DE2352541C3 - Kontaktloser Schalter - Google Patents
Kontaktloser SchalterInfo
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
- H03K17/90—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen Schalter, bestehend aus einem Hall-blement mit einem Paar Eingangseiektroden
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
zueinander zwischen zwei Eingangselektroden des Hall-Elementes versetzt sind, daß sie eine Vorspannung
für den Schmitt-Trigger von der Versorgungsspannung ableiten, die an die Eingangselsktroden 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-Potentials.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein kontaktloser Schalter erhalten, der ein Hall-Element aufweist
und der gut definierte Umschaltpunkte besitzt. Die Kennzeichen 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
der
F i g. 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 Ausgangselektroden 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 Eingangselektroden 2 und 3 auf beiden Seiten des Strompfades angeordnet.
Der Schalter umfaßt weiterhin einen Verstärker 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 14 und 15 besteht, deren Basiselektroden 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 Dir
ode 20bzw.über einenKollektor-Widerstand 21 mit der
Versorgungsspannung von 5 V verbunden.
Der Zweck der Diode 20 in der Verstärkerschaltung 8 ist die Schaffung einer temperaturabhängigen Last
für das verstärkte Hall-Potential, das auf die Steuerelektrode 7 des Hall-Elementes 1 zurückgekoppelt
wird, um der temperaturabhängigen Veränderung des Hall-Potentials entgegenzuwirken. Die Diode 20 ist in
Durchlaßrichtung vorgespannt, und ihr Durchlaßäpannungsabfall
hat einen Temperaturkoeffizienten mit demselben Vorzeichen wie das Hall-Potential vom
Hall-Element I. 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 Emit'srschaitungsstufen
mit zwei Transistoren 23 und 24 der pnp- bzw. der npn-Type in direkt gekoppelter Kaskadenverbindung
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.
Fig.2 zeigt eine Draufsicht auf das Hall-Element 1
der Fig. 1, das in einem Halbleiterkörper hergestellt ist, der aus einem p-Silizium-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-Eiementes 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
Stromfluß des Hall-Elementes 1 hinsichtlich der Ausgangselektroden
4 und 5, ist es nur eine Frage des Schaltungsentwurfs, gut definierte und temperaturstabilisierte
Unischaltpunkte für den Schalter zu erzielen, wenn z. 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)
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 Hall-Potential abzunehmen, wenn ein externes Magnetfeld den
Strom von der Seite beeinflußt und aus einer Verstärkerschaltung,
die von dem Hall-Potential gesteuert wird, dadu r chgeken η zeichnet, daß
das Hali-Element mit mindestens einer Steuerelektrode
versehen ist, um die Größe des Stromes zu steuern, und daß die Verstärkerschaltung mit mindestens
einer Ausgangsklemme versehen ist die mit der Steuerelektrode des HaH-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 Ausgangselektror
denpaar 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.
50
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E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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