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Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte für eine Textilmaschine mit Ausgängen zur Bestromung der Wicklungen eines Schrittmotors.
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In heutigen modernen Textilmaschinen werden vorzugsweise Einzelantriebe zum Antreiben von Arbeitseinrichtungen an den Arbeitsstellen der Textilmaschine verwendet. Wegen ihres einfachen und kostengünstigen Aufbaus sind in diesem Zusammenhang Schrittmotoren von besonderer Bedeutung.
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Die Rotorspinnmaschine sei hier beispielhaft als eine Textilmaschine angeführt. Wie in der
EP 1 283 288 A2 ausgeführt, können die Antriebstrommel zum Antreiben einer Kreuzspule, die Fadenchangiereinrichtung zum Verlegen des Fadens auf die Kreuzspule oder die Fadenabzugseinrichtung einzelmotorisch angetrieben werden. Die Einzelantriebe werden durch einen Arbeitsstellenrechner definiert angesteuert. In der
DE 10 2009 050 582 A1 ist eine Rotorspinnmaschine beschrieben, bei der der Faserbandeinzugszylinder einzelmotorisch mittels Schrittmotoren angetrieben wird.
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In Textilmaschinen sind Probleme mit elektrostatischer Entladung seit langem bekannt. Durch Reibung zwischen unterschiedlichen Fasermaterialien oder Fasern und durch Reibung zwischen Fasermaterialien und bestimmten Maschinenteilen werden elektrische Ladungen getrennt. Diese elektrischen Ladungen können schlagartig wieder abfließen und in elektrischen Schaltungen der Textilmaschine zu Hochspannungsnadelimpulsen führen, die die elektronischen Bauelemente irreversibel schädigen können.
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Die
WO 2008/055584 A1 und die
WO 2008/058606 A1 beschreiben Maßnahmen, die verhindern sollen, dass schädliche elektrostatische Entladungen an Textilmaschinen entstehen.
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Eine geeignete Erdung sorgt dafür, dass Ladungstrennungen gar nicht erst entstehen oder Ladungen definiert abfließen können. Bei der
WO 2008/058606 A1 sorgt die spezielle Anordnung eines berührungslos gelagerten Rotors dafür, dass Entladungen durch einen Spannungsüberschlag an eine bestimmte Stelle erfolgen und so die Ladung definiert abfließen kann. Die
WO 2008/055584 A1 schlägt vor, dass Bauteile einer Kreuzspulen herstellenden Textilmaschine, die mit den laufenden Faden direkt oder indirekt in Verbindung stehen, ganz oder teilweise aus einem leitfähigen Kunststoff gefertigt sind. Durch die Leitfähigkeit des Kunststoffs können Ladungsansammlungen reduziert werden. Durch die beschriebenen Maßnahmen können unkontrollierte elektrische Entladungen zwar reduziert werden, eine vollständige Vermeidung ist aber nicht möglich.
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Die Wicklungen der Schrittmotoren in Textilmaschinen werden im Allgemeinen nicht direkt von der Arbeitsstellensteuerung oder einer übergeordneten Steuereinrichtung angesteuert, sondern mittels eines Motortreibers. Solche Motortreiber können diskret oder als integrierte Schaltung auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Eine Steuereinrichtung der Textilmaschine macht Sollvorgaben für die Motorströme. Der Motortreiber prägt die entsprechenden Phasenströme in die Motorwicklungen ein. Die Leiterplatte weist dazu entsprechende Ausgänge auf, an die die Phasen des Schrittmotors angeschlossen werden.
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Wenn der Schrittmotor eine Arbeitseinrichtung der Textilmaschine antreibt, die mit den Fasermaterialien in Kontakt steht, werden elektrostatische Entladungen von der Arbeitseinrichtung über den Schrittmotor und die Ausgänge der Leiterplatte auf die Elektronik und weiter auf die vorgeschaltete Steuereinrichtung der Textilmaschine übertragen und können diese schädigen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte zur Bestromung der Wicklungen eines Schrittmotors bereitzustellen, die die eigene Elektronik und die vorgeschaltete Steuereinrichtung einer Textilmaschine, in der der Schrittmotor angeordnet ist, bei elektrostatischer Entladung schützt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß sind die zu den Ausgängen führenden Leiterbahnen der Leiterplatte spiralförmig ausgebildet und es sind den spiralförmigen Leiterbahnen Elemente zur Ableitung einer elektrostatischen Entladung vorgeschaltet.
