DE1665591C3

DE1665591C3 - Ohne bewegliche Kontakte magnetisch einstellbares Potentiometer

Info

Publication number: DE1665591C3
Application number: DE1665591A
Authority: DE
Inventors: Hans 8520 Erlangen Hieronymus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-03-30
Filing date: 1966-03-30
Publication date: 1974-08-08
Also published as: DE1665591B2; US3462673A; DE1665591A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein ohne bewegliche Kontakte magnetisch einstellbares Potentiometer mit zwei beiderseits des elektrischen Mittelabgriffs befindlichen magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen bzw. Teilen eines Halbleiterwiderstandes, die in den Luftspalt eines Magnetkreises gesetzt sind.

Ein ohne bewegliche Kontakte magnetisch einstellbares Potentiometer mit zwei beiderseits des elektrischen Mittelabgriffs befindlichen Teilen eines magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstandes, die in den Luftspalt eines Magnetkreises eingesetzt sind, ist bekannt aus der deutschen Auslegeschrift 1 069 755 oder der U SA.-Patentschrift 2 712 601. Es sind ferner Anordnungen mit magnetfeldabhängigen Halbleiterbauelementen bekanntgeworden, bei denen Heißleiterwiderstände zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Halbleiterbauelemente dienen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 104 603 ist beispielsweise eine Einrichtung zur Temperaturkompensation von Hallspannungserzeugern bekannt, bei der zur Ausschaltung des Temperaturganges der Hallspannung in Reihe mit dem Hallspannungserzeuger ein Kompensationswiderstand angeordnet sein kann. Dieser Widerstand besteht aus gleichartigem Material, jedoch mit entgegengesetztem Temperaturkoeffizienten. Der Temperaturkoeffizient dieses als Heißleiter dienenden Widerstandes muß somit dem Temperaturgang des mit ihm in Reihe liegenden Hallgenerators angepaßt sein.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1137 507 ist ferner eine Anordnung zur Kompensation des Temperaturganges eines magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstandes bekannt, bei der zur Kompensation ' ein mit dem Halbleiterwiderstand in Reihe liegender Heißleiter mit gleichsinnigem Temperaturgang vorgesehen ist. Das Verhältnis des Widerstandswertes des Hejßeiters zum Widerstandswert des Halbleiters ist wesentlich größer als 1. Als Meßgröße dient dann nur der Spannungsabfall am Halbleiter.

Aus der Meßtechnik sind zwar allgemein symmetrische Anordnungen zur Temperaturkompensation von Meßwiderständen bekannt, z. B. die sogenannte Campbeil-Schaltung, jedoch handelt es sich dabei weder um magnetfeldabhängige Widerstände mit ihrem speziellen Temperaturverhalten noch liegt eine reine Reihenschaltung, sondern vielmehr eine Schaltung mit Stromverzweigungen vor (Archiv für Technisches Messen J 022-3 vom Mai 1939, S. T 61).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperaturabhängigkeit des Spannungsteilerverhältnisses von ohne bewegliche Kontakte magnetisch einstellbaren Potentiometern zu kompensieren. Erfindungsgemäß sind zur Temperaturkompensation des Potentiometers ohne wesentliche Einengung des erzielbaren Spannungsteilerverhaltnisses zwei gleiche Heißleiterwiderstände vorgesehen, von denen je einer in die dem Mittelabgriff abgewandten elektrischen Zuleitungen eingeschaltet ist, und deren Widerstand bei Zimmertemperatur kleiner ist als der Widerstand des angeschlossenen magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstandes bzw. Teiles eines Halbleiterwiderstandes ohne Magnetfeld und deren Betrag ihres Temperaturkoeffizienten bei Zimmertemperatur größer ist als der Betrag des Temperaturkoeffizienten des angeschlossenen magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstandes bzw. Teiles des Halbleiterwiderstandes im Magnetfeld.

Das Potentiometer besteht aus gleich großen Halbleiterwiderständen bzw. zwei gleich großen Teilen eines Halbleiterwiderstandes.

Magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände, insbesondere solche aus Indiumantimonid, werden in der Fachsprache vielfach als Feldplatten bezeichnet. Derartige Widerstände sind z. B. in der Zeitschrift für Physik, Bd. 176, 1963, S. 399 bis 408, beschrieben. Der Einfachheit halber wird im folgenden die Bezeichnung »Feldplatte« vielfach verwendet. Durch Veränderung eines Magnetfeldes relativ zu einer Feldplatte können Widerstände bzw. Potentiometer ohne bewegliche Kontakte, wie sie z. B. in der deutschen Patentschrift 1013 880 oder in der USA.-Patentschrift 2 712 601 beschrieben sind, hergestellt werden. Der elektrische Widerstand einer Feldplatte erreicht ein Maximum, wenn sich die Feldplatte ganz im Magnetfeld befindet bzw. dieses seinen größten Wert hat.

Durch Herausziehen der Feldplatte aus dem Magnetfeld bzw. durch Erniedrigung desselben kann der Widerstand der Feldplatte bis zu einem Minimum verkleinert werden.

Ein Potentiometer besteht in der Regel aus zwei Feldplatten bzw. einer Feldplatte mit Mittelabgriff. Dabei ist die Eingangsspannung auf die ganze Feldplatte gegeben, und die Ausgangsspannung wird zwischen dem Mittelabgriff und einem Endkontakt abgenommen. Durch Verschiebung eines Magnetfeldes relativ zur Feldplatte kann das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung kontinuierlich variiert werden.

Auf Grund der durch die Erfindung gegebenen Lehre läßt sich die Größe der zur Temperaturkompensation

eines solchen Potentiometers erforderlichen Heißleiterwiderstände auch berechnen. Das wird an Hand der schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein herkömmliches Feldplattenpotentiometer, s

F i g. 2 ein mit zwei gleichen Heißleiterwiderständen temperaturkompensiertes Potentiometer.

In Fig. 1 ist ein zusammenhängender Haloleiterkörper4 gezeichnet, der die Endelektroden 1 und 3 und den iviittelabgriff 2 besitzt. Das auf den Halbleiter- ,₀ körper wirkende Magnetfeld B ist längs des Halbleiters verschiebbar. Die Eingangsspannung ist mit U₀ und die Ausgangsspannung mit U₁ bezeichnet.

Es sei angenommen, daß der Halbleiters;reifen 4 die Länge i besitzt. Das Magnetfeld B soll im Beispiel _ls halb so lang wie der Halbleiterstreifen sein, also die Länge V₂ haben. Mit χ (0 < χ < V₂) «ei der relative Abstand des Magnetfeldanfjngs von der Elektrode I bezeichnet. Bei vom Magnetfeld unabhängigen Temperaturkoeffizienten des Halbleiterwiderstandes wäre das Spannungsteilerverhältnis „ = U₁IU₀ unabhängig von der Temperatur für jeden Wert von x. Bei herkömmlichen Feldplatten ist dies jedoch nur annähernd der Fall, da der Temperaturkoeffizient immer von der Induktion B abhängig ist.

Der Temperaturkoeffizient von Feldplatten ist meist negativ und dem Betrage nach ohne Magnetfeld geringer als im Magnetfeld. Für χ = 0 ist dann mit steigender Temperatur die relative Abnahme des Widerstandes R₁₂ größer als die von R₂₃. Dabei ist R₁₂ der Widerstand zwischen den Kontakten 1 und 2 und R₂₃ derjenige zwischen den Kontakten 2 und 3 gemäß Fig. 1. Man erhielt also bisher einen negativen Temperaturkoeffizienten der Ausgangsspannung L', bzw. des Spannungsteilerverhältnisses «.

In F i g. 2 sind in die beiden Zuleitungen vor den Kontakten 1 und 3 des Potentiometers zwei gleiche Heißleiterwiderständer, und r₂ eingeschaltet. Im übrigen entspricht die Fig. 2 der Fig. 1. Die Heißleiter sind also in Serie zu dem Halbleiterstreifen geschaltet. Dadurch wird der kleinere Widerstand (R₂₃ und r₂) — bei der Lage des Magnetfeldes gemäß F i g. 2 — durch einen entsprechend großen negativen Temperaturkoeffizienten von r₂ relativ stärker verringert als der größere Widerstand (R₁₂ und r,) durch den Heißleiter η. Die Spannung U₁ wird also zwar erhöht, der negative Temperaturkoeffizient des Potentiometers wird jedoch kompensiert.

