DE2827267C2 - Restspannungs-Regelschaltung für ein Hall-Element - Google Patents
Restspannungs-Regelschaltung für ein Hall-ElementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Restspannungs-Regelschaltung Tür ein Hall-Element, bei der eine Steuerstromquelle
über eine erste elektronische Schalteranordnung taktweise an ein Elektrodenpaar des Hall-Elements
anschließbar ist und bei der ein von dem mit der Steuerstromquelle verbundenen Elektrodenpaar verschiedenes
Elektrodenpaar des Hall-Elements, an dem die dem durch das mit der Steuerstromquelle verbundenen Elektrodenpaar
fließenden Steuerstrom zugeordneten Ausgangssignale auftreten, über eine zweite elektronische Schalteranordnung
an einen Hallspannungsindikator anschließbar ist.
Die große Temperaturabhängigkeit von Hall-Ausgangsspannungen des Hall-Elementes verhinderte bisher
die Verwendung dieses Hall-Elements auf möglichen Anwendungsgebieten. Die Temperaturabhängigkeit des
Hall-Elements wurde grundsätzlich zu einem gewissen Grad den Werkstoffen für dieses Element zugeschrieben.
Selbst ein Hall-Elemeni aus Germanium, Indium und Arsen, die bezüglich der Temperaturabhängigkeit vergleichsweise
gut sein sollen, besitz« einen Temperaturkoeffizienten im Bereich von 0,03 — 0,l%/cC, so daß es
aufgrund dieser Eigenschaften für die Durchführung höchst genauer Messungen bei Arbeitstemperaturen im
Bereich von — 20° - + 90" C ungeeignet ist.
Dieses Hall-Element weist nämlich den Mangel auf, daß sich die bei nicht vorhandenem Magnetfeld anliegende
Restspannung in Abhängigkeit von Temperaturänderungen ändert und die Änderungen an den Hall-Ausgangsspannungskleninien
zum Zeitpunkt der Messung des Magnetfelds nacheinander auftreten, woraus sich eine ungenaue Messung ergibt.
Zur Vermeidung des genannten Mangels sind Maßnahmen getroffen worden, um die Temperaturabhängigkeit
zu verbessern und gleichzeitig die Restspannung bei Null betragendem Magnetfeld niedrig zu halten; zu
diesem Zweck sind gemäß den Fig. la und Ib ein Fest(wcrt)widersiand R, ein Thermistor TH und ein oder
mehrere einstellbare Widerstände VR zwischen die Steuerstromeingänge 2a und 2b(Steuerstromquelle E) sowie
die Hall-Spannungsausgänge 3a und 36 (Hallspannung VH)geschaltet worden. Bei diesen äußeren Kompensierschaltungen
variieren im allgemeinen jedoch die Einstellungen der einzelnen änderbaren Widerstände bei dem
jeweils verwendeten Hall-Element, und es erweist sich dabei als nötig, die Werte des Widerstands R und des
Thermistors TH im Hinblick auf die Unterschiede der Werkstoffe für Hall-Elemente entsprechend den verschiedenen
Arten von Hall-Elementen zu ändern. Diese Umstände bedingten eine Nachjustierung bei Verwendung
von Hall-Elementen, wenn diese bei Null betragendem Magnetfeld unterschiedliches Verhalten bei der Regelung
der Restspannung gezeigt haben.
Aus der DE-AS 23 33 080 ist eine Restspannungsregelschaltung für ein Hall-Element der eingangs genannten
Art bekannt. Diese bekannte Restspannungsregelschaltung ist an ein Hall-Element mit vier Elektroden angeschlossen,
die sich jeweils paarweise gegenüberstehen. Dabei dienen die sich paarweise gegenüberstehenden
bo Elektroden entweder zum Einspeisen eines Steuerstromes oder zum Abnehmen einer Signalspannung. Es wird
hierzu taktweise jeweils das eine oder das andere Elektrodcnpaar mit der Steuerstromquelle verbunden und das
jeweils andere Paar an den Eingang einer Signalverarbeitungsschaltung gelegt. Diese bildet aus dem Mittelwert
der den beiden L'lekuodenpaaren zugeordneten Ausgangssignale eine von unerwünschten Restspannungen
oder nicht Äquipotentialspannungen befreite Hallspannung. Die elektronischen Schaltcranordnungen müssen
ti"i bei dieser bekannten Schaltung eine der Zahl von vier umzuschaltenden Elektroden der Hall-Elemente entsprechende
Anzahl von Schaltt'unktionen aufweisen, was zu einer erhöhten Störanfälligkeit führen kann. ,
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rcstspannungs-Regelschaltung für ein Hall-Element
der eingangs genannten Art zn schaffen, bei der die Anzahl der erforderlichen Umschallfunktionen der
elektronischen Schalteranördnungen möglichst gering ist=
Diese Aufgabe wirjl bei der eingangs genannten Restspanhungs-Regelsehaliung erfindiingsgemäß dadurch
gelöst,daß die Steuerstromqaelle iwid ein Verstärker mit hoher Impedanz des Hallspi nnur.asindikators mit einer
Elektrode eines dreipoligen Halt-Elements fest verbunden ist, dessen zweite und dritte Kl/ nroden über die erste
elektronische Schalteranordnung taktweise an den zweiten Pol der Steucrstromquclle ansehließbar sind und daß
die jeweils nicht mit der Steuerstromquclle verbundene Elektrode des 1 lall-Flemenis über die zweite elektronische
Schalteranordnung an den Verstärker mit hoher Impedanz, des Hullspannungsindikaiors ansehließbar ist.