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Das Problem bei der Ableitung der elektrostatischen Entladung ist, dass herkömmliche Ableitelemente die Ladung nicht ausreichend schnell ableiten und es so zu unzulässig hohen Spannungen kommt. Die spiralförmigen Leiterbahnen wirken als Induktivität und sorgen so für einen langsamen Stromanstieg und für eine zuverlässige Ableitung über die Ableitelemente. Die Ausbildung der Induktivität als spiralförmige Leiterbahn führt zu besonders geringen parasitären Einflüssen, wie sie vor allem bei der Kontaktierung von Bauelementen oder durch eine andere Form der Leiterbahn entstehen können. Bei solchen parasitären Einflüssen handelt es sich vor allem um parasitäre Kapazitäten, die ein Abfließen der Ladung zunächst verhindern würden.
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Die Erfindung ermöglicht so, dass die elektrostatischen Entladungen direkt am Ausgang der Leiterplatte abgeleitet werden können und nicht in die Elektronik der Leiterplatte oder eine vorgeschaltete Steuereinrichtung der Textilmaschine eindringen können. Zu beachten ist, dass die spiralförmige Leiterbahn sowohl aus Kreisbögen als auch aus Geradenstücken bestehen kann.
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Vorzugsweise ist die Leiterplatte mehrlagig ausgebildet und jedem Ausgang sind eine spiralförmige Leiterbahn auf einer ersten Lage und eine spiralförmige Leiterbahn auf einer zweiten Lage zugeordnet. Durch die Verteilung der Leiterbahn auf zwei Lagen wird eine platzsparende Anordnung erzeugt.
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Die einem Ausgang zugeordneten spiralförmigen Leiterbahnen der ersten und zweiten Lage sind vorteilhafterweise in Reihe geschalet. Auf diese Weise addieren sich die Windungen der Leiterbahnen und sorgen so für eine ausreichend hohe Induktivität.
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Die Kontaktierung der einem Ausgang zugeordneten spiralförmigen Leiterbahnen der ersten und zweiten Lage kann im Mittelpunkt der beiden spiralförmigen Leiterbahnen erfolgen.
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Wenn die Windungsrichtung der einem Ausgang zugeordneten spiralförmigen Leiterbahnen der ersten und zweiten Lage so ausgebildet ist, dass die Windungsrichtung der spiralförmigen Leiterbahn der ersten Lage zum Mittelpunkt hin der Windungsrichtung der spiralförmigen Leiterbahn der zweiten Lage vom Mittelpunkt weg entspricht, verstärken sich die magnetischen Felder der durch die spiralförmigen Leiterbahnen beider Lagen fließenden Ströme.
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Jedem Ausgang kann eine einer spiralförmigen Leiterbahn vorgeschaltete Diodenanordnung zur Ableitung einer elektrostatischen Entladung zugeordnet sein.
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Die Diodenanordnung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass eine elektrostatische Entladung in Richtung der Eingänge der Leiterplatte für die Spannungsversorgung abgeleitet wird. Eine solche Diodenanordnung kann aus zwei Dioden bestehen, von denen eine in Richtung des Eingangs mit der positiven Versorgungsspannung und eine in Richtung des Eingangs mit Messepotential weist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den Eingängen für die Spannungsversorgung eine Kapazität zur Aufnahme der durch die elektrostatische Entladung abgeführten Ladung angeordnet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Textilmaschine, zum Beispiel eine Rotorspinnmaschine, zur Verarbeitung oder Handhabung von Fasermaterialien, wie zum Beispiel Faserbänder oder Game, mit einer Arbeitseinrichtung, die mit den Fasermaterialien in Kontakt steht, wobei die Arbeitseinrichtung durch einen Schrittmotor angetrieben wird und die Wicklungen des Schrittmotors mittels einer erfindungsgemäßen Leiterplatte mit einem Schutz gegen elektrostatische Entladung bestromt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Schaltplan einer erfindungsgemäßen Leiterplatte;
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2 eine erste Lage einer erfindungsgemäßen mehrlagigen Leiterplatte;
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3 eine zweite Lage einer erfindungsgemäßen mehrlagigen Leiterplatte.
