DE19544863C2 - Sensorvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung mit einem von einem Steuerstrom durchflossenen Sensor, dessen Innenwiderstand einen Temperaturkoeffizienten hat, und einer daran angeschlossenen elektrischen Schaltungsanordnung, die eine Kompensationsschaltung aufweist, mit der die die Empfindlichkeit des Sensors verfälschenden Temperatureinflüsse kompensierbar sind.

Eine Sensorvorrichtung dieser Art ist in der EP 0 273 103 B1 als bekannt ausgewiesen. Hierbei sind vorteilhafterweise voneinander unabhängige Einstellungen der Temperaturabhängigkeit von Offset und Empfindlichkeit vorgesehen, so daß auf einfache Weise ein Abgleich der Schaltung gegeben ist. Die Kompensation des Temperaturganges der Empfindlichkeit geschieht hierbei zum einen mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes in einem Widerstandsnetzwerk des Gegenkopplungszweiges eines ersten Differenzverstärkers und zum anderen mit einem temperaturabhängigen Spannungsteiler, an den der nichtinvertierende Eingang eines zweiten Differenzverstärkers angeschlossen ist. Hierdurch wird eine exakte Kompensation des Temperaturganges schwierig.

In der EP 0 129 817 B1 ist eine weitere Sensorvorrichtung mit einer Kompensationsschaltung für verfälschende Temperatureinflüsse angegeben, wobei ein konstanter Spannungsanteil und ein sich mit der Temperatur des elektrischen Systems eines Hall-Generators ändernder Spannungsanteil zu einer Spannung summiert werden, die einem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers zugeführt wird, dessen invertierender Eingang mit einem Ausgangssignal-Spannungskontakt des Hall-Generators und dessen Ausgang mit dem ausgangsseitigen Steuerstromanschluß des Hall-Generators verbunden sind. Die auf diese Weise vorgenommene Kompensation trennt nicht zwischen Temperaturgang der Empfindlichkeit und des Offsets.

Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß bei Gewährleistung einer unabhängigen Kompensation des Temperaturganges der Empfindlichkeit diese exakt und mit relativ geringem Aufwand erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Hiernach ist also vorgesehen, daß mit der Kompensationsschaltung aus der temperaturabhängigen Änderung des Innenwiderstandes des Sensors ein positiver Temperaturkoeffizient des Steuerstroms gebildet ist, der so bemessen ist, daß er die negativen Temperaturkoeffizienten der übrigen physikalischen Größen kompensiert.

Hierdurch wird stets eine exakte Kompensation des Temperaturganges der Empfindlichkeit erhalten, die aus der Temperaturabhängigkeit des Sensors selbst abgeleitet ist und somit dieser genau folgt. Auch erübrigen sich durch diese Maßnahmen zusätzliche temperaturabhängige Elemente, so daß der Schaltungsaufwand gering ist.

Vorteilhaft ist die Sensorvorrichtung so ausgelegt, daß der durch die Kompensationsschaltung gebildete positive Temperaturkoeffizient des Steuerstroms dem Betrage nach der Summe der negativen Temperaturkoeffizienten der übrigen physikalischen Größen entspricht. Beispielsweise ist bei einem Hall-Sensor die Ausgangsspannung U_H = k × I_{H X} B, wobei die Größen k, und B jeweils einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzen. Indem der Temperaturkoeffizient des Steuerstroms I_H positiv gemacht ist und dem Betrage nach der Summe der negativen Temperaturkoeffizienten der Größen k und B entspricht, wird eine praktisch vollkommene Kompensation des Temperaturganges der Empfindlichkeit erreicht, weil in der Nähe von 1 das Produkt in guter Näherung der Summe entspricht.

Ein einfacher Aufbau der Sensorvorrichtung wird dadurch erzielt, daß der Sollwert- Temperaturgang des mit dem positiven Temperaturkoeffizienten versehenen Steuerstroms aus einem temperaturfreien Anteil eines Spannungsteilers und einem temperaturbehafteten Anteil des Sensors zusammengesetzt ist.

Hierbei ist ein vorteilhafter Aufbau der Sensorvorrichtung derart, daß die Kompensationsschaltung einen Differenzverstärker aufweist, an dessen invertierendem Eingang eine Vorspannung angelegt ist und zu dem von dem Eingang des Sensors ein Rückkopplungszweig mit einem Rückkopplungswiderstand geführt ist, daß der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers mit dem steuerseitigen Ausgang des Sensors verbunden ist, der über einen Fühlerwiderstand auf Masse liegt, und daß der Ausgang des Differenzverstärkers mit einem Steuerglied für den Steuerstrom verbunden ist. Mit dieser Kompensationsschaltung wird ein Regelkreis gebildet, mit dem der gewünschte Steuerstrom stets exakt aufrechterhalten wird. Hierbei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß das Steuerglied in einem PNP-Transistor besteht und daß der Ausgang des Differenzverstärkers über einen Widerstand mit der Basis des Transistors verbunden ist, dessen Emitter an einer Versorgungsspannung liegt und dessen Kollektor an dem Eingang des Sensors angeschlossen ist.

Darüberhinaus ist eine weitere Ausgestaltung derart vorteilhaft, daß die Vorspannung zwischen zwei Widerständen eines an der Versorgungsspannung liegenden Spannungsteilers abgegriffen ist, und daß der Temperaturkoeffizient des Steuerstroms durch Dimensionierung des Rückkopplungswiderstandes und des an dem positiven Potential der Versorgungsspannung angeschlossenen Widerstands des Spannungsteilers einstellbar ist. Durch geeignete Dimensionierung des Spannungsteiler-Widerstandes KR und des Rückkopplungswiderstandes LR läßt sich der gewünschte Temperaturkoeffizient für den Strom leicht erreichen.

Ein zusätzlicher Temperatureinfluß auf das Ausgangssignal des Sensors ist dadurch kompensierbar, daß die Kompensationsschaltung um einen Schaltungsteil erweitert ist, durch den ein Offset-Temperaturgang kompensierbar ist. Der Schaltungsteil ist hierbei vorteilhafterweise so ausgebildet, daß der Schaltungsteil zwei hintereinander geschaltete Widerstände aufweist, wovon der eine an den Eingang des Sensors und der andere an dessen steuerseitigen Ausgang angeschlossen ist, und daß zwischen den beiden hintereinander geschalteten Widerständen eine Verbindung über einen weiteren Widerstand zum invertierenden Eingang eines weiteren Differenzverstärkers geführt ist, dessen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang das Ausgangssignal zur Verstärkung zugeführt ist. Hierbei ist ausgenutzt, daß der Temperaturgang des Offset-Signals dem Temperaturkoeffizienten des Innenwiderstandes des Hall-Elementes entspricht. Durch Dimensionierung von M, τM und Q läßt sich das temperaturabhängige Offset-Signal eliminieren.

Der Sensor kann beispielsweise ein Hall-Sensorelement aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt die Sensorvorrichtung, bei der ein Sensorelement HE eines Sensors H an eine elektrische Schaltungsanordnung angeschlossen ist. Fig. 2 zeigt Aus­ gestaltungen ohne den nachfolgenden Verstärker.

Die elektrische Schaltungsanordnung weist eine an den steuerseitigen Eingang E und den steuerseitigen Ausgang A angeschlossene Kompensationsschaltung für die Empfindlichkeit, einen ebenfalls an den steuerseitigen Eingang E und den steuerseitigen Ausgang A angeschlossenen Schaltungsteil zur Kompensation des Temperaturganges des Offset-Signals sowie einen an den beiden Ausgangsklemmen des Hall-Sensorelementes angeschlossenen Verstärkerteil auf.

