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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduzierung des Nullpunktoffsets bei Magnetfeldsensoren mit analogem Signalausgang und ein-poliger Versorgungsspannung.
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Magnetfeldsensoren werden heutzutage in unterschiedlichsten technischen Anwendungen, wie in der Motoren, Generatoren, Windkraftanlagen, Automobiltechnik, HiFi-Anwendungen, Regelungssystemen sowie bei medizinischen Anwendungen, wie der Gehirnstrommessung, eingesetzt.
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Je nach Anwendung kommen dabei unterschiedliche Messmethoden zum Einsatz. Üblicherweise werden SQUIDS, Magnetometer, magneto-resistive, magneto-optische oder induktive Sensoren, sowie Hallsonden zur Magnetfeldmessung verwendet. Hallsonden sind dabei besonders geeignet, da diese in einem breiten und technisch relevanten Magnetfeld-Bereich von 1 μT bis zu 10 T eingesetzt werden können. Zudem sind Hallsonden einfach in der Handhabe, robust, klein und kostengünstig im Vergleich zu anderen Magnetfeld-Sensoren. Aus diesem Grund betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere die Nullpunktoffset-Reduzierung bei Hallsonden. Die vorliegende Erfindung kann aber ebenso bei anderen Magnetfeld-Sensoren vorteilhaft eingesetzt werden.
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Allen Magnetfeldsensoren mit analogem Ausgang ist gemein, dass das Messsignal mittels eines Differenzverstärkers mit hoher Eingangsimpedanz, Verstärkung und mit einer Offset-Regulierung aufbereitet werden muss. Bei Systemen die eine zweipolige Versorgungsspannung für den Magnetfeldsensor zur Verfügung haben, kann die Offset-Regulierung sehr einfach durch entsprechende Beschaltung mit Spannungsteilern erreicht werden. Bei Systemen mit nur einer ein-poligen Versorgungsspannung ist dies dagegen nicht möglich. Hier ergibt sich aufgrund von Fertigungstoleranzen, Inhomogenitäten der Halbleiterbauelemente der Magnetfeldsensoren sowie aufgrund der asymmetrischen Spannungsverteilung innerhalb des Magnetfeldsensors ein nicht-verschwindendes Offset, welches durch herkömmliche Offset-Regulierung nicht ausgeglichen werden kann. Eine Offset-Reduzierung wird bisher nur durch komplizierte Schaltungen erreicht, in denen eine zusätzlich invertierte Spannung eingesetzt wird, wodurch jedoch der Stromverbrauch und die Komplexität des Verfahrens erheblich steigen.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird demgegenüber eine Möglichkeit geschaffen, auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Art und Weise eine Offset-Reduzierung bei Magnetfeldsensoren zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Nullpunktoffsets eines Magnetfeldsensors, wobei der Magnetfeldsensor einen analogen Signalausgang aufweist und mit einer ein-poligen Versorgungsspannung betrieben wird. Das Messsignal des Magnetfeldsensors ±VH wird an eine erste Offset-Reduktionsstufe umfassend mindestens einen Operationsverstärker angelegt. Hierbei wird an den einen Eingang des Operationsverstärkers der ersten Offset-Reduktionsstufe das Messsignal ±VH und an dem anderen Eingang des Operationsverstärkers eine dem Messsignal entsprechende Spannung angelegt, d. h. eine entsprechende Spannung angelegt, die derart eingestellt ist, dass die Offsetspannung des Operationsverstärkers der ersten Offset-Reduktionsstufe minimiert ist. Der zweite Ausgang des Messsignals des Magnetfeldsensors wird üblicherweise auf Masse gelegt. Das Ausgangssignal der ersten Offset-Reduktionsstufe wird anschließend an eine zweite Offset-Reduktionsstufe angelegt, wobei die zweite Offset-Reduktionsstufe ebenfalls mindestens einen Operationsverstärker umfasst und das Ausgangssignal der ersten Offset-Reduktionsstufe an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der zweiten Offset-Reduktionsstufe angelegt wird. An den invertierenden Eingang der zweiten Offset-Reduktionsstufe wird eine dem Ausgangssignal der ersten Offset-Reduktionsstufe entsprechende Spannung angelegt. Mithilfe dieser zwei Verstärkerstufen wird das Messsignal des Magnetfeldsensors ±VH auf die gewünschte Ausgangsspannung VMAX eingestellt, die je nach Kundenanforderung 5 V, 10 V oder andere Spannungswerte betragen kann. Die an die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker der ersten und zweiten Offset-Reduktionsstufe angelegten Spannungen werden so gewählt, dass das verbleibende Nullpunktoffset am Ausgang der zweiten Offset-Reduktionsstufe kleiner oder gleich 0,2% der maximalen Ausgangsspannung VMAX des gesamten Sensorsystems beträgt. Das Ausgangssignal der zweiten Offset-Reduktionsstufe wird im Folgenden auch als Ausgangssignal des gesamten Sensorsystems, umfassend den Magnetfeldsensor sowie die Elektronik mit der ersten und zweiten Offset-Reduktionsstufe, bezeichnet.
