Einrichtung zur Messung oder Regelung elektrischer Widerstände
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung oder Regelung elektrischer Widerstände, insbesondere Wechselstromwiderstände. Erfindungsgemäss sind dem Strom und der Spannung des Widerstandes proportionale Grossen als Steuergrössen mindestens einem Hallspannungserzeuger zugeführt, dessen Hallspannung ein Mass für Grösse bzw. die Grö- ssenänderung des Widerstandes darstellt.
Beim Gegenstand der Erfindung wird die an sich bekannte Tatsache ausgenützt, dass an einem in einem Magnetfeld angeordneten und von einem Strom durchflossenen Hallspannungserzeuger (magnetfeldabhängiger Widerstandskörper) senkrecht zur Stromund senkrecht zur Feldrichtung eine Hallspannung auftritt, die proportional dem Produkt aus der auf den Widerstand einwirkenden Feldstärke und dem den Widerstand durchfliessenden Strom ist.
Vorteilhaft ist der Hallspannungserzeuger aus einem Halbleiterkörper mit einer Trägerbeweglich- keit von mindestens 6000 cm2/Vs gebildet. Im Gegensatz zu anderen bekannten Hallspannungserzeugern, wie beispielsweise Germanium, mit einer Träger- beweglichkeit unter 6000 cm2/Vs, haben die Halb leiterkörper mit höherer Trägerbeweglichkeit nicht nur den Vorteil erheblich grösserer Empfindlichkeit (grössere Hallspannung bei gleicher Steuergrösse), sondern sind darüber hinaus mit wesentlich grösseren Ausgangsleistungen belastbar. Zu den Halbleitern mit derartig hohen Trägerbeweglichkeiten gehören halbleitende Verbindungen, insbesondere der Form AII, BV, d. h.
Verbindungen eines Elementes A der III. Gruppe mit einem Element B der V. Gruppe des periodischen Systems. Für den vorliegenden Zweck haben sich als besonders vorteilhaft die Verbindungen von Indium-Antimonid und Indium-Arsenid erwiesen, bei denen Trägerbeweglichkeiten bis 60 000 cm2/Vs und mehr erreicht werden.
Die Messung eines rein Ohmschen Widerstandes kann beispielsweise in der Art geschehen, dass der Hallspannungserzeuger von einem der Spannung des zu messenden Widerstandes proportionalen Strom durchflossen wird und das den Hallspannungserzeuger beeinflussende Magnetfeld umgekehrt proportional dem durch den zu messenden Widerstand fliessen- den Strom erregt wird.
Schwieriger ist jedoch die Messung von Wechselstromwiderständen. In den Fig. 1 bis 7 sind verschie- dene Ausführungsbeispiele der Erfindung für die Messung von Wechselstromwiderständen angegeben. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung eignet sich beispielsweise zur Messung der Impedanz eines Widerstandes.
In diesem Fall sind zwei Hallspannungserzeuger 1 und 2 in zwei getrennten Magnetfeldern 3 und 4 angeordnet. Das eine Magnetfeld 3 wird von einem dem Strom der zu messenden Impedanz proportionalen Strom i durchflossen, das Magnetfeld 4 von einem der Spannung proportionalen Strom e. Ist ausserdem -wie dargestellt-der Steuerstrom jedes Hallspannungserzeugers proportional der Feldstärke seines Magnetfeldes, beispielsweise indem der das Magnetfeld erregende Strom zugleich als Steuerstrom dient, so entsteht an dem Hallspannungserzeuger eine Hallspannung, die proportional dem Quadrat dieses Steuerstromes ist.
Die Quadratbildung kann aber auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise indem der Steuerstrom des Hallspannungserzeugers einer zusätzlichen, von dem magnetischen Steuerfeld beeinflussten Wicklung entnommen wird. Sind-wie dargestellt-die beiden Hallspannungen über eine Vergleichseinrichtung 5 gegeneinandergeschaltet, so ist der Ausschlag dieser Vergleichseinrichtung proportional der Differenz der beiden Hallspannungen. Da aber nach obigen Ausführungen die Hallspannung des Hallspannungserzeu gers 1 proportional dem Quadrat des durch den zu messenden Widerstand fliessenden Stromes und die Hallspannung des Hallspannungserzeugers 2 proportional dem Quadrat der Spannung des zu messenden Widerstandes ist, erhält man im Gleichgewichtsfall i2 = e2. Daraus ergibt sich die Impedanz Z = e/i const.
Als Vergleichseinrichtung kann beispielsweise ein Verstärker von an sich bekannter Art verwendet werden, dessen Eingangskreis von der Differenz der beiden Hallspannungen gesteuert wird. Eine erhebliche Vereinfachung kann jedoch bei Verwendung von Hallspannungserzeugern aus Halbleiterkörpern mit hoher Trägerbeweglichkeit dadurch erreicht werden, dass die Differenz der beiden Hallspannungen unmittelbar zur Anzeige bzw. Regelung des bemessenen Widerstandes verwendet wird, beispielsweise durch Anordnung eines Relais als Vergleichseinrichtung.
Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 jeweils der Steuerstrom und das Magnetfeld zweier in getrennten Magnetfeldern angeordneter Hallspan nungserzeuger dem Strom bzw. der Spannung des Widerstandes proportional und die beiden Hallspannungen über eine Vergleichseinrichtung gegeneinandergeschaltet wird, sind in der Anordnung nach Fig. 2 beide Hallspannungserzeuger 1 und 2 in einem gemeinsamen Magnetfeld angeordnet. Dieses wird sowohl von dem dem Strom des Widerstandes als auch von dem der Spannung des Widerstandes proportionalen Steuerstrom erregt. Der Hallspannungserzeuger 1 wird von einem dem Strom des zu messenden Widerstandes proportionalen Steuerstrom i durchflossen, der Hallspannungserzeuger 2 von einem der Spannung des Widerstandes proportionalen Steuerstrom e.
Jeder dieser beiden Steuerströme beeinflusst zugleich das die beiden Hallspannungserzeuger steuernde Magnetfeld. Im Gleichgewichtsfall wird wiederum i2 = e2, so dass man ebenfalls die Impedanz Z erhält.
Eine weitere Vereinfachung einer Anordnung zur Impedanzmessung zeigt Fig. 3. Hier ist nur ein Hallspannungserzeuger 11 in einem Magnetfeld angeordnet, das von einem dem Strom und einem der Spannung des Widerstandes proportionalen Strom derart erregt ist, dass die von diesen beiden Strömen erzeugten Induktionen einander entgegenwirken. Als Steuerstrom des Hallspannungserzeugers 11 dient in diesem Fall die Summe der beiden das Magnetfeld erregenden Ströme. Im Gleichgewichtsfall ist die Hallspannung und damit die Spannung an der Vergleichseinrichtung 5 gleich Null.
In Fig. 4 sind, ebenso wie in Fig. 2, zwei Hall spannungserzeuger 1 und 2 in einem gemeinsamen Magnetfeld angeordnet. Der Steuerstrom i des Hallspannungserzeugers 1 ist proportional dem Strom des zu messenden Widerstandes, und der Steuerstrom e des Hallspannungserzeugers 2 ist proportional der Spannung des zu messenden Widerstandes. Die Feldstärke des Magnetfeldes ist jedoch in diesem Fall nur dem Strom des zu messenden Widerstandes proportional, so dass die Hallspannung des Hallspannungserzeugers 1 proportional i2, die Hallspannung des Hallspannungserzeugers 2 proportional e i-cos 9 wird. Im Gleichgewichtsfall ergibt sich dann e-cos = Z- cos (p. Diese Anordnung eignet sich infolgedessen zur Resistanzmessung.
Eine Resistanzmessung erhält man ebenfalls, wenn entsprechend Fig. 5 lediglich ein Hallspannungserzeuger 12 in einem Magnetfeld angeordnet ist, das von einem dem Strom und einem der Spannung des zu messenden Widerstandes proportionalen Strom derart erregt ist, dass die von diesen beiden Strömen erzeugten Induktionen einander entgegenwirken, wobei als Steuerstrom des Hallspannungserzeugers ein dem Strom des Widerstandes proportionaler Strom dient.
Ist dagegen, entsprechend Fig. 6, der Steuerstrom des Hallspannungserzeugers proportional der Spannung des Widerstandes, so erhält man eine Einrichtung zur Konduktanzmessung, da dann für den Gleichgewichtsfall die Bedingung e2 = e i cos q, gilt und man somit die Konduktanz--cos erhält.
