Drehgeber

Wissenswertes über Winkelencoder

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Drehgeber mit analoger oder inkrementaler Schnittstelle als Single- oder Multiturn

Drehgeber sind Sensoren, die mit einer Elektronik Winkelinformationen in der Applikation erfassen und diese in elektrische Signale umwandeln. Dabei liefern optoelektronische und moderne auf Hall-Effekt basierende Sensortechnologien hervorragende Messergebnisse. Zusätzlich ist die Lebensdauer der Sensorik durch das kontaktlose Messprinzip besonders hoch. Dank der großen Auswahl an elektrischen Signalausgängen, Anschlüssen und Drehgeber-Designs steht eine Vielzahl von Varianten für Ihre Applikation bereit.

Ein Hauptmerkmal ist der Messbereich des Winkels, den der Drehgeber erfassen kann. Bereiche bis 360 Grad werden mit Singleturn-Drehgebern und Bereiche darüber mit Multiturn-Drehgebern abgedeckt. Außerdem ist bei der Messwertausgabe zwischen Absolutwerten und Inkrementen zu unterscheiden. Darüber hinaus gilt es bei der Wahl auf Montagefreundlichkeit sowie auf einwirkende Umwelteinflüsse zu achten.

Unter all den möglichen Parametern besitzt jede Sensortechnologie für sich Vorteile und jeder Sensor seine spezifischen Eigenschaften, die wir gerne im Rahmen unserer Beratung zusammen mit Ihren Applikations-Anforderungen herausarbeiten. In anspruchsvollen Applikationen bedarf es oftmals einer technischen Produktanpassung. MEGATRON ist Ihr Spezialist für diese Fälle und bietet technisch und ökonomisch beste Lösungen. Wir unterstützen Sie von der Anfrage, über die Realisierung der Serie bis zum „End of Life“ Ihrer Applikation mit hoher Liefertreue und gesicherten Qualitätsprodukten als langjähriger, verlässlicher Partner.


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Was ist ein Drehgeber?

Drehgeber erfassen oder geben Winkelstellungen/Positionen vor und wandeln diese Informationen in elektrische Signale. Sie sind Winkelsensoren, die ihren Messwert kontaktlos an eine Elektronik übertragen. Und genau diese Eigenschaft differenziert sie von Potentiometern, die passive Bauelemente sind. Grundsätzlich besteht jeder Drehgeber aus einem Gehäuse, einer Elektronik mit Sensor als Herzstück der Messung und dem elektrischen Anschluss. Je nach Ausführung ist auch eine Welle mit Wellenlager Teil des Sensors, um die Winkelmessung mechanisch zu realisieren. Für das Wort Drehgeber gibt es zahlreiche sinnverwandte Begriffe wie Drehwinkelgeber, Drehwinkelaufnehmer, Drehwinkelmesser oder Drehwinkelsensor aber auch Winkelencoder bzw. Winkelcodierer. Wenn jedoch der Winkel als kompletter Wert (also als Absolutwert) mit festem Bezug zu einer Nullstellung ausgegeben wird, dann bezeichnet man den Drehgeber als Absolutwertgeber. Wenn nur die Winkeländerung ausgegeben wird, das Ausgangssignal also nur die Relativinformation liefert, dann handelt es sich um einen Inkrementalgeber. In diesem Ratgeber werden nur kontaktlose Technologien mit magnetischem oder optischem Messprinzip beschrieben.


Was bedeutet „kontaktlos“?

Kontaktlos bedeutet, dass die Messwertübertragung zwischen Messwertaufnahme und Messwerterfassung berührungslos stattfindet. Beispielsweise erfolgt die Messwertaufnahme über die Welle und die Messwerterfassung über die Elektronik eines Drehgebers. Zwischen beiden Komponenten besteht jedoch keine direkte mechanische Verbindung. Die Messwertübertragung erfolgt demnach kontaktlos bzw. berührungslos.
Die kontaktlose Messwertübertragung basiert bei allen Drehgebern von MEGATRON entweder auf Magnetismus oder auf einem optischen Messprinzip. Bei magnetischen Drehgebern gibt es praktisch keinen Verschleiß der Messwerterfassung (Elektronik) und bei optischen Drehgebern hat lediglich die Lichtquelle eine begrenzte Lebensdauer. Der einzige nennenswerte Verschleiß erfolgt bei kontaktlosen Drehgebern über seine mechanischen Komponenten zur Messwertaufnahme, wenn Welle und Wellenlagerung vorhanden sind.


