DE4318584A1 - Schaltungsanordnung zur Auswertung hochfrequenter Wechselspannungssignale - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Auswertung hochfrequenter WechselspannungssignaleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Auswertung von
Wechselspannungssignalen insbesondere für induktive Sensoren nach
der Gattung des Hauptanspruchs.
Zur Auswertung der Ausgangssignale von induktiven Sensoren, bei
spielsweise Wirbelstromsensoren, die mit einer Wechselspannung be
trieben werden, ist es üblich, den Sensor als Teil eines Spannungs
teilers oder einer Brückenschaltung zu betreiben. Weiterhin ist es
üblich und beispielsweise aus der DE-OS 34 09 306 bekannt, die Wech
selspannung mit Hilfe einer oder mehrerer Dioden gleichzurichten und
die gleichgerichtete Spannung weiterzuverarbeiten.
Da an den Dioden bei Betrieb in Flußrichtung eine gewisse Spannung
abfällt, die sogenannte Flußspannung der Dioden, ist die Gleichrich
tung nicht ideal, da das gleichgerichtete Wechselspannungspotential
um diese Flußspannung verringert wird.
Ein weiterer Nachteil solcher Spannungsgleichrichtungen ist die Tem
peraturabhängigkeit der Diodenflußspannung, die einen zusätzlichen
Fehler verursacht und beispielsweise bei Siliziumdioden zu einer
Verringerung dieser Flußspannung von etwa 2 Millivolt pro Grad bei
Temperaturerhöhung führt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des An
spruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Flußspannung der als
Gleichrichter wirkenden Diode weitestgehend kompensiert wird, so daß
weder eine Spannungsverschiebung noch eine Temperaturabhängigkeit
als Folge der Flußspannung auftritt.
Erreicht wird dieser Vorteil, indem dem Spannungsteiler oder der
Meßbrücke zum Potentialbezugspunkt der Wechselspannung eine Paral
lelschaltung einer Diode und eines Kondensators in Serie geschaltet
wird.
Besonders vorteilhaft ist, daß die erfindungsgemäße Kompensation der
Diodenflußspannung an die verschiedensten Auswerteschaltungen von
Sensoren, insbesondere auch an Schaltungen mit Widerständen und In
duktivitäten wie sie heute schon im Handel erhältlich sind, anpaßbar
ist.
Daß die Schaltung auch für hohe Frequenzen von mehr als 500 kHz
sowie für Wechselspannungsamplituden kleiner als 0.6 V geeignet ist,
stellt einen weiteren Vorteil dar.
Zusätzliche Vorteile lassen sich mit den in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen und Ausgestaltungen erzielen.
Ein Beispiel zur Erklärung der Vorteile der Erfindung und mehrere
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigen im einzelnen Fig. 1 eine Standardgleichrichterschal
tung zur Gleichrichtung einer hochfrequenten Wechselspannung an
einem Spannungsteiler mit den Elementen R1 und L1 und Fig. 2 und 3
die zugehörigen Spannungsverläufe über der Zeit.
In Fig. 4 ist eine erste erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dar
gestellt und in den Fig. 5 und 6 sind die zugehörigen Spannungs
verläufe über der Zeit aufgetragen. In Fig. 7 ist eine Meßbrücken
schaltung aus den Bauelementen R1 L1, R2 und L2 für einen Wirbel
stromsensor dargestellt, deren Erweiterung in Fig. 10 zu einer er
findungsgemäßen Gleichrichtung mit Kompensation der Flußspannung
führt. Dabei sind die Induktivitäten L1 und L2 die Sensorelemente.
In den Fig. 8, 9 und 11, 12 sind die zugehörigen Spannungsverläu
fe über der Zeit aufgetragen und Fig. 13 stellt ein Blockschaltbild
der gesamten Auswerteschaltung dar.
In Fig. 1 ist eine Standardgleichrichterschaltung dargestellt, bei
der die von einem Generator G abgegebene Spannung UG an einem
Spannungsteiler aus dem Widerstand R1, an dem die Spannung UR1
abfällt und der Spule L1 (Sensorelement) anliegt. Die am
Spannungsteiler abgegriffene Spannung UL1 wird gleichgerichtet.
