Motor-Feedback

Encoder mit blauem Licht für die hochgenaue Motorregelung

| Autor / Redakteur: Kai Noe * / Gerd Kucera

Blaues Licht für bessere Eigenschaften: der Encoder-blue-Baustein im platzsparenden optoQFN-Gehäuse.
Blaues Licht für bessere Eigenschaften: der Encoder-blue-Baustein im platzsparenden optoQFN-Gehäuse. (Bild: iC-Haus)

Eine technische Sensor-Innovation erregt Aufsehen: iC-Haus entwickelte Abtast-Chips für optische Positions-Encoder mit einem Fotodioden-Design, das speziell für blaues Licht empfindlich ist.

Die kürzere Wellenlänge und Eindringtiefe der Photonen verbessert wesentliche Eigenschaften inkrementeller und absoluter Encoder, z.B. Auflösung, Signalamplitude, Klirrfaktor und Jitter. Dabei kommen Effekte moderner Technologien verstärkend zusammen: Blaues Licht weist bei gleicher Spaltbreite eine verringerte Beugung gegenüber langwelligem Licht auf und kann deshalb schärfer abbilden.

Moderne Silizium-Halbleiterprozesse ermöglichen feinere und flachere Strukturen, die der geringeren Eindringtiefe des blauen Lichts entgegenkommen und den Wirkungsgrad verbessern. Feine Strukturbreiten wiederum erlauben ein verschachteltes Layout von Fotodioden, mit denen in Encodern Sinus- und Cosinus-Signale mit geringem Offset erzeugt werden. Gleichzeitig wird in einer flächentreuen Transformation der Randkurven ein hoher Füllfaktor für die lichtempfindlichen Bereiche erzielt.

Blaue LEDs sind die Basis für weiße Strahler, die eine extrem hohe Nachfrage der Automobilindustrie und Beleuchtungstechnik erfahren. Heute sind temperatur- und langzeitstabile blaue LEDs erhältlich, die die bisher in Encodern verwendeten IR und roten LEDs quasi in den Schatten stellen, weil sie diese bezüglich Lichtausbeute oder Effizienz übertreffen und zudem bereits preiswerter sind.

Als zwangsläufiges Ergebnis des technologischen Fortschritts, sowohl bei der LED- als auch in der CMOS-Technologie, können optische Positionsabtastungen in besonderem Maße profitieren. Seine neuen inkrementellen Abtaster der iC-PT H-Serie hat iC-Haus für hohe Auflösungen speziell mit blauem Licht optimiert und die Integrationsplattform für derartige Single-Chip-Encoder mit den Markennamen Encoder blue und EncoderBlue belegt.

Die neuen Encoder-Sensoren der iC-PT H-Serie kombinieren eine verbesserte optische Abtastung mit einer interpolierenden Signalauswertung auf kleinstem Bauraum: zum Einsatz kommt ein flaches, nur 5 mm x 5 mm großes optoQFN-Gehäuse mit Planfenster. Durch die optimierte Phased-Array-Struktur der Fotochips genügt eine minimale Abtastfläche von nur 1,9 mm x 3,1 mm, um beispielsweise 10.000 Impulse von einer Codescheibe mit nur 26 mm Durchmesser zu erzeugen. Das blaue Licht erhöht den Kontrast bei geringerem Rauschen und der bessere Wirkungsgrad reduziert die Stromaufnahme im optischen System.

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Die Bausteine liefern Jitter-arme Encoder-Quadratursignale mit Index über 4-mA-Push-Pull-Treiber in einfacher, doppelter und vierfacher Auflösung zur genauen Motorregelung. Gleichzeitig werden sonst zur Kommutierung übliche Hall-Sensoren durch drei zusätzlich integrierte Abtastspuren ersetzt. Hier bestimmt die Codescheibe das gewünschte Signal und ist leicht an die benötigte Motorpolzahl anpassbar.

Die Index-Verknüpfung sowie die Auflösung werden einfach per Pin eingestellt. Ausgangsfrequenzen bis 1,6 MHz sind zulässig, sodass selbst bei 10.000 Impulsen noch Motordrehzahlen bis ca. 10.000 U/min möglich sind. Für Anbau und Ausrichtung können analoge Testsignale aktiviert werden.

Durch die kleine Sensor-Abtastfläche und die erhöhte Lichtausbeute reduziert sich der Energiebedarf für die erforderliche blaue LED – als Betriebsstrom genügen wenige Milliampere aus einer 5-V-Versorgung. Dies verbessert die LED-Lebensdauer besonders bei hohen Betriebstemperaturen im Motor. Die iC-PT-H-Bausteine übernehmen die LED-Regelung selbst und kompensieren Veränderungen durch Alterung und Temperatureinflüsse.

Für Entwickler gibt es Evaluation-Boards der Abtaster mit Kunststoff-Codescheiben und mit einfach aufsteckbaren blauen LEDs, um die Vorteile in der Signalqualität im direkten Vergleich zur IR-Beleuchtung beurteilen zu können. Die höhere Flussspannung der blauen LEDs und die Stabilität der im Encoder verwendeten Materialien sind in der Systemauslegung zu berücksichtigen.

Encoder blue wird bereits intensiv von namhaften Encoder-Herstellern getestet und qualifiziert und wird kurzfristig in bestehenden Serienprodukten auch als einfacher Ersatz bestehender IR-Beleuchtungen erwartet.

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