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Das vorliegende Verfahren stellt damit eine zweistufige Offset-Reduzierung dar. In der ersten Stufe wird eine grobe Offset-Reduzierung und in der zweiten Stufe wird eine Feinjustierung des Offsets vorgenommen, wodurch ein verbleibendes Offset von unter 0,2% der maximalen Ausgangsspannung VMAX des gesamten Sensorsystems erreicht werden kann. Ein mit dieser Offsetreduzierung betriebener Magnetfeldsensor lässt sich damit auch für Anwendung einsetzten in denen eine präzise Magnetfeldbestimmung nötig ist.
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Vorzugsweise wird das vom Magnetfeldsensor gelieferte Signal +VH an den nicht-invertierenden Eingang und eine entsprechende Kompensationsspannung an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der ersten Offset-Reduktionsstufe angelegt. Vorzugsweise sind die Spannungen die an die jeweiligen invertierenden Eingänge der Operationsverstärker der ersten und zweiten Offset-Reduktionsstufe angelegt werden, einstellbar. Weiter vorzugsweise werden diese Spannungen über Spannungsteiler an die jeweiligen invertierenden Eingänge der Operationsverstärker angelegt.
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Weiter vorzugsweise sind die Operationsverstärker der beiden Offset-Reduktionsstufen als Differenzverstärker ausgeführt und liefern ein Ausgangssignal, dass proportional zu dem Unterschied der jeweiligen Eingangssignale ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird über einen ersten Spannungsteiler die Kompensationsspannung an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der ersten Offset-Reduktionsstufe gelegt, und das Messsignal –VH der Magnetfeldsonde an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegt. Das Verhalten des Messsignals –VH ist genau umgekehrt zu +VH, sodass sich der Nullpunktoffset auch in dieser Beschaltung durchführen lässt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die beiden Ausgangssignale des Magnetfeldsensors zunächst über einen Differenzverstärker verstärkt und anschließend das Ausgangsignal des Differenzverstärkers an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der zweiten Offset-Reduktionsstufe angelegt. Hierbei ist es nicht nötig den zweiten Ausgang des Magnetfeldsensors auf Masse zu legen. Da die beiden Ausgänge +VH und –VH des Magnetfeldsensors beide in etwa ein Signal von VCC/2, also der halben Versorgungsspannung aufweisen sollten, besteht nur ein geringer Spannungsunterscheid zwischen diesen Signalen, der nur zu einem geringen Offset am Ausgang des Differenzverstärkers führt.
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Vorzugsweise können die Ausgangssignale des Magnetfeldsensors zunächst auch über einen Instrumentenverstärker geführt werden und anschließend über den Differenzverstärker an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der zweiten Offset-Reduktionsstufe angelegt werden. Instrumentenverstärker bieten den zusätzlichen Vorteil, dass sie eine sehr hohe Eingangsimpedanz und einen niedrigen Ausgangsoffset aufweisen.
