DE3643589A1

DE3643589A1 - Schaltungsanordnung zum vermindern des temperaturkoeffizienten bei induktiven naeherungsschaltern

Info

Publication number: DE3643589A1
Application number: DE19863643589
Authority: DE
Inventors: Bernhard Schwager
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1987-05-27

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Vermindern des Temperaturkoeffizienten der Spulengüte bei induktiven Nähe rungsschaltern.

Induktive Näherungsschalter sind kontaktlose, berührungsfreie Schalter. Das Prinzip beruht auf der Dämpfung eines Schwing kreises durch Wirbelstromverluste in Metallen, die sich im ma gnetischen Streufeld der Fühlerspule befinden.

Ein wesentliches Qualitätsmerkmal ist dabei die Stabilität des Schaltabstandes, für den das Europäische Komitee für elektro technische Normung (CENELEC) die Festlegung getroffen hat, daß die Toleranz im Norm-Temperaturbereich zwischen -25°C und +70°C ±10% betragen darf.

Die Stabilität des Schaltabstandes ist abhängig von der Stabili tät der Oszillatorfrequenz, der Stabilität des Abstandswiderstan des, der Stabilität der integrierten Schaltung und der Spulen güte.

Die Oszillatorfrequenz wird durch die Schwingkreiskapazität und die Induktivität der Spule bestimmt, wobei die Induktivität der Spule im genannten Temperaturbereich nahezu konstant bleibt. Durch Ver wendung von Kondensatoren mit Polystyroldielektrikum wird der Temperaturgang der Oszillatorfrequenz vernachlässigbar klein.

Die Oszillatoramplitude ist abhängig von der Größe des Abstands widerstandes, der die Rückkoppelung des Oszillators bestimmt. Bei Verwendung von Metallschichtwiderständen lassen sich Tem peratureinflüsse auch hierbei minimieren. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, in Reihe zum Abstandswiderstand eine Parallelschaltung aus Heißleiter und Widerstand zu schalten, um eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit des Schaltpunktes zu erhalten.

Die integrierte Schaltung selbst verursacht einen negativen Temperaturkoeffizienten, wobei dieser Einfluß auf den Schalt abstand des Näherungsschalters in die übrigen Kompensations maßnahmen einzubeziehen ist.

Die Spulengüte übt einen sehr großen Einfluß auf die Stabili tät des Näherungsschalters aus und ist in erster Linie von der Frequenz und der Temperatur abhängig.

Die Güte der Spule Q=( ω _o L)/R verzeichnet einen proportionalen Anstieg mit der Frequenz. Die reale Gütekurve zeigt jedoch eine Umkehr des Verlaufs bei hohen Frequenzen, was auf Erhöhung des Spulenwiderstandes durch den Skin-Effekt und Wirbelstromverluste in der Wicklung sowie einen Anstieg der Ummagnetisierungsver luste im Ferritkern der Spule zurückzuführen ist. Bei größerem Drahtquerschnitt setzen Skin-Effekt und Wirbelstromverluste bereits bei tieferen Frequenzen ein. Durch Verkleinern der Win dungszahl bei gleichem Drahtquerschnitt läßt sich das Maximum der Güte zu höheren Frequenzen verschieben.

Ursachen für den Temperaturkoeffizienten der Spulengüte sind der Temperaturkoeffizient des Kupferwiderstandes, der Tempe raturkoeffizient des Skin-Effektes und der Temperaturkoeffizient der Wirbelstromverluste in der Wicklung sowie der Temperatur koeffizient der Wicklungskapazitäten und schließlich der Tem peraturkoeffizient der Ferritverluste.

Um den Einfluß von Skin-Effekt und Wirbelstromverlusten möglichst gering zu halten, kann eine Spule mit Kupferlitze verwendet wer den.

Vor dem Güte-Maximum verursacht der positive Temperaturkoeffizient des Kupferwiderstandes (+ 0,4%/K) bei allen Frequenzen einen negativen Temperaturkoeffizienten der Güte. Die relative Güte änderung ist in diesem Frequenzbereich von -25°C bis +75°C an nähernd konstant.

Der Umkehr des Verlaufes der Güte bei höheren Frequenzen ist auf Ferritverluste, Wirbelstromverluste und Skin-Effekt zu rückzuführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung an zugeben, die den Temperaturkoeffizienten der Spulengüte im Bereich zwischen -25°C und +75°C weitestgehend beseitigt und damit für eine weitgehende Stabilität des Schaltabstandes eines induktiven Näherungsschalters im genannten Temperaturbereich sorgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein temperaturabhängiger Widerstand entweder in Reihe oder par allel zur Spule geschaltet ist.

Vorteilhaft ist es, bei Parallelschaltung einen hochohmigen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, vorzugs weise einen Kaltleiter, bzw. bei Reihenschaltung einen nieder ohmigen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, vor zugsweise einen Heißleiter, zu verwenden.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, bei Verwendung eines Heißleiters parallel dazu einen ohm′schen Widerstand zu schal ten, um den Heißleiter-Einfluß zu optimieren.

Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen

Fig. 1 die Spulengüte als Funktion der Frequenz bei einer nichtkompensierten Spule,

Fig. 2 eine Kompensation des Temperaturgangs der Spulen güte durch einen Heißleiter,

Fig. 3 die Kompensation des Temperaturgangs der Spulengüte durch einen Kaltleiter,

Fig. 4 die Spulengüte als Funktion der Frequenz bei einer nach Fig. 2 kompensierten Spule,

Fig. 5 den Temperaturkoeffizienten der kompensierten Spule bei verschiedenen Arbeitspunkten.

In der Fig. 1 ist die Spulengüte Q als Funktion der Frequenz f für fünf verschiedene Temperaturen im Bereich zwischen -25°C und + 75°C dargestellt. Es handelt sich um eine nicht kompen sierte Spule auf einem Kern 14 × 4 mit 65 Windungen, 20 × 0,05 Kupferlitze und einer Induktivität L = 120,48 µH. Die Spule ist vergossen, wobei neben den weiter oben beschriebenen Einflüssen auf den Temperaturkoeffizienten zusätzlich die Näherungsschalter vergußmasse insbesondere bei der 75°C-Kurve eine frühzeitige Umkehr des Güteverlaufes verursacht. Vergußmasse und Wicklungs kapazitäten führen bei höheren Frequenzen zu einem unsicheren Arbeitspunkt, so daß es sinnvoll ist, den Näherungsschalter mit einer Oszillatorfrequenz 300 kHz zu betreiben.

In der Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild eines induktiven Nähe rungsschalters dargestellt, der als aktiven Baustein eine in tegrierte Schaltung IS, z. B. TCA 305, aufweist. An den Aus gängen 12, 13 befindet sich der Oszillator, bestehend aus einer Induktivität L _osz und einer Kapazität C _osz. In Reihe zur In duktivität L _osz befindet sich eine Parallelschaltung aus Heiß leiter R _{ϑ und einem ohm′schen Widerstand R _p. Durch diese
Schaltungsanordnung ist es möglich, den Temperaturkoeffizienten
des Kupferwiderstandes der Spule im Arbeitsbereich < 300 kHz
weitestgehend zu eliminieren. Der Parallelwiderstand R _p re
duziert den Einfluß des Heißleiters.
Mit dieser Anordnung ergibt sich eine nahezu konstante Güte im
Temperaturbereich -25°C bis + 75°C bis zu einer Frequenz von
200 kHz, wie es aus der Fig. 4 zu entnehmen ist.
Zur Berechnung des Heißleiter-Kompensationszweiges wird zunächst
die Güte bei -25°C und + 75°C im gleichen Arbeitspunkt, z. B.
300 kHz, aus der Fig. 1 entnommen. Die so ermittelten Gütewerte
lassen sich nach der Gleichung
R _h(k) = (2 pL) / (Q _h(k))
in einen Reihenwiderstand umrechnen.
Bezogen auf das Ausführungsbeispiel ergibt dies:
Q (300 kHz, + 75 °C = 66 → R _h = 3,34 OhmQ (300 kHz, -25 °C = 76 → R _k = 2,98 Ohm.Der Parallelwiderstand R _p zum Heißleiter R wird so dimen
sioniert, daß die Gesamtwiderstände (R _Spule + R _ϑ // R _p) bei
75°C und -25°C gleich groß sind.
Die in der Fig. 4 dargestellte Spulengüte als Funktion der
Frequenz bei kompensierter Spule wurde mit einer vergossenen
Spule, Kern 14 × 4, 65 Windungen, 20 × 0,05 Kupferlitze,
L = 133,85 µH gemessen, wobei zur Kompensations ein Heißleiter
1,5 Ohm und ein Parellelwiderstand von 0,82 Ohm verwendet
wurden.
In der Fig. 3 ist eine weitere Schaltungsanordnung dargestellt,
bei der zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Spulen
güte ein Kaltleiter R _ϑ parallel zur Schwingkreisspule L _osz ge
schaltet ist. Diese Kombination wirkt in gleicher Art dem Tem
peraturkoeffizienten der Spulengüte entgegen wie die in der
Fig. 2 dargestellte Reihenschaltung mit einem Heißleiter.
In der Fig. 5 ist die prozentuale Abweichung der Spulengüte Δ Q
in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Arbeits
punkte dargestellt. Die Kurven 1-11 entsprechen dabei den
in der folgenden Tabelle dargestellten Oszillatorfrequenzen f
und Schwingkreiskapazitäten C.

Der Fig. 5 ist zu entnehmen, daß der Temperaturkoeffizient der
kompensierten Spule (Kern 14 × 4; 65 Windungen 20 × 0,05 Kupfer
litze; L = 133,85 µH; Heißleiter Nennwiderstand 1,5 Ohm; Pa
rallelwiderstand 0,82 Ohm) in sämtlichen Arbeitspunkten inner
halb der CENELEC-Norm liegt).}

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Vermindern des Temperaturkoeffi zienten der Spulengüte bei induktiven Näherungsschaltern, dadurch gekennzeichnet, daß ein tem peraturabhängiger Widerstand (R _ϑ) entweder in Reihe oder parallel zur Spule geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß ein hochohmiger Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes parallel zur Spule geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Kaltleiter parallel zur Spule geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß ein niederohmiger Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes in Reihe zur Spule geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Heißleiter in Reihe zur Spule geschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß parallel zum Heißleiter ein ohm′scher Widerstand geschaltet ist.