Wird in den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5, wie beispielsweise in Fig. 7 erläutert ist, in dem Stromkreis des der Spannung des Widerstandes proportionalen Stromes e der Widerstand R durch eine Kapazität C ersetzt, so wird im Gleichgewichtsfall eo = e i sin 5U. Man erhält also die Reaktanz Z-sin. Wird dagegen der Widerstand R der Fig. 6 durch eine Kapazität ersetzt, so erhält man die Suszeptanz z sm,.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Selektivschutz elektrischer Anlagen, beispielsweise elektrischer Leitungen oder elektrischer Maschinen, wie Transformatoren, Generatoren und dergleichen. Dadurch erübrigen sich die bisher üblichen recht aufwendigen Anlagen, welche, mit Gleichrichtern und Glättungseinrichtungen versehene Relaisanordnungen enthalten. Anstelle der Vergleichseinrichtung 5 in den Ausführungsbeispielen kann ein einfaches Relais, beispielsweise ein polarisiertes Relais, verwendet werden, welches beim tuber-odeur Unterschreiten eines vorgegebenen Wertes anspricht und dadurch eine Fehlerstelle zur Anzeige bringt.
Weiterhin eignet sich die Erfindung aber auch zur Regelung elektrischer Widerstände auf einen konstanten Wert, indem beispielsweise die Gleichgewichtsbedingung für die Vergleichseinrichtung 5 dem Sollwert des Widerstandes angepasst wird und Abweichungen von diesem Sollwert mit Hilfe einer Relaisanordnung oder dergleichen eine Verstelleinrichtung steuern, bis der Widerstand seinen Sollwert wieder erreicht hat. Derartige Einrichtungen dürften sich vor allem in solchen Anlagen empfehlen, in denen konstante Widerstände erforderlich sind, die Widerstandswerte jedoch infolge äusserer Einflüsse (Verschmutzung, Temperatur oder dergleichen) starken Schwankungen ausgesetzt sind.
Device for measuring or regulating electrical resistances
The invention relates to a device for measuring or regulating electrical resistances, in particular alternating current resistances. According to the invention, variables proportional to the current and the voltage of the resistor are fed as control variables to at least one Hall voltage generator, the Hall voltage of which represents a measure of the size or the change in size of the resistor.
The subject matter of the invention makes use of the fact, known per se, that on a Hall voltage generator (magnetic field-dependent resistor body) arranged in a magnetic field and through which a current flows, a Hall voltage occurs perpendicular to the current and perpendicular to the field direction, which is proportional to the product of the field strength acting on the resistance and the current flowing through the resistor.
The Hall voltage generator is advantageously formed from a semiconductor body with a carrier mobility of at least 6000 cm2 / Vs. In contrast to other known Hall voltage generators, such as germanium, with a carrier mobility of less than 6000 cm2 / Vs, the semiconductor bodies with higher carrier mobility not only have the advantage of significantly greater sensitivity (greater Hall voltage with the same control variable), but are also significant larger output powers resilient. Semiconductors with such high carrier mobilities include semiconducting compounds, in particular of the form AII, BV, i. H.
Compounds of an element A of III. Group with an element B of the V group of the periodic table. The compounds of indium antimonide and indium arsenide have proven to be particularly advantageous for the present purpose, in which carrier mobilities of up to 60,000 cm2 / Vs and more are achieved.
A purely ohmic resistance can be measured, for example, in such a way that a current proportional to the voltage of the resistor to be measured flows through the Hall voltage generator and the magnetic field influencing the Hall voltage generator is excited inversely proportional to the current flowing through the resistance to be measured.
However, it is more difficult to measure AC resistance. In FIGS. 1 to 7, various exemplary embodiments of the invention for the measurement of alternating current resistances are given. The arrangement shown in FIG. 1 is suitable, for example, for measuring the impedance of a resistor.
In this case, two Hall voltage generators 1 and 2 are arranged in two separate magnetic fields 3 and 4. One magnetic field 3 is traversed by a current i proportional to the current of the impedance to be measured, the magnetic field 4 by a current e proportional to the voltage. If, as shown, the control current of each Hall voltage generator is proportional to the field strength of its magnetic field, for example in that the current that excites the magnetic field also serves as a control current, a Hall voltage is generated at the Hall voltage generator which is proportional to the square of this control current.
However, the square can also be formed in another way, for example by taking the control current of the Hall voltage generator from an additional winding influenced by the magnetic control field. If, as shown, the two Hall voltages are connected to one another via a comparison device 5, the deflection of this comparison device is proportional to the difference between the two Hall voltages. But since, according to the above, the Hall voltage of the Hall voltage generator 1 is proportional to the square of the current flowing through the resistor to be measured and the Hall voltage of the Hall voltage generator 2 is proportional to the square of the voltage of the resistor to be measured, one obtains i2 = e2 in the equilibrium case. This results in the impedance Z = e / i const.
For example, an amplifier of a type known per se can be used as the comparison device, the input circuit of which is controlled by the difference between the two Hall voltages. However, a considerable simplification can be achieved when using Hall voltage generators made from semiconductor bodies with high carrier mobility by using the difference between the two Hall voltages directly to display or control the measured resistance, for example by arranging a relay as a comparison device.
While in the embodiment of FIG. 1 the control current and the magnetic field of two Hall voltage generators arranged in separate magnetic fields are proportional to the current or the voltage of the resistor and the two Hall voltages are switched against each other via a comparison device, in the arrangement of FIG. 2 both Hall voltage generators are 1 and 2 arranged in a common magnetic field. This is excited both by the current of the resistor and by the control current proportional to the voltage of the resistor. The Hall voltage generator 1 is traversed by a control current i proportional to the current of the resistor to be measured, the Hall voltage generator 2 by a control current e proportional to the voltage of the resistor.
Each of these two control currents also influences the magnetic field that controls the two Hall voltage generators. In the case of equilibrium, i2 = e2, so that the impedance Z is also obtained.
A further simplification of an arrangement for impedance measurement is shown in FIG. 3. Here only one Hall voltage generator 11 is arranged in a magnetic field that is excited by a current proportional to the current and a voltage of the resistor in such a way that the inductions generated by these two currents counteract each other . In this case, the sum of the two currents which excite the magnetic field is used as the control current of the Hall voltage generator 11. In the case of equilibrium, the Hall voltage and thus the voltage at the comparison device 5 is equal to zero.
In Fig. 4, as in Fig. 2, two Hall voltage generators 1 and 2 are arranged in a common magnetic field. The control current i of the Hall voltage generator 1 is proportional to the current of the resistor to be measured, and the control current e of the Hall voltage generator 2 is proportional to the voltage of the resistor to be measured. In this case, however, the field strength of the magnetic field is only proportional to the current of the resistor to be measured, so that the Hall voltage of Hall voltage generator 1 is proportional to i2 and the Hall voltage of Hall voltage generator 2 is proportional to e i-cos 9. In the case of equilibrium, e-cos = Z-cos (p. This arrangement is therefore suitable for measuring resistance.
A resistance measurement is also obtained if, as shown in FIG. 5, only one Hall voltage generator 12 is arranged in a magnetic field that is excited by a current proportional to the current and a voltage of the resistor to be measured in such a way that the inductions generated by these two currents counteract each other , with a current proportional to the current of the resistor serving as the control current of the Hall voltage generator.
If, on the other hand, according to FIG. 6, the control current of the Hall voltage generator is proportional to the voltage of the resistor, a device for measuring the conductance is obtained, since then the condition e2 = e i cos q applies for the equilibrium case and the conductance - cos is obtained.
If, in the exemplary embodiments in FIGS. 4 and 5, as explained for example in FIG. 7, the resistor R is replaced by a capacitance C in the circuit of the current e proportional to the voltage of the resistor, then in the equilibrium case eo = e i sin 5U. The reactance Z-sin is thus obtained. If, on the other hand, the resistor R of FIG. 6 is replaced by a capacitance, the susceptance z sm, is obtained.
A particular field of application of the invention is the selective protection of electrical systems, for example electrical lines or electrical machines, such as transformers, generators and the like. This obviates the need for the previously customary, rather complex systems which contain relay arrangements provided with rectifiers and smoothing devices. Instead of the comparison device 5 in the exemplary embodiments, a simple relay, for example a polarized relay, can be used, which responds when the value falls below a predetermined value and thus displays an error point.
Furthermore, the invention is also suitable for controlling electrical resistances to a constant value, for example by adapting the equilibrium condition for the comparison device 5 to the desired value of the resistor and deviations from this desired value using a relay arrangement or the like control an adjusting device until the resistance reaches its desired value has reached again. Such devices are particularly recommended in systems in which constant resistances are required, but the resistance values are exposed to strong fluctuations due to external influences (pollution, temperature or the like).