DE1137507B

DE1137507B - Circuit arrangement for temperature-independent mapping of a magnetic field, a current generating this field or the product of two electrical quantities by means of a magnetic field-dependent semiconductor

Info

Publication number: DE1137507B
Application number: DEL33300A
Authority: DE
Inventors: Dr Techn Sua For Sun
Original assignee: Landis and Gyr AG
Current assignee: Landis and Gyr AG
Priority date: 1959-05-13
Filing date: 1959-05-25
Publication date: 1962-10-04

Description

Schaltungsanordnung zum temperaturunabhängigen Abbilden eines Magnetfeldes, eines dieses Feld erzeugenden Stromes oder des Produkts zweier elektrischer Größen mittels eines magnetfeldabhängigen Halbleiters Es ist bekannt, zur Beeinflussung von Strömen oder Spannungen durch Magnetfelder Halbleiter zu verwenden, die dem Magnetfeld ausgesetzt sind und deren Eigenschaften von der Stärke des Magnetfeldes abhängen. Hierbei können zwei Effekte ausgenutzt werden: der Halleffekt oder der Gaußeffekt. Circuit arrangement for temperature-independent imaging of a magnetic field, a current generating this field or the product of two electrical quantities by means of a magnetic field-dependent semiconductor It is known for influencing of currents or voltages through magnetic fields to use semiconductors that correspond to the Are exposed to a magnetic field and their properties depend on the strength of the magnetic field depend. Two effects can be used here: the reverb effect or the Gaussian effect.

Der Halleffekt besteht darin, daß an einem rechteckigen Halbleiterplättchen, das in Richtung der einen Achse von einem Steuerstrom durchflossen wird, quer zu der Richtung dieses Steuerstromes eine Spannung entsteht, wenn die Fläche des Plättchens von einem Magnetfeld durchsetzt wird. Diese sogenannte Hallspannung ist dem Produkt aus Steuerstrom und magnetischer Induktion annähernd proportional. Bei dem Gaußeffekt handelt es sich darum, daß der Widerstand des Halbleiters von der Stärke des Magnetfeldes abhängt, dem er ausgesetzt ist. The Hall effect is that on a rectangular semiconductor wafer, which is traversed by a control current in the direction of one axis, transversely to the direction of this control current creates a voltage when the surface of the plate is penetrated by a magnetic field. This so-called Hall voltage is the product from control current and magnetic induction approximately proportional. With the Gaussian effect it is a matter of the fact that the resistance of the semiconductor depends on the strength of the magnetic field depends on what it is exposed to.

Beide Effekte werden benutzt, um entweder nur das Magnetfeld, genauer gesagt seine Induktion, durch eine davon abhängige Spannung oder Stromstärke abzubilden, oder auch, um einen das Magnetfeld erzeugenden Strom oder das Produkt zweier elektrischer Größen abzubilden. Als Halbleiter kommen dabei vorzugsweise Verbindungen von Elementen der Gruppen III und V des Periodischen Systems, insbesondere Indiumarsenid und Indiumantimonid, in Frage. Nachteilig ist dabei, daß sowohl die Halbkonstante, d. h. der Faktor, mit dem das Produkt aus Steuerstrom und Induktion multipliziert werden muß, um die Hallspannung zu erhalten, als auch der Widerstand des Halbleiters von dessen Temperatur abhängt. Both effects are used to make either just the magnetic field, more precisely said its induction, to be mapped by a voltage or current that is dependent on it, or to a current generating the magnetic field or the product of two electric currents Map sizes. In this case, compounds of elements are preferably used as semiconductors of groups III and V of the periodic system, in particular indium arsenide and indium antimonide, in question. The disadvantage here is that both the half-constant, d. H. the factor, by which the product of control current and induction must be multiplied to obtain the Hall voltage as well as the resistance of the semiconductor from its temperature depends.

Es sind Schaltungen bekanntgeworden, die dazu dienen sollen, bei Hallgeneratoren, d. h. Halbleitern, bei denen der Halleffekt zur Steuerung der Ausgangsgröße durch ein Magnetfeld ausgenutzt wird, den Einfluß veränderlicher Temperatur auf die Ausgangsgröße zu kompensieren. So hat man mit Hilfe von Widerständen oder Transformatoren an die Steuerstromanschlüsse des Hallgenerators eine konstante bzw. der Meßgröße proportionale Spannung angelegt, statt ihnen einen entsprechenden Strom zuzuführen. Dabei wird angenommen, daß sowohl die Hallkonstante als auch der Widerstand des Hallelementes sich in Abhängigkeit von der Temperatur nach Exponentialfunktionen ändern, die ungefähr gleich große Exponenten aufweisen. Dies führt aber nur dann zu praktisch brauchbaren Ergebnissen, wenn die Dimensionen des Halbleiterplättchens des Hallelementes zweckentsprechend gewählt werden und außerdem die magnetische Induktion nur innerhalb eines verhältnismäßig schmalen Bereichs geändert wird. Zu beachten ist aber, daß durch die bekannte Kompensationsmaßnahme nur eine Kompensation bezüglich des Halleffektes erfolgt, während die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes des Hallelementes unkompensiert bleibt. Circuits have become known that are intended to be used in Hall generators, d. H. Semiconductors, where the Hall effect to control the output is exploited by a magnetic field, the influence of variable temperature on to compensate for the output. So you have with the help of resistors or transformers to the control current connections of the Hall generator a constant or the measured variable proportional voltage applied instead of supplying them with a corresponding current. It is assumed that both the Hall constant and the resistance of the Hall element itself as a function of the temperature according to exponential functions change, which have exponents of approximately the same size. But this only leads then to practical results if the dimensions of the semiconductor die of the Hall element can be selected appropriately and also the magnetic Induction is only changed within a relatively narrow range. to However, it should be noted that the known compensation measure only provides compensation with regard to the Hall effect takes place, while the temperature dependence of the resistance of the Hall element remains uncompensated.

Man hat auch schon durch temperaturabhängige Widerstände im Steuerkreis des Hallgenerators den Steuerstrom zusätzlich so beeinflußt, daß die temperaturabhängigen Änderungen der Hallkonstante dadurch annähernd ausgeglichen werden. Weiterhin ist es bekannt, in den Ausgangskreis des Hallgenerators einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten zu legen, um bei zunehmender Temperatur durch Widerstandverminderung des Ausgangskreises den Einfluß der abnehmenden Hallkonstante auf den Ausgangsstrom wieder aufzuheben. You also have temperature-dependent resistors in the control circuit of the Hall generator also influences the control current so that the temperature-dependent Changes in the Hall constant are thereby approximately compensated. Furthermore is it is known to have a negative resistance in the output circuit of the Hall generator To put temperature coefficients in order to increase the temperature by reducing the resistance of the output circuit the influence of the decreasing Hall constant on the output current to pick up again.

Schließlich ist eine Schaltung bekanntgeworden, bei der mit dem Ausgangskreis eines Hallgenerators ein weiterer Halbleiter in Reihe liegt, dessen Temperaturabhängigkeit den Temperaturgang des inneren Widerstandes des als Hallgenerator dienenden Halbleiterkörpers bezüglich des Ausgangsstromes ausgleichen soll. Damit der zusätzliche Halbleiter diese Aufgabe erfüllen kann, muß sich sein Widerstand mit der Temperatur gegensinnig zu dem des Hallgenerators ändern. Trotzdem kann der zusätzliche Halbleiter ebenso wie der Hallgenerator aus einer Verbindung von zwei Elementen der Gruppen III und V bestehen, nur nicht aus genau denselben Elementen. So hat z. B. Indiumantimonid einen positiven, das für Hallgeneratoren meist verwendete Indiumarsenid dagegen einen negativen und außerdem wesentlich kleineren Temperaturbeiwert. Finally, a circuit has become known in which with the output circuit a Hall generator another semiconductor is in series, its temperature dependence the temperature variation of the internal resistance of the semiconductor body serving as a Hall generator to compensate for the output current. So that the additional semiconductor To be able to fulfill this task, its resistance must be opposite to the temperature change to that of the hall generator. Nevertheless, the additional semiconductor can do the same like the hall generator from one Connection of two elements of the Groups III and V consist, just not of exactly the same elements. So has z. B. Indium antimonide is a positive indium arsenide, which is mostly used for Hall generators on the other hand a negative and also much smaller temperature coefficient.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum temperaturunabhängigen Abbilden eines Magnetfeldes, eines dieses Feld erzeugenden Stromes oder des Produktes zweier elektrischer Größen als Spannung in Verbindung mit einem vom Magnetfeld gesteuerten, magnetfeldabhängigen Halbleiter, bei der mit dem Halbleiter ein temperaturabhängiger Widerstand verbunden ist, dessen Temperaturgang mit dem des Halbleiters gleichsinnig ist. Gemäß der Erfindung ist bei Ausnutzung des Gaußeffektes des Halbleiters der temperaturabhängige Widerstand mit dem Halbleiter in Reihe geschaltet, wobei der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes gegenüber dem Widerstandswert des Halbleiters groß ist und als Meßgröße der Spannungsabfall an dem Halbleiter dient. The invention relates to a circuit arrangement for temperature-independent Imaging of a magnetic field, a current generating this field or the product two electrical quantities as voltage in connection with one controlled by the magnetic field, Magnetic field-dependent semiconductor, in which the semiconductor is a temperature-dependent one Resistance is connected, the temperature response of which is in the same direction as that of the semiconductor is. According to the invention, when the Gaussian effect of the semiconductor is used temperature-dependent resistor connected in series with the semiconductor, the Resistance value of the temperature-dependent resistance compared to the resistance value of the semiconductor is large and the voltage drop across the semiconductor as a measurable variable serves.

Die Ausnutzung des Gaußeffektes bietet gegenüber der Verwendung von Halbleiterelementen, bei denen der Halleffekt benutzt wird, den Vorteil, daß die Kompensation nur für eine temperaturabhängige Größe anstatt, wie beim Hallgenerator, für zwei Größen durchgeführt zu werden braucht, was leichter und genauer bewerkstelligt werden kann. The utilization of the Gaussian effect offers compared to the use of Semiconductor elements that use the Hall effect have the advantage that the Compensation only for a temperature-dependent variable instead of, as with the Hall generator, needs to be done for two sizes, which can be done more easily and more accurately can be.

Da bei Ausnutzung des Gaußeffektes der Halbleiter nur in einem einzigen Stromkreis liegt, erscheint es zunächst als das gegebene, die Widerstandsänderung, die der Halbleiter infolge von Temperaturänderungen erleidet, in der gleichen Weise, wie dies für den Ausgangskreis von Hallgeneratoren bekannt ist, durch einen zusätzlichen, temperaturabhängigen Widerstand, dessen Widerstandswert den entgegengesetzten Temperaturgang aufweist als der Halbleiter, in ihrem Einfluß auf den Strom im Anzeigeinstrument auszugleichen. Es ist jedoch sehr schwierig, einen temperaturabhängigen Widerstand so auszugestalten, daß sein Temperaturgang zwar entgegengesetzt, im übrigen aber nach annähernd der gleichen Gesetzmäßigkeit verläuft wie der des Halbleiters. Since when the Gaussian effect is used, the semiconductor is only used in a single Circuit, it initially appears as the given, the change in resistance, which the semiconductor suffers as a result of temperature changes, in the same way, as is known for the output circuit of Hall generators, by an additional, temperature-dependent resistance, the resistance value of which has the opposite temperature curve than the semiconductor, in their influence on the current in the display instrument balance. However, it is very difficult to make a temperature dependent resistor designed so that its temperature response is opposite, but otherwise runs according to approximately the same law as that of the semiconductor.

Diese Schwierigkeit wird von der Erfindung in der Weise beseitigt, daß ein temperaturabhängiger Widerstand mit gleichsinnigem Temperaturgang wie der Halbleiter benutzt wird.This difficulty is eliminated by the invention in such a way that that a temperature-dependent resistance with temperature response in the same direction as the Semiconductor is used.

Die Wirkung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Diagramm und Fig. 2 einen Stromkreis. The effect of the circuit arrangement according to the invention is illustrated by hand the drawing explained in more detail. 1 shows a diagram and FIG. 2 shows a circuit.

Im Diagramm gemäß der Fig. 1 ist für ein rechteckiges Plättchen aus dem Halbleitermaterial Indiumantimonid der Widerstand in Funktion der Temperatur für einen Temperaturbereich von -40 bis +80° C dargestellt. Die Kurve 1 gilt für eine Induktion B = 0 Gauß, die Kurve 2 für B = 2 Kilogauß und die übrigen Kurven 3 bis 6 für Induktionen, die je um 2 Kilogauß höherliegen. Im Diagramm der Fig. 1 sind die Ordinaten in logarithmischem Maßstab aufgetragen. Innerhalb des Temperaturbereiches von -20 bis +40° C weisen die Kurven 1 bis 6 praktisch einen linearen Verlauf auf, und sie sind innerhalb des betrachteten Temperaturbereiches zueinander außerdem parallel. Dies bedeutet, daß es sich bei diesen Kurven um Exponentialfunktionen handelt und daß diese alle den gleichen Exponenten aufweisen. In the diagram according to FIG. 1, a rectangular plate is off the resistance as a function of temperature for the semiconductor material indium antimonide shown for a temperature range from -40 to + 80 ° C. Curve 1 applies to an induction B = 0 Gauss, curve 2 for B = 2 kilogauss and the remaining curves 3 to 6 for inductions that are each 2 kilogauss higher. In the diagram of Fig. 1 the ordinates are plotted on a logarithmic scale. Within the temperature range from -20 to + 40 ° C, curves 1 to 6 are practically linear, and they are within the considered temperature range to each other as well parallel. This means that these curves are exponential functions acts and that they all have the same exponent.

Für einen magnetfeldabhängigen Widerstandskörper gilt bekanntlich allgemein die Beziehung RB =J(i3,B), worin RB den Widerstandswert bei der Induktion B und Ro den Widerstandswert bei der Induktion Null bedeutet. It is known that the following applies to a magnetic field-dependent resistance body generally the relation RB = J (i3, B), where RB is the resistance value at induction B and Ro mean the resistance value at induction zero.

Unter Berücksichtigung einer Temperaturänderung kann, da eine Exponentialfunktion vorliegt, gesetzt werden Rst = f(Roo, B) hat , worin RBt den Widerstandwert bei der Induktion B und der Temperatur t°C und R00 den Widerstandswert bei der Induktion Null und der Temperatur 0° C bedeutet. Um den durch einen Widerstandskörper fließenden Strom i verursachten Spannungsabfall am Widerstandskörper konstant zu halten, müßte sich der Strom i gemäß der folgenden Beziehung ändern: it = t0 e+at, worin it den Strom durch den Widerstandskörper bei einer Temperatur von t"C und io den Strom bei der Temperatur 0° C bedeutet. Taking into account a change in temperature, there can be an exponential function is present, set Rst = f (Roo, B), where RBt is the resistance value at the induction B and the temperature t ° C and R00 the resistance value during induction Zero and the temperature means 0 ° C. Around the flowing through a resistance body To keep constant the voltage drop caused by the current i at the resistor body, would have to be the current i change according to the following relation: it = t0 e + at, where it den Current through the resistor body at a temperature of t "C and io the current means at temperature 0 ° C.

Diese Forderung kann nun durch den in der Fig. 2 dargestellten Stromkreis erzielt werden. This requirement can now be achieved by the circuit shown in FIG be achieved.

In der Fig. 2 bedeutet RB einen magnetfeldabhängigen Widerstandskörper, der als kleine Scheibe ausgebildet ist, und W einen Widerstand, dessen Widerstandswert bei allen Betriebsverhältnissen bedeutend größer ist als derjenige des Widerstandskörpers. Letzterer und der Widerstand W liegen in Reihe und sind beispielsweise über die Sekundärwicklung 6 eines Transformators 7 gespeist, der primärseitig an ein Wechselstromnetz 8 angeschlossen ist. Mit 9 ist eine Erregerwicklung bezeichnet, die in das Wechselstromnetz 8 eingeschaltet ist und die den Widerstandskörper RB beeinflussende Induktion B erzeugt. In Fig. 2, RB means a magnetic field-dependent resistance body, which is designed as a small disk, and W a resistor, its resistance value is significantly larger than that of the resistance body in all operating conditions. The latter and the resistor W are in series and are, for example, about the Secondary winding 6 of a transformer 7 is fed, the primary side to an alternating current network 8 is connected. 9 with an excitation winding is referred to, which is in the AC network 8 is switched on and the induction B influencing the resistance body RB generated.

Unter den gewählten Verhältnissen ergibt sich, daß der durch RB und W fließende Strom i praktisch nur durch den Widerstandwert des Widerstandes W bestimmt ist. Weist nun der Widerstand W eine Kennlinie au?, die derjenigen des Widerstandskörpers RB ähnlich ist, also Wt W0e-at, worin Wt den Widerstandswert bei der Temperatur t"C und W0 denjenigen bei der Temperatur 0°C bedeutet, so fließt als Folge der Sekundärspannung u ein Strom i durch den WiderstandskörperRB, der durch die folgende Beziehung gegeben ist: u = »e-at -tf(Roo, B)e at oder, da W0e-at (Ro0, B)e-at ist, i = u/W0 e+at. Under the chosen conditions it follows that the through RB and W flowing current i is determined practically only by the resistance value of the resistor W. is. If the resistance W now exhibits a characteristic curve, that of the resistance body RB is similar, i.e. Wt W0e-at, where Wt is the resistance value at temperature t "C and W0 means those at the temperature 0 ° C, then flows as a result of the secondary voltage u is a current i through the resistance body RB given by the following relation is: u = »e-at -tf (Roo, B) e at or, since W0e-at (Ro0, B) e-at, i = u / W0 e + at.

Ein solcher Strom i genügt der oben angeführten Beziehung für it, d. h., er erfüllt die Bedingung, die für die Kompensation der Temperaturabhängigkeit eines magnetfeldabhängigen Widerstandskörpers ermittelt wurde. Such a current i satisfies the above relation for it, d. that is, it fulfills the condition required to compensate for the temperature dependency a magnetic field-dependent resistor body was determined.

Der Widerstand W kann aus dem gleichen Material hergestellt sein wie der Widerstandskörper RB, oder er kann, um einen gewünschten Temperaturkoeffizienten zu erhalten, aus mehreren Teilwiderständen mit positiven und negativen Temperaturkoeffizienten zusammengesetzt sein. Außerdem kann der Widerstand W auch durch ein geeignetes Netzwerk ersetzt werden. The resistor W can be made of the same material like the resistor body RB, or he can to a desired temperature coefficient obtained from several partial resistances with positive and negative temperature coefficients be composed. In addition, the resistor W can also be through a suitable network be replaced.

Der in der Fig. 2 dargestellte Stromkreis zeigt zugleich ein Anwendungsbeispiel für die Messung der Wechselstromleistung des Netzes 8, wobei das Feld B der Erregerwicklung 9 dem Verbraucherstrom 1 und die Sekundärspannung u der Verbraucherspannung proportional ist. Die Anzeige der Wechselstromleistung erfolgt an einem Spannungsmesser 10, der den am Widerstandskörper Rg auftretenden Gleichspannungsabfall mißt. The circuit shown in FIG. 2 also shows an application example for measuring the AC power of the network 8, the field B being the field winding 9 the consumer current 1 and the secondary voltage u proportional to the consumer voltage is. The AC power is displayed on a voltmeter 10, the measures the DC voltage drop occurring at the resistor body Rg.

Der beschriebene Stromkreis kann bei allen Widerstandskörpersn, die einen Gaußeffekt zeigen, wie z. B. Germanium, Silizium, Indiumarsenid usw., zur Anwendung kommen. Wesentlich für die angestrebte Kompensation der Temperaturabhängigkeit solcher Widerstandskörper ist, die Steuerung des durch den Widerstandskörper fließenden Stromes durch einen Widerstand, der im Verhältnis zum Widerstandskörper einen z. B. 100mal größeren Widerstandswert aufweist und den gleichen Temperaturkoeffizienten wie der Widerstandskörper hat. The circuit described can be used with all resistance bodies that show a Gaussian effect, such as B. germanium, silicon, indium arsenide, etc., for Application. Essential for the desired compensation of the temperature dependency such resistance body is the control of the flowing through the resistance body Current through a resistor, which in relation to the resistor body a z. B. 100 times greater resistance and the same temperature coefficient as the resistance body has.

Von Vorteil gegenüber Einrichtungen, bei denen Hallelemente verwendet werden, ist, daß bei Widerstandskörpern mit Gaußeffekt die Kompensation nur für eine Größe statt für zwei Größen wie beim Hallelement durchzuführen ist, was leichter und genauer bewerkstelligt werden kann. Advantageous over facilities in which Hall elements are used is, that with resistance bodies with Gaussian effect the compensation only for It is easier to perform one size instead of two sizes as with the Hall element and can be done more precisely.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Circuit arrangement for temperature-independent Imaging of a magnetic field, a current generating this field or the product two electrical quantities as voltage in connection with one controlled by the magnetic field Magnetic field-dependent semiconductor, in which the semiconductor is a temperature-dependent one Resistance is connected, the temperature response of which is in the same direction as that of the semiconductor is, characterized in that when the Gaussian effect of the semiconductor is used the temperature-dependent resistor is connected in series with the semiconductor that the resistance value (W) of the temperature dependent resistance versus the resistance value (Rb) of the semiconductor is large and the voltage drop across the semiconductor as a measured variable serves.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the temperature-dependent resistance from several partial resistances forming a network is composed.

3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the temperature-dependent resistance from several partial resistances with positive and negative temperature coefficient is composed.

References considered: U.S. Patent No. 2,536 806; French Patent No. 1166,600; "Siemens-Zeitschrift", 1957, issue 8, Pp. 404 to 409.