DE1134754B

DE1134754B - Hallspannungserzeuger, insbesondere fuer Multiplikations-, Modulations- oder Frequenz-umwandlungszwecke

Info

Publication number: DE1134754B
Application number: DEM41735A
Authority: DE
Inventors: Reginald Philip Chasmar; Emanuel Cohen
Original assignee: Metropolitan Vickers Electrical Co Ltd
Current assignee: Metropolitan Vickers Electrical Co Ltd
Priority date: 1958-06-06
Filing date: 1959-06-05
Publication date: 1962-08-16
Also published as: US3097296A; NL239870A; FR1226314A; GB883338A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hallspannungserzeuger, insbesondere für Multiplikations-, Modulations- oder Frequenzumwandlungszwecke, der einen magnetischen Kreis unter Verwendung von Ferritmaterial besitzt, in dessen Luftspalt ein Hallplättchen angeordnet ist, und der durch eine Spule erregbar ist.

Wenn ein elektrischer Strom zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Enden eines Halbleiterplättchens fließt und ein magnetisches Feld an der Oberfläche des Plättchens aufgebracht wird, dann tritt eine Spannung an den anderen Seitenflächen des Plättchens auf. Diese Spannung ist proportional dem Produkt aus dem magnetischen Feld und dem hindurchfließenden Strom und umgekehrt proportional zur Dicke des Plättchens. Dieser Effekt wird als Halleffekt bezeichnet. Geeignete Halbleitermaterialien für ein Hallplättchen sind z. B. Germanium, Silizium und Metallverbindungen der Gruppen III und V, z. B. Indiumarsenid.

Um die Gleichförmigkeit und Stärke des Magnetfeldes zu verbessern, ist es z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1011041 bekannt, den an das Hallplättchen angrenzenden Teil des Magnetkreises aus Ferrit herzustellen. Außerdem ist es z. B. aus der französischen Patentschrift 1112 375 bekannt, den magnetischen Kreis in Form eines Topfmagneten auszubilden.

In den von den Anschlußleitungen am Eingang und Ausgang gebildeten Schleifen können unerwünschte Störspannungen durch unmittelbare Induktion aus dem Hauptmagnetfeld induziert werden. Um diese Störspannungen zu kompensieren, ist es bekannt, Kompensationswirkungen z. B. nach der USA.-Patentschrift 2 464 807 anzubringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Hallspannungserzeuger dadurch zu verbessern, daß eine genaue lineare Abhängigkeit der Ausgangsgrößen von den Eingangsgrößen erzielt wird.

Gemäß der Erfindung ist der Hallspannungserzeuger so ausgeführt, daß der magnetische Kreis durch eine aus Ferritmaterial gefertigte, die Form eines für Hallspannungserzeuger an sich bekannten Topfmagnets aufweisende Kernanordnung gebildet ist, daß mindestens je eine für Hallspannungserzeuger auch an sich bekannte, durch den magnetischen Kreis induzierbare Kompensationswicklung im Hallspannungs- bzw. im Steuerspannungskreis angeordnet ist, und daß jede der Kompensationswicklungen durch ein von außerhalb der Kernanordnung einstellbares Widerstandspotentiometer belastet ist.

Dadurch, daß die die Kompensationswicklungen Hallspannungserzeuger,
insbesondere für Multiplikations-,
Modulations- oder Frequenzumwandlungszwecke

Anmelder:

Metropolitan-Vickers

Electrical Company Limited,

London

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 6. Juni 1958 (Nr. 18 190)

Reginald Philip Chasmar, Timperley, Cheshire,

und Emanuel Cohen,

Prestwich, Manchester, Lancashire (Großbritannien), sind als Erfinder genannt worden

belastenden Widerstände von außen einstellbar sind, ist es möglich, das Ausmaß der Kompensation einzustellen, die die Wicklungen liefern, um eine genaue lineare Abhängigkeit der Ausgangsgrößen von den Eingangsgrößen sicherzustellen.

Der Hallspannungserzeuger kann als Strom- oder Spannungsmultiplikator, Frequenzwandler, Mischoder Modulationsvorrichtung benutzt werden. Die Eingänge können einzeln oder gemeinsam mit Wechselstrom oder Gleichstrom gespeist werden. Typische Anwendungen der Vorrichtungen sind Servomechanismen, Analogrechner und Gleichstrombzw. Wechselstromzerhacker.

Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den Zeichnungen an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur Erläuterung des Halleffektes;

Fig. 2 a und 2 b zeigen im Aufriß und Grundriß eine Ausführungsform des Topfmagneten;

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Topfmagneten im Schnitt;

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Fig. 4a und 4b zeigen eine weitere Ausführungs- verbunden, deren Schleifkontakte 20 und 21 an die

form des Topfmagneten im Schnitt und Grundriß; Eingangsstromquelle bzw. die Ausgangsspannklemme

Fig. 5 zeigt die elektrische Schaltung der Kompen- angeschlossen sind. Durch entsprechende Einstellung

sationsspulen; der Schleifkontakte 20 und 21 wird die von den

Fig. 6 a und 6 b zeigen die Anbringung von Schleif- 5 beiden Schleifen, nämlich vom Eingangskreis bzw.

drahtpotentiometern bei der Anordnung nach Fig. 5; dem Ausgangskreis des Hallplättchens induktiv auf-

Fig. 7 zeigt einen vollständigen Hallspannungs- genommene Spannung auf einen Mindestwert herab-

erzeuger mit der Schaltung der Fig. 5, und gesetzt oder ganz beseitigt.

Fig. 8 zeigt eine besondere Form des Hallplättchens. Die beiden in der Mitte angezapften Potentio-

In Fig. 1 ist ein Hallplättchen 1 dargestellt, das auf io meter 18 und 19 können mit der Anordnung baulich den einander gegenüberliegenden Seiten 4 und 5 elek- vereinigt werden, indem eine abgestufte Scheibe 22, trische Anschlüsse 2 und 3 aufweist. Ferner führen die z. B. in Fig. 6 a und 6 b dargestellt ist, oben auf Anschlüsse 6 und 7 zu den beiden Seiten 8 und 8. die Endplatte 12 aufgekittet wird. Zwei getrennte Wenn ein Strom I₁ zwischen den Anschlüssen 2 halbkreisförmige Schleif drähte aus Widerstandsund 3 fließt und ein magnetisches Feld, das z. B. von 15 draht 18 und 19 sind an dieser Scheibe befestigt; einer Spule 10 erzeugt wird, durch die ein Strom I₂ kleine Drahtösen 20 und 21 sind um die Drähte herfließt, senkrecht zur Zeichenebene zwischen den umgeführt, so daß sie als Schleifkontakte für die Enden der Platte 1 auf das Plättchen einwirkt, dann Potentiometer der Fig. 5 dienen. Diese werden so tritt eine Hallspannung zwischen den Anschlüssen 6 eingestellt, daß sie die induzierte Spannung in der und 7 auf. Die Spannung ist proportional dem Pro- 20 oben beschriebenen Weise kompensieren, worauf die dukt I₁ und dem Magnetfeld. Wenn das magnetische beweglichen Verbindungen in ihrer Lage festgelötet Medium so ausgebildet ist, daß der von der Spule 10 werden. Auf diese Weise läßt sich eine dauerhaftere erzeugte Fluß proportional dem Strom I₂ ist, dann ist und stabilere Kompensation erreichen als mit bedie Hallspannung proportional dem Produkt aus I₁ kannten üblichen Schleifdrahtpotentiometern, und I₂. 25 Eine bauliche Ausführung des Erfindungsgegen-

Eine Ausführungsform des Topfmagneten ist in Standes, die als Ganzes eingestöpselt werden kann, ist Fig. 2 a und 2 b gezeigt. In diesen Figuren ist ein in Fig. 7 dargestellt. Die Einheit enthält die in den zylindrischer zentraler Ferritkern 11 dargestellt, an Fig. 2 a und 2 b beschriebene Anordnung zusammen den sich zwei Endplatten 12 und 13 auf beiden Sei- mit Kompensationsspulen und Schleif drahtpotentioten anschließen. Außerdem ist ein Rückschluß- 30 meiern, die in Fig. 6 a und 6 b dargestellt sind. Bei zylinder 14 aus Ferrit vorgesehen, der zwischen den der Herstellung dieser Baueinheit wird die Ferrit-Platten 12 und 13 liegt und den magnetischen Kreis platte 12 zu Anfang auf einer Präzisionsschleifschließt. In dem ringförmigen Raum zwischen dem maschine genau eben geschliffen. Das halbleitende Kern 11 und dem Rückschlußzylinder 14 ist eine Hallplättchen 1, das etwa einen halben Millimeter Spule 15 untergebracht. Ein dünnes Hallplättchen 1 35 stark sein kann, wird dann an der Unterseite der ist in der Mitte der Endplatte 12 festgeklebt oder ge- Endplatte, z. B. mit Hilfe eines Kunstharzes festkittet. Der Zylinder 14 ist so angeordnet, daß er geklebt. Das Plättchen wird dann auf derselben über den Kern herausragt, so daß das Plättchen 1 Schleifmaschine auf eine Dicke von etwa 0,05 mm in den Spalt hineinpaßt, der zwischen der oberen geschliffen, so daß man mit Hilfe dieser Maschine ein Endplatte und dem Kern entsteht. Die Oberfläche des 40 sehr genaues und sehr dünnes Plättchen erhält. Dies Plättchens 12 kann z. B, durch Schleifen bearbeitet ist von großer Wichtigkeit, da, wie oben erwähnt, die sein, und das gleiche Verfahren kann auch dazu be- Hallausgangsspannung mit abnehmender Plattendicke nutzt werden, um die Dicke des Kristallplättchens auf zunimmt. Danach werden die Anschlüsse an den eine Abmessung von etwa 0,05 mm zu reduzieren, betreffenden Stellen des Plättchens hergestellt, und worauf die Zuführungsleitungen angelötet werden. 45 die Zuleitungen werden über ein kleines Loch in der Eine andere Ausführungsform des Topfmagneten Endplatte 12 zu einem kleinen Anschlußstreifen 23 ist in der Fig. 3 dargestellt. In diesem Fall ist der herausgeführt, der an der Oberseite der Endplatte zentrale Kern 11 in zwei Abschnitte unterteilt, und befestigt ist. Die Spule wird auf einen Spulenkörper das Hallplättchen 1 ist zwischen den beiden Ab- gewickelt, der den zentralen Kern umgibt; die Zuschnitten eingekittet. 50 leitungen der Spule werden über ein Loch, das in der

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 a unteren Ferritplatte 13 eingebohrt ist, zu den An-

und 4 b dargestellt. An Stelle eines einzelnen Hall- schlußstiften geführt. Eine Kappe 24 aus einem

plättchens sind hier mehrere Hallplättchen 17 im Kunststoff wird nach der Zusammensetzung der Ein-

Umfang der Endplatte 12 angeordnet und liegen zelteile aufgeschraubt.

zwischen dieser und dem Zylinder 14, wobei die End- 55 Der Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung

platte 12 auf dem zentralen Kern 11 aufliegt. Die besteht darin, daß die Anschlüsse direkt an der An-

Hallplättchen können in gewünschter Weise in Reihe Ordnung befestigt werden können, da Ferrit einen

oder parallel oder auch unabhängig voneinander an- Widerstand hat, der hoch ist im Vergleich zu dem

geordnet sein. des Halbleiters des Hallplättchens. Da ferner keine

Die Anordnung und Lage der Kompensations- 60 Isolationsmaterialien zwischen dem Hallplättchen

spulen geht aus Fig. 5 hervor. Der Anschluß 3, durch und dem Ferritkörper erforderlich sind, kann der

den der Eingangsstrom I₁ fließt, ist mit der Mittel- Spalt zwischen der "oberen Platte und dem Kern so

anzapfung einer Kompensationsspule 15 verbunden, klein wie möglich ausgeführt werden, so daß bei

und der Anschluß 6, von dem die Ausgangsspannung einem gegebenen Spulenstrom eine hohe Flußdichte

abgenommen wird, steht mit der Mittelanzapfung 65 vorhanden ist. Da außerdem die Erregerspule un-

einer ähnlichen Kompensationsspule 16 in Verbin- mittelbar in der Nähe des Arbeitsspaltes zwischen

dung. Die beiden Enden der beiden Spulen 15 und 16 der oberen Platte und dem Kern liegt, sind die

sind über Widerstandsdrähte 18 und 19 miteinander magnetomotorischen Verluste sehr klein. Von be-

sonderer Wichtigkeit ist es, daß es möglich ist, sowohl die Ferritplatte selbst als auch das Halbleiterplättchen, das auf ihr montiert ist, genau auf Maß zu schleifen, so daß man ein Hallplättchen minimaler Dicke mit maximaler Wirkung erhält.

