Drehimpulsgeber

Drehimpulsgeber gehören zur Gruppe der Inkrementalgeber (siehe dazu den Ratgeber). Sie werden jedoch hauptsächlich als manuelle Sollwertgeber eingesetzt. Dabei werden die Sollwerte durch eine manuelle Drehbewegung der Drehgeberachse (im oder gegen den Uhrzeigersinn) als elektrische Signale in Form von Inkrementen ausgegeben. Unser Portfolio an Drehimpulsgebern umfasst ausschließlich Sollwertgeber mit optoelektronischem Sensorprinzip. Sie können zusätzliche Merkmale wie integrierte Taster und/oder sogenannte Rastungen besitzen. Ist in einem Drehimpulsgeber ein Taster integriert, so wird bei axialer Krafteinwirkung auf die Welle ein Schaltkontakt geschlossen. Bei der Option Rastung ändert sich das Drehmoment bei Betätigung der Welle in äquidistanten Schritten.

Häufige Anwendungsgebiete für Drehimpulsgeber sind:

• Ändern der Lautstärke, beispielsweise in AV Receivern, CAR-Audio-Systemen
• Scrollen durch Menüs
• Einstellen numerischer Werte
• Bestätigen einer Funktion oder von Sollwerten

Drehimpulsgeber sind in der Regel optische Inkrementalgeber und liefern daher ihr Nutzsignal in Form von Impulsen. Zur Drehrichtungserkennung liefern Drehimpulsgeber am Ausgang zwei elektrische Signale, die der Kanäle A und B, deren Signale um 90° phasenverschoben sind. Aus dem Verhältnis der Signale A und B zueinander wird in einer Auswerteeinheit erkannt, ob die Achse des Drehimpulsgebers im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird.
Optische Sensortechnologien bieten eine Reihe von Vorteilen. Es handelt sich um ein kontaktloses Messprinzip, d.h. die Messwertübertragung zwischen Messwertaufnehmer und Messwerterfassung erfolgt berührungslos. Für mehr Details zu optischen Inkrementalgebern siehe dessen Ratgeber.

Drehimpulsgeber mit Rastung geben dem Bediener eine haptische Rückmeldung. Diese Rückmeldung erfolgt durch eine fühlbare periodische Änderung des mechanischen Widerstandes während der Drehung. Rastungen sind bei Drehimpulsgebern nur als Option erhältlich. Meist sind die Anzahl der Rastpositionen und das Rastmoment wählbar. Unter Rastung versteht man die Änderung des Betätigungsmoments in äquidistanten Schritten während der Drehung der Welle. Die Welle rastet immer zwischen zwei Stellungen ein. Nur durch Aufbringen einer größeren Kraft kann die Position verändert werden. Die Rastposition wird als „Detent Position“ bezeichnet. Elektrisch findet zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rastpositionen oder während des Wechsels der Rastposition eine Zustandsänderung der Signalausgangspegel statt. Hierzu wird eine Auswerteeinheit verwendet.

Die Nutzung der Impulse kann beispielsweise für folgende Anwendungen erfolgen:

• Allgemein zum Erhöhen oder Verringern eines numerischen Wertes pro Rastposition
• Zur Navigation in einer Menüstruktur durch Drehbewegung - jede Rastposition entspricht einem Wechsel der Menüposition

Die zum Überwinden der Rastposition erforderliche Kraft wird in den Datenblättern auch als Rastmoment bezeichnet. Je größer das Rastmoment ist, desto größer ist die Kraft, die aufgewendet werden muss, um bei gleichbleibendem Durchmesser des Einstellknopfes die Welle des Drehimpulsgebers zu drehen und damit den Sollwert zu ändern.

Der Sinn eines erhöhten Rastmomentes ist:

• Ein unbeabsichtigtes Verdrehen der Welle und damit eine unbeabsichtigte Sollwertänderung zu verhindern
• Um den Zusammenhang zwischen dem Durchmesser des Einstellknopfes und dem Rastmoment auszugleichen. Je größer der Durchmesser des Einstellknopfes, desto länger ist der senkrecht zur Wellenmittelachse wirkende Hebel (r) und desto geringer ist die Kraft (F), die erforderlich ist, um bei gleichem Rastmoment den Einstellknopf und damit die Achse des Drehimpulsgebers zu verdrehen.

Viele Drehimpulsgeber verfügen über einen integrierten Schmitt-Trigger. Der Schmitt-Trigger ist eine elektronische Schaltung. Das Datenblatt jedes Drehimpulsgebers enthält ein (Block-)Schaltbild der Drehgeberelektronik. Daraus ist ersichtlich, ob der Drehimpulsgeber über einen integrierten Schmitt-Trigger verfügt.

Mit dieser Schaltung wird ein Zustandswechsel des Ausgangssignals zwischen zwei festen Pegelzuständen Low/High und umgekehrt realisiert. Dazu müssen sich die Signalamplituden am Signaleingang des Schmitt-Triggers in einem bestimmten Bereich ändern, der als Schaltschwelle (engl. „treshold level“) bezeichnet wird. Allgemein gilt:

• Ein Schmitt-Trigger gibt immer Rechtecksignale aus
• Ändert sich die Frequenz des Eingangssignals, so ändert sich auch die Frequenz des Ausgangssignals
• Die Signalformen der Eingangssignale am Schmitt-Trigger können unterschiedlich sein. Damit eine Pegeländerung am Signalausgang des Schmitt-Triggers erfolgt, muss sich die Signalamplitude des Eingangssignals im Bereich der Schaltschwellen ändern

Drehimpulsgeber werden sehr häufig als Handeinsteller eingesetzt. Sie sind daher für eine manuelle Betätigung der Welle optimiert. Für eine sichere Sollwerteingabe ist ein höheres Betätigungsdrehmoment erforderlich. Nur so können exakte Sollwerte eingestellt und ein unbeabsichtigtes Verdrehen der Welle verhindert werden.
Das Drehmoment beschreibt die Drehwirkung einer Kraft, die auf die Welle wirken muss, um diese zu drehen. Die Einheit für das Drehmoment ist Newtonmeter [Nm]. Um das Drehmoment zu erhöhen, werden Drehimpulsgeber mit Gleitlagern eingesetzt und die Drehhemmung wird durch ein Dämpfungsfett und/oder ein Federelement zur Erzeugung zusätzlicher Reibung realisiert. Der Einsatz eines Kugellagers ist aufgrund des geringen (Losbrech-)Drehmoments nicht sinnvoll.
Die Angabe des Drehmomentes muss unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur und der Anzahl der Wellenbewegungen erfolgen. Je niedriger die Betriebstemperatur ist, desto höher ist das Betätigungsmoment. Auch ein längerer Stillstand der Welle und die Betätigungsgeschwindigkeit (Udr./min) haben einen Einfluss. Häufig wird das Drehmoment in einem Datenblatt bei Raumtemperatur und einer Betätigungsgeschwindigkeit von konstant 10 Udr./min angegeben.
Aus technischen Gründen ist es nicht möglich, die Spezifikation durch einen einzelnen Wert darzustellen. Dies ist nur für einen Wertebereich möglich. Gründe hierfür sind vor allem die Toleranzen der Wellenlagerung und der Welle sowie die Menge und Lage des Dämpfungsfettes auf der Welle und der Wellenlagerung. Eine typische Angabe für ein Betätigungsdrehmoment in Datenblättern ist:
0,1 ≤ M ≤ 0,6 Ncm / 0,3 ≤ M ≤ 1,3 Ncm (@RT, 10 U/min)
Die Abkürzung RT steht für den Bezug der Drehmomentmessung auf die Raumtemperatur, die nach der Norm für Wohn- und Bürogebäude zwischen 19 °C und 21 °C liegt.

Neben den Eigenschaften wie Betätigungsdrehmoment oder Rastmoment spielt der Drehknopf eine entscheidende Rolle für die haptischen Eigenschaften eines Drehimpulsgebers. Masse und Außendurchmesser sind dabei die wichtigsten Faktoren.
Handräder haben in der Regel einen Drehknopf mit hoher Masse. Wird eine schnelle Drehbewegung ausgeführt und der Einstellknopf losgelassen, verhindert die relativ hohe Masse des Einstellknopfes einen abrupten Stillstand der Drehgeberwelle. Das heißt: Die erhöhte Masse des Einstellknopfes führt zu einer kurzzeitigen Weiterdrehung der Welle (Nachlaufeigenschaft durch Massenträgheit). Dies kann bei schnellen Sollwertänderungen von Vorteil sein, da dieser Effekt die Drehbewegung unterstützt.
Bei MEGATRON-Drehimpulsgebern in Handradausführung ist im Drehknopf zusätzlich eine Handkurbel integriert. Bei Handrädern gehört der Drehknopf zum Lieferumfang und ist bereits am Drehimpulsgeber befestigt. Für alle anderen Drehimpulsgeber muss ein Drehknopf als zusätzliches Zubehör ausgewählt werden.