DrehkodierSchalter

Die Erfindung betrifft einen Drehkodierschalter, wie er beispielsweise für die Funktionseinstellung bei Relais oder dergleichen zum Einsatz kommt.

Für das Einstellen verschiedenster Parameter, wie z. B. Strom, Spannung oder Zeit, ist die Verwendung von Widerstandspotentiometern bekannt. Bei Widerstandspotentiometern wird eine analoge Widerstandsänderung abgegriffen, die bei Analogschaltungen direkt, beispielsweise zur Änderung der Verstärkung, verwendet werden kann. Bei digitalen Schaltungen wird die analoge Widerstandsänderung beispielsweise mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers eingelesen und anschließend verarbeitet. Zwar verfügt ein Widerstandspotentiometer theoretisch über eine unendlich feinstufige Einstellung. Tatsächlich ist jedoch bedingt durch ünlinearitäten, mechanische To- leranzen, Ableseungenauigkeiten usw. die Einstellung eines Wertes nur mit einer begrenzten Genauigkeit möglich. In der Regel ist bei Widerstandspotentiometern daher ein aufwendiger und teurer Abgleich der Einstellung notwendig.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders sichere Funktionseinstellung bei Relais oder dergleichen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch einen Drehkodierschalter nach An- spruch 1 bzw. nach Anspruch 9 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Drehkodierschalter mit einer Anzahl von Schaltstufen vorgeschlagen, wobei die Abstände zwischen den Schaltstufen nicht konstant sind.

Eine Grundidee der ^' Erfindung ist es, mit Hilfe nicht konstanter Abstände zwischen den Einstellpositionen des Drehkodierschalters den prozentualen Fehler bei der Einstellung eines

bestimmten Einstellwertes zu verringern und somit die relative Einstellgenauigkeit zu erhöhen. Ein aufwendiger und teurer Abgleich ist nicht erforderlich. Mit anderen Worten wird es mit einem solchen Drehkodierschalter es erstmals ermöglicht, ein Widerstandspotentiometer durch eine andere technische Lösung zu ersetzen, bei der eine vergleichbare Einstellgenauigkeit ohne einen aufwendigen Abgleich erreicht wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Besonders vorteilhaft ist es danach, wenn die Abstände zwischen den Schaltstufen kontinuierlich ändern, insbesondere immer geringer werden. Mit anderen Worten verringert sich der Abstand von einer Schaltstufe zur nächsten Schaltstufe. Dadurch wird es möglich, einen konstanten prozentualen Fehler über die gesamte einstellbare Skala des Drehkodierschalters zu erreichen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich dabei die Abstände zwischen den einzelnen Schaltstufen logarith- misch verringern. Anders ausgedrückt ergibt sich dann eine logarithmische Aufteilung der Schaltstufen über die Kodierscheibe des Drehkodierschalters. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Abstände verringern, beginnend bei den Schaltstufen, die niedrigen Einstellwerten zugeordnet sind, hin zu den Schaltstufen, die hohen Einstellwerten zugeordnet sind.

Bei einer derartigen Ausgestaltung der Schaltstufen werden die Abstände zwischen den Schaltstufen jedoch so klein (ins- besondere bei höheren Einstellwerten) , dass ein Binärcode mit „brake before make" nicht mehr realisiert werden kann. Das „brake before make" bedeutet, dass zunächst alle geschlossenen Schaltkontakte öffnen müssen, bevor die zu schließenden Schaltkontakte schließen dürfen. Ein „brake before make" ist jedoch aus Sicherheitsgründen notwendig, um unzulässige Zwischenstellungen zu vermeiden, die zu gefährlichen Einstellungen führen können. In derartigen Zwischenstellungen zwischen zwei Schaltstufen kann der Drehkodierschalter bewusst oder

unbewusst hängen bleiben. Dies kann zu Fehlfunktionen führen. Abhilfe wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch geschaffen, dass ein Graycode als Kodierung verwendet wird. Dadurch ergibt sich beim Drehen von einer Position n zu einer nächsten Position n+1 oder n-1 jeweils eine Veränderung um 1 Bit, so dass es zu keinen gefährlichen Zwischenstellungen kommen kann.

Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn durch eine hohe Anzahl der Schaltstufen eine hohe Auflösung der Kodierung erreicht wird. Als besonders vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang ein Drehkodierschalter mit vierundsechzig Schaltstufen erwiesen.

Ist die Kodierscheibe als Drehscheibe ausgebildet, so wie das in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, wird eine nahezu kontinuierliche Einstellung möglich, wie dies bei Widerstandspotentiometern üblich ist. Wird zudem auf feste mechanische Raststellungen verzichtet, so wird ein kontinuierliches „Durchdrehen" des Drehkodierschalters ermöglicht, was dem Benutzer ein Bediengefühl vermittelt, dass dem eines Widerstandspotentiometer gleich kommt. Der Benutzer kann mit anderen Worten den gewünschten Wert „stufenlos" einstellen, wie er das von einem Wider- Standspotentiometer gewohnt ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Drehkodierschalter vorgeschlagen, der eine hohe Auflösung, beispielsweise mit vierundsechzig Schaltstufen, sowie einen Graycode als Kodierung und eine als Drehscheibe ausgebildete Kodierscheibe aufweist. Mit diesen Merkmalen werden die_be- reits oben beschriebenen Vorteile erzielt. Vorzugsweise ist dieser Drehkodierschalter ohne mechanische Raststellungen vorgesehen, d.h. der Benutzer kann auch hier den gewünschten Wert „stufenlos" einstellen. Ein solcher Drehkodierschalter vereint in sich die wichtigsten Merkmale zur Realisierung einer besonders benutzerfreundlichen Bedienung, ohne jedoch auf eine spezielle Ausgestaltung der Schaltstufen, wie beispiels-

weise sich ändernde Abstände zwischen den Schaltstufen, festgelegt zu sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels näher beschrieben, das mit Hilfe der Figuren erläutert wird. Hierbei zeigen:

FIG 1 eine Darstellung der Einstellmarken sowie der prozentualen Fehler bei einem aus dem Stand der Tech- nik bekannten Drehkodierschalter,

FIG 2 eine Darstellung der Einstellmarken und der prozentualen Fehler bei einem erfindungsgemäßen Drehkodierschalter,

FIG 3 eine schematische Darstellung einer Kodierscheibe mit Graycode,

FIG 4 eine Tabelle mit Darstellung des Graycodes für vierundsechzig Stufen.

Aus dem Stand der Technik sind n-stufige Drehkodierschalter bekannt, beispielsweise mit n=16, die sich dadurch auszeichnen, dass die einzelnen Schaltstufen einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Im Beispiel der in FIG 1 dargestellten Abbildung wird von einem solchen herkömmlichen Drehkodierschalter ausgegangen, wobei bereits 64 Schaltstufen verwendet werden, um eine bessere Vergleichbarkeit mit der erfindungsgemäßen Lösung zu schaffen. Drehkodierschalter mit 64 Schaltstufen sind bisher noch nicht bekannt.

Bei einem 64-stufigen Drehkodierschalter mit kreisrunder Ko- dierscheibe beträgt der konstante Abstand zwischen jeder

Schaltstufe etwa 5,63°. Findet ein solcher Drehkodierschalter in einem Überlastrelais als Stromeinstellelement Verwendung, so wird eine Skala mit Strommarken und einem Einstellpfeil benötigt. Das Aufbringen der Skala und des Einstellpfeils auf den Drehkodierschalter ist stets mit Fertigungstoleranzen verbunden. Diese liegen erfahrungsgemäß im Bereich bis zu +/-

Im Beispielfall (siehe FIG 1) verfügt ein Überlastrelais über einen Einstellbereich von 25A bis 100A. Der Einstellstrom würde dann von Schaltstufe zu Schaltstufe um (100A-25A) / (64- 1)= 1,19A ansteigen. Will der Anwender das Überlastrelais auf 25A einstellen, ist es denkbar, dass nicht die 25A-Marke eingestellt wird, sondern dass der Anwender eine Einstellung auf die (25A-1, 19A) -Marke vornimmt. Mit anderen Worten entspricht ein Einstellfehler von 1,19A bei einem Einstellwert von 25A (untere Einstellmarke) einem prozentualen Fehler von l,19A/25A*100%=4,8%. Bei der oberen Einstellmarke (100A) beträgt der Fehler jedoch nur 1, 19A/1OOA*1OO%=1, 19% . Der konstante Abstand zwischen den Schaltstufen hat also den Nachteil, dass aufgrund der Einstellgenauigkeit von +/-4° an der unteren Einstellmarke (25A) ein großer prozentualer Fehler auftritt, währenddessen an der oberen Einstellmarke (100A) der prozentuale Fehler sehr klein ist.

Erfindungsgemäß wird daher ein Drehkodierschalter vorgeschlagen, der einen konstanten prozentualen Fehler über die gesam- te Skala aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Abstände der Schaltstufen an der unteren Einstellmarke (25A) größer sind als die Abstände der Schaltstufen an der oberen Einstellmarke (100A) , wo man sich einen größeren Einstellwinkelfehler erlauben kann. Insbesondere werden die Abstände zwischen den einzelnen Schaltstufen von der unteren Schaltstufe bis hin zur oberen Schaltstufe logarithmisch immer kleiner. Wie in FIG 2 abgebildet, beträgt der prozentuale Fehler an der unteren Einstellmarke (25A) bei einem solchen Drehkodierschalter 0% und an der oberen Einstellmarke 2,4%. Am größten ist der prozentuale Fehler, wenn der Abstand zwischen einer Schaltstufe zur nächsten Schaltstufe das erste Mal größer als 8° wird. Im gewählten Beispiel wäre dies der Fall bei 42, 9A. Hier beträgt der prozentuale Fehler (42, 9A/41, 7A-1) *100%=2, 9% .

Durch den logarithmisch kleiner werdenden Abstand zwischen den Schaltstufen kann gegenüber einem Drehkodierschalter mit konstantem Abstand zwischen den Schaltstufen der maximale

prozentuale Fehler erfindungsgemäß von 4,8% auf 2,9% reduziert werden.

Als Kodierscheibe wird eine Drehscheibe verwendet, die über einen Abgriff verfügt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Widerstandspotentiometern werden jedoch nicht Widerstandswerte, sondern digitale Signale abgegriffen. Die Kodierung der Kodierscheibe erfolgt durch die Verwendung leitender und nichtleitender Flächen (in FIG 3 als schwarze und weiße Balken dargestellt) , die mit einer entsprechenden Anzahl Sensoren abgetastet werden. Dabei steht eine leitende Fläche für den digitalen Wert „l ^λΛ und ein nicht leitende Fläche für den digitalen Wert „0".

Für die Kodierung der Kodierscheibe wird ein Graycode verwendet, vgl. FIG 3. Bei dem Graycode handelt es sich um ein Kodierungsverfahren zur robusten Übertragung digitaler Größen. Seine wesentliche Eigenschaft besteht darin, dass sich die Graycodes für zwei benachbarte Segmente nur um 1 Bit unter- scheiden. Dadurch verringert sich der maximal mögliche Einstellfehler. Der Graycode ist insbesondere für eine kreisförmige Anordnung wie auf der in FIG 3 dargestellten Kodierscheibe geeignet, da sich auch beim Übergang von der höchsten Zahl auf 0 lediglich eine Stelle ändert. Eine Tabelle, die den Graycode für 64 Schaltstufen darstellt, zeigt FIG 4.

Wie in FIG 3 verdeutlicht, ändert sich auf der KodierScheibe der Abstand zwischen den einzelnen Schaltstufen z.B. logarithmisch. Mit anderen Worten sind die leitenden bzw. nicht leitenden Flächen bei den unteren Schaltstufen (beispielsweise bei den Schaltstufen 0, 1, 2 usw.) breiter als die Flächen bei den oberen Schaltstufen 61, 62, 63. Dies bedeutet gleichzeitig, dass sich die Abstände zwischen den Schaltstufen verändern. Beginnend von den niedrigen Schaltstufen hin zu den höheren Schaltstufen verringern sich die Abstände zwischen den einzelnen Schaltstufen.

Dabei gilt allgemein für eine Kodierscheibe mit n Segmenten:

H-I

360° = ]T a _o a v=0

wobei CC ₀ den Winkel des Segments „0" und a die Basis für die Winkelberechnung darstellt. Für den Winkel des Segments „v ^λλ gilt:

a _v = CC ₀ Ci

für n=[0.... (n-1) ] . Darüber hinaus gilt für Segment „v ^v

Für das in FIG 3 gezeigt Beispiel gilt dabei: n=64, αo=2°, a=l,0289.

Durch die Verwendung eines Drehkodierschalters ohne Rasthaken oder andere mechanische Rastelemente wird eine Bedienung des Drehkodierschalters ermöglicht, die der eines Widerstandspo- tentiometers entspricht. Durch die logarithmische Aufteilung der Schaltstufen wird gleichzeitig der Einstellfehler derart gering gehalten, dass eine hohe Einstellgenauigkeit ermöglicht wird. Da jedoch ausschließlich digitale Signale abgegriffen werden, ist ein Abgleich, wie er bei einem Wider- Standspotentiometer erforderlich ist, nicht notwendig.

Mit anderen Worten wird durch die Erfindung erreicht, dass ein Drehkodierschalter die Funktion eines Widerstandspotentiometers übernehmen kann, unter Beibehaltung der positiven Eigenschaften des Widerstandspotentiometers (kontinuierliches Drehen, relative Einstellungsgenauigkeit) , ohne jedoch einen teuren und aufwendigen Abgleich durchführen zu müssen.

Alternativ ist es selbstverständlich möglich, den Drehkodier- Schalter mit Raststellungen zu versehen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Drehkodierschalter Erschütterun-

gen, Schwingungen oder sonstigen Vibrationen ausgesetzt ist, In diesem Fall dienen die Rasten dazu, ein unbeabsichtigtes Verstellen zu vermeiden.