DE3827606A1 - Temperaturkompensationsschaltung fuer einen hall-generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturkompensationsschaltung für einen Hall-Generator mit einem Permanentmagneten, wobei ein Konstantstromquelle über einen temperaturabhängigen Widerstand gesteuert wird und wobei die Ausgangsspannung des Hall-Generators durch eine temperaturabhängige Additionsspannung veränderbar ist.

Ein derartiger Hallgenerator findet als Wegsensor Anwendung und mißt die Verschiebung des Permanentmagneten. In der Anordnung sind mehrere Temperaturabhängigkeiten vorhanden, die einerseits den gesamten Temperaturgang schwer überschaubar machen und andererseits eine brauchbare Kompensation erschweren. Zunächst einmal ist die Hall-Konstante selbst temperaturabhängig. Außerdem weist der steuerseitige Innenwiderstand eine Temperaturabhängigkeit auf. Bei dem Permanentmagneten ändert sich sowohl die Koerzitivfeldstärke als auch die Remanenzflußdichte mit der Temperatur. Auch die Exemplarstreuung des Hall- Generators macht sich störend bemerkbar, weil dadurch die Temperaturkompensation erschwert wird.

Einen Schaltung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 43 71 837 bekannt. Bei dieser Schaltung bedingt die Einfügung des temperaturabhängigen Widerstandes in die Konstantstromquelle nichtlineare Effekte. Der Kompensationskoeffizient läßt sich nur in geringem Maße einstellen. Außerdem läßt sich das Vorzeichen des Temperaturkoeffizienten nicht umkehren. Schließlich beeinflußt die temperaturabhängige Additionsspannung den Arbeitspunkt des Ausgangsverstärkers. Eine vollständige Kompensation ist infolgedessen kaum möglich.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung der Temperaturkompensationsschaltung, daß eine Anpassung an unterschiedliche Typen von Hall-Generatoren und eine Anpassung an Exemplarstreuungen möglich ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Konstantstromquelle als Operationsverstärker ausgebildet ist, dessen Eingang mit einem Teilerabgriff des temperaturabhängigen Widerstandes verbunden ist, daß eine geregelte Eingangsspannung über den temperaturabhängigen Widerstand mit Masse verbunden ist und daß als Additionsspannung die temperaturabhängige Restspannung einer Diode abgegriffen und zu der Ausgangsspannung des Hall-Generators addiert wird.

Die Erfindung unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als die Kompensation sehr viele Einflußgrößen berücksichtigen kann. So ist eine temperaturabhängige Ansteuerung der Konstantstromquelle vorgesehen, so daß bereits eingangsseitig eine weitgehende Kompensation erzielt wird. Als Additionsspannung wird der temperaturabhängige Anteil der Restspannung oder Schleusenspannung einer Diode benutzt. Durch eine entsprechende Bemessung der Additionswiderstände läßt sich der Kompensationskoeffizient in weitem Umfang beeinflussen, so daß eine Anpassung an unterschiedlichen Typen von Hall-Generatoren möglich ist. Der Widerstandsabgriff des temperaturabhängigen Widerstandes ermöglicht die Einstellung von Kompensationskoeffizienten verschiedener Größe und unterschiedlichen Vorzeichens.

Eine Einstellung des Kompensationskoeffizienten in weitem Umfang wird dadurch sichergestellt, daß die geregelte Eingangsspannung über einen Reihenschaltung aus einem ersten Festwiderstand, dem temperaturabhängigen Widerstand und einem weiteren Festwiderstand an Masse liegt. Durch die Widerstandswerte der Festwiderstände wird die Größe des Kompensationskoeffizienten festgelegt, weil der jeweilige Widerstandswert den temperaturabhängigen Spannungsanteil bestimmt.

Ein Vorzeichen für den Kompensationskoeffizienten ergibt sich dadurch, daß der Teilerabgriff zwischen dem ersten Festwiderstand und dem spannungsabhängigen Widerstand angeordnet ist.

Das entgegengesetzte Vorzeichen für den Temperaturkoeffizienten erhält man dadurch, daß der Teilerabgriff zwischen dem weiteren Festwiderstand und dem spannungsabhängigen Widerstand angeordnet ist.

