DE1154281B

DE1154281B - Einrichtung zum Bilden des Kehrwertes von Stroemen, Spannungen oder Magnetfluessen

Info

Publication number: DE1154281B
Application number: DES37366A
Authority: DE
Inventors: Eberhardt Braunersreuther; Dr Rer Nat Friedrich Kuhrt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1953-09-21
Filing date: 1954-01-29
Publication date: 1963-09-12
Also published as: FR1112375A; DE1157797B; NL236273A; US3003698A; GB789667A; CH336199A; NL110171C; US2808988A; IT520084A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S37366IXb/42d

ANMELDETAG: 29. J A N U A R 1954

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 12. SEPTEMBER 1963

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Bilden des Kehrwertes von Strömen, Spannungen oder Magnetflüssen.

Es ist bekannt, den Halleffekt zur Produktbildung auszunutzen, indem ein sogenannter Hallkörper dem Feld einer Magnetfeldanordnung ausgesetzt wird, deren Fluß B dem einen der Produktfaktoren proportional ist, und indem gleichzeitig ein Steuerstrom Ist durch den Hallkörper geleitet wird, der dem anderen der Produktfaktoren proportional ist. An zwei Hallelektroden des Hallkörpers entsteht dadurch eine Hallspannung Uh = const · B ■ I_st-

Die Erfindung zeigt demgegenüber einen Weg, der es ermöglicht, mit Hilfe des Halleffektes den Kehrwert von Strömen, Spannungen oder Magnetflüssen herzustellen. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß diese Aufgabe gelöst werden kann, wenn eine Einrichtung geschaffen wird, die bei Veränderungen des magnetischen Feldes den durch den Hallkörper fließenden Steuerstrom Ist selbsttätig so nachstellt, daß die Hallspannung Uh stets den gleichen Wert behält. Dadurch ergibt sich, daß das magnetische Feld und der Steuerstrom Ist zueinander reziprok werden. In einer derartig selbsttätig geregelten Magnetfeldanordnung mit einem Hallkörper zur Kehrwertbildung besteht im wesentlichen die Erfindung.

In einer älteren Patentanmeldung wurde bereits vorgeschlagen, zur Quotientenbildung einen magnetfeldempfindlichen Widerstandskörper heranzuziehen, der von einer der Größen magnetisch beaufschlagt wird. Der Widerstandskörper liegt mit einem Hilfswiderstand in Reihe, an dem der Quotient als Spannungsabfall abnehmbar ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf die Verwendung eines Hallspannungserzeugers für die Kehrwert- bzw. Quotientenbildung in einer speziell hierfür geeigneten Schaltung.

An Hand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels sei der Grundgedanke der Erfindung näher erläutert. Ein Hallkörper 3 wird von einem in den Wicklungen 1 und 2 erzeugten Magnetfeld B beeinflußt und von einem Steuerstrom Ist durchflossen. Die beiden Magnetfeldwicklungen 1 und 2 sind an eine Gleichspannungsquelle t/angeschlossen. An den beiden Hallelektroden 4 und 5 entsteht sodann eine Hallspannung Uh — const · B ■ Ist- In dieser Gleichung ist B direkt proportional der Spannung U, so daß die Gleichung auch lauten kann: Uh-C₁- U■ I_st, und/ oder da ferner der durch die Magnetfeldwicklungen 1 und 2 fließende Strom / der Spannung U proportional ist, Uh = C₂ · / · Ist. Wird durch eine geeignete Regeleinrichtung der durch den Hallkörper 3 fließende Steuerstrom I_st in seiner Größe so geregelt, daß die Einrichtung zum Bilden des Kehrwertes

von Strömen, Spannungen

oder Magnetflüssen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. rer. nat. Friedrich Kuhrt

■und Eberhardt Braunersreuther, Nürnberg,

sind als Erfinder genannt worden

Hallspannung Ur mindestens annähernd konstant bleibt, so wird der Steuerstrom Ist reziprok proportional dem Strom/ entsprechend der Gleichung

Uh = C₂-1·Ist — const■ I_st = C₃ · —.