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Vorzugsweise kann die zweite Offset-Reduktionsstufe einen Spannungsregler zur Stabilisierung des von der Versorgungsspannung gelieferten Signals umfassen. Dies erhöht die Stabilität und Genauigkeit der Messung.
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Die Einstellung der Nullpunktoffset-Reduzierung erfolgt bei Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds indem zunächst das Eingangssignal am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der ersten Offset-Reduktionsstufe so eingestellt wird, dass das Ausgangssignal des Operationsverstärkers der ersten Offset-Reduktionsstufe minimiert ist. Anschließend wird mittels der zweiten Offset-Reduktionsstufe eine Feinjustierungen des Nullpunktoffsets vorgenommen. Dabei wird das Eingangssignal am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der zweiten Offset-Reduktionsstufe so eingestellt, dass das verbleibende Offset-Signal zwar unter 0,2% der maximalen Ausgangsspannung des gesamten Sensorsystems beim maximalen Messbereich liegt aber nicht weniger als 0,05%, vorzugsweise nicht weniger als 0,1%, und besonders bevorzugt nicht weniger als 0,15% der maximalen Ausgangsspannung VMAX des gesamten Sensorsystems beträgt. Dies ist nötig, da ein zu klein eingestelltes Offset die Empfindlichkeit der Schaltung bei kleinen Magnetfeldern erniedrigt. Der Grund hierfür liegt an der grundsätzlichen Funktionsweise eines Operationsverstärkers, wobei sich das Ausgangssignal nicht ändert, solange die am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers anliegende Spannung größer ist als die am nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers. Auf Grund von Fluktuationen der Versorgungsspannung kann es daher bei zu klein eingestelltem Offset zu einer Unempfindlichkeit des Sensors bei kleinen Magnetfeldstärken kommen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst eine zweistufige Offsetreduktions-Schaltung, wobei die erste Offsetreduktions-Stufe mindestens einen Operationsverstärker und Mittel umfasst, um an den einen Eingang des Operationsverstärkers der erste Offset-Reduktionsstufe das Messsignal des Magnetfeldsensors und an den anderen Eingang des Operationsverstärkers der ersten Offset-Reduktionsstufe eine dem Messsignal entsprechende Spannung anzulegen. Die zweite Offset-Reduktionsstufe umfasst ebenfalls mindestens einen Operationsverstärker und Mittel, um das Ausgangssignal der ersten Offset-Reduktionsstufe an den nicht-invertierenden Eingang der zweiten Offset-Reduktionsstufe anzulegen und Mittel, um am invertierenden Eingang der zweiten Offset-Reduktionsstufe eine dem Ausgangssignal der ersten Offset-Reduktionsstufe entsprechende Spannung anzulegen, wobei die an die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker der ersten und zweiten Offset-Reduktionsstufe angelegten Spannungen so gewählt werden, dass das verbleibende Nullpunktoffset kleiner oder gleich 0,2% der maximalen Ausgangsspannung des gesamten Sensorsystems beträgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Hierbei zeigen
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1 ein Ersatzschaltbild einer Hallsonde;
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2 Schaltbild zur Offset-Reduktion bei verfügbarer zwei-poliger Versorgungsspannung;
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3 Schaltbild zur Offset-Reduktion bei ein-poliger Versorgungsspannung;
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4 Schaltbild zur Testschaltung für den Nachweis der Abhängigkeit von Nullpunktoffset und Eingangsspannung;
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5 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltkreises mit zweistufiger Offset-Reduzierung;
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6 Modifizierte Ausführungsform des elektronischen Schaltkreises mit zweistufiger Offset-Reduzierung gemäß 5;
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7 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltkreises unter Verwendung von Differenzverstärkern;
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8 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltkreises unter Verwendung von Instrumentenverstärkern;
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9 Ausführungsform des elektronischen Schaltkreises mit zweistufiger Offset-Reduzierung gemäß 5 mit einem Spannungsregler;
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10 Messdiagramm einer Kalibrierungsmessung einer kommerziell erhältlichen Hallsonde;
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11 Messdiagramm einer Kalibriermessung eines „Open-Loop” Hall-Effekt Stromsensors im Messbereich 0 bis 30 A; und
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12 Messdiagramm einer Kalibriermessung eines „Open-Loop” Hall-Effekt Stromsensors im Messbereich 0 bis 52,5 A.