Eine besonders vorteilhafte Anpassung der Kompensation ist dadurch möglich, daß die Restspannung der Diode über den Abgriff eines Spannungsteilers abgenommen und über einen Widerstand zu der Ausgangsspannung des Hall-Generators addiert wird. Durch den Spannungsteiler läßt sich der Anteil der Schleusenspannung und damit auch der temperaturabhängige Anteil und somit die Steilheit der Temperaturkompensationskennlinie weitgehend beeinflussen.

Zur Einstellung des Nullpunkts des Meßskala sieht die Erfindung vor, daß die Ausgangsspannung des Hall-Generators an einem Eingang eines Operationsverstärkers anliegt und daß dem anderen Eingang des Operationsverstärkers eine über einen Spannungsteiler einstellbare Spannung zur Pegeleinstellung zugeführt wird. Hierdurch läßt sich der Pegel und damit der Skalennullpunkt der Meßeinrichtung beliebig einstellen und verschieben. Insbesondere kann der absolute Wert der Restspannung kompensiert werden, damit nur der veränderliche Anteil wirksam ist.

Damit die Exemplarstreuung die Temperaturkompensation nicht beeinflußt, sieht die Erfindung vor, daß zur Kompensation der Exemplarstreuung die Ausgangsspannung des Hall-Generators zunächst einem weiteren Operationsverstärker zugeführt wird, dessen einem Eingang eine über einen Spannungsteiler einstellbare Zusatzspannung zugeführt wird. Diese Kompensation der Exemplarstreuung erfolgt in an sich bekannter Weise jeweils in einer Meßanordnung, die durch eine Laseranordnung den Wert der Widerstände des Spannungsteilers, die als Dünnschichtwiderstände nach der Hybridtechnik ausgebildet sind, verändert. Diese Einstellung der Widerstände kompensiert den Nullpunkt der verschiedenen Exemplare von Hall-Generatoren.

Zur Kompensation der Steilheit der Kennlinien einzelner Exemplare ist vorgesehen, daß die Spannung des Spannungsteilers dem einen Eingang des Operationsverstärkers über einen Widerstand zugeführt wird, daß der zweite Eingang des Operationsverstärkers mit dem Ausgang über einen Rückkopplungswiderstand verbunden ist und daß beide Widerstände durch gleichsinnige Änderung eine Änderung der Steigung der Ausgangsspannung ermöglichen. Auch die Einstellung der genannten Widerstände erfolgt in an sich bekannter Weise durch Änderung der Dünnschichtwiderstände mit Hilfe eines Laserstrahls.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, in denen darstellen:

Fig. 1 ein Schaltbild der Kompensationsschaltung,

Fig. 2 ein Kennlinienfeld der unkompensierten Ausgangsspannung,

Fig. 3 ein Kennlinienfeld der Aussgangsspannung unter Berücksichtigung der ersten Stufe der Temperaturkompensation und

Fig. 4 die Ausgangsspannung nach der zweiten Stufe der Temperaturkompensation.

Die Schaltung nach Fig. 1 ist an der Anschlußstelle 1 mit dem Massepol der Spannungsquelle und an der Anschlußstelle 2 mit der positiven Betriebsspannung verbunden. Über einen Glättungskondensator R 1 wird eine ungeglättete Gleichspannung zur Verfügung gestellt. Über eine Schaltung aus den Widerständen R 1, R 2, R 3 und der Referenzspannungsquelle D 1 wird eine stabilisierte Ausgangsspannung als Eingangsspannung für einen Operationsverstärker OP 1 zur Verfügung gestellt. Der Operationsverstärker OP 1 dient in bekannter Weise als Impedanzwandler, damit ein ausreichend hoher Steuerstrom verfügbar ist.

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP 1 ist über einen Spannungsteiler aus den Widerständen R 4, R 5 und R 6 mit Masse verbunden. Die Widerstände R 4 und R 6 sind Festwiderstände, der Widerstand R 5 ist ein temperaturabhängiger Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten. Die Größe der Festwiderstände bestimmt den Kompensationskoeffizienten, nämlich den Anteil der temperaturabhängigen Spannungsänderung. Die Temperaturabhängigkeit der Spannung im Teilerpunkt 3 oder Abgriff hat also einen Kompensationskoeffizienten und liegt als Steuerspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP 2 an. Wenn die Spannung im Abgriff 3′ abgenommen wird, kehrt sich das Vorzeichen des Kompensationskoeffizienten um. Man erhält also einen sehr großen Einstellbereich für den Kompensationskoeffizienten. Der Operationsverstärker OP 2 liefert somit in Abhängigkeit von der Steuerspannung am Teilerpunkt 3 einen temperaturabhängigen Konstantstrom für den Hall-Generator 4. Der Anteil der Stromrückführung und damit die Größe des Konstantstroms hängt im übrigen von dem Widerstand R 7 ab.

Der Permanentmagnet zur Erzeugung des Magnetfeldes für den Hall- Generator 4 ist nicht dargestellt. Der Hall-Generator 4 liefert eine Ausgangsspannung, die über die Widerstände R 10 und R 11 an einem Operationsverstärker OP 3 anliegt. Der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers OP 3 wird durch die Widerstände R 8, R 9 und R 12 festgelegt, die Verstärkung durch die Widerstände R 12 und R 13. Dieser Schaltungsteil ermöglicht die Kompensation bzw. die Korrektur von Exemplarstreuungen des Hall-Generators. Und zwar läßt sich durch eine Änderung des Widerstandes R 8 oder des Widerstandes R 9 der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers OP 3 verschieben. Hierdurch läßt sich die Ausgangsspannung des Hall-Generators insgesamt verschieben und die Nullpunktabweichung ausgleichen.

Durch eine gleichsinnige Änderung der beiden Widerstände R 12 und R 13 wird die Verstärung des Operationsverstärkers OP 3 geändert. Dadurch durch lassen sich Unterschiede in der Steilheit der Spannungskurve des Hall-Generators kompensieren. Die Spannungskurve läßt sich auf eine einheitliche Steilheit einstellen.

Die Widerstände R 8, R 9, R 12, R 13 sind als Dünnschichtwiderstände nach der Hybridtechnik ausgebildet. Die Einstellung dieser Widerstände erfolgt in einer Abgleichschaltung mit Hilfe von Laserstrahlen in an sich bekannter Weise.

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP 3 liegt über einem Widerstand R 17 am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP 4 an.

Zu dieser Ausgangsspannung wird noch eine temperaturabhängige Additionsspannung addiert. Diese temperaturabhängige Additionsspannung wird aus der temperaturabhängigen Restspannung oder Schleusenspannung einer Diode D 2 gewonnen. An der Diode D 2 liegt über einen Widerstand R 14 die stabilisierte Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP 1 an. Die Restspannung der Diode D 2 wird in dem gewünschten Verhältnis durch die Widerstände R 15 und R 16 geteilt und über einen Widerstand R 18 zu der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP 3 addiert. Das Teilerverhältnis der Widerstände R 15 und R 16 bestimmt den Anteil der Scheusenspannung, der zur Temperaturkompenation verwendet wird. Damit kann man den Kompensationskoeffizienten der Additionsspannung bestimmen. Der Kompensationskoeffizient muß auf den Typ des vorgesehenen Hall-Generators abgestimmt werden. Die Additionsspannung wird über den Widerstand R 19 zu der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP 3 addiert. Diese Additionsspannung liegt an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP 4 an. Die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP 4 wird über einen Spannungsteiler aus den Widerständen R 20 und R 21 eingestellt. Die Widerstände R 22 und R 23 bestimmen im wesentlichen die Verstärkung des Operationsverstärkers OP 4. Die temperaturkompensierte Ausgangsspannung kann an der Anschlußstelle 5 abgenommen werden. Die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP 4 legt das Pegel des Ausgangssignals fest und ermöglicht dadurch eine Nullpunkteinstellung der Meßspannung und insbesondere eine Unterdrückung des Festwertes der Restspannung der Diode, so daß dadurch eine Pegeleinstellung für die Wegmessung oder dergleichen möglich ist.

Die Funktion der Schaltung ergibt sich ohne weiteres aus der vorstehenden Beschreibung. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile werden anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert. Wenn der Hall-Generator 4 zusammen mit dem nicht dargestellten Permanentmagneten als Wegsensor eingesetzt wird, so ist die Ausgangsspannung an der Anschlußstelle 5 ein Maß für die Weggröße. In Fig. 2 ist auf der Abszisse der Weg X in Millimetern aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Ausgangsspannung U in Volt aufgetragen. Für verschiedene Temperaturen zwischen -40°C und 100°C sind die gemessenen Kennlinien aufgetragen. Die Kennlinien für andere Temperaturen ordnen sich gleichmäßig zwischen den gezeichneten Kennlinien an. Man erkennt, daß sich die Kennlinien in einem Punkt schneiden und fächerartig auseinanderspreizen.

Fig. 3 zeigt ein gleichartiges Kennlinienbild für die erste Stufe der Kompensation. Dargestellt ist die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers OP 3. Man erkennt hier, daß durch diese erste Stufe der Kompensation die Kennlinien auf einen schmalen Streifen zusammengedrängt sind. Es wird darauf hingewiesen, daß der Ordinatenmaßstab der Fig. nicht vergleichbar ist.

Fig. 4 zeigt schließlich die vollständige Kompensation und den Verlauf der Ausgangsspannung an der Anschlußstelle 5. Man erkennt dort, daß diese kompensierte Ausgangsspannung im wesentlichen eine Gerade ist, die jeweils an den Enden eine gewisse Verdickung aufweist.

Die Erfindung bringt somit eine für praktische Zwecke vollständige Temperaturkompensation. Die Schaltmittel sind sehr einfach und lassen sich ohne weiteres in die üblichen Verstärkerstufen einer solchen Anordnung einfügen. Vor allem ist die Anpassung der Kompensation an unterschliedliche Typen von Hall-Generatoren, insbesondere an unterschiedliche Empfindlichkeitskurven und eine Pegelverschiebung der Ausgangsspannung möglich. In Verbindung mit der Kompensation von Exemplarstreuungen erreicht man so eine überraschend gute Kompensation.

Claims (8)

1. Temperaturkompensationsschaltung für einen Hall-Generator mit einem Permanentmagneten, wobei eine Konstantstromquelle über einen temperaturabhängigen Widerstand gesteuert wird und wobei die Ausgangsspannung des Hall-Generators durch eine temperaturabhängige Additionsspannung veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle als Operationsverstärker (OP 2) ausgebildet ist, dessen Eingang mit einem Teilerabgriff des temperaturabhängigen Widerstandes (R 5) verbunden ist, daß eine geregelte Eingangsspannung über den temperaturabhängigen Widerstand (R 5) mit Masse verbunden ist und daß als Additionsspannung die temperaturabhängige Restspannung einer Diode (D 2) abgegriffen und zu der Ausgangsspannung des Hall-Generators (4) addiert wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Eingangsspannung über eine Reihenschaltung aus einem ersten Festwiderstand (R 4), dem temperaturabhängigen Widerstand (R 5) und einem weiteren Festwiderstand (R 6) an Masse liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilerabgriff (3) zwischen dem ersten Festwiderstand (R 5) und dem spannungsabhängigen Widerstand (R 6) angeordnet ist.

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilerabgriff (3′) zwischen dem weiteren Festwiderstand (R 6) und dem spannungsabhängigen Widerstand (R 5) angeordnet ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Restspannung der Diode (D 2) über den Abgriff eines Spannungsteilers (R 15, R 16) abgenommen und über einen Widerstand (R 19) zu der Ausgangsspannung des Hall-Generators (4) addiert wird.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Hall-Generators an einem Eingang eines Operationsverstärkers (OP 4) anliegt und daß dem anderen Eingang des Operationsverstärkers (OP 4) eine über einem Spannungsteiler (R 20, R 21) einstellbare Spannung zur Pegeleinstellung zugeführt wird.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Exemplarstreuung die Ausgangsspannung des Hall-Generators (4) zunächst einem weiteren Operationsverstärker (OP 3) zugeführt wird, dessen einem Eingang eine über einen Spannungsteiler (R 8, R 9) einstellbare Zusatzspannung zugeführt wird.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Spannungsteilers (R 8, R 9) dem einen Eingang des Operationsverstärkers (OP 3) über einen Widerstand (R 12) zugeführt wird, daß der zweite Eingang des Operationsverstärkers (OP 3) mit dem Ausgang über einen Rückkopplungswiderstand (R 13) verbunden ist und daß beide Widerstände (R 12 und R 13) durch gleichsinnige Änderung eine Änderung der Steigung der Ausgangsspannung ermöglichen.