Die Kompensationsschaltung für den Temperaturgang der Empfindlichkeit weist einen Differenzverstärker OV1 auf, dessen nichtinvertierender Eingang an den steuerseitigen Ausgang A des Hall-Sensorelementes HE und dessen invertiertender Eingang über einen Rückkopplungswiderstand LR an den steuerseitigen Eingang E des Hall-Sensorelementes HE sowie zwischen zwei Widerständen KR und R eines Spannungsteilers angeschlossen ist, an den die Versorgungsspannung +U auf der Seite des Widerstandes KR angelegt ist. Die andere Seite des Spannungsteilers liegt auf Masse. Der Ausgang des Differenzverstärkers OV1 führt über einen Widerstand O zu der Basis eines PNP-Transistors, dessen Emitter an die Versorgungsspannung +U und dessen Kollektor an den Eingang E des Hall- Sensorelementes HE angeschlossen sind. Der steuerseitige Ausgang A des Hall- Sensorelementes HE ist über einen Fühlerwiderstand F an Masse gelegt. Auf diese Weise wird für den Steuerstrom I_H ein Regelkreis gebildet, wobei der Transistor T als Steuerglied wirkt. Der Sollwert-Temperaturgang des Steuerstromes I_H setzt sich zusammen aus dem temperaturfreien Anteil des Spannungsteilers KR, R und einem temperaturbehafteten Anteil des Sensors H.

Mit der beschriebenen Kompensationsschaltung erhält der Steuerstrom I_H einen positiven Temperaturkoeffizienten, der sich durch die Dimensionierung von KR und LR in gewünschter Weise zur Kompensation der negativen Temperaturkoeffizienten der das Ausgangssignal des Sensors H beeinflussenden übrigen physikalischen Größen abstimmen läßt. Der positive Temperaturkoeffizient des Steuerstroms I_H resultiert daraus, daß der Innenwiderstand des Hall-Sensorselementes HE im Vergleich zu den übrigen physikalischen Größen einen relativ großen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt. Dadurch läßt sich der positive Temperaturkoeffizient des Steuerstroms auf einen Wert einstellen, der dem Betrage nach der Summe der negativen Temperaturkoeffizienten der übrigen physikalischen Größen entspricht.

In der bekannten Gleichung für das Sensorausgangssignal eines Hall- Sensorelementes U_H = k × I_H × B ist also der Temperaturkoeffizient des Steuerstromes I_H auf einen positiven Wert steuerbar, der dem Betrage nach der Summe der Temperaturkoeffizienten von k und B entspricht, so daß der Temperaturgang des Ausgangssignals U_H praktisch vollkommen kompensiert wird. Dies hängt damit zusammen, daß in der Nähe von 1 das durch den Temperatureinfluß geänderte Produkt in guter Näherung der durch den Temperatureinfluß geänderten Summe entspricht.

Zur Verstärkung des Ausgangssignals U_H mit dem Differenzverstärker OV2 ist die eine Ausgangsklemme des Hall-Sensorelementes HE über einen Widerstand N mit dem invertierenden Eingang und die andere Ausgangsklemme über einen Widerstand N mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers OV2 verbunden. Der Ausgang des weiteren Differenzverstärkers OV2 ist über einen Widerstand P auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt, während der nichtinvertierende Eingang über einen Widerstand P an ein Potential K × U angelegt ist.

Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung läßt sich somit der Temperaturgang der Empfindlichkeit kompensieren, wobei die temperaturabhängige Änderung des Innenwiderstandes des Hall-Sensorelementes HE ausgenutzt wird und sich somit die Verwendung zusätzlicher temperaturabhängiger Widerstände erübrigt. Bei der beschriebenen Kompensationsschaltung wird ausgenutzt, daß der Temperaturkoeffizient des Widerstandes des Hall-Elementes größer ist als der zur Kompensation der Temperaturkoeffizienten der übrigen physikalischen Größen k, B benötigte Temperaturkoeffizient des Steuerstroms I_H.

Das Hall-Sensorelement HE kann beispielsweise Teil eines Beschleunigungssensors oder dergleichen sein, wobei sich aufgrund einer zu erfassenden Eingangsgröße eine Änderung der magnetischen Induktion ergibt, die ihrerseits das Ausgangssignal U_H bestimmt.

Soweit entsprechende physikalische Zusammenhänge vorliegen, ist die Schaltungsanordnung auch bei anderen Sensoren anwendbar.

In Fig. 2 sind drei Schaltungsbeispiele A, B, C angegeben, die zeigen, wie der Sensor H an eine elektrische Schaltungs­ anordnung angeschlossen ist. Dabei entspricht die Schal­ tungsanordnung nach A in etwa dem Beispiel nach Fig. 1, je­ doch ohne die nachgeschaltete Verstärkungsanordnung. Die Bauelemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Die Anschlüsse des Hall-Sensors H sind mit 1 und 2 bezeichnet.

Die in Fig. 2 dargestellten Schaltungen bauen auf bekannten Schaltungen einer Konstantstromquelle auf und bestehen aus dem temperaturabhängigen Spannungsteiler mit den Widerstän­ den R und KR, die zwischen Versorgungsspannung und Masse liegen und an den nicht invertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers OV1 angeschlossen sind. Der Ausgang des Operationsverstärkers OV1 führt an den Anschluß 1 des Sen­ sors H, der mit einem konstanten Strom versorgt werden soll. Der Anschluß 2 des Sensors H ist über einen Widerstand F mit der positiven Versorgungsspannung verbunden. Weiterhin führt ein Abgriff an den invertierenden Eingang des Operationsver­ stärkers OV1. Aus Gründen begrenzter Aussteuerbarkeit des Operationsverstärkers OV1 kann der Spannungsteiler R1 und x . R1 an den gemeinsamen Anschluß vom Stromfühlerwiderstand F und den Anschluß 2 des Sensors H sowie den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV1 geschaltet werden. Das Bauteil bzw. der Sensor H besitzt einen - hier positiven - Temperaturkoeffizienten, so daß bei konstantem Stromzufluß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OV1 tempera­ turabhängig ist. Wird diese Schaltung mit einem Widerstand LR erweitert, welcher sich zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV1 und seinem Ausgang be­ findet, so setzt sich die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV1 aus dem temperatur­ unabhängigen Teil des Spannungsteilers R und KR sowie dem temperaturabhängigen Teil des Spannungsteilers R und LR zusammen. Durch geeignete Dimensionierung der Bauteile R, KR und LR lassen sich Temperaturkoeffizienten zwischen Null und demjenigen des Widerstandes des Sensors H erzeugen.

Beispielsweise ist der Sensor H ein Hall-Element mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (TK). Der das magnetische Feld B in ein elektrisches Signal wandelnde Wandlerfaktor des Sensors H besitzt einen negativen Temperaturkoefizien­ ten (TK). Durch geeignete Dimensionierung des Temperatur­ koeffizienten des Stromes läßt sich ein nahezu temperatur­ unabhängiges elektrisches Signal des im Sensor H gewandelten magnetischen Feldes erreichen. Die geeignete Dimensionierung läßt sich insbesondere mit den Widerständen R, KR und LR realisieren.

Gleiche Ergebnisse lassen sich mit der "gespiegelten" Schal­ tung nach Beispiel D erreichen. Dasselbe gilt für eine Schaltung des Typs C. Bei kleinen Versorgungsspannungen läßt die begrenzte Aussteuerbarkeit des Operationsverstärkers den Einsatz eines zusätzlichen Transistors T sinnvoll erschei­ nen. Hierbei ist auch die Umkehrung der Steuersignale gegen­ über dem Ausführungsbeispiel nach A zu achten.