Magnetische Drehgeber mit Hall-Effekt

Der Hall-Effekt, benannt nach Edwin Hall, beschreibt das Auftreten einer elektrischen Spannung, der sogenannten Hall-Spannung, in einem stromdurchflossenen Leiter (Hall-Element), der sich in einem stationären Magnetfeld befindet. Platziert man einen kreisrunden diametral magnetisierten (Nordpol/Südpol) Permanent-Magneten über einem Hall-Element, setzt diesen Magneten einer Drehbewegung aus und misst am Ausgang der Verstärkerschaltung die Spannung, dann wird ein sinusförmiger Ausgangsspannungsverlauf gemessen.

Äußere magnetische Felder können diese Technologie prinzipiell stören. Vorwiegend werden sogenannte Gradienten-basierte Hall-Sensoren eingesetzt, die weitgehend unempfindlich auf diese Störungen sind.

Weitere Details siehe unseren Ratgeber zum Thema „Absolutwertgeber“.

Vorteile magnetischer DrehgeberNachteile magnetischer Drehgeber
  • Die beste Wahl, wenn Langlebigkeit gefordert ist
  • Wenig empfindlich gegenüber Vibrationen
  • Wenig empfindlich gegenüber wechselnden Umwelteinflüssen, wie Temperaturschwankungen, einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit
  • Hohe Betätigungsgeschwindigkeiten (Udr./min.) möglich
  • Geeignet für den Betrieb in ölhaltiger, verschmutzter Umgebung (Maschinenhallen, Baustellen etc.)
  • Magnetische Fremdfelder können die Messung stören bzw. zum Ausfall der Messung führen
  • Magnetische Drehgeber haben einen relativ hohen Signaljitter. Das kann nachteilig sein, wenn Positionen möglichst exakt wiederholt bestimmt werden sollen (z.B. Positionierung eines Verfahrtisches, Plotter)

Optische Drehgeber

Optische Drehgeber basieren auf einem kontaktlosen, optischen Abtastprinzip. Es wird mittels einer Leuchtdiode Licht erzeugt, das durch ein Kodierrad geführt wird und anschließend auf einen Photodetektor gelangt. Der Photodetektor erzeugt ein elektrisches Signal, welches nach einer Aufbereitung  an den Signalausgang gelangt.
Bei kontaktlosen Drehgebern unterliegt das optische Sensorsystem im Betrieb einem kontinuierlichen Alterungsprozess. Zusätzlich tragen Schwebekörper, die sich in Form von Feinstäuben auf das optische System niederlegen, zur Alterung des Sensors bei.

Mehr Details siehe unseren Ratgeber zum Thema „Inkrementalgeber“.

Kodierrad

Eine Übersicht zu allen Inkrementalgebern mit optischer Sensortechnologie finden Sie hier

Vorteile optischer DrehgeberNachteile optischer Drehgeber
  • Winkelencoder mit einer hohen optischen Auflösung ermöglichen eine Positionsmessung mit sehr hoher Genauigkeit
  • Hohe Wiederholgenauigkeit des Messergebnisses
  • Sehr hohe Betätigungsgeschwindigkeiten (Udr./min.) möglich
  • Sehr stabil gegenüber magnetischen Fremdfeldern (Immission)
  • Hervorragende Eignung für eine exakte Geschwindigkeitsbestimmung
  • Sehr hohe Lebensdauer
  • Geringer Signaljitter
  • Das optische System unterliegt einem kontinuierlichen Alterungsprozess
  • Empfindlich gegenüber Vibrationen
  • Empfindlich gegenüber hohen Temperaturschwankungen und hoher relativer Luftfeuchtigkeit
  • Umgebungen, in welchen kurzwellige Strahlung mit höherer Intensität vorkommen, wie beispielsweise Gammastrahlung, können das optische System irreversibel schädigen (beispielsweise Wechselwirkung auf Kodierräder aus Mylar)

Inkrementalgeber

Inkrementalgeber geben anstatt einer zum Winkel proportionalen Information (vgl. Absolutwertgeber) eine bestimmte Anzahl an rechteckförmigen Signalen aus. Man spricht auch von Impulsen. Inkrementalgeber werden daher auch Drehimpulsgeber genannt und es wird immer eine Angabe der Anzahl der Impulse pro Umdrehung gemacht (Einheit Imp./Udr. oder Imp./U.). Ein Impuls entspricht einer Periodendauer. Für eine Periodendauer wird auch die Bezeichnung „ein Inkrement“ verwendet. Hieraus erklärt sich auch der Begriff Inkrementalgeber. Für die Auswertung des Messergebnisses eines Inkremental-Encoders wird immer eine externe Auswerteeinheit benötigt, beispielsweise ein Zähler. Hier geht es zu den Produkten als Inkrementalgeber

Signalausgang eines Inkrementalgebers

Folgende Punkte sind besonders zu beachten:

  • Für eine Winkelmessung muss die Anzahl der Impulse in einer externen Auswerteeinheit gezählt und die Summe der Impulse in einen Winkel umgerechnet werden.
  • Wird die Betriebsspannung des Zählers unterbrochen, dann geht die Zählerinformation meist verloren. Wenn dann der Absolutwert des Winkels relativ zu einem Bezugspunkt gemessen bzw. errechnet werden soll, dann muss eine Referenzierung durch Durchfahren der Nullstellung erfolgen.
  • Für eine Geschwindigkeitsmessung wird die Anzahl der Impulse pro Zeit berechnet.

Inkrementalgeber sind mit unterschiedlichster Anzahl an Impulsen pro Umdrehung verfügbar. Sind es beispielsweise 360 Imp./Udr., dann heißt das, dass 360 Impulse (360 Signalperioden) pro voller Wellenumdrehung (360°) ausgegeben werden. Werden beispielsweise 1024 Imp./Umdr. angegeben, dann werden 1024 Impulse (1024 Signalperioden) pro voller Wellenumdrehung (360°) ausgegeben.
Inkrementalgeber sind bei MEGATRON als Halldrehgeber und als optische Drehgeber verfügbar. Für eine ausführliche Beschreibung siehe den Ratgeber Inkrementalgeber.


Absolutwertgeber

Absolutwertgeber geben ein zum Winkel proportionales analoges oder digitales Signal aus. Es existiert daher ein fester Bezugspunkt für die Winkelmessung. Drehgeber mit Analogausgang stellen den gemessenen Winkel als Ausgangsspannung, Ausgangsstrom oder Pulsbreite (PWM) zur Verfügung.
Für eine ausführliche Beschreibung siehe den Ratgeber Absolutwertgeber.

Analoges Ausgangssignal eines Singleturn-Absolutwertgebers

Gemessener Winkel [°, Grad]Ausgangsspannung [Volt]
0 V
360°10 V
45°1,25 V
90°2,5 V
180°5 V
360°10V

Die Tabelle zeigt den Ausgangsspannungsverlauf bei verschiedenen Messwinkeln am Beispiel eines 0...10 V Spannungsausgangs.


Single- vs. Multiturn-Drehgeber

Singleturn-Drehgeber

Singleturndrehgeber sind Absolutwertgeber, die nur den Winkel einer vollen Umdrehung messen können. Das Ausgangssignal zeigt nach einer vollen Umdrehung, alle 360° wieder denselben Wert wie bei 0°. Die meisten kontaktlosen Singleturn-Absolutwertgeber messen den vollen Winkelbereich von 0° bis maximal 360°. Nur wenige Produkte messen Winkel in einem eingeschränkten Winkelbereich von beispielsweise +/- 45°.


Multiturn-Drehgeber

True-Power-On Absolutwertgeber HSM22M

Multiturn-Drehgeber sind im Vergleich zu Singleturn-Drehgebern in der Lage, Winkel über 360° hinaus zu messen. Das Messsystem ist fähig, die Anzahl der Umdrehungen mitzuzählen und es ist meist so programmiert, dass das Signal über den maximalen elektrisch wirksamen Winkelbereich kontinuierlich steigt. Beispielsweise sind bestimmte Multiturn-Absolutwertgeber von MEGATRON in der Lage, Winkel bis maximal 72000° (bis zu 200 Wellenumdrehungen) zu messen. Eine Übersicht aller Multiturn-Drehgeber finden Sie hier.
Ohne besondere Vorkehrungen verlieren solche Drehgeber ihre Information über die Position, wenn die Versorgungsspannung unterbrochen wird. Eine Klasse von Multiturn-Drehgebern sind True-Power-On Drehgeber. Solch ein Drehgeber liefert auch dann ein korrektes Ausgangssignal, wenn sich während einer zeitweiligen Spannungsfreiheit der Drehwinkel beliebig ändert.


