DE1032342B

DE1032342B - Modulation device using the Hall effect

Info

Publication number: DE1032342B
Application number: DES53013A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Heinrich Kalusche; Dipl-Ing Viktor Stigler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-04-05
Filing date: 1957-04-05
Publication date: 1958-06-19

Description

Soll bei einem Gleichstromverstärker eine möglichst große Nullpunktskonstanz erreicht werden, so wird am besten das Trägerfrequenzverfahren angewendet. Dabei wird die zu verstärkende Meßgleichspannung durch einen Relaiszerhacker in eine Wechselspannung umgewandelt und anschließend über einen Wechselstromverstärker verstärkt. Die Umwandlung der Gleichspannung kann auch in einem wechselstromgesteuerten Schaltgleichrichter oder in einem Ringmodulator vorgenommen werden. Zum Zweck der Modulation wurde in letzter Zeit auch der Halleffekt bei Halbleitern ausgenutzt. Ein sogenannter HaIlgenerator ist im wesentlichen ein rechteckiges Plättchen aus einem halbleitenden Material, das eine hohe Elektronen- bzw. Defektelektronenbeweglichkeit besitzt. Wird an zwei gegenüberliegenden Seiten des Plättchens ein Strom eingeleitet bzw. abgeführt und wird die Fläche des Plättchens von einem Magnetfeld durchsetzt, so kann an den Seiten, an denen sich kein Stromanschluß befindet, eine Spannung, die sogenannte Hallspannung, abgenommen werden. Diese Hallspannung ist dem das Plättchen durchfließenden Strom und dem Magnetfeld proportional. Ein solcher Hallgenerator kann auf zwei verschiedene Weisen zur Modulation eines Wechselstromes mit einer schwankenden Gleichspannung verwendet werden. Man kann erstens die Gleichstromgröße dem Hallgenerator als Strom zuführen und die Trägerfrequenz als magnetische Wechselgröße konstanter Amplitude den Hallgenerator durchsetzen lassen. Man erhält dann an den zwei freien Seiten des Generators eine dem Gleichstrom proportionale Wechselspannung. Man kann aber auch die Gleichstromgröße über die Windungen einer Spule mit Eisenkern zuführen und erhält dann ein dem Gleichstrom proportionales Magnetfeld. Die Trägerfrequenz durchfließt als Wechselstrom konstanter Amplitude das Halbleiterplättchen. Die abgegriffene Hallspannung ist dann ebenfalls dem schwankenden Gleichstrom proportional. Beide Verfahren sind mit schwerwiegenden Nachteilen behaftet. Beim ersten Verfahren induziert das wechselnde Magnetfeld in der Leiterschleife, in der die Hallspannung entsteht, eine zusätzliche Wechselspannung, die sich beim Trägerfrequenz-Gleichstromverstärker als Nullpunktfehler bemerkbar macht. Diese induzierte Wechselspannung läßt sich nur zu einem gewissen Grad kompensieren, da der Hallspannung außer der Grundwelle der Trägerfrequenz auch noch die zweite Oberwelle überlagert ist. Beim zweiten Verfahrenmuß, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, der Magnetisierungskreis weitgehend in einem ferromagnetischen Material verlaufen. Solche Werkstoffe sind aber stets mit Hysterese behaftet; deshalb bleibt bei einem Meß strom Null noch eine Restfeldstärke Modulationseinrichtung
unter Ausnutzung des HalleffektesIf the greatest possible zero point constancy is to be achieved with a direct current amplifier, the carrier frequency method is best used. The DC measuring voltage to be amplified is converted into an AC voltage by a relay chopper and then amplified by an AC amplifier. The conversion of the direct voltage can also be carried out in an alternating current controlled switching rectifier or in a ring modulator. Recently, the Hall effect has also been used in semiconductors for the purpose of modulation. A so-called shaft generator is essentially a rectangular plate made of a semiconducting material which has a high mobility of electrons or holes. If a current is introduced or discharged on two opposite sides of the plate and the surface of the plate is penetrated by a magnetic field, a voltage, the so-called Hall voltage, can be picked up on the sides where there is no power connection. This Hall voltage is proportional to the current flowing through the plate and the magnetic field. Such a Hall generator can be used in two different ways for modulating an alternating current with a fluctuating direct voltage. Firstly, the direct current quantity can be fed to the Hall generator as current and the carrier frequency can be passed through the Hall generator as a magnetic alternating quantity of constant amplitude. An alternating voltage proportional to the direct current is then obtained on the two free sides of the generator. But you can also feed the direct current through the turns of a coil with an iron core and then get a magnetic field proportional to the direct current. The carrier frequency flows through the semiconductor wafer as an alternating current of constant amplitude. The tapped Hall voltage is then also proportional to the fluctuating direct current. Both methods have serious disadvantages. In the first method, the alternating magnetic field in the conductor loop in which the Hall voltage arises induces an additional alternating voltage, which is noticeable as a zero point error in the carrier frequency direct current amplifier. This induced alternating voltage can only be compensated to a certain extent, since the Hall voltage is also superimposed on the second harmonic in addition to the fundamental wave of the carrier frequency. In the second method, in order to achieve good efficiency, the magnetization circuit must run largely in a ferromagnetic material. Such materials are always affected by hysteresis; therefore, a residual field strength modulation device still remains with a measuring current of zero
using the hall effect

