Erläuterung der verschiedenen Encoder-Ausgangssignale zur Auswahl der optimalen Komponente

Elektronische Steuerungen für Motoren erfordern üblicherweise einen Encoder, um Position und/oder Rotordrehzahl zu bestimmen. Für die Auswahl einer geeigneten Komponente muss ein Entwickler verschiedene Aspekte berücksichtigen, beispielsweise, ob für die Anwendung ein Inkremental-, ein Absolut- oder ein Kommutierungsgeber benötigt wird. Ist diese Entscheidung gefallen, müssen zusätzliche Parameter wie Auflösung, Montageart, Motorwellengröße und weitere Parameter berücksichtigt werden.

Die Bedeutung der Auswahl des am besten geeigneten Ausgangssignaltyps ist nicht immer offensichtlich und wird häufig übersehen. Die drei am häufigsten verwendeten Typen sind der Ausgang mit offenem Kollektor (Open-Collector), der Gegentaktausgang (Push-Pull) und der differenzielle Leitungstreiberausgang (Differential Line Driver). Dieser Artikel beschreibt die einzelnen Typen, um bei der Auswahl einer geeigneten Komponente entsprechend den Anforderungen einer Anwendung zu helfen.

Grundprinzipien

Bei den Ausgangssignalen eines Encoders handelt es sich unabhängig vom Ausgangstyp immer um digitale Signale. Es spielt keine Rolle, ob es sich um den Quadraturausgang eines Inkrementalgebers, den Motorpol-Ausgang eines Kommutierungsgebers oder einen seriellen Ausgang mit einem bestimmten Protokoll handelt. Bei einem 5V-Encoder wechseln die Signale immer zwischen annähernd 0 V und annähernd 5 V, was einer logischen 0 bzw. 1 entspricht. Daher handelt es sich beim Ausgangssignal eines Inkrementalgebers um ein einfaches Rechtecksignal wie in Abbildung 1.

Abbildung 1: Diese Abbildung zeigt den typischen Rechteckwellenausgang eines digitalen Encoders. (Bildquelle: Same Sky)

Open-Collector-Ausgang

Ein Open-Collector-Ausgang (Abbildung 2) wird bei Drehgebern am häufigsten verwendet. Das bedeutet, dass der Kollektor am Transistor bei einem High-Eingangssignal offen oder unbeschaltet ist. Für ein Low-Ausgangssignal wird er gegen Masse geschaltet.

Abbildung 2: Diese Abbildung zeigt das Schaubild eines Open-Collector-Ausgangs. (Bildquelle: Same Sky)

Da der Ausgang bei einem High-Signal unbeschaltet ist, wird ein externer Pull-up-Widerstand benötigt, um sicherzustellen, dass die Spannung am Kollektor den gewünschten Pegel erreicht, um eine logische 1 anzuzeigen. Dadurch sind die Entwickler flexibel beim Verbinden von Systemen, die mit verschiedenen Spannungen betrieben werden. Der Kollektor kann auf eine höhere oder niedrigere Spannung „gezogen“ werden als die Betriebsspannung des Encoders (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Kollektorausgang kann auf eine geeignete Spannung „hochgezogen“ werden, um mit einem externen System verbunden werden zu können. (Bildquelle: Same Sky)

Andererseits bringt diese Schnittstelle auch einige Nachteile mit sich. Pull-up-Widerstände, die in viele handelsübliche Steuerungen bereits integriert sind, ziehen einen begrenzten Strom und weisen somit eine Verlustleistung auf. Des Weiteren kann der Widerstand im Zusammenspiel mit parasitären Kapazitäten im Schaltkreis den Übergang zwischen hohen und niedrigen Spannungen verlangsamen. Die Steigung des Übergangs (Abbildung 4) wird als Flankensteilheit bezeichnet.

Abbildung 4: Der Pull-up-Widerstand verlangsamt effektiv den Übergang des Ausgangssignals, wenn der Ausgang zwischen den Status umschaltet. (Bildquelle: Same Sky)

Durch eine geringere Flankensteilheit beschränkt der Pull-up-Widerstand effektiv die Geschwindigkeit des Encoders, was zu einer geringeren Auflösung eines Inkrementalgebers führen kann. Ein geringerer Widerstandswert kann zwar die Schaltgeschwindigkeit erhöhen, aber er bringt auch eine höhere Verlustleistung mit sich, indem er bei einem Low-Signal mehr Strom zieht.

Gegentaktausgänge

Ein Gegentaktausgang mit zwei Transistoren statt nur einem (Abbildung 5) kann den oben beschriebenen Nachteil einer Open-Collector-Verbindung überwinden. Der obere Transistor ersetzt den Pull-up-Widerstand und zieht die Spannung bei minimalem Widerstand auf die Stromschiene hoch, wodurch eine höhere Flankensteilheit erreicht wird. Da der Transistor bei einem Low-Ausgangssignal ausgeschaltet wird, führt dieses aktive „Hochziehen“ auch zu einer geringeren Verlustleistung als bei der Open-Collector-Schaltung. Das kann bei batteriebetriebenen Geräten zu einer sehr viel längeren Laufzeit führen.

Abbildung 5: Gegentaktausgang (Bildquelle: Same Sky)

Alle referenzbezogenen Encoder der AMT-Familie von Same Sky verfügen über Gegentaktausgänge und erfordern daher keine Pull-up-Widerstände, um mit externen Schaltungen verbunden werden zu können. Zusätzlich zur Steigerung der Geschwindigkeit und zur Senkung der Verlustleistung vereinfachen diese Gegentaktausgänge die Durchführung von Tests und die Prototyperstellung. Die Encoder von AMT haben außerdem CMOS-Ausgänge. Da die hohen und niedrigen Spannungswerte der einzelnen Komponenten variieren, sollten Sie das Datenblatt zu Rate ziehen, um zu verstehen, wie die Spannungen am Ausgang zu interpretieren sind.

Differenzielle Leitungstreiberausgänge

Obwohl Encoder mit Gegentaktausgängen manche Nachteile von Open-Collector-Ausgängen überwinden, handelt es sich bei beiden um referenzbezogene Ausgänge. Diese Ausgänge unterliegen Einschränkungen, wenn sie zusammen mit langen Kabelstrecken oder in einer Umgebung mit starkem elektrischen Rauschen oder Interferenzen verwendet werden.

Über lange Kabelstrecken wird die Amplitude des Signals verringert, und kapazitive Effekte verlangsamen die Schaltübergänge. Bei einem referenzbezogenen Signal, bei dem das übertragene Signal gegen Masse geschaltet ist, kann diese Verschlechterung zu Fehlern führen, die wiederum die Systemleistung beeinträchtigen.

Des Weiteren können in Umgebungen mit starkem elektrischen Rauschen unerwünschte Spannungen unterschiedlicher Stärke in die Kabel eingekoppelt werden. Das kann zur Folge haben, dass der Empfänger in einem referenzbezogenen System die Signalspannungen nicht richtig decodiert.

Same Sky empfiehlt Differenzsignale, wenn die Kabellänge einen Meter überschreiten soll. Ein Encoder mit einem differenziellen Leitungstreiber erzeugt zwei Originalsignale, von denen eines dem ursprünglichen Signal entspricht, während es sich bei dem zweiten um ein exakt komplementäres Signal handelt. Die Differenz zwischen beiden Signalen ist doppelt so groß wie das referenzbezogene Originalsignal, was dabei hilft, die Verschlechterung durch Spannungsabfall und Kapazität zu überwinden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der differenzielle Leitungstreiber überwindet die Signalverschlechterung. (Bildquelle: Same Sky)

Außerdem kann in beiden Signalen enthaltenes Gleichtaktrauschen durch Subtraktion eliminiert werden und wird somit vom Empfängersystem ignoriert (Abbildung 7). Differenzielle Leitungstreiberschnittstellen kommen aufgrund ihrer ausgezeichneten Rauschunterdrückung häufig in industriellen und Automobilanwendungen zum Einsatz. Viele Encoder-Modelle von Same Sky können für anspruchsvolle Anwendungen optional mit einem differenziellen Leitungstreiberausgang geliefert werden.

Abbildung 7: Der differenzielle Empfänger ignoriert das in beiden Signalen enthaltene Rauschen. (Bildquelle: Same Sky)

Alles in allem sollte diese kurze Erläuterung der Encoder-Ausgangstypen sowie ihrer relativen Stärken den Entwicklern bei der Auswahl der am besten für ihre Anwendung geeigneten Komponente helfen, indem sie optimalen Stromverbrauch mit zuverlässiger Kommunikation über die entsprechende Entfernung und angemessener Rauschimmunität kombinieren.