DE19544863C2 - Sensorvorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung mit einem von einem
Steuerstrom durchflossenen Sensor, dessen Innenwiderstand einen
Temperaturkoeffizienten hat, und einer daran angeschlossenen elektrischen
Schaltungsanordnung, die eine Kompensationsschaltung aufweist, mit der die die
Empfindlichkeit des Sensors verfälschenden Temperatureinflüsse kompensierbar
sind.
Eine Sensorvorrichtung dieser Art ist in der EP 0 273 103 B1 als bekannt
ausgewiesen. Hierbei sind vorteilhafterweise voneinander unabhängige
Einstellungen der Temperaturabhängigkeit von Offset und Empfindlichkeit
vorgesehen, so daß auf einfache Weise ein Abgleich der Schaltung gegeben ist.
Die Kompensation des Temperaturganges der Empfindlichkeit geschieht hierbei zum
einen mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes in einem
Widerstandsnetzwerk des Gegenkopplungszweiges eines ersten
Differenzverstärkers und zum anderen mit einem temperaturabhängigen
Spannungsteiler, an den der nichtinvertierende Eingang eines zweiten
Differenzverstärkers angeschlossen ist. Hierdurch wird eine exakte Kompensation
des Temperaturganges schwierig.
In der EP 0 129 817 B1 ist eine weitere Sensorvorrichtung mit einer
Kompensationsschaltung für verfälschende Temperatureinflüsse angegeben, wobei
ein konstanter Spannungsanteil und ein sich mit der Temperatur des elektrischen
Systems eines Hall-Generators ändernder Spannungsanteil zu einer Spannung
summiert werden, die einem nichtinvertierenden Eingang eines
Operationsverstärkers zugeführt wird, dessen invertierender Eingang mit einem
Ausgangssignal-Spannungskontakt des Hall-Generators und dessen Ausgang mit
dem ausgangsseitigen Steuerstromanschluß des Hall-Generators verbunden sind.
Die auf diese Weise vorgenommene Kompensation trennt nicht zwischen
Temperaturgang der Empfindlichkeit und des Offsets.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung der eingangs
beschriebenen Art so auszugestalten, daß bei Gewährleistung einer unabhängigen
Kompensation des Temperaturganges der Empfindlichkeit diese exakt und mit
relativ geringem Aufwand erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Hiernach ist also vorgesehen, daß mit der Kompensationsschaltung aus der
temperaturabhängigen Änderung des Innenwiderstandes des Sensors ein positiver
Temperaturkoeffizient des Steuerstroms gebildet ist, der so bemessen ist, daß er
die negativen Temperaturkoeffizienten der übrigen physikalischen Größen
kompensiert.
Hierdurch wird stets eine exakte Kompensation des Temperaturganges der
Empfindlichkeit erhalten, die aus der Temperaturabhängigkeit des Sensors selbst
abgeleitet ist und somit dieser genau folgt. Auch erübrigen sich durch diese
Maßnahmen zusätzliche temperaturabhängige Elemente, so daß der
Schaltungsaufwand gering ist.
Vorteilhaft ist die Sensorvorrichtung so ausgelegt, daß der durch die
Kompensationsschaltung gebildete positive Temperaturkoeffizient des Steuerstroms
dem Betrage nach der Summe der negativen Temperaturkoeffizienten der übrigen
physikalischen Größen entspricht. Beispielsweise ist bei einem Hall-Sensor die
Ausgangsspannung UH = k × IH X B, wobei die Größen k, und B jeweils einen negativen
Temperaturkoeffizienten besitzen. Indem der Temperaturkoeffizient des
Steuerstroms IH positiv gemacht ist und dem Betrage nach der Summe der
negativen Temperaturkoeffizienten der Größen k und B entspricht, wird eine
praktisch vollkommene Kompensation des Temperaturganges der Empfindlichkeit
erreicht, weil in der Nähe von 1 das Produkt in guter Näherung der Summe
entspricht.
Ein einfacher Aufbau der Sensorvorrichtung wird dadurch erzielt, daß der Sollwert-
Temperaturgang des mit dem positiven Temperaturkoeffizienten versehenen
Steuerstroms aus einem temperaturfreien Anteil eines Spannungsteilers und einem
temperaturbehafteten Anteil des Sensors zusammengesetzt ist.
Hierbei ist ein vorteilhafter Aufbau der Sensorvorrichtung derart, daß die
Kompensationsschaltung einen Differenzverstärker aufweist, an dessen
invertierendem Eingang eine Vorspannung angelegt ist und zu dem von dem
Eingang des Sensors ein Rückkopplungszweig mit einem Rückkopplungswiderstand
geführt ist, daß der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers mit dem
steuerseitigen Ausgang des Sensors verbunden ist, der über einen
Fühlerwiderstand auf Masse liegt, und daß der Ausgang des Differenzverstärkers
mit einem Steuerglied für den Steuerstrom verbunden ist. Mit dieser
Kompensationsschaltung wird ein Regelkreis gebildet, mit dem der gewünschte
Steuerstrom stets exakt aufrechterhalten wird. Hierbei kann vorteilhafterweise
vorgesehen sein, daß das Steuerglied in einem PNP-Transistor besteht und daß der
Ausgang des Differenzverstärkers über einen Widerstand mit der Basis des
Transistors verbunden ist, dessen Emitter an einer Versorgungsspannung liegt und
dessen Kollektor an dem Eingang des Sensors angeschlossen ist.
Darüberhinaus ist eine weitere Ausgestaltung derart vorteilhaft, daß die
Vorspannung zwischen zwei Widerständen eines an der Versorgungsspannung
liegenden Spannungsteilers abgegriffen ist, und daß der Temperaturkoeffizient des
Steuerstroms durch Dimensionierung des Rückkopplungswiderstandes und des an
dem positiven Potential der Versorgungsspannung angeschlossenen Widerstands
des Spannungsteilers einstellbar ist. Durch geeignete Dimensionierung des
Spannungsteiler-Widerstandes KR und des Rückkopplungswiderstandes LR läßt
sich der gewünschte Temperaturkoeffizient für den Strom leicht erreichen.
Ein zusätzlicher Temperatureinfluß auf das Ausgangssignal des Sensors ist dadurch
kompensierbar, daß die Kompensationsschaltung um einen Schaltungsteil erweitert
ist, durch den ein Offset-Temperaturgang kompensierbar ist. Der Schaltungsteil ist
hierbei vorteilhafterweise so ausgebildet, daß der Schaltungsteil zwei
hintereinander geschaltete Widerstände aufweist, wovon der eine an den Eingang
des Sensors und der andere an dessen steuerseitigen Ausgang angeschlossen ist,
und daß zwischen den beiden hintereinander geschalteten Widerständen eine
Verbindung über einen weiteren Widerstand zum invertierenden Eingang eines
weiteren Differenzverstärkers geführt ist, dessen invertierendem und
nichtinvertierendem Eingang das Ausgangssignal zur Verstärkung zugeführt ist.
Hierbei ist ausgenutzt, daß der Temperaturgang des Offset-Signals dem
Temperaturkoeffizienten des Innenwiderstandes des Hall-Elementes entspricht.
Durch Dimensionierung von M, τM und Q läßt sich das temperaturabhängige
Offset-Signal eliminieren.
Der Sensor kann beispielsweise ein Hall-Sensorelement aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt die Sensorvorrichtung, bei der ein Sensorelement HE eines Sensors
H an eine elektrische Schaltungsanordnung angeschlossen ist. Fig. 2 zeigt Aus
gestaltungen ohne den nachfolgenden Verstärker.
Die elektrische Schaltungsanordnung weist eine an den steuerseitigen Eingang E
und den steuerseitigen Ausgang A angeschlossene Kompensationsschaltung für die
Empfindlichkeit, einen ebenfalls an den steuerseitigen Eingang E und den
steuerseitigen Ausgang A angeschlossenen Schaltungsteil zur Kompensation des
Temperaturganges des Offset-Signals sowie einen an den beiden
Ausgangsklemmen des Hall-Sensorelementes angeschlossenen Verstärkerteil auf.
Die Kompensationsschaltung für den Temperaturgang der Empfindlichkeit weist
einen Differenzverstärker OV1 auf, dessen nichtinvertierender Eingang an den
steuerseitigen Ausgang A des Hall-Sensorelementes HE und dessen invertiertender
Eingang über einen Rückkopplungswiderstand LR an den steuerseitigen Eingang E
des Hall-Sensorelementes HE sowie zwischen zwei Widerständen KR und R eines
Spannungsteilers angeschlossen ist, an den die Versorgungsspannung +U auf der
Seite des Widerstandes KR angelegt ist. Die andere Seite des Spannungsteilers
liegt auf Masse. Der Ausgang des Differenzverstärkers OV1 führt über einen
Widerstand O zu der Basis eines PNP-Transistors, dessen Emitter an die
Versorgungsspannung +U und dessen Kollektor an den Eingang E des Hall-
Sensorelementes HE angeschlossen sind. Der steuerseitige Ausgang A des Hall-
Sensorelementes HE ist über einen Fühlerwiderstand F an Masse gelegt. Auf diese
Weise wird für den Steuerstrom IH ein Regelkreis gebildet, wobei der Transistor T
als Steuerglied wirkt. Der Sollwert-Temperaturgang des Steuerstromes IH setzt sich
zusammen aus dem temperaturfreien Anteil des Spannungsteilers KR, R und einem
temperaturbehafteten Anteil des Sensors H.
Mit der beschriebenen Kompensationsschaltung erhält der Steuerstrom IH einen
positiven Temperaturkoeffizienten, der sich durch die Dimensionierung von KR und
LR in gewünschter Weise zur Kompensation der negativen Temperaturkoeffizienten
der das Ausgangssignal des Sensors H beeinflussenden übrigen physikalischen
Größen abstimmen läßt. Der positive Temperaturkoeffizient des Steuerstroms IH
resultiert daraus, daß der Innenwiderstand des Hall-Sensorselementes HE im
Vergleich zu den übrigen physikalischen Größen einen relativ großen positiven
Temperaturkoeffizienten besitzt. Dadurch läßt sich der positive
Temperaturkoeffizient des Steuerstroms auf einen Wert einstellen, der dem Betrage
nach der Summe der negativen Temperaturkoeffizienten der übrigen physikalischen
Größen entspricht.
In der bekannten Gleichung für das Sensorausgangssignal eines Hall-
Sensorelementes UH = k × IH × B ist also der Temperaturkoeffizient des
Steuerstromes IH auf einen positiven Wert steuerbar, der dem Betrage nach der
Summe der Temperaturkoeffizienten von k und B entspricht, so daß der
Temperaturgang des Ausgangssignals UH praktisch vollkommen kompensiert wird.
Dies hängt damit zusammen, daß in der Nähe von 1 das durch den
Temperatureinfluß geänderte Produkt in guter Näherung der durch den
Temperatureinfluß geänderten Summe entspricht.
Zur Verstärkung des Ausgangssignals UH mit dem Differenzverstärker OV2 ist die
eine Ausgangsklemme des Hall-Sensorelementes HE über einen Widerstand N mit
dem invertierenden Eingang und die andere Ausgangsklemme über einen
Widerstand N mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers OV2
verbunden. Der Ausgang des weiteren Differenzverstärkers OV2 ist über einen
Widerstand P auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt, während der
nichtinvertierende Eingang über einen Widerstand P an ein Potential K × U angelegt
ist.
Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung läßt sich somit der Temperaturgang
der Empfindlichkeit kompensieren, wobei die temperaturabhängige Änderung des
Innenwiderstandes des Hall-Sensorelementes HE ausgenutzt wird und sich somit
die Verwendung zusätzlicher temperaturabhängiger Widerstände erübrigt. Bei der
beschriebenen Kompensationsschaltung wird ausgenutzt, daß der
Temperaturkoeffizient des Widerstandes des Hall-Elementes größer ist als der zur
Kompensation der Temperaturkoeffizienten der übrigen physikalischen Größen k, B
benötigte Temperaturkoeffizient des Steuerstroms IH.
Das Hall-Sensorelement HE kann beispielsweise Teil eines Beschleunigungssensors
oder dergleichen sein, wobei sich aufgrund einer zu erfassenden Eingangsgröße
eine Änderung der magnetischen Induktion ergibt, die ihrerseits das
Ausgangssignal UH bestimmt.
Soweit entsprechende physikalische Zusammenhänge vorliegen, ist die
Schaltungsanordnung auch bei anderen Sensoren anwendbar.
In Fig. 2 sind drei Schaltungsbeispiele A, B, C angegeben,
die zeigen, wie der Sensor H an eine elektrische Schaltungs
anordnung angeschlossen ist. Dabei entspricht die Schal
tungsanordnung nach A in etwa dem Beispiel nach Fig. 1, je
doch ohne die nachgeschaltete Verstärkungsanordnung. Die
Bauelemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen
wie in Fig. 1. Die Anschlüsse des Hall-Sensors H sind mit 1
und 2 bezeichnet.
Die in Fig. 2 dargestellten Schaltungen bauen auf bekannten
Schaltungen einer Konstantstromquelle auf und bestehen aus
dem temperaturabhängigen Spannungsteiler mit den Widerstän
den R und KR, die zwischen Versorgungsspannung und Masse
liegen und an den nicht invertierenden Eingang des Opera
tionsverstärkers OV1 angeschlossen sind. Der Ausgang des
Operationsverstärkers OV1 führt an den Anschluß 1 des Sen
sors H, der mit einem konstanten Strom versorgt werden soll.
Der Anschluß 2 des Sensors H ist über einen Widerstand F mit
der positiven Versorgungsspannung verbunden. Weiterhin führt
ein Abgriff an den invertierenden Eingang des Operationsver
stärkers OV1. Aus Gründen begrenzter Aussteuerbarkeit des
Operationsverstärkers OV1 kann der Spannungsteiler R1 und
x . R1 an den gemeinsamen Anschluß vom Stromfühlerwiderstand
F und den Anschluß 2 des Sensors H sowie den invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers OV1 geschaltet werden. Das
Bauteil bzw. der Sensor H besitzt einen - hier positiven -
Temperaturkoeffizienten, so daß bei konstantem Stromzufluß
die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OV1 tempera
turabhängig ist. Wird diese Schaltung mit einem Widerstand
LR erweitert, welcher sich zwischen dem nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers OV1 und seinem Ausgang be
findet, so setzt sich die Spannung am nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers OV1 aus dem temperatur
unabhängigen Teil des Spannungsteilers R und KR sowie dem
temperaturabhängigen Teil des Spannungsteilers R und LR
zusammen. Durch geeignete Dimensionierung der Bauteile R, KR
und LR lassen sich Temperaturkoeffizienten zwischen Null und
demjenigen des Widerstandes des Sensors H erzeugen.
Beispielsweise ist der Sensor H ein Hall-Element mit einem
positiven Temperaturkoeffizienten (TK). Der das magnetische
Feld B in ein elektrisches Signal wandelnde Wandlerfaktor
des Sensors H besitzt einen negativen Temperaturkoefizien
ten (TK). Durch geeignete Dimensionierung des Temperatur
koeffizienten des Stromes läßt sich ein nahezu temperatur
unabhängiges elektrisches Signal des im Sensor H gewandelten
magnetischen Feldes erreichen. Die geeignete Dimensionierung
läßt sich insbesondere mit den Widerständen R, KR und LR
realisieren.
Gleiche Ergebnisse lassen sich mit der "gespiegelten" Schal
tung nach Beispiel D erreichen. Dasselbe gilt für eine
Schaltung des Typs C. Bei kleinen Versorgungsspannungen läßt
die begrenzte Aussteuerbarkeit des Operationsverstärkers den
Einsatz eines zusätzlichen Transistors T sinnvoll erschei
nen. Hierbei ist auch die Umkehrung der Steuersignale gegen
über dem Ausführungsbeispiel nach A zu achten.