Dadurch, daß bei dieser beanspruchten Rcstspannungs-Regelschaltung ein dreipoliges 1 lall-Elemeni Verwendung
findet, reduziert sich die Zahl der erforderlichen Umschalifunktionen der elektronischen Schalteranordnung™
erheblich. Während bei einem vierpoügen Hall-Element bei der Verwendung einer gattungsgemäßen
Restspannungs-Regelschaltung für die elektronischen Schalter;inordnungen acht Umschalifunktionen erforderlich
sind, genügen bei der Ausführung einer Rcstspannungs-Regelschaltung mit einem dreipoligen Hall-Element
lediglich vier Umschaltfunktionen der elektronischen Schaltcranordnungen. Eine Reduzierung der Elektrodenzahl
um 25% auf seilen des Hall-Elementes steht somit eine Reduzierung der Zahl der Umschalifunktionen um
50% gegenüber. Dadurch wird nicht nur die Schaltung wesentlich vereinfacht, sondern auch durch eine Reduzie- ι >
rung der Zahl der elektronischen Bauelemente eine höhere Zuverlässigkeit erreicht.
Da bei der beanspruchten Schaltung eine Elektrode des Hall-Elementes lest mit der Sieuersiromquelle und
dem Verstärker mit hoher Impedanz des Hallspannungsindikators verbunden ist, ist es möglich diese Elektrode
zu erden. Eine solche Erdung und die sich daraus ergebenden Vorteile bezüglich der Störsicherheit können mit
der bekannten Schaltung nicht erreicht werden, da alle vier Elektroden zwischen der Stcuersironiquelle und dem
Eingang der Schaltung zur Signalverarbeitung umgeschaltet werden und somit eine direkte galvanische Kopplung
mit der Erde nicht möglich ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Regelschaltung liegt darin, daß
die Impedanzverhältnisse eines dreipoligen Hall-Elementes günstiger als die eines vierpoligen Hall-Elementes
sind. Bei einem dreipoligen Hall-Element stimmen die beiden Stromwege vor und nach dem Umschalten der
Steuerstromquelle im wesentlichen überein, während sie bei einer vicrpoligcn Hallsonde rechtwinklig zueinander
verlaufen. Dadurch wirkt sich eine etwa vorhandene Anisotropie des Materials wesentlich störender als bei
einem Hall-Element mit annähernd gleichen Stromwegen aus.
Durch die US-PS 30 21 459 ist bereits eine Schaltungsanordnung mit einem dreipoligen Hall-Element bekannt.
Es handelt sich hierbei jedoch nicht um eine Restspannungs-Regelschaltung für das Hall-Hlemcnt. sondern um
ein Halbleiterbauelement, bei dem eine Tunneldiode und das Hall-Element in kompakter Weise auf einem jo
Halbleitersubstrat ausgebildet sind, um einen Verstärker zu schaffen, der mit einem Minimum an Stabilitätsproblemen
in Kaskade geschaltet werden kann. Eine Schaltung zum Kompensieren störender Anteile der Hallspannung
ist in dieser Druckschrift dagegen nicht beschrieben; insbesondere zeigt sie keine elektronische Schalteranordnung,
mit der ein dreipoliges Hall-Element taktweise mit einer Stromquelle verbunden werden kann.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbcispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik
anhand den Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. ta und Ib Blockschaltbilder herkömmlicher Restspannungs-Regelschaltungen für Hall-Elemente,
F i g. 2 ein Äquivalentschaltbild für ein Hall-Element,
Fig.3 bis 5 Schaltbilder zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Resispannungs-Regelschaltung für ein
dreipoliges Hall-Element gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
FIg16 ein Blockschaltbild einer Restspannung-Regelschaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
F i g. 7 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbcispiels der Erfindung,
F i g. 8a und 8b Blockschaltbilder zur Verdeutlichung der Wirkungsweise von Schaltern in F i g. 7.
Vor der genaueren Erläuterung der Erfindung erscheint eine Erklärung d<*s Prinzips, das für das Verstehender
Erfindung wichtig ist, angebracht. ;
Bei dem Äquivalentschaltbild für das Hall-Element gemäß Fig. 2 lassen sich allgemein die zwischen den
Hall-Ausgängen 3a und 3i> des Hall-Elements erzeugten Spannungen VH I. VH 2 deutlich in solche aufgrund
von Temperaturänderungen herrührende Änderungen der Symmetrie der Inncnwidersiündc Ri-R4 des
Hall-Elements als auch die Hall-Spannung aufgrund des Hall-Effekts unierteilen (unier Vernachlässigung der
Spannung aufgrund des Nernst-Effekts). Um nur die Hall-Spannung von den Hall-Ausgängen abzugreifen, ist es
erforderlich, die aufgrund von Änderungen der Inncnwidcrsiände R I — ft 4 erzeugte temperaturabhängige
Restspannung zu unterdrücken.
Bei der Erfindung ist wie bei der obengenannten DE-AS 23 33 080 der Umstand ausgenutzt worden, daß sich
die Polarität der Hall-Spannung bei Uinkchrur.g des Magnetfeldes ändert und sich die Polarität der Spannung
aufgrund der Änderung der Innenwiderstände Ri-R 4 nicht ändert. ;: i
In F i g. 3 ist ein dreipoliges Hall-Element 11 dargestellt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Pluspol'
einer den Steuerstrom /liefernden Stromquelle E mittels eines Schalters SW wechselweise an die Pole 12 und 13
angelegt werden kann, während der Minuspol der Stromquelle mit dem Pol 14 verbunden ist. Wenn bei dieser
Schaltung der Schalter SlVauf den Pol 12 umgelegt wird, lassen sich die Spannungen zwischen den Polen 12 und t>o
14 aufgrund des Äquivalentschaltbildes gemäß F i g. 4 durch folgende Gleichungen ausdrücken:
Spannung zwischen Punkten α und c:
Spannung zwischen Punkten b und a
RUR2 + R3) χ Rl x/_ HXB x/ bc RI+R1 + R3 Ä2 + Ä3 Rl + Rl + R3
Wenn die Spannung £'durch Umlegen des Schalters SWden Polen 13 und 14 aufgeprägt wird, entspricht auf
ähnliche Weise die Spannung /wischen den Punkten b und oder Gleichung:
vm
1 | 1 | v j_ Rl(Rl +A3) v | |
1 | + A3 | Al + Ä2 + Ä3 | |
Al | ' Rl | η den | |
ng ζ | wische | A3) | Punkten a und cder Gleichung |
R2 | + A3 | v Al ν / _ Ä1XÄ2 | |
Ri | + Rl | Al+A3 Ä1+Ä2 + Ä3 | |
yjjg _ fl2(/n+*3) y Rl y._ RlXRl
y.
Ä1+Ä2 + Ä3 Al+A3 Ä1+Ä2 + Ä3
entspricht.
Aus obigen Gleichungen ergibt sich, daß VHAh1- gleich VHBiK ist.
Nachstehend ist die Erzeugung der Hall-Spannung unter Bezugnahme auf Fig.5 beschrieben. Wenn der
Steuerstrom zwischen den Polen 12 und 14 fließt, läßt sich die zwischen den Polen 13 und 14 erzeugte Hall-Spannung
VHfcfWiefolgi ausdrucken:
™ ., RHm
^ ~ ,
RH = Hall-Kocffi/.ieni.
B = Magnetflußdichte und
r = Dicke des Hall-Elements
B = Magnetflußdichte und
r = Dicke des Hall-Elements
bedeuten.
Wenn der Steuerstrom über die Pole 13 und 14 fließt, läßt sich die zwischen den Polen 12 und 14 entstehende
Hall-Spannung Vf/.(1 wie folgt ausdrucken:
RH m
Hierbei wird eine Spannung mit der entgegengesetzten Polarität wie die oben genannte Spannung VHAix erhalten.
