DE2827267C2

DE2827267C2 - Restspannungs-Regelschaltung für ein Hall-Element

Info

Publication number: DE2827267C2
Application number: DE2827267A
Authority: DE
Inventors: Mitsuaki Tokyo Hino
Original assignee: Nippon Klingage Kk Tokyo Jp
Current assignee: Nippon Klingage Kk Tokyo Jp
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1978-06-21
Publication date: 1984-06-20
Also published as: US4292582A; DE2827267A1

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 VHB_iK 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

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 VHAi_x 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

*. + VH_ä

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 V_ac 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

Patentansprüche:

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.