Diese Regelung des Steuerstromes I_st in der Weise, daß die Hallspannung Uh annähernd konstant bleibt, erfolgt mit Hilfe einer Vergleichsspannungsquelle 6 von konstanter und zur Hallspannung Uh entgegengesetzter Spannung. Die Regelabweichung Uh — U₆ ist an den Eingang eines Verstärkers 7 angeschlossen. Der Netzanschluß des Verstärkers 7 ist durch zwei Klemmen 8 dargestellt. Der Verstärker hat eine galvanische Trennung zwischen seinem Eingangskreis und seinem Ausgangskreis. Letzterer ist über einen Hilfswiderstand 9 an die Stromklemmen 10, 11 des Hallkörpers 3 angeschlossen. Bei geringen Abweichungen der Hallspannung Uh bzw. der Regelabweichung Uh — U_e wird der Verstärker 7 so ausgesteuert, daß der den Hallkörper steuernde Ausgangsstrom den Sollwert der Hallspannung wiederherstellt. Sinkt also beispielsweise die Spannung U ab, so wird das von den Wicklungen 1 und 2 und auf den Hallkörper einwirkende Magnetfeld schwächer. Dies bewirkt ein Absinken der Hallspannung Us und damit ein Ansteigen der auf den Verstärker 7 wirkenden Regelabweichung, so daß der den Hallkörper steuernde Ausgangsstrom des Verstärkers 7 so lange vergrößert

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wird, bis die Hallspannung Uh wieder auf den Sollwert ständen 14 und 15 kann auch eine andere ähnliche angestiegen ist. Es ist also durch die beschriebene Schaltung verwendet werden, die in der Lage ist,

_AJ j c. . r . 1 JJi, einen derartigen Steuerwert für den nachfolgenden

Anordnung der Steuerstrom I_st = const · _T und daher _{Verstärker ?} |_{u erzeugen>
daß dieser entspreche} ^S _{nd der}

j -^/-j^jn-o * 1 u -u 5 Abweichung der Hallspannung Uh von einem vor-

andern Widerstand 9 eine Spannung const-^ abnehm- _gesehenen ^S _Normai_wert ^P _eine Lnstantregelung der

bar. Das gleiche gilt für den von den Feldwicklungen 1 Hallspannung bewirkt.

und 2 erzeugten Magnetfluß. Bei zahlreichen Hallkörpern ist von der Größe des ■ Durch die Erfindung wird also eine Einrichtung zum auf sie einwirkenden Magnetfeldes nicht nur die HaIl-Bilden des Kehrwertes von Strömen, Spannungen oder io spannung abhängig, sondern auch der ohmsche Magnetflüssen geschaffen, die dadurch gekennzeichnet Widerstandswert des Hallkörpers, so daß beispielsist, daß bei einem an sich bekannten Hallgenerator weise bei stärkerem; Magnetfeld infolge Erhöhung eine Vergleichsvorrichtung vorgesehen ist, durch die dieses Widerstandes der Steuerstrom / durch den bei Abweichungen der Hallspannung von ihrem Hallkörper sinkt. Da aber der Steuerstrom / lediglich Sollwert ein Verstärker so ausgesteuert wird, daß der 15 abhängig sein soll von der Größe der Spannung U, den Hallkörper steuernde Ausgangsstrom des Ver- also weitgehend konstante Widerstände im Steuerstärkers den Sollwert der Hallspannung wieder- Stromkreis des Hallkörpers für die Regeleinrichtung herstellt. Voraussetzung sind, ist es vorteilhaft, in Reihe zum In der Schaltung nach Fig. 1 ist der Strom /, den Hallkörper 3 einen Widerstand 16 zu schalten, dessen die Spannung U durch die Feldwicklungen 1 und 2 20 elektrischer Widerstandswert wesentlich größer ist als .-1.JA 1 *■ " 1 "j ■ derjenige des Hallkörpers 3. Infolge dieses großen trabt, der Ausgangsspannung ^- proportional und yoJwitartuufce 16 können sich die im Verhältnis

_o, j _A . l τ-« ι · ι. ·ι* hierzu geringfügigen Widerstandsänderungen des Hall-

außerdem dem Ausgangsstrom -, . Das gleiche gilt _körpersV praktisch _{nicht auf die Größe} |_{es Stromes} j

für den von den Feldwicklungen 1 und 2 erzeugten 25 auswirken. Es wird also durch den Vorwiderstand 16 Magnetfluß. Mit der Einrichtung nach Fig. 1 lassen auch bei störender Magnetfeldabhängigkeit des Widersteh also auf einfache Weise Kehrwerte von elektrischen Standes des Hallkörpers eine eindeutige Beziehung Spannungen oder Strömen bilden. Außerdem lassen zwischen U und / hergestellt. Für den Fall, daß die sich Kehrwerte von magnetischen Flüssen bilden, wenn als Kehrwert darzustellende Größe zeitlich veränder-

_{J1JA x} - vr χ« . 1 · 30 Weh ist, wird man den Ausgangsstrom des Ver-

durch den Ausgangsstrom des Verstärkers _y seiner- _stärkers'_{7 abnehmen}.

seits ein Magnetfluß erzeugt wird. Als Hallkörper für die Einrichtung nach der Erfin-Es lassen sich ferner Kehrwerte von beliebigen dung sind besonders elektrische Halbleiterwiderstände technisch-physikalischen Größen bilden, indem diese geeignet mit einer Trägerbeweglichkeit, das ist die

in an sich bekannter Weise zunächst in Ströme, 35 Beweglichkeit der Elektronen und Löcher, von etwa

Spannungen oder Magnetflüsse umgewandelt werden. 6000 cm²/Vs oder mehr, vorzugsweise etwa 10 000 cm^a/

Auch Kehrwerte von mechanischen Stellgrößen Vs oder mehr. Diese Stoffe, zu denen beispielsweise

lassen sich in einfacher Weise bilden, indem eine Indiumantimonid gehört, zeichnen sich durch einen

Stellgröße unmittelbar mechanisch auf die Magnet- großen Halleffekt aus und stellen ergiebige und belast-

feldanordnung einwirkt, so daß sich ihr Fluß ändert. 40 bare Hallspannungsgeneratoren dar, im Gegensatz zu

Die Stellgröße kann beispielsweise die Lage des Hall- bekannten anderen Hallkörpern (wie z. B.Germanium),

körpers im Flußweg der Magnetfeldanordnung ver- bei denen die Hallspannung praktisch nicht belastbar

ändern oder einen Nebenschluß im Magnetkreis ver- ist und daher eine technische Verwertung außer in

stellen. In solchen Fällen können auch Dauermagnete Kompensationsschaltungen oder in Verbindung mit

zur Felderregung vorgesehen werden. All dies gilt 45 Spannungsverstärkern leistungslosen Eingangs kaum

sinngemäß auch für das nachstehend beschriebene gestatten. Die Einrichtung nach der Erfindung ist

Ausführungsbeispiel. jedoch nicht auf die vorgenannten Widerstände

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung entspricht in beschränkt, sondern kann mit an sich beliebigen

ihrer grundsätzlichen Wirkungsweise der nach Fig. 1, Widerstandskörpern, die eine Hallspannung abgeben,

und die dargestellten Einzelteile mit ihren Bezugs- 5° arbeiten. Gegebenenfalls kann die Hallspannung

zeichen sind denen nach Fig. 1 gleich. Unterschiedlich zunächst belastungslos verstärkt werden,

ist jedoch, daß der Ausgang des Verstärkers 1 nicht Mit der Einrichtung nach der Erfindung lassen sich

an die Stromanschlüsse 10, 11 des Hallkörpers 3 an- nicht nur Kehrwerte, sondern auch Quotienten

geschlossen ist, sondern an die Erregerwicklungen 1 physikalisch-technischer Größen unter Ausnutzung

und 2 der Magnetfeidanordnung. Ferner ist als Ver- 55 des Halleffektes bilden. Hierzu wird ein mit der Ein-

gleichsvorrichtung keine Stromquelle konstanter Span- richtung nach der Erfindung gebildeter Kehrwert des

nung, sondern eine Kombination aus Widerständen Divisors des gesuchten Quotienten mit dessen Divi-

yerschiedener Stromspannungscharakteristik verwen- denden multipliziert. Eine entsprechende Schaltung

det. Der Schnittpunkt zwischen der linearen Strom- zeigt Fig. 3 als Beispiel. Sie entspricht mit ihren Ein-

spannungscharakteristik der ohmschen Widerstände 12 60 zelteilen und Bezugszeichen im wesentlichen der Schal-

und 13 und der nichtlinearen, beispielsweise quadra- _{h R} _χ _{ß u d Q }} _Q ₌ £

tischen Stromspannungscharakteristik der Wider- ^{s ö x} ^ U ^&

stände 14 und 15 ergibt in diesem Fall den Sollwert bildet werden. Dazu wird zunächst der Kehrwert der

der Regelgröße auch hier wird die Regelabweichung _s _u _als Ausgangsstrom 1 des Verstärkers 7

zur Steuerung des Verstärkers 7 verwendet. An Stelle 65 ^v ^ö s a _I

der dargestellten an sich bekannten Brückenschaltung gebildet. Dieser Strom wird dann durch einen weiteren

mit zwei linearen ohmschen Widerständen 12 und 13 Hallkörper 13 geleitet, deren mit den Steuerwick-

und zwei nichtlinearen spannungsabhängigen Wider- Iungen21 und 22 versehene Magnetfeldanordnung

die Spannung U₁ als Dividend zugeführt ist. An den nicht näher bezeichneten Hallelektroden des Hallkörpers 13 ergibt sich eine Spannung, die dem gesuchten Quotienten Q = -^- proportional ist.

Die Einrichtung nach der Erfindung ist sowohl für technische als auch für rein mathematische Zwecke anwendbar. Vorteilhafte technische Anwendungen liegen in der elektrischen Netz- und Maschinenschutztechnik vor, in der die Einrichtung nach der Erfindung z. B. als kontaktloses Quotientenrelais verwendet werden kann. Es lassen sich an sich beliebige Überwachungs- und Meßaufgaben und ferner Steuer- und Regelaufgaben damit durchführen. In besonderen Fällen, z. B. bei einer Anwendung als elektrischer Rechner, kann die Genauigkeit der Einrichtung nach der Erfindung dadurch erhöht werden, daß eine an sich bekannte integral wirkende Regelung vorgesehen wird. Eine derartige Regelung vermeidet den sogenannten statischen Restfehler, der bei normalen Proportionalregeleinrichtungen vorliegt. Die Einrichtung nach der Erfindung ist im übrigen nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungs- bzw. Anwendungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die an den Steuerwicklungen 1 und 2 (Fig. 1) sowie die an den Stromanschlüssen 10 und 11 (Fig. 2) liegenden, mit U bezeichneten Spannungen auch Wechselspannungen sein. Der Verstärker 7 kann z. B. ein Röhrenverstärker oder ein Magnetverstärker sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Bilden des Kehrwertes von Strömen, Spannungen oder Magnetflüssen mit Hilfe von magnetfeldabhängigen Halbleiterkörpern, die von diesen Größen beeinflußt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem an sich bekannten Hallgenerator eine Vergleichsvorrichtung vorgesehen ist, durch die bei Abweichungen der Hallspannung von ihrem Sollwert ein Verstärker (7) so ausgesteuert wird, daß der den Hallkörper (3) steuernde Ausgangsstrom des Verstärkers den Sollwert der Hallspannung wiederherstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung aus einer Stromquelle (6) von konstanter und zur Hallspannung (Uh) entgegengesetzter Spannung besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung in an sich bekannter Weise aus einer Kombination von mindestens zwei Widerständen (12, 15 bzw. 13, 14) unterschiedlicher Stromspannungscharakteristik besteht.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallkörper (3) aus einem elektrischen Halbleiter besteht mit einer Trägerbeweglichkeit von etwa 6000 cm²/Vs oder mehr, vorzugsweise etwa 10 000 cm²/Vs oder mehr.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Bilden des Kehrwertes von Strömen oder Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme oder Spannungen einer Wicklung (1, 2) zugeführt sind und so als Magnetflüsse auf den Hallkörper (3) einwirken und daß in den an den Hallkörper angeschlossenen Ausgangskreis des Verstärkers (7) ein Widerstand (9) eingeschaltet ist, an dem der Kehrwert als Spannungsabfall entsteht.

6. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4 zum ίο Bilden des Kehrwertes eines Magnetflusses, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß auf den Hallkörper (3) einwirkt und in den an den Hallkörper angeschlossenen Ausgangskreis des Verstärkers (7) eine Wicklung eingeschaltet ist, an der der Kehrwert als Magnetfluß entsteht.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Bilden des Kehrwertes von Strömen oder Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die darzustellende Größe dem Hallkörper (3) zugeführt ist und der Ausgang des Verstärkers (7) an die Steuerwicklungen (1, 2) der Magnetfeldanordnung angeschlossen ist, wobei der Kehrwert entweder als Ausgangsspannung oder Ausgangsstrom des Verstärkers entnommen v/ird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Kehrwerte zu verwandelnden elektrischen Spannungen, Ströme oder Magnetflüsse in an sich bekannter Weise durch Umwandlung beliebiger technisch-physikalischer Größen gebildet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der in einen Kehrwert zu verwandelnde magnetische Fluß durch Umwandlung einer mechanischen Stellgröße gebildet wird, insbesondere in der Weise, daß unter Ausbildung des Magnetkreises als Permanentmagnet ein Nebenschluß im Magnetkreis gebildet wird oder daß die Lage des Hallkörpers im Magnetkreis verändert wird.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Anwendung als elektrische Rechenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung des statischen Restfehlers eine integral wirkende Regelung vorgesehen ist.

11. Verwendung der Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Bilden des Quotienten zweier physikalisch-technischer Größen, z. B. zweier Spannungen, indem ein mit der Einrichtung gebildeter Kehrwert des Divisors des gesuchten Quotienten mit dessen Dividenden multipliziert wird, vorzugsweise unter Ausnutzung des Halleffektes an einem weiteren Hallkörper (13).

In Betracht gezogene Druckschriften:

MIT Radiation Laboratory Series, vol. 19 (1948), S. 668/669;

Zeitschrift für Naturforschung (7a), 1952, S. 744 bis 749;
USA.-Patentschriften Nr. 2 585 707, 2 592 257.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen