DE2352541B2 - Kontaktloser Schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen Schalter, bestehend aus einem Hall-Element mit einem Paar Eingangselektroden zum Anlegen einer Versorgungsspannung, um einen inneren Strompfad zu erzeugen, und mit mindestens einer Ausgangselektrode, die neben dem Strompfad angeordnet ist. um ein Hall-Potential abzunehmen, wenn ein externes Magnetfeld seitlich den Strom beeinflußt, und aus einer Verstärkerschaltung, die von dem Hall Potential gesteuert wird.

Ein kontaktloser Schalter mit einem Hall-Element und einem durch das Hall-Potential vom Hall-Element gesteuerten Verstärker ist aus der USA.-Patentschrift 596 114 bekannt, wobei die Verstärkerschaltung die Form eines Schmitt-Triggers hat und das Hall-Element zwei Ausgangselektroden aufweist, die so in ihrer Lage 7ueinander zwischen zwei Eingangselektroden des Hall Elementes versetzt sind, daß sie eine Vorspannung für den Schmitt-Trigger von der Versorgungsspannung ableiten die an die Eingangselektreden angelegt wird. um das Umschalten des Schalters sicherzustellen, wenn dieser durch externe Magnetfelder veränderlicher Intensität betätigt wird. Es ist jedoch ein Nachteil dieses Schalters daß gut definierte Umschaltpunkte schwer zu erhalten sind, und zwar sowohl auf Grund unvermeidbarer Toleranzen in der geometrischen Verschiebung der Ausgangselektroden als auch auf Grund der bekannten Temperaturempfindlichkeit des Hall-Poten-

^tiaGemäß der vorliegenden Erfindung wird ein kontaktloser Schalter erhalten, der ein Hall-Element aufweist und der gut definierte Umschaltpunkte besitzt. Di- K-nnzeichen der Erfindung gehen aus dem nachfolgenden Anspruch 1 hervor. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird jetzt in genaueren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in

% i ε 1 das Schaltbild eines kontaktlosen Schalters in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt und

F i g 2 eine Draufsicht auf ein Hall-Element zeigt, das in dem Schalter gemäß F i g. 1 enthalten ist und in einem Halbleiterkörper hergestellt ist.

F i g 1 zeigt einen kontaktlosen Schalter gemäß der Erfindung bestehend aus einem Hall-Element 1, welches ein Paar Eingangselektroden 2 und 3 für eine Versorgungsspannung von 5 V, um einen Strom in einem Strompfad zu erzeugen, ein Paar Ausgangselektrodcn 4 und 5 um zwei Hall-Potentiale abzunehmen, wenn ein externes Magnetfeld Strom in dem inneren Strompfad seitlich beeinflußt, und ein Paar Steuerelektroden 6 und 7 aufweist um die Größe des Stromes zu steuern. Die Ausgangselektroden 4 und 5 und die Steuerelektroden 6 und 7 sind symmetrisch zwischen den Emgangseiektroden - und 3 auf beiden Seiten des Strompfades angeordnet Der Schalter umfaßt weiterhin einen Verstarke-8 in dem zwei npn-Transistoren 9 und 10 über einen'gemeinsamen Emitter-Widerstand 11 bzw. über getrennte Kollektor-Widerstände 12 und 13 mit der Versorgungsspannung von 5 V verbunden sind und eine Differenz-Eingangsstufe mit einem Paar Eingangsklemmen bilden, die aus den Basiselektroden der Transistoren 9 und 10 bestehen und mit den Ausgangselektroden 4 und 5 des Hall-Elements 1 verbunden sind

Die Verstärkerschaltung 8 umfaßt eine zweite Differenzstufe, die mit der Differenz-Eingangsstufe in Kaskade geschaltet ist und aus zwei npn-Transistoren und 15 besteht, deren Elasiselektroden mit den Kollektoren der Transistoren 9 und 10 verbunden sind und deren Kollektoren mit Steuerelektroden 6 und 7 des Hall-Elementes 1 über getrennte Widerstände 16 bzw. 17 verbunden sind, um zwei verstärkte Hall-Potentiale in derart einander entgegengesetzten Phasen zurückzukoppeln, daß die Verstärkerschaltung 8 mit einer positiven Rückkopplung versehen ist und zwei stabile Zustände erhält, zwischen denen Umschaltungen stattfinden können bei Beeinflussung des Stromes in den Strompfad des Hall-Elemtens 1 von der Seite durch ein externes Magnetfeld. Die Transistoren 14 und 15 sind über einen gemeinsamen Emitter-Widerstand 18 und einen Kollektor-Widerstand 19 in Reihe mit einer Diode 20 bzw. über einen Kollektor-Widerstand 21 mit der

Versorgungsspannung von 5 V verbunden.

Der Zweck der Diode 20 in der Verstärkerschaltung 8 ist die Schaffung einer temperaturabhängigen Last tür das verstärkte Hall-Potential, das auf die Steuerelektrode 7 des Hall-Elementes 1 zuri-ckgekoppelt wird, um der temperaturabhängigen Veränderung des Hall-Potentials entgegenzuwirken. Die Diode 20 ist in Durchlaßrichtung vorgespannt, und ihr Durchlaßspannungsabfall hat einen Temperaturkoeffizienten mit demselben Vorzeichen wie das Hall-Potential vom Hall-Element 1. Darüber hinaus sind die Werte der Widerstände 16 und 19 und die Größe des Temperaturkoeffizienten der Diode 20 so gewählt, daß das Hall-Potential praktisch konstant gehalten wird im Arbeitstemperaturintervall für den Schalter.

Der Schalter gemäß der Erfindung enthält schließlich eine Ausgangsstufe 22, die aus zwei Emitterschaltungsstufen mit zwei Transistoren 23 und 24 der pnp- bzw. der npn-Type in direkt gekoppelter Kas^adenverbindung besteht. Die Basis des Transistors 23 ist mit dem Kollektor des Transistors 15 verbunden, und der Kollektor-Emitter-Pfad ist über einen Kollektor-Widerstand 25 mit der Versorgungsspannung von 5 V verbunden. Weiterhin ist die Basis des Transistors 24 mit dem Kollektor des Transistors 23 verbunden, und der Kollektor-Emitter-Pfad ist mit der Versorgungsspannung von 5 V über eine Last 26 für den Schalter verbunden.

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Hall-Element 1 der Fig. 1, das in einem Halbleiterkörper hergestellt ist, der aus einem p-Siiizium-Substrat mit einer dünnen n-Epitaxialschicht besteht, in der die Elektroden 2 bis 7 des Hall-Elementes in der Form eindiffundierter n-Bereiche 28 bis 33 angeordnet sind, die mit einer Oxidschicht bedeckt sind und durch Fenster 34 bis 39 in der Oxidschicht mit Elektrodenkontakten 40 bis 45 versehen sind, die durch Metallisierung und Ätzen in bekannter Weise hergestellt sind. Die Eingangselektroden 2 und 3 entsprechen hier den Bereichen 28 und 29, die Ausgangselektroden 4 und 5 den Bereichen 30 und 31, und die Steuerelektroden 6 und 7 den Bereichen 32 und 33. Es ist festzustellen, daß trotz der geometrischen Symmetrie des Hall-Elementes 1 nach F i g. 2 der zwischen den Eingangselektroden 2 und 3 Stromfluß im Betriebszustand sehr asymmetrisch verteilt ist hinsichtlich der Ausgangselektroden 4 und 5, weil nicht beide, sondern nur eine der Steuerelektroden 6 und 7 in den entsprechenden stabilen Zuständen der Verstärkerschaltung 8 Strom führt. Dank der Tatsache, daß die Ein- und Aus-Zustände des Schalters deshalb bestimmt sind durch eine elektrisch gesteuerte Asymmetrie im Stronifluß des Hall-Elementes 1 hinsichtlich der Ausgangselektroden 4 und 5, ist es nur eine Frage des Schaltungsentwurfs, gut definierte und temperaturstabilisierie Umschaltpunkte für den Schalter zu erzielen, wenn L. B. das Hall-Element 1, die Verstärkerschaltung 8 und die Ausgangsstufe 22 mit den üblichen Produktionstoleranzen auf bekannte Weise in ein und demselben Halbleiterkörper integriert hergestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kontaktloser Schalter, bestehend aus einem Hall-Element mit einem Paar Eingangselektroden, um eine Versorgungsspannung anzulegen, die einen Strom in einem inneren Strompfad erzeugt, und mit mindestens einer Ausgangselektrode, die neben dem Strompfad angeordnet ist, um ein H all-Potential abzunehmen, wenn ein externes Magnetfeld den Strom von der Seite beeinflußt, und aus einer Verstärkerschaltung, die von dem Hall-Potential gesteuert wird, dadurchgekennzeichnet, daß das Hall-Element mit mindestens einer Steuerelektrode versehen ist, um die Größe des Stromes zu steuern, und daß die Verstärkerschaltung mit mirdestens einer Ausgangsklemme versehen ist, die mit der Steuerelektrode des Hall-Elementes verbunden ist, um ein verstärktes Hall-Potential in solcher Phase zurückzukoppeln, daß die Verstärkerschaltung mit einer positiven Rückkopplung versehen ist.

2. Kontaktloser Schalter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Hall-Element ein Paar Steuerelektroden und ein Paar Ausgangselektroden aufweist, die im wesentlichen symmetrisch zwischen dem Paar der Eingangselektroden auf beiden Seiten des Strompfades angeordnet sind, und daß die Verstärkerschaltung ein Paar Differenz-Eingangsklemmen, die mit dem Ausgangselektrodenpaar verbunden sind, und ein Paar Ausgangsklemmen aufweist, die mit dem Steuerelektrodenpaar verbunden sind, um zwei verstärkte Hall-Potentiale in derart zueinander entgegengesetzten Phasen zurückzukoppeln, daß die Verstärkerschaltung eine positive Rückkopplung aufweist.

3. Kontaktloser Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung ein Element mit zwei Anschlüssen aufweist, das einen Spannungsabfall mit einem Temperaturkoeffizienten besitzt, der dasselbe Vorzeichen und mindestens dieselbe Größe wie das Hall-Potential des Hall-Elementes hat, und welches mit der Ausgangsklemme der Verstärkerschaltung derart verbunden ist, daß es eine Last für das verstärkte Hall-Potential darstellt.

4. Kontaktloser Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hall-Element und die Verstärkerschaltung in ein und demselben Halbleiterkörper hergestellt sind.

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