Entsprechend der Schaltung nach Fig. 1 ließe sich ein
Differenzverstärker an die Anschlüsse 3 und 4 des
Hall-Sensors anschließen. Am Ausgang des Differenzver
stärkers läßt sich dann die verstärkte Ausgangsspannung ent
nehmen. Der Anschluß eines solchen Verstärkers ist für alle
Beispiele A, B, C mit entsprechenden Anpassungen möglich.
Claims (7)
1. Sensorvorrichtung mit einem von einem Steuerstrom
durchflossenen Sensor, dessen Innenwiderstand einen
Temperaturkoeffizienten hat, mit einer mit dem Sensor in
Verbindung stehenden elektrischen Schaltungsanordnung, die eine
Kompensationsschaltung aufweist, mit der die die Empfindlichkeit
des Sensor verfälschenden Temperatureinflüsse durch
Beeinflussung des Steuerstromes kompensierbar sind, dadurch
gekennzeichnet, daß mit der Kompensationsschaltung durch
Auswertung der temperaturabhängigen Änderung des
Innenwiderstandes des Sensors ein Steuerstrom gebildet wird, der
einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der so bemessen ist, daß
er den invertierten Temperaturkoeffizienten der die
Empfindlichkeit bestimmenden Größen der Konstanten (k) und des
Magnetfeldes (B) kompensiert und daß zusätzlich der Offset-
Temperaturgang kompensiert wird, wobei die
Kompensationsschaltung wenigstens einen Differenzverstärker
(OV1) aufweist, an dessen invertierendem Eingang eine durch,
einen zwischen der Versorgungsspannung (+U) für die Sensorvorrichtung
und Masse liegenden Spannungsteiler (KR, R) festgelegte
Vorspannung angelegt ist und zu dem von dem Eingang (E) des
Sensors (H) ein Rückkopplungszweig mit einem
Rückkopplungswiderstand (LR) über den der Offset-Temperaturgang
einstellbar ist, geführt ist und der nichtinvertierende Eingang
des Differenzverstärkers (OV1) mit dem steuerseitigen Ausgang
(A) des Sensors (H) verbunden ist, der über einen
Fühlerwiderstand (F) auf Masse liegt und der Ausgang des
Differenzverstärkers (OV1) mit einem Steuerglied (T) für den
Steuerstrom(IH) verbunden ist.
2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der durch die Kompensationsschaltung, die wenigstens die
Widerstände (F, LR, KR, R), den Transistor (T) und den
Operationsverstärker (OP1)umfaßt, gebildete positive
Temperaturkoeffizient des Steuerstroms (IH) dem Betrage nach der
Summe der negativen Temperaturkoeffizienten der Konstanten (k),
und des Magnetfeldes (B) entspricht.
3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das der Empfindlichkeit zugrundeliegende
Sensorausgangssignal (UH) sich aus dem Produkt der die negativen
Temperaturkoeffizienten aufweisenden physikalischen Größen, der
Konstanten (k)und des Magnetfeldes (B) mit dem Steuerstroms (IH)
ergibt.
4. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sollwert-Temperaturgang des mit dem
positiven Temperaturkoeffizienten versehenen Steuerstroms (IH)
aus einem temperaturfreien Anteil des Spannungsteilers (KR, R)
und einem temperaturbehafteten Anteil des Sensors (H)
zusammengesetzt ist.
5. Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuerglied in einem PNP-Transistor (T) besteht und daß
der Ausgang des Differenzverstärkers (OV1) über einen Widerstand
(O) mit der Basis des Transistors (T) verbunden ist, dessen
Emitter an einer Versorgungsspannung (+U) liegt und dessen
Kollektor an dem Eingang (E) des Sensors (H) angeschlossen ist.
6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorspannung zwischen zwei Widerständen eines an der
Versorgungsspannung (+U) liegenden Spannungsteilers (KR, R)
abgegriffen ist, und daß der Temperaturkoeffizient des
Steuerstroms (IH) durch Dimensionierung des
Rückkopplungswiderstandes (LR) und des an dem positiven
Potential der Versorgungsspannung angeschlossenen Widerstand
(KR) des Spannungsteilers (KR, R) einstellbar ist.
7. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor (H) ein Hallsensorelement (HE)
aufweist.
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