Wenn also der Schalter SW an den Pol 12 gelegt wird, läßt sich die die Hall-Spannung beinhaltende Gesamtspannung
Vfv zwischen den Polen 13 und 14 wie folgt ausdrucken:
*■ Rl
V* RI+R2 + R3 XI+VH*
ebenso läßt sich die Gesamtspannung V;„.zwischen den Polen 12 und 14 ausdrucken durch
V —
** X / — VH
V"~ RI R2 + R2
7
VH~
Daraus ergibt sich
*. + VHä
Dies bedeutet, daß die Änderungen der Innen widerstände Ri,R2.R3 aufgrund von Temperaturänderungen jfs
ausgeschaltet werden. %
Als Bedingung zur Aufstellung der obigen Gleichungen ist es jedoch erforderlich, daß die Innenwiderstände ||
R 1 bis R 3 bei der Messung von Vv und Vac sich nicht ändern; dies bedeutet daß die Werte beider Spannungen
in kurzer Zeit gemessen werden müssen. If
F i g. 6 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die schnelle Messung der beiden genannten Spannun- ||
gen. Dabei sind vorgesehen: eine Gleichstromquelle 15 zur Lieferung des Steuerstroms, ein Flip-Flop 16 zum
abwechselnden Verbinden der Stromquelle mit den Polen 12 und 14 bzw. 13 und 14 des Hall-Elements 11, ein
b5 Oszillator 17 zum Ansteuern des Flip-Flops, ein Potentiometer 18 zur Messung der Spannungen) zwischen den ^
Polen 12 und 14 bzw. 13 und 14 synchron mit der Frequenz des Oszillators 17, eine Ausgangsklemme 19 des ■■»*■
Potentiometers sowie die das Flip-Flop bildenden Feldeffekt-Transistoren Q1 und Q 2.
Wenn bei dieser Schaltung /wci Ausgangsimpulsc des Oszillators 17, die eine Schwingungsdauer von
500 Hz besitzen und um '/2 T phasenverschoben sind, an die Gate-Elektroden der Feldeffekt-Transistoren Q 1
und Q 2 angelegt werden, sind diese Transistoren abwechselnd entsprechend der genannten Frequenz leitend,
wobei der Steuerstrom /von der Stromquelle 15 über die Pole 12 und 14 b/.w. 13 und 14 des Hall-Elements 11
fließt und die Hall-Spannung die Klemmenspannung an des nicht leitenden der Transistoren Q 1 und Q 2 bei der
genannten Frequenz (verzögert um '/2 T) an dem Potentiometer annimmt und über die Ausgangsklemme 19
gemessen wird. Mit der beschriebenen Restspannung-Regelschaltung können die Nullpunkigcnauigkeit auf bis
zu 0,5 · ΙΟ-4 Tesla und die Temperaturabweichungen am Nullpunkt bis zu 0,05 · 10"4TCsIa/"C im Fall von
Ge-Hall-Elementen verschiedener Lieferungen eingestellt werden.
Fig.7 veranschaulicht genauer den Aufbau eines Ausführungsbcispicls der erfindungsgemäßen Restspannung-Pegelschalt.ing.
Diese Schaltung umfaßt eine Stromquelle 221, einen Os/illaioncil 222 aus einem freischwintenden
Multivibrator 222a, und eine Füp-Flop-Schaltung 2226, einen geregelten Konstantstromteil 223
für das Hall-Element, bestehend aus einem Referenzspannungsgeber 223;) und einem Spannungs-Strom-Wandler
2236, einen Schalterteil 224 aus vier Analogschaliern 224a—224d, deren Funktionen in den K i g. 8a und 8b
dargestellt sind, einen Verstärker 225 sowie eine Anzeigeausgangsschaltung 226.
Wenn kein Magnetfeld an dem zu justierenden Hall-Element 27 anliegt, das über die Analogschalter 224a—
224c/usw. zwischen den Konstantstromteil 223 und den Verstärker 225 geschaltet ist, kann das Hall-Element 27
als reiner Widerstand angesehen werden, wobei aufgrund der Arbeitsweise des Schaltcrteils 224 dessen Ausgangsspannung
zu Null wird. In diesem Fall darf keine Änderung der Funktionen der Analogschal' :r 224a—224d
im Schalterteil 224durch das Stromversorgungsteil 223 auftreten; vgl. die Funktion (a)und (b)gemäß F i g. 8. Um
im Schalterteil durch die Ausschaltspitzen, die der Ausgangsspannung überlagert werden, der den Schalterteil
bildenden Analogschalter 224a—224c/hervorgerufenen Fehler zu vermeiden, wird im Fall der Begrenzung der
Oszillatorfrequenz des Oszillatorteils 222 und bei Verwendung z. B. von MOS-Analogsehaltern als Analogschaltern
eine Nullpunktdrift von weniger als 3 · ΙΟ-4 Tesla zwischen der Erregungsfrequenz bei einer Oszillatorfrequenz
von 4 kHz und der Erregungsfrequenz bei einer Oszillatorfrcquen/. von 200 Hz gemessen. Diese Nullpunktdrift
kann jedoch durch andere Nullpunktabgleichschaltungen beseitigt werden.