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Die 1 zeigt den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Leiterplatte 1. Die Darstellung beschränkt sich dabei auf diejenigen Elemente, die erforderlich sind, um den Schutz bei einer elektrostatischen Entladung zu erläutern. Der eigentliche Motortreiber 31 ist nur als gestricheltes Kästchen dargestellt. Der Motortreiber 31 sorgt für die eigentliche Ansteuerung des Schrittmotors 10 beziehungsweise für die Bestromung der Wicklungen 27 und 28 des Schrittmotors 10. In dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen zweiphasigen Schrittmotor 10. Die Leiterplatte weist die Ausgänge 6, 7, 8, 9 auf, um die Wicklungen 27 und 28 des zweiphasigen Schrittmotors 10 anzuschließen. Die Kontaktierung zwischen der Leiterplatte 1 und dem Schrittmotor 10 erfolgt mittels einer Steckverbindung 17, die in den 2 und 3 angedeutet ist.
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Die Leiterplatte 1 weist, wie in den 2 und 3 zu sehen, spiralförmige Leiterbahnen 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b auf. In dem Schaltplan der 1 sind die spiralförmigen Leiterbahnen als Induktivitäten 2, 3, 4, 5 dargestellt. Die Induktivität 2 wird von den zwei in Reihe geschalteten spiralförmigen Leiterbahnen 2a und 2b gebildet. Der Aufbau der anderen Induktivitäten 3, 4, 5 ist entsprechend. Aus Sicht der normalen Signalfluss- beziehungsweise Leistungsflussrichtung, das heißt, von der Leiterplatte 1 zum Schrittmotor 10, sind die spiralförmigen Leiterbahnen 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b unmittelbar vor den Ausgängen 6; 7, 8, 9 angeordnet. Wenn man dagegen eine elektrostatische Entladung betrachtet, die sich von dem Schrittmotor in Richtung der Leiterplatte entlädt, liegen die spiralförmige Leiterbahnen 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b natürlich hinter den Ausgängen 6, 7, 8, 9.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatte 1 mehrlagig ausgebildet. Der Aufbau der Leiterplatte 1 mit den spiralförmigen Leiterbahnen wird im Folgenden anhand des Ausgangs 6 erläutert. Der Aufbau in Bezug auf die anderen Ausgänge ist entsprechend. Auf der Lage 29 der Leiterplatte 1, wie in 2 dargestellt, ist eine spiralförmige Leiterbahn 2a angeordnet. Diese verläuft ausgehend von dem Ausgang 6 von dem äußeren Rand der Spirale bis in den Mittelpunkt 11 der spiralförmigen Leiterbahn 2a. Der Mittelpunkt 11 stellt gleichzeitig den Kontaktierungspunkt zu der spiralförmigen Leiterbahn 2b dar, die sich auf der Lage 30, wie in 3 dargestellt, befindet. Die spiralförmige Leiterbahn 2b verläuft von dem Mittelpunkt beziehungsweise Kontaktierungspunkt 11 nach außen bis zu einem Kontaktierungspunkt 19. Von dem Kontaktierungspunkt 19 können Verbindungen zu Ableitelementen, dem eigentlichen Motortreiber beziehungsweise zu herkömmlichen Leiterbahnen hergestellt. Aus Übersichtsgründen sind diese jedoch in den 2 und 3 nicht dargestellt. Die Pfeile 33 und 34 deuten die Stromflussrichtung eines Entladeimpulses, der von dem Ausgang 6 in Richtung der Leiterplatte verläuft. Wie man sieht, fließt der Strom in beiden Lagen mit gleicher Drehrichtung. Die Windungsrichtung der spiralförmigen Leiterbahnen 2a und 2b ist also so angelegt, dass sich ihre Windungen addieren und so eine entsprechend große Induktivität 2 bilden. Die den Ausgängen 7, 8, 9 zugeordneten spiralförmigen Leiterbahnen 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b sind jeweils über Mittelpunkte beziehungsweise Kontaktierungspunkte 12, 13, 14 miteinander verbunden. Die Kontaktierungspunkte 20, 21, 22 ermöglichen die Verbindung zu der weiteren Schaltung.