Anmelder:Applicant:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2Berlin and Munich,
Munich 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr.-Ing. Heinrich KaluscheDr.-Ing. Heinrich Kalusche

und Dipl.-Ing. Viktor Stigler, Karlsruhe,and Dipl.-Ing. Viktor Stigler, Karlsruhe,

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

unbekannter Größe und Vorzeichen bestehen, die sich bei einem nachfolgenden Gleichstromverstärker ebenfalls als Nullpunktfehler auswirkt.unknown size and sign exist, which are also reflected in a subsequent DC amplifier acts as a zero point error.

Die oben angeführten Nachteile werden bei einer Modulationseinrichtung unter Ausnutzung des Halleffektes, wobei eine Modulationsspannung das Magnetfeld eines Hallgenerators über einen Elektromagneten mit Eisenkern beeinflußt, behoben, wenn erfindungsgemäß der Elektromagnet gleichzeitig von einem Hochfrequenzstrom magnetisiert wird. Für die Hallspannung ergibt sich dabei folgender Ausdruck:The above-mentioned disadvantages are achieved with a modulation device that makes use of the Hall effect, wherein a modulation voltage is the magnetic field of a Hall generator via an electromagnet Affected with iron core, resolved when, according to the invention, the electromagnet at the same time by one High frequency current is magnetized. The following expression results for the Hall voltage:

wobei R₁,-^ H = +H'^ sin«j₂i und ω_χ die Trägerfrequenz und o>₂ die Hochfrequenz ist. H₌ und H~ sind die Amplituden eines magnetischen Gleich- bzw. Wechselfeldes. Die Hallspannung enthält also als Modulationsprodukt die Frequenzen Cu₁, ω₂ + Cu₁ und CO₂-OJ₁. Durch Filter lassen sich die Frequenzen O)₂IcO₁, die durch die HF-Vormagnetisierung entstehen, leicht beseitigen, so daß nach der Siebung die Hallspannungwhere R ₁ , - ^ H = + H '^ sin «j ₂ i and ω _{χ is} the carrier frequency and o> _{2 is} the high frequency. H ₌ and H ~ are the amplitudes of a magnetic constant or alternating field. The Hall voltage thus contains the frequencies Cu ₁ , ω ₂ + Cu ₁ and CO ₂ -OJ ₁ as the modulation product. The frequencies O) ₂ IcO ₁ , which are caused by the HF pre-magnetization, can easily be eliminated by filters, so that the Hall voltage after the sieving

= R_h-1^ sin = R _h -1 ^ sin

1,1,

wobei R_h nur noch proportional dem magnetischen Gleichfeld ist, also das gewünschte Modulationsprodukt übrigbleibt. Der infolge der Hysterese andernfalls vorhandene Restmagnetismus des Eisenkreises kann jetzt nicht mehr stören, da der Eisenkern infolge der HF-Magnetisierung ständig durchgesteuert wird und deshalb keine Remanenz mehr wirksam werden kann.where R _{h is} only proportional to the constant magnetic field, i.e. the desired modulation product remains. The residual magnetism of the iron circle, which would otherwise be present as a result of the hysteresis, can no longer interfere, since the iron core is constantly controlled as a result of the HF magnetization and therefore remanence can no longer be effective.

Der Hochfrequenzstrom in der Vormagnetisierungsspule induziert natürlich auch eine Hochfrequenz-The high frequency current in the bias coil naturally also induces a high frequency

809 557/28S809 557 / 28S

spannung in der Gleichstromwicklung des Magneten. Diese kann aber ebenfalls durch einen vorgeschalteten Tiefpaß von den Eingangsklemmen des Modulators ferngehalten werden. Die gleiche Wirkung wird erreicht, wenn sowohl die HF-Magnetisierung als auch die Gleichstrommagnetisierung über die gleiche Spule erfolgen.voltage in the DC winding of the magnet. This can also be done by an upstream Low-pass filter must be kept away from the input terminals of the modulator. The same effect is achieved when both RF magnetization and DC magnetization are over the same coil take place.

Die Erfindung wird in der Zeichnung näher erläutert. The invention is explained in more detail in the drawing.

Fig. 1 zeigt den eigentlichen Modulator;Fig. 1 shows the actual modulator;

Fig. 2 stellt ein Blockschaltbild der für einen Trägerfrequenzverstärker erforderlichen Einrichtung dar.Fig. 2 shows a block diagram of the equipment required for a carrier frequency amplifier represent.

In Fig. 1 ist im Luftspalt eines Elektromagneten mit Eisenkern 1 ein Halbleiterplättchen 2 angebracht, an dessen gegenüberliegenden Seiten α und b ein Stromkreis mit dem Strom/ angelegt ist. An den Seiten c und d des Halbleiterplättchens wird die modulierte Hallspannung abgenommen. Der Elektromagnet 1 ist mit zwei Spulen 3 und Ί, wovon die eine als Gleichstromsteuerwicklung und die andere zur HF-Vormagnetisierung dient, versehen. Beide Spulen können auch in einer Wicklung zusammengefaßt werden.In Fig. 1, a semiconductor wafer 2 is attached in the air gap of an electromagnet with an iron core 1, on the opposite sides α and b a circuit with the current / is applied. The modulated Hall voltage is picked up on sides c and d of the semiconductor wafer. The electromagnet 1 is provided with two coils 3 and Ί, one of which is used as a direct current control winding and the other for HF bias. Both coils can also be combined in one winding.

In Fig. 2 stellt 5 einen Wechselstromverstärker dar, der über einem Tiefpaß 6 von einem Hallmodulator 7 mit einer entsprechend dem Eingangsgleichstrom modulierten Wechselspannung beschickt wird. Zwischen den Eingangsklemmen und dem Hallmodulator liegt ein Tiefpaß 8, der die im Hallmodulator auftretende Hochfrequenz von den Eingangsklemmen zurückhält. Der Tiefpaß 6 verhindert, daß die in der modulierten Wechselspannung auftretenden Hochfrequenzanteile in den Wechselstromverstärker eindringen. Ein Hochfrequenzgenerator 9 versorgt den Hallmodulator mit der benötigten Hochfrequenz. Ein Trägerfrequenzgenerator 10 versorgt sowohl den Hallmodulator als auch einen phasenempfindlichen Gleichrichter 11 mit der Trägerfrequenz. Der phasenempfindliche Gleichrichter formt die verstärkte Wechselspannung wieder in eine Gleichspannung um.In Fig. 2, 5 represents an alternating current amplifier, the over a low-pass filter 6 from a Hall modulator 7 is charged with an alternating voltage modulated according to the input direct current. Between the input terminals and the Hall modulator there is a low-pass filter 8, which is the one in the Hall modulator high frequency that occurs at the input terminals. The low-pass filter 6 prevents the in the modulated AC voltage occurring high-frequency components penetrate the AC amplifier. A high frequency generator 9 supplies the Hall modulator with the required high frequency. A Carrier frequency generator 10 supplies both the Hall modulator and a phase-sensitive one Rectifier 11 with the carrier frequency. The phase-sensitive rectifier forms the amplified AC voltage back into DC voltage.

Claims

Patent claims:

1. Modulation device using the Hall effect, with a modulation voltage influences the magnetic field of a Hall generator via an electromagnet with an iron core, characterized in that the electromagnet is simultaneously magnetized by an HF current.

2. Modulation device according to claim 1, characterized in that the RF magnetization of the electromagnet has a special Winding takes place.

3. Modulation device according to claim 1, characterized in that the RF magnetization is also taken over by a winding for the modulation voltage.

4. Modulation device according to claim 1 or the following, characterized in that the RF voltage induced in a winding for the modulation voltage through a low-pass filter of the modulation voltage source is disconnected. '

5. Modulation device according to claim! or following, characterized in that a Low-pass filter holds back the HF voltage contained in the Hall voltage.

6. Modulation device according to claim 1 or the following, characterized in that it is used in a DC amplifier device.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings