DE3606878C2 - Schaltungsanordnung zur Kompensation der temperaturabhängigen Dämpfungsverluste eines Oszillator-Schwingkreises - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsan­ ordnung zur Kompensation der temperaturabhängigen Dämpfungsverluste der Schwingungsamplitude eines durch einen Generator angeregten Oszillator- Schwingkreises, bei dem der Wert des temperaturab­ hängigen Widerstandes des Leitermaterial der Schwingkreisspule zur Steuerung der Schwingungs­ amplitude des durch den Generator erzeugten Signals benutzt wird.

Oszillatoren, die ein hochfrequentes, elektromagne­ tisches Wechselfeld abstrahlen, werden für indukti­ ve Näherungsschalter verwendet. Durch Eindringen einer Steuerfahne in das elektromagnetische Wech­ selfeld wird eine Dämpfung der Amplitude des Oszil­ lators hervorgerufen, die zum Schalten von elektri­ schen Verbrauchern ausgewertet wird. Da mit zuneh­ mendem Abstand der Einfluß der Steuerfahne abnimmt, überwiegen schließlich die Dämpfungsverluste durch den Kupferwiderstand der Schwingkreisinduktivität sowie Ferrit- und Wicklungsverluste die durch die Steuerfahne hervorgerufene Dämpfung. Dadurch, daß die genannten Verluste temperaturabhängig sind, wirkt sich bei größeren Schaltabständen der Tempe­ ratureinfluß auf die Güte des Schwingkreises letzt­ lich stärker aus als der Einfluß der Steuerfahne.

Die durch den Kupferwiderstand der Schwingkreisin­ duktivität hervorgerufene Temperaturabhängigkeit der Güte des Oszillator-Schwingkreises wird zusätz­ lich bei solchen Ausführungen, die mit Vergußmasse vergossen sind, durch die Dämpfungsverluste der Vergußmasse erhöht.

Diese, als Widerstände darstellbaren Verlustanteile setzen sich gemäß nachfolgender Aufstellung zum Ge­ samtverlust-Widerstand bzw. effektiven Verlust- Widerstand zusammen:

• 1. Ohmscher Kupferwiderstand der Schwingkreis-Spule
• 2. Wirbelstromverluste im Kupfer der Wicklung
• 3. dielektrische Verluste der Wicklungskapazität
• 4. Restverluste im Ferrit des Schalenkerns
• 5. Hystereseverluste im Ferrit des Schalenkerns
• 6. Wirbelstromverluste im Ferrit des Schalenkerns
• 7. Vergußmasseverluste.

Der Schaltabstand ist eine Funktion der Temperatur, so daß bei vorgegebener Toleranz von ±10% des Schaltabstandes ohne Temperaturkompensation eine Erhöhung des Schaltabstandes nicht erreichbar ist.

Die Fig. 1 zeigt, wie sich der absolute effektive Verlustwiderstand mit wachsenden Zusatzverlusten zu den ohmschen Kupferverlusten verändert. In ihrer Gesamtwirkung führen diese Verluste zu einer Erhö­ hung des effektiven Verlustwiderstands und zu einer exponentiellen Verzerrung der Verlustwiderstandsge­ raden.

Durch die DE 32 48 169 A1 ist ein induktiver elek­ tronischer Näherungsschalter bekannt, der Kompensa­ tionseinrichtungen zur Kompensation der Temperatur­ abhängigkeit der Spulengüte der Schwingkreisspule besitzt.

Bei diesem bekannten Näherungsschalter weisen die Kompensationseinrichtungen ein spannungsgesteuertes Dämpfungsglied für den Schwingkreis des Oszillators auf, welches parallel zum Schwingkreis geschaltet ist. Ferner ist eine Steuerspannungsstufe zum Er­ zeugen einer temperaturabhängigen Steuerspannung für das Dämpfungsglied vorhanden. Für den Oszilla­ tor des Näherungsschalters ist die Güte des Schwingkreises, die den Schaltabstand bestimmt, vom Verlustwiderstand (der Schwingkreisspule) und von der Impedanz des Dämpfungsgliedes abhängig.

Eine derartige Ausbildung und Anordnung der Kompen­ sationseinrichtung ist insofern nachteilig, weil das Dämpfungsglied in Abhängigkeit von der Tempera­ tur die Güte des Schwingkreises, und damit die Emp­ findlichkeit des Näherungsschalters, verschlech­ tert.

Durch die EP 00 70 796 B1 ist ein Verfahren bekannt geworden, mit dem sich die Kupferverluste der Schwingkreisspule kompensieren lassen. Hierfür wird vorgeschlagen, die Temperaturabhängigkeit des spe­ zifischen Widerstandes des Leitermaterials der Schwingkreisspule dazu zu benutzen, die Amplitude des durch den Generator des Schwingkreises erzeug­ ten Signales proportional zum temperaturabhängigen Widerstand des Leitermaterials der Schwingkreisspu­ le zu steuern. Ein nach diesem Verfahren ausgebil­ deter Oszillator ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreisspule eine Hochfrequenzlitze als Wicklungsdraht aufweist und daß sie, um den Lei­ tungswiderstand der Schwingkreisspule auch bei schwingendem Schwingkreis ermitteln zu können, bi­ filar ausgeführt ist, indem bei einem Anschluß der­ selben ein Litzendraht von den anderen getrennt und separat zu einer Klemme herausgeführt wird, wobei eine konstante Wechselstromquelle mit der genannten Klemme der Schwingkreisspule verbunden ist, so daß der Schwingkreis angeregt wird und die temperatur­ kompensierte Schwingkreisspannung an einem Anschluß ausgekoppelt wird.

Dieses Verfahren liefert recht brauchbare Werte, wenn sichergestellt ist, daß der Güteverlauf über Temperatur überwiegend vom Kupferwicklungswider­ stand bestimmt wird und die übrigen Schaltungskom­ ponenten keinen oder einen vernachlässigbar kleinen Temperaturgang haben.

Um die durch das bekannte Verfahren nicht kompen­ sierbaren Verlustanteile zu verringern, kann man beispielsweise spezielle Spulenwickeltechniken, ei­ ne besondere Ferritkerngeometrie, besondere Drahti­ solationen sowie besondere Vergußmasse- und Verguß­ techniken anwenden. Insgesamt führt das jedoch zu einem erhöhten Fertigungs- und Prüfaufwand.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kompensati­ onsschaltung anzugeben, mit der sowohl die Tempera­ turabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Kupferdrahtes der Schwingkreisspule als auch andere Dämpfungsverluste der vorstehend beschriebenen Art kompensiert werden können, so daß sich mit geringem technischen Aufwand die Temperaturdrift bei glei­ chem Schaltabstand verringern oder der Schaltab­ stand bei gleicher Drift weiter erhöhen läßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Schaltung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 durch die im Kennzeichnen des Anspruches 1 aufgeführten Maßnah­ men gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen beschrieben.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß zur Temperaturkompensation der ohmschen Widerstandver­ luste nicht unbedingt die direkte (wenn auch ge­ nauere) Messung des Widerstandes der Spule (über einen abgezweigten Draht) erforderlich ist.

Eine indirekte Messung kann völlig ausreichen, ja sogar von Vorteil sein, nämlich dann, wenn der Tem­ peraturgang des Schwingkreises bekannt ist, bzw. empirisch ermittelt werden kann. Daraus folgt letz­ ten Endes, daß sich nicht nur die Kupferverluste, sondern auch die vorstehend aufgeführten Verlustan­ teile kompensieren lassen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegen­ über den bekannten Verfahren besteht in dessen ein­ facher Durchführbarkeit. Es besteht nicht die Not­ wendigkeit, aus der Hochfrequenzlitze der Oszilla­ torspule einen Draht abzuzweigen für die Messung des spezifischen Widerstandes der Wicklungsspule.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Kennli­ nie des Temperatursensors den Effektivwert des Ver­ lustwiderstandes der Oszillatorspule in einem wei­ teren Bereich, d. h. von einem linearen bis zu einem nichtlinearen, beispielsweise exponentiellen Ver­ lauf, angepaßt werden kann, wobei die Ermittlung des Effektivwiderstandes anhand eines kompletten Serienmusters einmal empirisch erfolgen kann. Diese Kennlinie dient als Vorlage für die Nachbildung des Temperatursensors gemäß Anspruch 2.

Der Temperatursensor nach der vorliegenden Anmel­ dung ist am Meßort angeordnet und zwischen einem Eingang und dem Ausgang des Generators bzw. Vertei­ lers an den Generator bzw. Verstärker angeschlos­ sen. Durch diese Maßnahme wird die Güte des Schwingkreises, die als Maßstab für die Empfind­ lichkeit bzw. für den max. erreichbaren Schaltab­ stand eines Näherungsschalters dient, nicht verän­ dert. Ist der Verstärker, wie in Anspruch 3 be­ schrieben, ein Operationsverstärker, erfolgt eine proportionale Änderung der Schleifenverstärkung (zur Temperatur) des den Schwingkreis ansteuernden Operationsverstärkers.

Silizium-Temperatursensoren sind handelsüblich und in solchen Ausführungen erhältlich, die unbeschal­ tet bereits einen Kennlinienverlauf aufweisen, der dem Gesamtwiderstandsverlauf (Effektivwiderstand) der Schwingkreisspule ähnelt. In diesem Fall ist es ohne weiteres denkbar, durch Parallel- und/oder Se­ rienwiderstände den Kennlinienverlauf zu lineari­ sieren und dem spezifischen Widerstand des Spulen­ materials anzupassen (Anspruch 2).

Gemäß Anspruch 3 wird ein NIC (Negative Impedance Converter) verwendet, bei dem die Güte des Schwing­ kreises direkt erfaßt werden kann.

Wie bereits erwähnt, ist die Funktionsfähigkeit der Erfindung nur dann ausreichend gewährleistet und liefert reproduzierbare Ergebnisse, wenn sicherge­ stellt ist, daß der Güteverlauf über Temperatur überwiegend vom Effektivwiderstand der Spule des Schwingkreises bestimmt wird. Die übrige Schaltung sollte daher einen geringen Temperaturgang aufwei­ sen. Diese Anforderung erfüllt Anspruch 4, wobei an den verstärkungsbestimmenden Stellen solche Bauele­ mente mit geringer Temperaturdrift verwendet wer­ den.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Veränderung des effektiven Verlustwiderstandes zu den ohmschen Kupferverlusten,

Fig. 2 die Schaltungsanordnung eines NIC (Negative Impedance Converter),

Fig. 3 die Schaltungsanordnung des NIC mit einem Temperatursensor,

Fig. 4 einen als NIC beschalteten Emitterverstärker.

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Diagramm, in der der effektive Verlustwiderstand als Funktion der Temperatur aufgetragen ist. Es wird deutlich, wie sich der absolute effektive Verlustwiderstand mit wachsenden Zusatzverlusten (Vergußmasse-, Ferrit- und Wicklungsverluste) verändert. Diese zusätzlichen Verluste lassen sich zwar nicht weiter aufteilen in temperaturabhängige, in der Widerstandsdarstellung linear und nichtlinear temperaturabhängige Verlustanteile; in ihrer Gesamtwirkung führen sie jedenfalls zu einer Erhöhung des effektiven Verlustwiderstandes, zu einer geringen Steigung wie auch einer nichtlinearen Verzerrung der Verlustwiderstandsgeraden.

Ausgangspunkt für die Temperaturkompensation ist eine Schaltung für den Oszillator, mit dem die Güte des Schwingkreises direkt erfaßbar ist. Die Fig. 2 zeigt einen derartigen, als Negative Impedance Converter bekannten Oszillator. Dieser Oszillator weist einen Operationsverstärker mit den Widerständen R₁, R₂, R₃ auf. Der LC-Schwingkreis ist einerseits am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers und über R₃ an seinen Ausgang angeschlossen und liegt andererseits an Bezugspotential. Die Bauelemente werden der Schwingbedingung des Oszillators

entsprechend so dimensioniert, daß bei Annäherung der Steuerfahne die Schwingung im Schaltpunkt abreißt; zu detektieren ist also lediglich, ob der Oszillator schwingt oder nicht. Die Ein- und Ausschwingungsvorgänge sind allerdings nicht zu vernachlässigen.

In Fig. 3 ist anstelle des Konstantwiderstandes ein temperaturabhängiger Widerstand R₁ zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers geschaltet. Verwendet man einen Silizium-Temperatursensor, der thermisch gut leitend mit dem Schalenkern der Schwingkreisspule verbunden, vorzugsweise in der Bohrung des Schalenkerns angebracht ist, so ist die thermische Kopplung zur Spulenwicklung völlig ausreichend.

In der Ausführung nach Fig. 4 entsprechen die Widerstände R₁, R₂ und R₃ den Widerständen R₁, R₂ und R₃ der Fig. 3. Der Widerstand R₁ ist zur Einstellung auf den Verlauf des effektiven Verlustwiderstandes des aus L, C und R_cu gebildeten Schwingkreises zusammengesetzt aus R_1A, R_1B und R_1C, wobei R_1B der Temperatursensor ist, R_1A und R_1C Metallschichtfestwiderstände sind. Mit C1 wird der Schwingkreis hochfrequenzmäßig auf Massepotential gebracht, R4 und D1 erzeugen eine konstante Gleichspannung zur Arbeitspunkteinstellung des NIC (Negative Impedance Converter). R₁, R₂ und R₃ werden der Schwingbedingung entsprechend so dimensioniert, daß die Schwingung des NIC im Schaltpunkt (vom unbedämpften Zustand ausgehend) abreißt. Das Aussetzen der Schwingung entspricht einem spannungslosen Ausgang (U_A = 0).

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Kompensation der temperaturab­ hängigen Dämpfungsverluste der Schwingungsamplitude ei­ nes durch einen Generator angeregten Oszillator- Schwingkreises, bei dem der Wert des temperaturabhängi­ gen Widerstandes des Leitermaterials der Schwingkreis­ spule zur Steuerung der Schwingungsamplitude des durch den Generator erzeugten Signals benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Effektivwert des Verlustwi­ derstandes der Schwingkreisspule entsprechender Tempera­ tursensor nachgebildet ist und in unmittelbarer Nähe der Schwingkreisspule angeordnet und zwischen einem Eingang und dem Ausgang eines Verstärkers an dem Verstärker an­ geschlossen ist, wobei der Temperatursensor (R₁), (R_1B) eine der Temperaturänderung entsprechende proportionale Änderung der Verstärkung des den Schwingkreis ansteuern­ den Verstärkers bewirkt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Temperatursensor einen temperaturab­ hängigen Widerstand enthält, dessen Temperatur-Koeffi­ zient größer ist als der des Kupferdrahtes der Schwing­ kreisspule und daß durch Serien- und/oder Parallelschal­ tung von Konstantwiderständen der Effektivwert des Tem­ peratursensors empirisch dem effektiven Verlustwider­ stand der Oszillatorspule angepaßt ist.

3. Schaltungsanordnung für einen Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator als NIC (Negative-Impedance-Converter) ausgebildet ist und einen Operationsverstärker enthält, zwischen dessen in­ vertierendem Eingang und dem Ausgang des Temperatur­ sensor angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der NIC-Oszillator als zweiteiliger Emitterverstärker ausgebildet ist.