Istwert- und Sollwertgeber

Die beiden Begriffe Istwertgeber und Sollwertgeber werden über den Einsatzzweck in der Applikation definiert. Einige Drehgeber-Modelle können für beide Zwecke eingesetzt werden. Eine Übersicht zu den Produkten zur Handeingabe finden Sie hier.

Bei einem Sollwertgeber wird per Handeingabe ein Wert eingestellt. Es wird über eine manuelle Drehung der Drehgeberwelle (meist über einen auf der Welle montierten Einstellknopf) ein Sollwert vorgegeben. Verwendung finden diese Einsteller / Handeinsteller in Bedienpanels, um beispielsweise durch Menüs zu navigieren oder bei Messgeräten die Vorgabe diverse Parameter vorzugeben.
Der Istwertgeber wird als ein Synonym für einen Winkelsensor oder Drehgeber verwendet, wenn ein Winkel einfach gemessen wird und nicht manuell per Hand vorgegeben wird. Da dieser nicht notwendigerweise dem Sollwert in einer Anwendung entspricht, werden die beiden Begrifflichkeiten zur Unterscheidung verwendet. Sollwert- und Istwertgeber können Teile von Regelkreisen sein; diese Anwendung gibt den beiden Begriffen erst einen Sinn.

MRX50 Drehimpulsgeber zur Handeingabe


Winkeleigenschaften und Drehsinn

Mechanischer Drehwinkel

Der mechanische Drehwinkel ist der gesamte Winkel, in welchem der Drehgeber mechanisch betätigt werden kann. Der mechanische Drehwinkel ist bei den meisten kontaktlosen Drehgebern nicht mechanisch begrenzt. D. h., die Welle des Drehgebers kann im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn kontinuierlich betätigt werden, ohne dass diese in der Drehbewegung gestoppt wird. In wenigen Ausnahmen besteht die Option auf mechanische Endanschläge (Endstopps). Diese sind vor allem bei Sollwertgebern (Handeinsteller) sinnvoll. Ein Beispiel ist die Serie ETAM25, von MEGATRON welcher mechanische Endanschläge besitzt.

Angaben zu elektr. und mech. Drehwinkel sowie Drehsinn der Serie ETAM25


Elektrisch wirksamer Drehwinkel

Der elektrisch wirksame Drehwinkel ist jener Winkelbereich, in dem das Ausgangssignal eine Änderung erfährt. Die folgenden Darstellungen zeigen beispielhafte Signalausgangsfunktionen von Singleturn-Absolutwertgebern. In beiden Fällen ist der mechanische Drehwinkel 360°.

Beispiel 1

Beispiel 2


  • Im ersten Beispiel ändert sich das Signal des Drehgeber im gesamten Winkelbereich von 0…360°. Der orange dargestellte Bereich ist der elektrisch wirksame Drehwinkel.
  • In zweiten Beispiel gibt es durch eine andere Programmierung des Ausgangssignals zwei verschiedene Bereiche, in denen eine Signaländerung erfolgt: Hier befindet sich der elektrisch wirksame Drehwinkel im Bereich zwischen 0°…90° und zwischen 180°…270°.

Drehsinn (CW/CCW)

Wichtig bei der Programmierung der Ausgangssignalkurve ist es, den Drehsinn der gewünschten Ausgangssignalkurve anzugeben. Der Drehsinn muss bei der Beschreibung der gewünschten Ausgangssignalkurve angegeben werden, damit ein unmissverständlicher Bezug zwischen Signal und Drehrichtung der Welle hergestellt wird.
Die Angabe der Drehrichtung der Welle erfolgt bei Betrachtung des Drehgebers von vorne. Das heißt, wenn der Betrachter auf das Wellenlager und das Wellenende sieht. Bei einem Kit-Encoder (ohne eigene Welle) erfolgt die Betrachtung auf die dem Magneten zugewandte Gehäuseseite.
Beim Drehsinn wird zwischen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn unterschieden. Zur Beschreibung hat sich die englische Abkürzung CW für Clockwise (im Uhrzeigersinn) und CCW für Counterclockwise (im Gegenuhrzeigersinn) etabliert. Die nebenstehenden Grafiken verdeutlichen den Unterschied des Signalverlaufs am Beispiel eines Singleturn-Absolutwertgebers. Der Drehsinn CW oder CCW kann für fast alle Absolutwertgeber durch den Kunden bei der Konfiguration des Drehgebers gewählt werden.