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1 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine Hallsonde, wobei die Hallsonde näherungsweise durch eine Widerstandsbrückenschaltung dargestellt ist. Die Sonde hat zwei Stromversorgungsanschlüsse (+VCC, –VCC/GND) und zwei Ausgangskontakte +VH, –VH. Die Hallsonde wird mit einer konstanten Strom-/Spannungsquelle betrieben und liefert an den Ausgangskontakten ein Signal, dass proportional zu dem zu messenden Magnetfeld ist. Selbst bei Abwesenheit eines Magnetfeldes ist das Ausgangssignal jedoch nicht „Null”, da aufgrund von Fertigungstoleranzen und Inhomogenitäten immer ein nicht-verschwindendes Offset produziert wird. Dieses Offset lässt sich in dem Ersatzschaltbild in 1 durch Unterschiede in den Widerstanden R1 bis R4 veranschaulichen.
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Das unvermeidbare Offset führt bei Hallsonden und ähnlichen Magnetfeld-Sensoren, zu einer unerwünschten Messungenauigkeit. Aus diesem Grund muss das Hallsonden-Signal einer Offset-Korrektur unterzogen werden. Je weiter das Offset reduziert werden kann, desto höher ist die Genauigkeit, mit der das Magnetfeld bestimmt werden kann.
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Bei Hallsonden, die mit einer zwei-poligen Versorgungsspannung (+VCC, –VCC) betrieben werden, kann die Offset-Reduzierung sehr leicht mittels eines Operationsverstärkers und einem Potentiometer durchgeführt werden. Ein entsprechendes Schaltbild ist in 2 abgebildet. Mit dem Potentiometer R1 kann hierbei die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC1A anliegende Spannung so eingestellt werden, dass diese der am nicht-invertierenden Eingang anliegenden Hall-Spannung entspricht. Aufgrund der symmetrischen Spannungsverteilung bei der Hallsonde, ist bei Abwesenheit eines Magnetfeldes die resultierende Ausgangsspannung +VH in etwa 0 V, in jedem Falle aber sehr gering. Diese Spannung kann über das Potentiometer R1 leicht kompensiert werden. Da am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC1A eine Spannung nahe bei 0 V anliegt, ist auch das Ausgangssignal der Verstärkerstufe nahe bei 0 V.
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Wenn allerdings nur eine ein-polige Versorgungsspannung (+V
CC, GND) zur Verfügung steht und der zweite Stromversorgungsanschluss der Hallsonde auf Masse gelegt ist, ist die Spannungsverteilung in der Hallsonde unsymmetrisch. Eine solche typische Schaltung ist in
3 abgebildet. Bei Abwesenheit eines Magnetfeldes ist die Hall-Spannung +V
H in diesem Fall aber nicht 0 V. Wenn man annimmt, dass die beiden Widerstände R3 und R4 im Ersatzschaltbild der
1 in etwa gleich groß sind, so entspricht die Hall-Spannung bei Abwesenheit eines Magnetfelds in etwa der halben Versorgungsspannung +V
CC, d. h. +V
H = +V
CC/2. Bei der konventionellen Offset-Reduzierung gemäß
3 wird diese Spannung über das Potentiometer R1 auch an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegt. Diese nicht verschwindende Eingangsspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC1A führt zu einem Stromfluss I
C1 durch den Rückkopplungswiderstand R4 in der Schaltung von
3. Dieser Stromfluss ergibt sich zu
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Aufgrund des Innenwiderstands R
IN des Operationsverstärkers ergibt sich daher eine nicht verschwindende Offset-Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers, die gemäß nachstehender Formel entscheidend von der Versorgungsspannung und dem Wert des Rückkoppelwiderstands R4 abhängt:
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Abhängig von dem benötigten Verstärkungsfaktor kann diese Offsetspannung bei einer maximalen Ausgangsspannung VMAX des gesamten Sensorsystems von 5 V Werte von zwischen 30 bis 100 mV annehmen. Dies bedeutet allerdings ein Offset von umgerechnet 0,6 bis 2,0% der maximalen Ausgangsspannung VMAX, was für typische Anwendungen, im Speziellen für medizintechnische Anwendungen, oft unzureichend ist.
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4 zeigt eine Testschaltung zum Nachweis der vorliegenden Problematik. Am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC1A wurde eine Eingangsspannung V
IN angelegt. Durch eine Kompensationsspannung V
C, die mittels Potentiometer R1 eingestellt werden kann, soll die kleinste Ausgangsspannung bestimmt werden. Diese Vorgehensweise entspricht der Nullpunktoffset-Kompensation der Ausgangsspannung eines Hall-Elements ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfelds. Die Ergebnisse dieses Versuchs sind in Tabelle 1 aufgelistet. Aus diesen Ergebnissen kann man schließen, dass das Nullpunktoffset mit steigender Eingangsspannung V
IN zunimmt.
| Kompensationsspannung VC (V) | Eingangsspannung VIN (V) | Kleinste Spannung am Ausgang (mV) |
| 0.1008 | 0.09532 | 0.40 |
| 0.2003 | 0.09600 | 0.70 |
| 0.5000 | 0.47297 | 1.80 |
| 1.0052 | 0.94541 | 0.50 |
| 1.5028 | 1.4133 | 1.00 |
| 2.0197 | 1.8993 | 1.10 |
| 2.5066 | 2.3568 | 1.50 |
| 3.0776 | 2.8886 | 4.50 |
| 3.5032 | 3.2797 | 14.0 |
| 4.0000 | 3.7906 | 21.0 |
| 4.5083 | 4.2388 | 28.5 |
| 5.0345 | 4.7016 | 35.0 |
Tabelle 1 – Versuch zur Bestimmung der kleinsten Offsetspannung am Ausgang
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung, mit der das Offset der Ausgangsspannung auf überraschend einfache Art und Weise weiter reduziert und damit die Genauigkeit der Magnetfeldbestimmung erhöht werden kann. Hierzu wird eine zwei-stufige Offset-Reduzierung vorgeschlagen. Die erste Stufe der Schaltung entspricht dabei der Schaltung gemäß
3. In der zweiten Stufe wird die Offset-behaftete Ausgangsspannung V
OFF1 dabei über ein Potentiometer R5 an einen zweiten Operationsverstärker IC1B angelegt. Da V
OFF1 bereits deutlich kleiner ist als +V
CC/2 liegt am nicht-invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärker IC1B nun eine Spannung an, die deutlich geringer ist als +V
CC/2. Damit ist auch der Strom I
C2 durch den zweiten Rückkopplungswiderstand R8 deutlich geringer. Er bestimmt sich zu
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In Analogie zu Gleichung (1) kann die am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers anliegende Offset-Spannung Voff2 nun bestimmt werden zu:
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Die Offset-Spannung VOFF2 am Ausgang der zweiten Stufe ist deutlich geringer als die Offset-Spannung VOFF1 am Ausgang der ersten Stufe. Wie weiter unten gezeigt kann das Offset durch diese Schaltung auf Werte unter 10 mV reduziert werden. Bei einer maximalen Ausgangsspannung VMAX des gesamten Sensorsystems von 5 V entspricht dies einem verbleibenden relativen Offset von unter 0,2%, was für eine Vielzahl von Anwendungen ausreichend ist.
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Bei der Einstellung des Nullpunkt-Offsets ist jedoch zu beachten, dass das Offset nicht zu klein gewählt wird, da es hier einen Totbereich gibt, innerhalb dessen der Sensor nicht sensitiv ist. Wenn die Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors z. B. einen Messbereich von 0 bis 5 V aufweist, muss daher darauf geachtet werden, dass das Offset immer größer als etwa 8 mV ist. Der Grund hierfür liegt in der Funktionsweise des Operationsverstärkers selbst. Der Ausgang eines Operationsverstärkers ändert sich nur, wenn die Eingangsspannung am invertierenden Eingang niedriger ist als die Eingangsspannung am nicht-invertierenden Eingang. Deshalb muss die Eingangsspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der zweiten Kompensationsstufe so gewählt werden, dass sich immer mindestens eine Offsetspannung von über 8 mV ergibt. So kann sichergestellt werden, dass das Spannungsverhältnis zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers immer so definiert ist, dass eine Änderung des Magnetfelds und eine damit einhergehende Änderung der Eingangsspannung am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der zweiten Kompensationsstufe immer auch zu einer Änderung des Ausgangssignals VOFF2 führt.
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In 6 ist eine leicht modifizierte Schaltung abgebildet, die weitgehend mit der Schaltung aus 5 übereinstimmt. Der Unterschied liegt im Anschluss des Hall-Elements an den ersten Operationsverstärker IC1A. Die Ausgänge des Hall-Elements sind nun vertauscht. Konkret ist nun +VH (Pin 2) mit der Masse verbunden, während das Signal an –VH (Pin 4) bereitsteht. Über einen ersten Spannungsteiler wird die Kompensationsspannung an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC1A der ersten Offset-Reduktionsstufe gelegt. An den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers IC1A wird dann das Signal –VH (Pin 4) angelegt.
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Bei zunehmender Magnetfeldstärke verhält sich das Signal –VH an Pin 4 genau umgekehrt wie das Signal +VH an Pin 2 des Magnetfeldsensors. Aus diesem Grund ist Pin 4 über den Widerstand R2 an den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers angeschlossen. Die grobe Nullpunktoffset-Kompensation findet somit an dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der ersten Kompensationsstufe mithilfe eines Potentiometers statt.
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Die Hallspannung kann mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung auch gemessen werden, ohne einen der beiden Ausgangskontakte des Magnetfeldsensors auf Masse zu legen. Eine entsprechende Schaltung für die Nullpunktoffset-Reduzierung, in der ein Operationsverstärker als Differenzverstärker (Subtrahierer) beschaltet ist, ist in 7 abgebildet. Die beiden Ausgangsspannungen +VH und –VH liegen beide bei Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes bei etwa +VCC/2, so dass sich nur ein geringes Differenz-Offset ergeben sollte. Die zweite Kompensationsstufe der Schaltung von 7 entspricht der zweiten Kompensationsstufe wie sie bereits in den Schaltungen der 5 und 6 abgebildet ist. Die Schaltung von 7 kommt mit weniger Bauelementen aus, da hierbei kein Spannungsteiler zum Einstellen der groben Offset-Reduzierung in der ersten Kompensationsstufe benötigt wird.
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Anstelle eines Differenzverstärkers kann in der ersten Stufe auch ein Instrumentenverstärker eingesetzt werden. Eine entsprechende Schaltskizze einer solchen Schaltung ist in 8 abgebildet. Die beiden Ausgangssignale der Hallsonde +VH und –VH werden dabei jeweils an die nicht-invertierenden Eingänge der Operationsverstärker gelegt. Instrumentenverstärker haben den Vorteil, dass sie eine höhere Eingangsimpedanz und einen geringeren Ausgangsoffset gegenüber Differenzverstärkern haben. Beides sind Eigenschaften, die vorteilhaft bei dem vorliegenden Messverfahren eingesetzt werden können. Bei der Schaltung gemäß 8 bietet sich wiederum ein symmetrischer Aufbau an, Die Widerstände R1 und R2, R3 und R4 sowie R9 und R11 sollten dabei jeweils paarweise dieselben Werte aufweisen. Die zweite Kompensationsstufe der Schaltung von 8 entspricht wiederum der zweiten Kompensationsstufe wie sie bereits in den Schaltungen der 5 und 6 abgebildet ist
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Die zweite Kompensationsstufe kann zusätzlich auch noch optimiert werden, indem ein Spannungsregler am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers vorgesehen wird. 9 zeigt eine entsprechende Schaltung, die im Wesentlichen der Schaltung gemäß 5 entspricht. Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der zweiten Stufe ist ein Spannungsregler vorgesehen, der die Spannungsstabilität und Genauigkeit der Schaltung erhöht.
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Testbeispiel 1
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Im Folgenden werden die Ergebnisse, die bei der Kalibrierung einer Offset-Reduktionsschaltung für eine von der Anmelderin hergestellten Hallsonde erzielt wurden vorgestellt und diskutiert. Die Offset-Reduktionsschaltung entspricht dabei der in 8 abgebildeten Schaltung.
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Als Operationsverstärker wurden zwei Modelle LM258N und TS922IN verwendet. Der Operationsverstärker TS922IN wurde vor allem deswegen in der Differenzstufe des Instrumentalverstärkers und in der zweiten Verstärkerstufe eingesetzt, da seine Rail-to-rail-Fähigkeit eine Ausgangsspannung von bis zu 5 V ermöglicht. Die Widerstände R1 bis R11 hatten die folgenden Werte:
R1 = 150 kΩ
R2 = 150 kΩ
R3 = 25 kΩ
R4 = 24 kΩ
R6 = 15 kΩ
R7 = 51 kΩ
R8 = 51 kΩ
R9 = 5,1 kΩ
R11 = 5,1 kΩ
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Die beiden Potentiometer R5 und R10 sind stufenlos von 0 bis 20 kΩ durchtrimmbar. Das Potentiometer R5 ist für die Nullpunktoffset-Reduktion zuständig. Im Gegensatz zu der Schaltung in 8 ist der Widerstand R10 als Trimmer aufgeführt, um eine Verstellung der Ausgangsverstärkung zu ermöglichen.
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Die verwendete Hallsonde ist eine Hallsonde vom TYP CYHP881 der Anmelderin. Diese Hallsonde weist eine Linearität von ±0,3%, ein Nullpunkt-Offset von 0,2% und eine Genauigkeit von 1% auf. Sie ist dazu ausgelegt Magnetfelder von zwischen 0 und 200 mT zu vermessen und liefert eine maximale Ausgangsspannung VMAX von 4,5 V. Die Versorgungsspannung beträgt 5 V.
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In Tabelle 2 sind die Ausgangsspannungen der Hallsonde mit Nullpunktoffset-Reduzierung gemäß der Schaltung aus
8 aufgetragen. Außerdem sind der jeweilige relative Fehler und die Abweichung von der Linearität angegeben.
| Magnetfeldstärke (mT) | Ausgangsspannung (V) | Relative Abweichung (%) | Linearitäts-Abweichung (%) |
| 0.0 | 0.0085 | 0.189 | 0.028 |
| 24.8 | 0.5650 | 0.156 | –0.007 |
| 49.8 | 1.1235 | 0.067 | –0.096 |
| 74.6 | 1.6816 | 0.069 | –0.095 |
| 99.4 | 2.2403 | 0.084 | –0.077 |
| 124.2 | 2.7987 | 0.093 | –0.069 |
| 149.2 | 3.3582 | 0.027 | –0.136 |
| 173.9 | 3.9147 | 0.042 | –0.119 |
| 198.8 | 4.4719 | –0.024 | –0.188 |
Tabelle 2 – Ergebnisse Kalibrierung 0 bis 200 mT
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Die Kalibrierungsergebnisse dieser Messung sind in dem Diagramm der 10 dargestellt. Es ergibt sich ein nahezu ideal linearer Zusammenhang zwischen der angelegten Feldstärke und dem gemessenen Ausgangssignal der Hallsonde mit erfindungsgemäßer Nullpunktoffset-Reduzierung.
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Wie sich aus der Tabelle 2 auch ablesen lässt, ist beträgt die relative Abweichung vom theoretisch bestimmten Wert maximal 0,189% und liegt weitestgehend sogar unter 0,1%. Damit ist sowohl die Genauigkeit als auch die Abweichung der Linearität gegenüber der Messung mit einer Hallsonde ohne die erfindungsgemäße Nullpunktoffset-Reduzierung deutlich verbessert. Die erfindungsgemäße Offset-Reduzierung ermöglicht damit eine Anwendung von Hallsonden mit analogen Ausgang und ein-poliger Versorgungsspannung auch für Vorrichtungen in denen eine sehr präzise Bestimmung von Magnetfeldern nötig ist.
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Testbeispiel 2
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Das zweite Beispiel zeigt die Anwendbarkeit dieses Verfahrens bei Stromsensoren auf Basis von Hall Sensoren. Ein Open-Loop Hall-Effekt Stromsensor wurde mit dieser neuen Methode zur Nullpunktoffset-Reduzierung modifiziert. Dieser Stromsensor benötigt eine Spannungsversorgung von +12 V, um für verschiedene Messbereiche eine Ausgangsspannung von 0 bis 10 V zu ermöglichen.
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In Tabelle 3 sind die Ergebnisse des Messbereichs 0 bis 30 A aufgetragen. Neben der Ausgangsspannung sind auch der jeweilige relative Fehler und die Abweichung von der Linearität angegeben. Das Diagramm in
11 veranschaulicht diese Ergebnisse.
| Eingangsstrom (A) | Ausgangsspannung (V) | Relative Abweichung (%) | Linearitäts-Abweichung (%) |
| 0.000 | 0.008 | 0.080 | 0.180 |
| 3.750 | 1.240 | –0.100 | 0.003 |
| 7.500 | 2.482 | –0.180 | –0.074 |
| 11.25 | 3.729 | –0.210 | –0.102 |
| 15.00 | 4.982 | –0.180 | –0.069 |
| 18.75 | 6.232 | –0.180 | –0.066 |
| 22.50 | 7.484 | –0.160 | –0.044 |
| 26.25 | 8.743 | –0.070 | 0.049 |
| 30.00 | 10.00 | 0.000 | 0.122 |
Tabelle 3 – Ergebnisse Kalibrierung 0 bis 30 A
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In diesem Messbereich kann eine Genauigkeit von ±0,25% und eine Linearität von ±0,2% angegeben werden.
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Dieser Stromsensor wurde auch für den Messbereich 0 bis 52,5 A eingestellt und kalibriert. Die Ergebnisse sind der Tabelle 4 und
12 zu entnehmen. Eine Genauigkeit von ±0,3% und eine Linearität von ±0,25% werden hierbei ermöglicht.
| Eingangsstrom (A) | Ausgangsspannung (V) | Relative Abweichung (%) | Linearitäts-Abweichung (%) |
| 0.000 | 0.008 | 0.080 | 0.245 |
| 7.500 | 1.407 | –0.216 | –0.049 |
| 15.00 | 2.830 | –0.271 | –0.102 |
| 22.50 | 4.256 | –0.297 | –0.126 |
| 30.00 | 5.686 | –0.283 | –0.109 |
| 37.50 | 7.120 | –0.229 | –0.053 |
| 45.00 | 8.556 | –0.154 | 0.024 |
| 52.50 | 9.999 | –0.010 | 0.170 |
| 0.000 | 0.008 | 0.080 | 0.245 |
Tabelle 4 – Ergebnisse Kalibrierung 0 bis 52,5 A
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In beiden Kalibrierergebnissen ist die Reduzierung des Nullpunktoffsets auf 8 mV ersichtlich, was 0,08% des Ausgangsspannungsbereichs 0–10 V entspricht. Mithilfe dieser Methode liegt die Genauigkeit und Linearität von Open-Loop Hall-Effekt Stromsensoren bei ein-poliger Versorgung unter 0,5%. Bei den meisten kommerziell erhältlichen Open-Loop Hall-Effekt Stromsensoren ist dagegen nur eine Genauigkeit und Linearität von 1,0% möglich.