Wenn sodann ein Magnetfeld vorhanden ist, wird die Ausgangsspannung vom Schaherteil 224 bei der
Erregungsfrequenz in Form einer Wechselspannung abgegeben. Diese Ausgangsspannung besitzt zu den Zeitpunkten
der Funktionen (a) und (b) des Schalterteile 224 eine unterschiedliche Ausgangsimpedanz, so daß der
nachgeschaltete Verstärker 225 Fehler verursacht, sofern er nicht das Ausgangssignal bei hoher Impedanz
empfängt Der genannte Verstärker bildet also unter Verwendung eines nicht-invertierenden Operationsverstärkers
einen Schaltkreis mit hoher Eingangsimpedanz. Wahlweise kann ein FET-Operationsverstärker. d. h. ein
Verstärker mit Feldeffekt-Transistoren, verwendet werden.
Bei der Schaltung des beschriebenen Aufbaus wurden Verschiebungen von einigen 10-4 Tesla bis auf 0 Tesla
erzielt Die Temperaturkennlinien sind dabei jenen des Hall-Koeffizienten nahezu proportional. Bei Verwendung
eines Ge-Hall-Elements ist es somit möglich, eine Kompensation bis zu einer Nullpunktgenauigkeit von
0,2 · ΙΟ-4 Tesla und bis zu Nullpunkt-Temperaturschwankungen von 0,0016 · 10—'Tesla/''C zu erreichen.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Restspannungs-Regelschaltung für ein Hall-Element, bei der eine Steuerstromquelle über eine erste
elektronische Schalteranordnung taktweise an ein Elektrodenpaar des Hall-Elements anschließbar ist und
bei der ein von dem mit der Steuerstromquelle verbundenen Elektrodenpaar verschiedenes Elektrodenpaar
des Hall-Elements, an dem die dem durch das mit der Steuerstromquelle verbundenen Elektrodenpaar
fließenden Steuerstrom zugeordneten Ausgangssignale auftreten, über eine zweite elektronische Schalteranordnung
an einen Hallspannungsindikator anschließbar ist. dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerstromquelle (223, E) und ein Verstärker (225) mit hoher Impedanz des Hallspannungsindikators mit
ίο einer Elektrode (Q eines dreipoligen Hall-Elements (27, 11) fest verbunden ist, dessen zweite und dritte
Elektroden (a, b) über die erste elektronische Schalteranordnung (224a. b) taktweise an den zweiten Pol der
Steuerstromquelle (223, E) anschließbar sind und daß die jeweils nicht mit der Steuerstromquelle (223, E)
verbundene Elektrode (a. Z)J des Hali-Elements (27, 11) über die zweite elektronische Schalteranordnung
(224c, d) an den Verstärker (225) mit hoher Impedanz des Hall-Spannungsindikators anschließbar ist
2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Konstantstromquellenteil (221,223) und durch
das Ausgangssignal eines Oszillators (222) angesteuerte Analogschalter (224a. b, c, d) zum abwechselnden
bzw. aufeinanderfolgenden Verbinden des Konstantstromquellenteils (221, 223) und des Verstärkers (225)
mit hoher Impedanz mit dem Hall-Element (27).
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (222) einen freischwingenden
Multivibrator (222ajund eine Flip-Flop-Schaltung(222i>Jaufweist.
4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantstromquellenteil (221,223) einen
Referenzspannungsgeber (223a) und einen Spannungs-Strom-Wandler (223b,} aufweist.
5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Anzeigeausgangsschaltung
(226) vorgesehen ist.
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DE3723268A1 (de) * | 1986-07-15 | 1988-01-28 | Iskra Sozd Elektro Indus | Wattmeter mit einem hall-sensor und einem a/d wandler |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US4292582A (en) | 1981-09-29 |
DE2827267A1 (de) | 1979-01-04 |
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