Auflösung und Updaterate

Digital arbeitenden Geräten verarbeiten die Messsignale mit einer gewissen Auflösung. Bei Absolutwertgebern mit digitaler Signalverarbeitung sind zwei Kenngrößen relevant, welche auch im Datenblatt des Encoders zu finden sind:
Die Auflösung (in Bit)

  • Je höher die Auflösung eines digital arbeitenden Sensors ist, desto feiner können analoge Signale verarbeitet werden. Analoge Ausgangskurven von digitalen Geräten weisen daher immer eine feine Stufung (Treppenbildung) auf, deren Höhe durch die Auflösung des Sensors bestimmt wird.

Die Updaterate (in Mikrosekunden [µs] oder Millisekunden [ms])

  • Signale von digital arbeitenden Sensoren werden immer mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung übertragen.

Wenn diese Angaben in einem Datenblatt eines Drehgebers zu finden sind, ist das ein Hinweis darauf, dass dieser eine digitale Signalverarbeitung besitzt. Eine ausführliche Darstellung der Bedeutung dieser Werte und Beispielberechnungen finden sich im Ratgeber Absolutwertgeber.


Schutz vor Umwelteinflüssen / IP-Schutz

IP steht allgemein für engl. Ingress Protection (dt. Eindringschutz). Damit ist gemeint, welche Vorkehrungen zum Schutz von Wellenlager, Gehäuse und der elektrischen Anschlüsse gegenüber eindringenden Festkörpern und Süßwasser eines Produkts vorhanden sind. Formell korrekt spricht man von der IP-Schutzart eines Produktes.
Die Betrachtung für den Schutz von Flüssigkeiten bezieht sich ausschließlich auf Süßwasser. Alle anderen Medien wie beispielsweise Öle, Salzwasser, Suspensionen, Laugen oder Säuren sind von der Betrachtung ausgeschlossen. 
Die IP-Kennzeichnung besteht aus zwei Ziffern, die den beiden Buchstaben „IP“ nachgestellt wird:

  • Erste Ziffer: Schutz vor eindringenden Festkörpern
  • Zweite Ziffer: Schutz vor eindringendem Süßwasser

Vollständig abgedichteter Hall-Kit-Encoder ETx25K: Achtung, der Magnet liegt frei. Die Abdichtung gilt nur für Elektronik und Gehäuse.


Unterscheidung IP-Schutz

Wellenseitiger, rückseitiger oder IP-Schutz des elektrischen Anschlusses

Bei kontaktlosen Winkel-Encodern wird über die Angabe des Gesamtwertes für das Produkt hinaus zwischen wellenseitigem IP Schutz, rückseitigem IP Schutz, sowie dem IP Schutz des elektrischen Anschlusses unterschieden. Bei einem elektrischen Anschlusskabel mit verzinnten Leitungsenden werden die Kabelenden von der IP-Schutz-Betrachtung ausgenommen.


IP-Schutz-Betrachtung bei einer Welle in Bewegung und im Stillstand

Bei Winkelencodern mit eigenem Wellenlager wird oftmals zwischen der Schutzart für die Welle in Bewegung und der Welle im Stillstand unterschieden. In diesen Fällen wird im Anschluss an die Ziffern des IP-Schutzes die Information über die Buchstaben „M“ für Movement (Welle in Bewegung) oder „S“ Stopp (Welle im Stillstand) definiert.
Ein höherer wellenseitiger IP Schutz für eine stehende Welle kann dann von Relevanz sein, wenn der Drehgeber Teil einer Applikation/Anlage ist, welche ausschließlich während eines (Anlagen-) Stillstandes gereinigt wird.


Elektrische Anschlüsse

Versorgungsspannung

Alle kontaktlosen Winkelencoder benötigen zum Betrieb eine Gleichspannung (DC) als Versorgungsspannung (VSUP). Unterschieden wird zwischen Drehgebern, die eine Versorgungsspannungsänderung in einem definierten Bereich aufweisen, wenn

  • eine ratiometrische Beziehung zum Ausgangssignal besteht
  • keine ratiometrische Beziehung besteht, d.h. keinen Einfluss auf das Ausgangssignal hat

Bei einer ratiometrischen Beziehung zwischen Versorgungsspannung und Ausgangssignal ändert sich das Ausgangssignal im selben multiplikativen Verhältnis wie die Versorgungsspannung. Diese Option ist ausschließlich für Absolutwertgeber mit analogem Signalausgang verfügbar.  
Darüber hinaus sind nicht alle verfügbaren Versorgungsspannungsbereiche mit jeder Ausgangselektronik kombinierbar. Bei der Auswahl der Versorgungsspannung sollte daher geprüft werden, ob die gewünschte Ausgangsbeschaltung für die gewünschte Versorgungsspannung verfügbar ist. Das Datenblatt des Drehgebers gibt über die möglichen Kombinationen Auskunft.


