eine spezielle
Magnetisierung des Wiegand-Drahtes WD.
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Fig. 2 zeigt in Prinzipdarstellung die erstmalige Magnetisierung eines
Wiegand-Drahtes WD, bei der der Draht zuerst einem so starken positiven Magnetfeld
+H ausgesetzt wird, daß eine Magnetisierung der äußeren hartmagnetischen Schale
DS stattfindet. Der dabei in gleicher Richtung magnetisierte weichmagnetische Kern
DK wird anschließend durch ein schwächeres negatives Magnetfeld -H in Gegenrichtung
zur Schale DS ummagnetisiert. In diesem Zustand schließen sich die Feldlinien FL
über den Kern DK, so daß der Wiegand-Draht WD nach außen nahezu magnetisch neutral
wirkt.
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Zum Auslösen eines Wiegand-Impulses wird in bekannter Weise der Kern
DK des Wiegand-Drahtes WD bei Einwirken eines äußeren Magnetfeldes Heft ummagnetisiert.
Dieser Vorgang läuft aufgrund der Unterstützung durch das zum äußeren Feld Hext
gleichgerichtete Magnetfeld der Schale DS sehr schnell ab. Die sich dabei schlagartig
außerhalb des Wiegand-Drahtes WD schließenden Feldlinien FL erzeugen in der den
Draht WD umgebenden Sensorspule SP eine relativ hohe Spannung kurzer Dauer, die
ausgangsseitig den Wiegand-Impuls bildet. Nach jeder Erzeugung eines Wiegand-Impulses
muß der Drahtkern DK wieder in den Ausgangszustand ummagnetisiert werden. Dieses
erfolgt im allgemeinen unmittelbar im Anschluß an einen Wiegand-Impuls im Verlauf
eines Vorbereitungszyklus.
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Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines ersten Impulsgebers, bei dem
die Ummagnetisierung des Drahtkerns DK bei gleichzeitiger Nachmagnetisierung der
Drahtschale DS über die Sensorspule SP erfolgt, die in der Zeit des Vorbereitungszyklus
zur Erregerspule wird.
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Sie wird nacheinander von Strömen Ii, 12 und 10 unterschiedlicher
Höhe und entgegengesetzter Richtung durchflossen, die eine Erregerstromschaltung
ES liefert.
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Diese wird durch Impulse P1, P2 und P einer Zyklus logik 0 ZL gesteuert.
Der Eingang der Zyklus logik ZL ist mit dem Ausgang A des Impulsgebers verbunden.
Zwischen dem heißen Ende der Sensorspule SP und dem Ausgang A ist ein Differenzierglied
c/R angeordnet, das den Wiegand-Impuls von Spannungen trennt, die durch die Be-Bestromung
der Sensorspule SP verursacht werden. Die Erregerstromschaltung ES besteht aus drei
Gleichstromquellen, die die drei Ströme Ii, I2 bzw. 10 liefern. Die Stromrichtung
entspricht der angegebenen Pfeilrichtung.
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Fig. 4 zeigt das Impulsdiagramm der Zykluslogik ZL; Fig. 5 den zeitlichen
Verlauf des Magnetfeldes, das die Spule SP im Verlauf der Bestromung durch die drei
Ströme Ii, I2 und 1 erzeugt.
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0 Ein gemäß Fig. 4 zum Zeitpunkt xl erzeugter Wiegand-Impuls P w
startet über seine Rückflanke die Zykluslogik ZL. Diese steuert über den Impuls
P1 die erste der drei Stromquellen der Erregerstromschaltung ES an. Der z.B.
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über ein RC-Glied verzögert ansteigende Strom Ii ist in Richtung und
Höhe so ausgelegt, daß das von der Spule SP erzeugte Magnetfeld H1 gemäß Fig. 5
den Sättigungswert H sat erreicht, der zum Nachmagnetisieren der Drahtschale DS
dient. Anschließend wird über den Impuls P2 die zweite
Stromquelle
angesteuert, deren Strom I2 geringer als II ist und in Gegenrichtung fließt. Durch
RC-Glieder wird ein fließender übergang von I1 zu I2 erreicht, der auch einen fließenden
übergang des Magnetfeldes H1 in das dem Stromfluß 12 entsprechende Gegenfeld H2
(Fig. 5) bewirkt. Das Magnetfeld H2 ist nur geringfügig stärker als die Feldstärke
H re s' die notwendig ist, den Drahtkern DK in die Gegenrichtung zur Drahtschale
DS umzumagnetisieren. Während dieser beiden Magnetisierungsvorgänge ist die dritte
Stromquelle üder den Impuls PO abgeschaltet. Sie wird mit dem Ende des Impulses
P2 wieder eingeschaltet und liefert im fließenden übergang vom Strom I2 einen in
gleicher Richtung wie der Strom I1 fließenden Grundstrom I . Das daraus resultierende
Ma-0 gnetfeld Ho dient als magnetische Vorspannung Hoff zur Ansprechschwelle H set
für die Auslösung eines Wiegand-Impulses Pw. über den Strom Io ist die magnetische
Vorspannung Hoff derart einstellbar, daß ein Wiegand-Impuls P auch durch ein sehr
schwaches externes magnetfeld Hext ausgelöst werden kann.
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Mit dem Wiedereinschalten der dritten Stromquelle über den Impuls
PO ist der Vorbereitungszyklus beendet, der die Zeit T beansprucht. Diese bestimmt
die maximal mögliche Folge von Wiegand-Impulsen.
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Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild eines zweiten Impulsgebers, dessen
Stromsteuerschaltung einen Funktionsgenerator VCO enthält. Der Eingang E und der
Ausgang A des Impulsgebers sind direkt oder über eine Logikschaltung miteinander
verbunden. Letztere kann eine Impulsformerschaltung undfoder eine Steuerschaltung
enthalten, die eine wahlweise Wiegand-Impuls-Erzeugung gestattet.
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Die Schaltung Fig. 6 hat zwei eingangsseitige Flip-Flops FF1 und FF2,
die Schalter S1 bzw. Schalter steuern. Diese sind vorzugsweise FETs. über den Schalter
wird der Funktionsgenerator VCO gestartet. Parallel zum Schalter 1 wird der Generator
VCO über einen Gate-Eingang angesteuert. Dieses bewirkt, daß der Generator in der
90°-Spannungsphase (Cosinus) startet. Der Schalter S2 verbindet den Sinus-Ausgang
des Generators VCO mit dem Eingang eines Spannung-Strom-Wandlers W. Er ist von einem
Widerstand R überbrückt.
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0 Der Eingang des Wandlers W ist über einen einstellbaren Widerstand
R2 in Verbindung mit einem Spannungsteiler R1 vorgespannt-. Der Ausgang A' des Wandlers
W ist mit dem heißen Ende der Sensorspule SP des Wiegand-Elementes WE verbunden,
dem aus den genannten Gründen ein Differenzierglied c/R nachgeschaltet ist. Der
Ausgang einer ebenfalls in der 900-Phase startenden Rechteckspannung ist mit den
beiden anderen Steuereingängen der beiden Flip-Flops FF1 und FF2 verbunden.
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Unter Bezug auf das Impulsdiagramm der Fig. 7 und anhand des Magnetfeldverlaufs
von Fig. 8 wird die Funktionsweise des Impulsgebers von Fig. 6 nachfolgend näher
erläutert.
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Es sei angenommen, daß am Ausgang A ein Wiegand-Impuls P w auftritt,
der parallel zur Auswertung dem Eingang E direkt zugeführt wird. Durch diese Ansteuerung
wird gem. Fig. 7 das Flip-Flop FF1 gesetzt und dadurch der Schalter S1 geöffnet,
während das Flip-Flop FF2 rückgesetzt wird, wodurch der Schalter S2 leitend wird.
über den nunmehr wirksamen frequenzbestimmenden Kondensator C1 und den angesteuerten
Gate-Eingang startet der Funktionsgenerator VCO in der 90°-Phase. Der damit über
den Spannung-Strom-Wandler W einsetzende Stromfluß durch die Sensorspule SP hat
über
die ersten 1800 einen ungedämpften cosinusförmigen Verlauf. Entsprechend ist das
Magnetfeld H1 ausgebildet, wie Fig. 8 zeigt, wobei der Strom durch die Spule SP
so hoch ist, daß der Sättigungswert H sat erreicht wird.
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Nach dem halben Schwingungszyklus des Generators (1800) wird über
die negative Flanke der VCO-Rechteckspannung das Flip-Flop FF2 wieder gesetzt und
dadurch der Schalter geöffnet. Zu diesem Zeitpunkt hat sich in Gegenrichtung zu
H1 das Gegenfeld H2 ausgebildet. Dieses ist allerdings nur so groß, wie es zum Ummagnetisieren
des Drahtkerns DK notwendig ist. Durch das öffnen des Schalters wird der Widerstand
Ro wirksam, der im Verlauf der zweiten Schwingungshälfte (1800 - 3600) den Spannungsverlauf
derart dämpft, daß der resultierende Stromfluß durch die Sensorspule SP am Ende
der Generatorschwingung (360°) ein Magnetfeld Ho erzeugt, das gerade gleich der
magnetischen Vorspannung Hoff ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Flip-Flop FF1 über
die positive Flanke der VCO-Rechteckspannung rückgesetzt, wodurch der Schalter S1
wieder leitend und der Generator VCO stillgesetzt wird. Die Vorspannung des Wandlers
W über den Widerstand R2 ist so eingestellt, daß außerhalb des Vorbereitungszyklus
ein die magnetische Vorspannung Hoff bestimmender Dauerstrom die Sensorspule SP
durchsetzt.
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Fig. 9 zeigt das Prinzipschaltbild eines dritten Impulsgebers, dessen
Stromsteuerschaltung eine Gegeninduktionsstrecke enthält. Der Eingang E der Schaltung
ist die Basis eines Transistorschalters Tr, in dessen Kollektorkreis eine abstimmbare
Induktivität L in Reihe mit einem einstellbaren Widerstand R3 und einem weiteren
Widerstand R4 liegt Am Koppelpunkt der beiden Widerstände R3 und R4 liegt parallel
zur Induktivität L ein Konden-
sator C2 und ein einstellbarer Widerstand
R 5 in Reihe mit einer Diode D. Am gleichen Punkt ist gegen Pluspotential ein einstallbarer
Widerstand R6 und mit seinem Eingang E ein Spannung-Strom-Wandler W angeschlossen,
dessen Ausgang A' mit dem heißen Ende der Sensorspule SP eines Wiegand-Elementes
WE verbunden ist. In der Leitung zum Ausgang A des Impulsgebers ist aus den bereits
genannten Gründen ein Differenzierglied R/C vorgesehen.
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Auch bei dieser Schaltung steht der Ausgang A mit dem Eingang E in
Verbindung. Allerdings ist in diesem Fall zumindest eine Impulsformerschaltung vorzusehen,
die aufgrund eines am Ausgang A auftretenden Wiegand-Impulses einen Rechteckimpuls
PE vorbestimmter Dauer erzeugt.
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Durch diesen in Fig. 10a dargestellten Impuls PE wird der Schalttransistor
T r für die Dauer des Impulses leitend geschaltet. Fig. 10b zeigt den Stromverlauf
im Gegeninduktionszweig. Der über den Widerstand R3 einstellbare Strom 1Tr durch
die Induktivität L hat einen Spannungsverlauf am Eingang E' des Wandlers W zur Folge,
dessen mittlerer Wert bestimmt wird durch den notwendigen Sättigungswert H sat zum
Nachmagnetisieren des Wi egand-Drahtes, wie Fig. 10c zeigt. Mit der Rückflanke des
Impulses PE öffnet der Schalttransistor Tr, so daß der Stromfluß 1Tr schlagartig
unterbrochen wird. Dieses ruft in der Induktivität L eine Gegeninduktion hervor,
die eine steile Spannungsänderung bis in den Negativbereich bewirkt.
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Durch den Kondensator Cz wird eine Abfaliverzögerung erreicht. Während
des Uberschwingens in den negativen Spannungsbereich wird die Diode D leitend und
der Widerstand R5 wirksam. Dieser ist so eingestellt, daß die Gegenspannung am Eingang
E' des Wandlers W auf einen
Wert begrenzt wird, der zum Erzielen
der Feldstärke H res notwendig ist. über den aus den Widerständen R4 und R6 gebildeten
Spannungsteiler wird der Wandler W so vorgespannt, daß außerhalb des Vorbereitungszyklus
ein die magnetische Vorspannung Hoff bestimmender Dauerstrom die Sensorspule P durchsetzt.