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Die 1 zeigt neben den wirksamen Induktivitäten 2, 3, 4, 5, der spiralförmigen Leiterbahnen 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b auch Elemente zur Ableitung der elektrostatischen Entladung. Jedem der Ausgänge 6, 7, 8, 9 ist jeweils eine Diodenanordnung 23, 24, 25, 26 zugeordnet. Die Verschaltung und die Ableitung wird nachfolgend wieder in Bezug auf den Ausgang 6 erläutert, dem die Diodenanordnung 23 zugeordnet ist. Die Diodenanordnung 23 ist den spiralförmigen Leiterbahnen 2a und 2b aus Sicht der normalen Signalfluss- beziehungsweise Leistungsflussrichtung, das heißt, von der Leiterplatte 1 zum Schrittmotor 10, vorgeschaltet. Die Diodenanordnung 23 besteht aus zwei in Reihe geschalteten Dioden 23a und 23b. Die Reihenschaltung ist an ihrem einen Ende an das Bezugspotential, auch als GND bezeichnet, angeschlossen und an ihrem anderen Ende die positive Versorgungsspannung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Versorgungsspannung +24 V. Die Dioden 23a und 23b sind in Sperrrichtung zwischen GND und +24 V angeordnet. Die Verbindung zwischen den beiden Dioden 23a und 23b ist mit dem Kontaktierungspunkt 19 der spiralförmigen Leiterbahn 2b verbunden und mit dem Motortreiber 31 kontaktiert. Die Diodenanordnungen 24, 25, 26 sind entsprechend verschaltet und weisen die Dioden 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b auf.
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Die Leiterplatte 1 weist eine Steckverbindung 18 für die Eingänge auf, wie in den 2 und 3 zu sehen. Die Versorgungsspannung wird der Leiterplatte über die Eingänge 15 und 16 zur Verfügung gestellt. Die Steckverbindung 18 weist weitere nicht näher bezeichnete Eingänge zur Übernahme von Ansteuersignalen aus einer übergeordneten Steuereinrichtung der Textilmaschine auf. Zwischen die Potentiale GND und +24 V ist ein Kondensator 32 geschaltet.
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Zur Erläuterung der Funktion des oben beschriebenen Schaltungsaufbaus wird davon ausgegangen, dass eine elektrostatische Entladung über den Ausgang 6 auf die Leiterplatte 1 wirkt. Die Induktivität 2 der spiralförmigen Leiterbahnen 2a und 2b sorgt dafür, dass der durch die Entladung hervorgerufene Stromanstieg begrenzt wird. So bleibt ausreichend Zeit, dass eine der Dioden 23a oder 23b in den leitenden Zustand übergehen kann und damit die elektrostatische Entladung ableitet. Bei einer positiven Spannung am Ausgang 6, die größer als +24 V ist, leitet die Diode 23b. Bei einem negativen Entladeimpuls wird die Diode 23a leitend. In beiden Fällen kann die Ladung zunächst von dem Kondensator 32 aufgenommen werden und wird dann über die Eingänge 15 und 16 der Spannungsversorgung abgeleitet. Damit die weitere Elektronik der Leiterplatte von der Entladung möglichst unbeeinflusst bleibt, sind die Steckverbindung 17 mit den Ausgängen 6, 7, 8, 9 und die Steckverbindung 18 mit den Eingängen 15, 16 der Spannungsversorgung räumlich nah zueinander angeordnet. Somit sind die Wege zur Ableitung der elektrostatischen Entladung möglichst kurz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1283288 A2 [0003]
- DE 102009050582 A1 [0003]
- WO 2008/055584 A1 [0005, 0006]
- WO 2008/058606 A1 [0005, 0006]