Entsprechend der Schaltung nach Fig. 1 ließe sich ein Differenzverstärker an die Anschlüsse 3 und 4 des Hall-Sensors anschließen. Am Ausgang des Differenzver­ stärkers läßt sich dann die verstärkte Ausgangsspannung ent­ nehmen. Der Anschluß eines solchen Verstärkers ist für alle Beispiele A, B, C mit entsprechenden Anpassungen möglich.

Claims (7)

1. Sensorvorrichtung mit einem von einem Steuerstrom durchflossenen Sensor, dessen Innenwiderstand einen Temperaturkoeffizienten hat, mit einer mit dem Sensor in Verbindung stehenden elektrischen Schaltungsanordnung, die eine Kompensationsschaltung aufweist, mit der die die Empfindlichkeit des Sensor verfälschenden Temperatureinflüsse durch Beeinflussung des Steuerstromes kompensierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kompensationsschaltung durch Auswertung der temperaturabhängigen Änderung des Innenwiderstandes des Sensors ein Steuerstrom gebildet wird, der einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der so bemessen ist, daß er den invertierten Temperaturkoeffizienten der die Empfindlichkeit bestimmenden Größen der Konstanten (k) und des Magnetfeldes (B) kompensiert und daß zusätzlich der Offset- Temperaturgang kompensiert wird, wobei die Kompensationsschaltung wenigstens einen Differenzverstärker (OV1) aufweist, an dessen invertierendem Eingang eine durch, einen zwischen der Versorgungsspannung (+U) für die Sensorvorrichtung und Masse liegenden Spannungsteiler (KR, R) festgelegte Vorspannung angelegt ist und zu dem von dem Eingang (E) des Sensors (H) ein Rückkopplungszweig mit einem Rückkopplungswiderstand (LR) über den der Offset-Temperaturgang einstellbar ist, geführt ist und der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers (OV1) mit dem steuerseitigen Ausgang (A) des Sensors (H) verbunden ist, der über einen Fühlerwiderstand (F) auf Masse liegt und der Ausgang des Differenzverstärkers (OV1) mit einem Steuerglied (T) für den Steuerstrom(I_H) verbunden ist.

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Kompensationsschaltung, die wenigstens die Widerstände (F, LR, KR, R), den Transistor (T) und den Operationsverstärker (OP1)umfaßt, gebildete positive Temperaturkoeffizient des Steuerstroms (I_H) dem Betrage nach der Summe der negativen Temperaturkoeffizienten der Konstanten (k), und des Magnetfeldes (B) entspricht.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Empfindlichkeit zugrundeliegende Sensorausgangssignal (U_H) sich aus dem Produkt der die negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden physikalischen Größen, der Konstanten (k)und des Magnetfeldes (B) mit dem Steuerstroms (I_H) ergibt.

4. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert-Temperaturgang des mit dem positiven Temperaturkoeffizienten versehenen Steuerstroms (I_H) aus einem temperaturfreien Anteil des Spannungsteilers (KR, R) und einem temperaturbehafteten Anteil des Sensors (H) zusammengesetzt ist.

5. Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied in einem PNP-Transistor (T) besteht und daß der Ausgang des Differenzverstärkers (OV1) über einen Widerstand (O) mit der Basis des Transistors (T) verbunden ist, dessen Emitter an einer Versorgungsspannung (+U) liegt und dessen Kollektor an dem Eingang (E) des Sensors (H) angeschlossen ist.

6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung zwischen zwei Widerständen eines an der Versorgungsspannung (+U) liegenden Spannungsteilers (KR, R) abgegriffen ist, und daß der Temperaturkoeffizient des Steuerstroms (I_H) durch Dimensionierung des Rückkopplungswiderstandes (LR) und des an dem positiven Potential der Versorgungsspannung angeschlossenen Widerstand (KR) des Spannungsteilers (KR, R) einstellbar ist.

7. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (H) ein Hallsensorelement (HE) aufweist.