Dazu ist das Sensorelement L1, die Induktivität, die sich unter
Einfluß der zu detektierenden Größe verändert, in Serie zu dem
Widerstand R1 angeschlossen. Die beiden Bauelemente R1 und L1 können
dabei Bestandteil einer Brückenschaltung sein, sie
können gegebenenfalls ersetzt werden durch eine Kombination aus
Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten, die als Sensorelement
dienen.
Parallel zur Spule L1 liegt eine Reihenschaltung aus einer Diode D1
und einem Widerstand RL1. Die Diode hat die Flußspannung
UF(UF≈0,61 V). An der Diode D1 liegt die Spannung UD1 und am
Widerstand RL1 die Spannung UGL1. Der Widerstand RL1 wird auch als
Lastwiderstand bezeichnet, an dem die gleichgerichtete Spannung
UGL1 abgegriffen werden kann. Er kann auch als Eingangswiderstand
einer Meßeinrichtung betrachtet werden.
Der Widerstand R1 und die zugehörige Induktivität L1 oder gegebenen
falls auch Kapazitäten C können Bauteile oder Sensorelemente sein,
deren Ersatzschaltbild aus einer beliebigen Kombination von- Grund
elementen R, L und C oder auch von Spannungs- und Stromquellen be
steht.
In den Fig. 2 und 3 sind die zur Schaltungsanordnung der Fig. 1
gehörenden Spannungen über der Zeit t dargestellt. Die Spannungsver
läufe wurden ermittelt für die Bedingungen, daß R1 = wL1 und
RL1 = 1000 R1 ist. Dabei ist w die sogenannte Kreisfrequenz, diese
ist über die Gleichung w=2Tπf mit der Frequenz f der Generatorspan
nung verknüpft. Eine Sinus-Generatorspannung, deren maximaler Spit
zenwert 4 Volt und deren minimaler Spitzenwert 0 Volt beträgt, wurde
gewählt. Der Gleichspannungsmittelwert bzw. Offset der Generator
spannung beträgt dann 2 Volt.
Für den in Fig. 2 dargestellten Wechselspannungsverlauf UG des
Generators G ergibt sich bei einer realen Flußspannung von
UF = 0,6 Volt der in Fig. 3 aufgezeigte Verlauf der
gleichgerichteten Spannung UGL1, der mit A bezeichnet ist. Der mit
B bezeichnete Spannungsverlauf
würde bei idealer Flußspannung UF = 0 Volt auftreten. Der Verlust,
also die Differenz zwischen Kurve B und Kurve A soll mit der in Fig. 4
angegebenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verhindert
bzw. zumindest weitestgehend verringert werden.
In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die eine Wei
terentwicklung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist, gleiche
Bauteile weisen wiederum die gleiche Bezeichnung auf. Die an den
Bauteilen liegenden Spannungen sind als Pfeile mit entsprechenden
Bezeichnungen dargestellt.
Zusätzlich zu den Bauteilen nach Fig. 1 wird in der Schaltung nach
Fig. 4 eine Parallelschaltung, die aus der Diode D3 und dem Konden
sator C1 besteht, verwendet, die zwischen das Sensorelement L1 und
das Bezugspotential geschaltet sind. An der Diode D3 liegt die Span
nung UD3.
Die in Fig. 4 dargestellte Gleichrichterschaltung hat durch die
zusätzliche Beschaltung mit der Diode D3 nicht die Nachteile der
Standardschaltung nach Fig. 1 unter der Voraussetzung, daß die
Wechselspannung einen Gleichspannungsmittelwert (Offset) aufweist,
der größer ist als die Flußspannung UF der Diode D3, die zur
Kompensation der Flußspannung der Diode D1 verwendet wird. Mit der
Dimensionierungsvorschrift C"1/(wR1) ist die Spannung am
Kondensator C1 während der gesamten Periode T=1/f nahezu konstant.
Der Kondensator bildet unter anderem mit dem Widerstand R1 einen
Tiefpaß, dessen Spannung auf der Flußspannung der Diode D3 gehalten
wird. Die Gleichrichtereigenschaft der Schaltung bleibt auch für
kleine Wechselspannungsamplituden (kleiner 0.6 V) erhalten, solange
der Gleichspannungsmittelwert größer der Flußspannung UF ist.
Für den in der Fig. 5 dargestellten Wechselspannungsverlauf ergibt
sich bei einer realen Flußspannung von UF=0.6 V der in Fig. 6 auf
gezeigte Verlauf der gleichgerichteten Spannung. Dieser ist mit dem
in Fig. 3 mit B gekennzeichneten Verlauf identisch.
Im Realfall ist der Spannungsabfall an den Dioden von der Strombe
lastung abhängig.
Bei integrierten Dioden besteht die Möglichkeit, die Diodenfläche
der Strombelastung anzupassen und dadurch einen identischen Span
nungsabfall an den Dioden zu erhalten.
Für die in Fig. 7 dargestellte Beschaltung einer kompletten Meß
brücke, die aus zwei Brückenzweigen besteht, in Fig. 1 ist nur ein
Brückenzweig dargestellt, kann die Diode D3 und der Kondensator C1
für beide Brückenzweige verwendet werden. Die durch diese Maßnahme
verbesserte Schaltungsanordnung nach Fig. 10 hat dann Vorteile bei
der Auswertung von Wechselstromsignalen, wenn der Gleichspannungs
mittelwert der Generatorspannung größer als die Flußspannung UF
der Diode D3, da in diesem Fall die Möglichkeit gegeben ist, die
Flußspannung der Diode D1 bzw. der Diode D2 vollständig zu kompen
sieren, so daß eine Verfälschung der Spannung UGL1 bzw. der Span
nung UGL2 im Gegensatz zur herkömmlichen Gleichrichterschaltung
nach Fig. 7 nicht auftritt.
In Fig. 7 ist das Schaltbild einer bisher verwendeten Beschaltung
der Sensorspulen L1 und L2 dargestellt, wobei L1 und L2 einen be
kannten Drehmomentensensor symbolisieren. Die Spannung UL1 und
UL2 werden einzeln mit den Gleichrichterdioden D1 und D2 aus
gewertet.
Als Wechselspannungsgenerator G kann sowohl ein Sinus-Spannungs- als
auch ein Rechteck-Spannungsgenerator verwendet werden. Als Beispiel
wird nun ein Rechteck-Spannungsgenerator mit den beiden wechselnden
Spannungen +4 Volt und 0 Volt angenommen, der Gleichspannungsanteil
oder die sogenannte Offsetspannung beträgt bei einem Tastverhältnis
1:1 folglich 2 V. Die Spannung UL1 des Sensorelements L1 hat und
den in Fig. 9 gezeigten Verlauf. Diese Spannung wird mit der Diode
D1 und dem Lastwiderstand RL1 gleichgerichtet und ausgewertet. Der
Spannungsverlust durch die Flußspannung der Diode D1 ist aus dem
Signalverlauf UGL1 ersichtlich. Das gesamte Sensorsignal ergibt
sich aus der Differenz der beiden tiefpaßgefilterten Spannungen
UGL1 und UGL2, da ein einwirkendes Drehmoment die Induktivitäts
werte L1 und L2 gegensinnig verändert.
Die Veränderung der Induktivitäten L1 und L2 durch den Sensoreffekt
erfolgt gegensinnig. Somit ist die Differenz L1-L2 ein Maß für das
Drehmoment.
In Fig. 10 ist die erfindungsgemäße Weiterbildung der Schaltungsan
ordnung nach Fig. 7 dargestellt, mit der wiederum eine Kompensation
der Flußspannungen der Dioden D1 und D2 möglich ist.
Zusätzlich zu den Elementen der Schaltungsanordnung nach Fig. 7
weist die Schaltungsanordnung nach Fig. 10 noch die Diode D3 und
den parallelgeschalteten Kondensator C1 auf. Die Diode D3 liegt
zwischen dem Verbindungspunkt der Spulen L1 und L2 und dem Poten
tialbezugspunkt.
Als Wechselspannungsgenerator kann sowohl ein Sinus-Spannungs- als
auch ein Rechteck-Spannungsgenerator verwendet werden, dabei muß der
Gleichspannungsanteil der Generatorspannung größer als die Flußspan
nung UF der Diode D3 sein. Als Beispiel wird nun ein Rechteckgene
rator mit den beiden wechselnden Spannungen +4 Volt und 0 Volt ange
nommen, der Gleichspannungsanteil oder die sogenannte Offsetspannung
beträgt bei einem Tastverhältnis von 1 : 1 folglich 2 V und ist damit
größer als die Flußspannung der Diode D3. Die Spannung U1 an dem
Knoten 1 (U1 = UL1 + UD₃) hat den in Fig. 12 gezeigten ge
wünschten Verlauf. Diese Spannung wird mit der Diode D1 und dem
Lastwiderstand RL1 gleichgerichtet und ausgewertet. Entsprechendes
gilt für die Spannung U2 am Knoten 2 (U2 = UL2 + UD3).
Das gesamte Sensorsignal ergibt sich aus der Differenz der beiden
tiefpaßgefilterten Spannung UGL1 und UGL2, da ein einwirkendes
Drehmoment die Induktivitätswerte L1 und L2 gegensinnig verändert.
Da der Unterschied der beiden Spannungen wegen des geringen Sensor
effektes relativ gering ist, werden die Spannungen in Bild 12 mit
einer Signalkurve (UGL1) gezeichnet. Zur besseren Auswertung bei
der Differenzbildung können die Spannung UGL1 und UGL2 mit einem
Tiefpaß gefiltert werden.
In Fig. 13 ist ein Beispiel für eine Sensorauswerteschaltung sche
matisch als Blockschaltung angegeben. Dabei sind im einzelnen zu
erkennen, ein Wechselspannungs-Generator 10, eine Sensorbrücke 11,
zwei Gleichrichter 12 und 13, zwei Tiefpässe 14 und 15 sowie die
Signalauswerteeinrichtung 16, in der die Differenz zwischen den
Eingangssignalen gebildet wird. Die Verschaltung der einzelnen Bau
gruppen ist derart, daß von der Sensorbrücke ein erster Sensor
signalpfad 1 über einen Gleichrichter 1 und einen Tiefpaß 1 zur
Signalauswerteschaltung 16 und ein zweiter Sensorsignalpfad 2 über
einen weiteren Gleichrichter 2 und Tiefpaß 2 ebenfalls zur Signal
auswertung 16 führt.
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zur Auswertung von Wechselspannungssignalen,
insbesondere des Ausgangssignales eines induktiven Sensors, bei der
das Wechselspannungssignal über einen Spannungsteiler oder eine Meß
brücke geführt wird und mittels wenigstens einer Diode gleichgerich
tet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Diode (D1) abfal
lende Diodenflußspannung durch Beschaltung mit wenigstens einer wei
teren Diode (D3) und eines zu dieser Diode parallel liegenden Kon
densators (C1) kompensiert wird, indem diese dem Spannungsteiler
oder der Meßbrücke zum Potentialbezugspunkt in Serie geschaltet
werden.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Diode (D1) mit einem Lastwiderstand (RL) in Serie geschaltet
ist, an dem das gleichgerichtete Signal (UGl1) abgreifbar ist.
3. Schaltungsanordnung zur Auswertung von Wechselspannungssignalen,
insbesondere des Ausgangssignales eines induktiven Sensors, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor ein Wirbelstromsensor ist und die
Sensorspulen (L1, L2) in einer Brückenschaltung mit einem Generator
(G) und je einem Widerstand (R1, R2) verschaltet sind, daß beide
Brückenzweige über je eine Diode (D1, D2) und einen zugehörigen
Lastwiderstand (RL1, RL2) mit dem Potentialbezugspunkt verbunden
sind, daß an beiden Lastwiderständen (RL1 und RL2) ein gleichge
richtetes Signal abgreifbar ist und daß die Parallelschaltung einer
Diode (D3) und eines Kondensators (C1) die zur Kompensation der
Flußspannungen der Dioden (D1 und D2) vorgesehen ist, zwischen
Brückenschaltung und Potentialbezugspunkt in Serie geschaltet wird.
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