Für χ = V2 (also für den Fall, daß das Magnetfeld genau über dem oberen Teil des Halbleiterstreifens 4 gemäß F i g. 2 steht) nimmt R₁₂ bei steigender Temperatur weniger ab als R₂₃, d. h., man erhält ohne Kompensation einen positiven TemperaturkGeffizientcn der Ausgangsspannung U₁. Die Abnahme des Heißleiterwiderstands T₁ wirkt sich stärker auf R₁₂ aus als die Abnahme von r₂ auf den größeren Widerstand R₂₃, d. h., der positive Temperaturkoeffizient von U₁ wird dem Betrage nach verringert. Erfindungsgemäß sollen die beiden Heißleiterwiderständer, und r₂ gleich groß sein. Für die Berechnung der erforderlichen Heißleiterwiderstände werden folgende Größenbezeichnungen verwendet:

R₀ der Widerstand einer Hälfte des Halbleiterstreifens 4 ohne Magnetfeld bei Zimmertemperatur.

w der Faktor der Widerstandsänderung im Magnetfeld, d. h. der Quotient des Widerstandes mit und ohne Magnetfeld, bei Zimmertemperatur,

ei der Temperaturkoeffizient der Feldplatte ohne Magnetfeld bei Zimmertemperatur,

b der Temperaturkoeffizient der Feldplatte im Magnetfeld bei Zimmertemperatur,

r₀ der Grundwiderstand der Heißleiter (bei Zimmertemperatur),

c der Temperaturkoeffizient der Heißleiter bei Zimmertemperatur,

r die Temperaturdifferenz zwischen der tatsächlichen und der Zimmertemperatur.

Unter Verwendung dieser Größen lassen sich die temperaturabhängigen Widerstände zwischen den Kontakten 1 und 2 bzw. 1 und 3 des Halbleiterstreifens 4 — also die Widerstände R₁₂ bzw. R₁₃ — berechnen. Auch der Widerstand r der Heißleiter kann — bei linearem Zusammenhang zwischen Heißleiterwiderstandswert r und Temperaturdifferenz t — als Funktion der Temperatur angegeben sein:

R₁₂ = R₀[2.x(l + ta)
R₁₃ = R₀[I + ta + W
r = C₀(I + η·)

(l - 2.v)(l + th)1 (1)

Mit Hilfe dieser drei Widerstandswerte kann das Spannungsteilerverhältnis« berechnet werden:

R₁₂ + r

_ /[R₀(2χ« + wb - 2xwb) + r„c] + R₀(W + 2x - 2x\v) + r₀

ti =

ι- A + B

Fc +7)

Dabei sind A, ß, C und D von t unabhängige Größen der Gleichung (5).

D-A-B-C = O.

w/7) + 2r_oc] + R,,(l +w) + 2r₀

(6)

tung

d,<

Soll der Temperaturkoeffizient des Spannungsteilerverhältnisses κ verschwinden, so muß die Ableitung dfi/dj = 0 sein. Daraus ergibt sich:

[R_n(I + u·) + 2/·,,] · [R₀(2.V(i + wh - 2wxb) + r_oc] - [R₀ (2χ + w - 2 WX) + r₀] [R₀ (ii + wh) + 2r_oc·] = 0, (4.x - 1) [R„w(i/ - h) + R₁W(C - h) + R₁ (« - <■)] = 0.

(9)
(10)

Der erforderliche Heißleitergrundwiderstand ist also gegeben durch:

w(a -h)

(1!

Wenn die Materialkonstanten α und b für eine bestimmte Feldplatte — in einem bestimmten Temperaturbereich — bekannt sind und ein w (> 1) ausgewählt wird, so läßt sich immer eine c (Temperaturkoeffizient der Heißleiter) finden. Tür den r„ > 0 ist. Der Heißleitergrundwiderstand r₀ muß ja, da er ein reeller Widerstand ist, positiv sein.