Eine mögliche weitere Fehlerquelle der Multiplikationsvorrichtung ist die Nichtlinearität der magnetischen Eigenschaften des Ferritkernes. In einem solchen Fall kann das Magnetfeld des Kernes und das das Hallplättchen durchsetzende Feld unter Umständen nicht proportional zu dem Strom in der Spule sein, so daß die Vorrichtung keine genaue Multiplikation ergibt. Diese Abweichung von der Linearität rührt hauptsächlich von der Hysteresis des Ferritkernes her.

Ein Verfahren zur Beseitigung dieser Abweichungen der Linearität besteht darin, eine Wechselstromkomponente dem magnetischen Gleichfeld zu überlagern. Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine Zusatzwicklung auf dem Kern vorgesehen ist, die durch einen Wechselstrom gespeist wird. Das Zusatzfeld sollte so groß sein, daß es die Koerzitivkraft des Ferritkernes überwindet und sollte eine Frequenz haben, die über der maximalen Arbeitsfrequenz des Multiplikationsgerätes liegt, so daß sie aus dem Ausgangskreis ausgesiebt werden kann. Die Wirkung des überlagerten Wechselfeldes besteht darin, daß insgesamt eine Verschmälerung der Hysteresisschleife erreicht wird, so daß die Linearität verbessert wird.

Weitere Fehler können durch Temperatureinwirkungen sowie durch eine Fehlausrichtung und durch thermoelektrische Spannungen entstehen. Einrichtungen zur Beseitigung dieser Fehler sind in Fig. 8 angegeben.

Sowohl der Hallkoeffizient als auch die Permeabilität des Ferrits haben einen negativen Temperaturkoeffizienten, so daß sich die Fehler, die sich aus Temperaturänderungen ergeben, addieren. Ein Verfahren zur Kompensierung von Temperaturänderungen besteht darin, im Nebenschluß zum Hallplättchen einen Widerstand anzuordnen, der einen großen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Dies ist in Fig. 8 dargestellt, in der das Hallplättchen 1 mit den elektrischen Anschlüssen 2 und 3 für den Eingangsstrom im Nebenschluß zu einem Widerstand R liegt, der ebenfalls mit diesen Anschlüssen verbunden ist. Da die Multiplikationseinrichtung mit einem Strom gespeist wird, teilt sich der Strom zwischen dem Plättchen und dem Widerstand R auf. Die Zunahme des Widerstandes R mit der Temperatur bewirkt, daß ein größerer Anteil des Gesamtstromes in dem Hallplättchen 1 fließt; durch geeignete Wahl des Wertes des Widerstandes R kann eine Temperaturkompensation erhalten werden. Der Wert des kompensierenden Widerstandes hängt von dem Temperaturkoeffizienten des Materials des Widerstandes und dem Temperaturkoeffizienten des Hallplättchens ab, der im allgemeinen klein und positiv ist, sowie von dem negativen Temperaturkoeffizienten des Halleffektes und der Ferritpermeabilität. Ein Draht aus Reinnickel mit einem positiven Temperaturkoeffizienten von 0,68 %/Grad C hat sich als besonders zweckmäßig für den Kompensationswiderstand ergeben, da er unveränderlich stets in der gleichen Weise herstellbar und für die gewünschten Widerstandswerte leicht einstellbar ist.