Redundanz

Manche Anwendungen verlangen nach einer Redundanz des Sensorsignals. Die folgenden Ziele sind häufig der Beweggrund für den Einsatz redundanter Drehgeber:

Erhöhung der Verfügbarkeit von Anlagen

  • Durch die doppelte Ausführung des Sensors wird die Ausfallwahrscheinlichkeit der Anlage reduziert. Bei Ausfall einer der beiden Leitungen wird ein Fehler protokolliert. Die Maschine bzw. Anlage kann aber weiter laufen bis zum nächsten Wartungsintervall, wo der Sensor ohne Verlust von Maschinenzeit getauscht wird.

Erhöhung der Betriebssicherheit

  • Beim Betrieb von sicherheitskritischen Maschinen (z.B. Fahrzeuge, Luftfahrt u.v.m.) kann ein Ausfall fatal sein. Die Redundanz ermöglicht ein sicheres, kontrolliertes Stilllegen dieser Maschinen bzw. Anlagen bis zum Tausch des Sensors. Redundanz wird für viele Anwendungen dieses Typs verbindlich vorgeschrieben.

Wenn nicht grundsätzlich zwei Encoder verbaut werden können, besteht die Möglichkeit, Drehgeber mit zwei getrennten Versorgungsspannungen und getrennte Massen (GND) für den Betrieb des Encoders zu realisieren, was eine galvanisch getrennte, zusätzliche Elektronik zur Verfügung stellt.

  • Bei magnetischen Winkelencodern wird der Magnet immer am Wellenende verbaut. Daher ist es hier nicht möglich, die Welle durch das Gehäuse zu einem weiteren Sensor zu führen. Das magnetische Sensorelement selbst ist dafür doppelt/redundant und bei manchen Modellen als Option galvanisch getrennt ausgeführt.
  • Bei optischen Winkelencodern besteht die Möglichkeit, Tandemausführungen zu realisieren, die mechanisch nur die Welle gemein haben, aber ansonsten komplett doppelt ausgeführt sind.

Signalausgänge

Bei kontaktlosen Absolutwertgebern stehen folgende  Signalausgänge zur Wahl.

Analog:

  • Spannungsausgang (verschiedene Bereiche, ratiometrisch/nicht ratiometrisch)
  • Strom (0…20 mA, 4…20mA,…)
  • Pulsweitenmodulation (PWM)

Digital:

  • SPI: Serial Peripheral Interface
  • SER: Sonderform des SPI Formats
  • SSI: Synchronous Serial Interface

Bei kontaktlosen Inkrementalgebern stehen folgende Ausgangsschaltungen zur Auswahl:

  • OC (Open Collector, Pull Up Widerstand im Drehgeber nicht integriert)
  • Voltage Output (=Open Collector Schaltung inkl. im Drehgebergehäuse integrierten Pull-Up-Widerstände)
  • TTL (Transistor Transistor Logik)
  • PP (Push Pull)
  • Linedriver

Verkabelung

Kabellängen und Leitungstoleranzen
Für elektrische Anschlusskabel (Leitungstoleranzen) von Winkelencodern gelten andere Richtlinien als für Gehäuse und Wellen von Drehgebern. Hinweis: Falls die Leitungstoleranzen im Datenblatt nicht explizit erwähnt werden, sind sie auf die IPC/WHMA-A-620 rückführbar:

KabellängeZulässige Toleranz des Anschlusskabels (inkl. Stecker)
≤0,3 m+25 mm -0 mm
>0,3 m...1,5 m+50 mm -0 mm
>1,3 m...3 m+100 mm -0 mm
>3 m...7,5 m+150 mm -0 mm
>7,5 m+5% -0%

Kabelschirm:
Bei MEGATRON-Winkelencodern mit Metallgehäuse ist das Anschlusskabel geschirmt durch einen außenliegenden Kabelschirm. Bei allen Winkelencodern im Kunststoffgehäuse ist das Anschlusskabel nicht geschirmt.


Bauformen

Drehgeber werden in den vielfälten Bauformen angeboten. Einteilen lassen sie sich in Kit Encoder (ohne Wellenlager), und Encodern mit Wellenlager. Bei letzteren werden Varianten mit Gleitlager oder Kugellager, sowie Voll- oder Hohlwelle unterschieden.

Kit-Encoder

Magnetischer Kit-Encoder der Serie MAB12AH

Kit-Encoder besitzen keine Welle und somit keine Wellenlagerung. Für diese Encoder wird auch der Terminus „Encoder mit fremdgelagerter Welle“ verwendet, weil die Lagerung nicht Teil des Drehgebers ist. Bei magnetischen Encodern wird ein Magnet am Wellenende fixiert werden, bei optischen Kit-Encodern wird die Encoder-Scheibe an die Welle in der Applikation befestigt. Kit-Encoder sind für höchste Drehzahlen bis zu viele tausend Udr./m. geeignet und unterliegen praktisch keinem mechanischen Verschleiß.
Durch die fehlende mechanische Verbindung zwischen dem Magneten und dem Drehgeber sind folgende Entkopplungen realisierbar:

  • Mechanische Entkopplung
  • Galvanische Entkopplung (kein elektrischer Potentialbezug zwischen Welle und Drehgeber)
  • Thermische Entkopplung

Drehgeber mit Lagerung - „Shaft Encoder“ und „Hollow Shaft Encoder"

Diese Encoder-Typen besitzen ein eigenes Wellenlager. Man unterscheidet zusätzlich zwei Bauformen: Encoder mit Vollwelle (dann oft nur „Welle“ genannt) und Encoder mit Hohlwelle. 
Die Varianten mit Vollwelle werden auch Shaft Encoder genannt (Shaft ist englisch für Welle). Für Shaft Encoder wird auch der Terminus „Winkelencoder mit eigengelagerter Welle“ verwendet. 
Hohlwellenencoder hingegen besitzen, wie der Name vermuten lässt keine Vollwelle. In die Hohlwelle wird eine applikationsseitige Welle eingeführt und an diese befestigt. Bei Varianten mit Durchgangsbohrung besteht sogar die Möglichkeit, die Welle komplett durch den Encoder zu schieben, der dadurch frei axial positionierbar wird.


Einbau und Befestigung

Die Möglichkeiten der mechanischen Befestigung des Drehgebers in der Applikation sind abhängig von der Konstruktion des Drehgebergehäuses. MEGATRON bietet für seine kontaktlosen Drehgeber-Familien insgesamt fünf verschiedene Montagemöglichkeiten an. Die Befestigung kann erfolgen mittels

  • Zentralgewinde (Bushing)
  • Flansch
  • Gewindebohrungen
  • Servoflasch (mit Synchroklemmen)
  • Montagering
  • Federblech

Zentralgewinde und Überwurfmutter (Bushing)

Die Variante mit Zentralgewinde ist eine sehr einfach auszuführende und schnelle Befestigungsmethode. Zur Befestigung eines Drehgebers mit Bushing ist generell nur eine einzige Bohrung in der Montageplatte der Applikation vorzusehen. Durch diese Bohrung wird die Lagerbuchse des Encoders geführt, bis die Stirnseite des Drehgebergehäuses oder die Fläche des Zentrierbundes auf der Montageplatte aufliegt. Schließlich wird der Drehgeber mittels einer Überwurfmutter und Beilag-/Sicherungsscheibe an die Montageplatte befestigt. Überwurfmutter und Beilag-/Sicherungsscheiben sind bei dieser Befestigungsart oft Teil des Lieferumfangs.
Manche Drehgeberfamilien verfügen darüber hinaus über einen Verdrehschutzpin. Dieser verhindert eine unbeabsichtigte Drehbewegung des Drehgebergehäuses um die Mittelpunktachse während der Befestigung der Überwurfmutter. Dann muss eine zusätzliche zweite Bohrung für diesen Verdrehschutzpin in der Montageplatte ausgeführt werden. Darüber hinaus erfüllt der Verdrehschutzpin (wenn vorhanden) die Funktion einer Nullpunktreferenz (0°-Position).
Zur Befestigung des Drehgebers in einer Montageplatte durchdringt die Bohrung diese vollständig. Das kann ein Eindringen von Flüssigkeiten und Stäuben von der Vorderseite auf die Rückseite der Montageplatte begünstigen. Um das zu unterbinden, befindet sich optional ein zusätzliches Dichtelement im Lieferumfang, welches zwischen der Stirnseite des Drehgebers und der Montageplatte eingelegt wird. Dieses Dichtelement ist beispielsweise eine Option bei der ETx25-Drehgeberfamilie.

Absolutwertgeber der Serie ETA25 mit Zentralgewinde (Bushing)


Flanschbefestigung

Bei der Flanschbefestigung handelt es sich um eine weitverbreitete einfache Befestigungsmethode, welche ein Verdrehen des Drehgebergehäuses bei der Befestigung um die Mittelpunktachse verhindert. Für die Befestigung des Sensors müssen drei Bohrungen in einer Montageplatte in der Applikation ausgeführt werden. Eine Bohrung ist für den Zentrierbund oder das Zentralgewinde und zwei weitere sind zur Befestigung des Drehgebers mittels Schrauben notwendig. Die Schrauben zur Befestigung sind i.d.R. nicht im Lieferumfang nicht enthalten.


Befestigung mittels Gewindebohrungen

Die Befestigung mittels Gewindebohrungen ist eine sehr sichere Methode und erfolgt auf  Basis handelsüblicher Schrauben. Für die Befestigung solcher Drehgeber müssen mindestens drei Bohrungen in einer Montageplatte in der Applikation ausgeführt werden: Eine Bohrung für den Zentrierbund und zwei weitere Bohrungen zur Befestigung des Drehgebers. Eine Gewindebohrung im Drehgebergehäuse dient der Nullpunktreferenz (0°-Referenz). Die Schrauben zur Befestigung sind i.d.R. nicht im Lieferumfang enthalten.


Servoflansch

Diese Befestigungsmethode ermöglicht eine nachträgliche Änderung des Nullpunkts (Referenzpunktes), durch Drehung des Drehgebergehäuses und ist daher vor allem für Absolutwertgeber sinnvoll. Für die Befestigung müssen mindestens vier Bohrungen in einer Montageplatte ausgeführt werden.

  • Eine Bohrung für den Zentrierbund, welche die Montageplatte vollständig durchdringt und
  • drei weitere Bohrungen auf der Rückseite der Montageplatte für die Verschraubung der Servoklemmen, welche die Montageplatte nicht durchdringen müssen.

Die Synchroklemmen sind nicht Teil des Lieferumfangs und können bei MEGATRON als Zubehör bestellt werden. Mittels der Klemmen wird der Drehgeber durch den Anpressdruck gegen die Montageplatte fixiert. Die vierte Gewindebohrung im Drehgebergehäuse dient als Nullpunktreferenz (0°-Referenz).


Befestigung mittels Montagering

Diese Montagemethode ist ausschließlich auf Drehgeber ohne eigenem Wellenlager beschränkt (Kit-Encoder). Für die Befestigung müssen mindestens drei Bohrungen in einer Montageplatte ausgeführt werden: Eine Bohrung für den Zentrierbund, welche die Montageplatte vollständig durchdringt und mindestens zwei weitere Bohrungen auf der Rückseite der Montageplatte für die Befestigung des Montagerings, welche die Montageplatte nicht durchdringen müssen. Wird der Drehgeber zunächst locker mit dem Montagering angebracht, erlaubt dies eine Drehung des Encoders um die Mittelpunktachse, um den Nullpunkt auszurichten (d.h. vor allem für Absolutwertgeber sinnvoll). Die Fixierung der Position erfolgt durch Klemmen mittels Festziehen der Schrauben.

Kit-Encoder der Serie MxB22 mit Montagering


Federblechmontage

Diese Montagemethode kommt ausschließlich bei Hohlwellenencodern zum Einsatz. Der Vorteil ist, dass durch die Methode mechanische Einflüsse durch radiale und axiale Exzentrizitäten der applikationsseitigen Welle auf den Encoder reduziert werden können, was die Belastung auf das Wellenlager verringert. Für diese Befestigungsart braucht es mindestens 2 Bohrungen zur Montage des Encoders.

Hohlwellenencoder der Serie MHL40 mit Federblechmontage


Produktanpassungen

Seit über 60 Jahren steht MEGATRON als zuverlässiger Partner für Ihr Design-in zur Verfügung. Zusätzlich zu den vielfältigen Optionen unserer Sensoren bieten wir darüber hinaus bereits ab geringer Stückzahl spezifische Ausführungen an, die genau auf Ihren Applikationsanforderungen zugeschnitten sind. Ob es sich nun um ein Projekt in der Frühphase oder um eine Serienfertigung handelt – wir begleiten und unterstützen Sie gerne.

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