Die Größe der zu verwendenden gleichen Heißleiterwiderstände läßt sich also auf Grund der Lehre der Erfindung berechnen. Der berechnete Wert (Gleichung 11) gilt in erster Linie für Temperaturbereiche, in denen sowohl der Feldplattenwiderstand als auch der Heißleiterwiderstand einen verhältnismäßig linearen Temperaturgang besitzen. In solchen Temperaturbereichen ist eine praktisch vollkommene Kompensation des Temperaturkoeffizienten eines Feldplattenpotentiometers möglich. Dies gilt auch bei einer Temperaturabhängigkeit der magnetischen Induktion, also z. B. der Koerzitivkraft des erregenden Magneten. In diesem Falle ändert sich lediglich die Größe b. Das kann in der Berechnung des Heißleiterwiderstandes r„ berücksichtigt werden.

Abschließend werden zur weiteren Erläuterung der Erfindung die erforderlichen Heißleiterwiderstände für drei Potentiometer mit verschiedenen Halbleitermaterialien berechnet.

Beispiel 1

Halbleitermaterial mit einer Leitfähigkeit von 200(iicmr'

a = -1.8%/ C b = -2.9% ' C w = 10

0.41

%/■ c

-5

0.5

-4

0.62

35

40

Die Tabelle besagt, daß ein Heißleiter mit großem Temperaturkoeffizienten benötigt wird. Das Verhältnis <i_maxin_min von 10:1 ohne Kompensation wird bei Verwendung eines Heißleiterwiderstandes mit einem Temperaturkoeffizienten von - 5% C auf 7 : 1 verringert.

Beispiel 2

Halbleitermaterial mit einer Leitfähigkeit von 500(12Cm)"¹

ii = -0.12%, C h = -0,5%/"C w= 10

r_o/R_Q

	-5	%/ C -4	-3
0,077	0,095	0,122	0,172

0,29

Wird auch hier ein Heißleiter mit einem Temperaturkoeffizienten von — 5%/C gewählt, so sinkt das Verhältnis u„_aJn_min nur noch auf 9,22:1.

Beispiel 3

Halbleitermaterial mit einer Leitfähigkeit von 1000 (ücm)-'

a = +0.06%/° C b = -0,09%/° C w = 10

%/ c

-6

0,028

- 5

0,034

0,043

0,058

0,088

Hier ändert sich das Spannungsteilungsverhältnis mit c=— 5%/C auf 9,7:1; man verliert also nur 3% gegenüber dem nichtkompensierten Spannungsteiler. Die Temperaturkompensation ist also auch möglich, wenn die Vorzeichen von α und b bzw. α und c verschieden sind. Allerdings sind a, b, c und w immer so zu wählen, daß r₀ (Gleichung 11) größer als null bleibt.

Wie sich aus den vorstehenden Berechnungen ergibt, läßt sich ein Potentiometer mit gleichen Widerständen nicht nur vollkommen temperaturkompensieren, sondern die Kompensation des Temperaturgange; ist auch unabhängig von der eingestellten Spannungs teilung.

Als Material für die Feldplatten des Potentiometer« sind stark magnetfeldabhängige Halbleiter geeignet z. B. die bekannten A'"B^V-Verbindungen aus den EIe menten der III. und V.Gruppe des Periodensystems Man erhält besonders starke Magnetfeldabhängigkeit wenn im Halbleitermaterial parallel zueinander aus gerichtete gutleitende Einschlüsse eingebettet sind beispielsweise Nadeln aus Nickelantimonid in In diumantimonid.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Ohne bewegliche Kontakte magnetisch einstellbares Potentiometer mit zwei beiderseits des elektrischen Mittelabgriffs befindlichen magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen bzw. Teilen eines Halbleiterwiderstandes, die in den Luftspalt eines Magnetkreises gesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturkompensation des Potentiometers ohne wesentliche Einengung des erzielbaren Spannungsteilerverhältnisses zwei gleiche Heißleiterwiderstände (r,, r₂) vorgesehen sind, von denen je einer in die dem Mittelabgriff (2) abgewandten elektrischen Zuleitungen eingeschaltet ist, und deren Widerstand (r₀) bei Zimmertemperatur kleiner ist als der Widerstand (R₀) des angeschlossenen magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstandes bzw. Teiles eines Halbleiterwiderstands (4) ohne Magnetfeld und deren Betrag ihres Temperaturkoeffizienten (c) bei Zimmertemperatur größer ist als der Betrag des Temperaturkoeffizienten (b) des angeschlossenen magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstandes bzw. Teiles des Halbleiterwiderstandes (4) im Magnetfeld (B).