Der Stromdurchgang zwischen den Flächen 4 und 5 des Hallplättchens ergibt zwei Aufheizwirkungen. Diese bestehen aus der Joul'schen Wärme, die gleichförmig in dem ganzen Plättchen erzeugt wird und der ungleichförmigen Erwärmung infolge der thermoelektrischen Wirkungen zwischen den Stromzuführungen an den Flächen 4 und 5 und dem Hallplättchen, wodurch sich eine Peltier-Wärme an der einen Oberfläche und eine Peltier-Abkühlung an der entgegengesetzten Fläche ergibt. Infolgedessen entsteht ein Temperaturabfall zwischen den Oberflächen 4 und 5 des Plättchens. Wenn man annimmt, daß die erzeugte Wärme gleichförmig über die Fläche des Plättchens verteilt ist, dann verlaufen die Isothermen parallel zu diesen Oberflächen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Hallplättchen in ein Material eingebettet wird, das eine hohe thermische Leitfähigkeit hat, wie z. B. ein mit Tonerde versetztes Fett.

Wenn die Hallkontakte 6 und 7 nicht richtig zueinander ausgerichtet sind, dann ergibt sich eine Fehlausrichtungsspannung zwischen ihnen und eine Temperaturdifferenz, die ihrerseits thermoelektrische Spannungen an den Berührungspunkten erzeugt. Um diese Spannungen zu eliminieren, ist das Hallplättchen 1 mit zwei Ansätzen 31 und 32 versehen, die genau einander gegenüberliegen, so daß die Ansätze auf den gleichen Isothermen und Equipotentiallinien liegen. Die Anschlüsse 6 und 7 werden dann an den Enden dieser Vorsprünge angelötet, ohne daß beim Anlöten irgendwelche weiteren Ausrichtmaßnahmen erforderlich sind. Durch die Lage der Ansätze wird sichergestellt, daß die beiden Verbindungen aufeinander ausgerichtet sind, und daß keine Fehlausrichtungs- oder thermoelektrischen Spannungen zwischen ihnen auftreten können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Hallspannungserzeuger, insbesondere für Multiplikations-, Modulations- oder Frequenzumwandlungszwecke, der einen magnetischen Kreis unter Verwendung von Ferritmaterial besitzt, in dessen Luftspalt ein Hallplättchen angeordnet ist, und der durch eine Spule erregbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis durch eine aus Ferritmaterial gefertigte, die Form eines für Hallspannungserzeuger an sich bekannten Topfmagnets aufweisende Kernanordnung gebildet ist, daß mindestens je eine für Hallspannungserzeuger auch an sich bekannte, durch den magnetischen Kreis induzierbare Kompensationswicklung im Hallspannungs- bzw. im Steuerspannungskreis angeordnet ist, und daß jede der Kompensationswicklungen durch ein von außerhalb der Kernanordnung einstellbares Widerstandspotentiometer belastet ist.

2. Hallspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kompensationswicklungen belastenden Widerstände mit der Kernanordnung baulich vereinigt sind.

3. Hallspannungserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernanordnung einen zentralen Kern, einen Rückschlußzylinder und zwei stirnseitig angebrachte, zylindrische Endplatten besitzt.

4. Hallspannungserzeuger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hallplättchen in einem Luftspalt zwischen einer Endplatte und

dem zentralen Kern oder in einem Luftspalt eines in der Höhe geteilten Kernes oder daß mehrere Hallplättchen in dem Luftspalt zwischen einer Endplatte und dem Rückschlußzylinder nebeneinander angeordnet sind.

5. Hallspannungserzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der beiden Potentiometer in einer ringförmigen Aussparung der einen zylindrischen Endplatte untergebracht sind.

6. Hallspannungserzeuger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuerelektroden des Hallplättchens durch einen Temperaturkompensationswiderstand überbrückt sind.

7. Hallspannungserzeuger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da-

durch gekennzeichnet, daß eine weitere, durch einen Wechselstrom gespeiste Wicklung die Kernanordnung zusätzlich induziert.

8. Hallspannungserzeuger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallelektroden des Hallplättchens an einander gegenüberliegenden Plättchenansätzen angeschlossen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 954 355;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 011 041;

USA.-Patentschriften Nr. 2 464 807, 2 550 492,
806;

französische Patentschrift Nr. 1112 375;

»Electronic Engineering«, Nov. 1958, S. 661 bis 666.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen