DE3805544A1

DE3805544A1 - Integrierter schaltkreis mit hall-effekt-schalter

Info

Publication number: DE3805544A1
Application number: DE3805544A
Authority: DE
Inventors: Jacob Kirkpatrick Higgs
Original assignee: Sprague Electric Co
Current assignee: Sprague Electric Co
Priority date: 1987-02-24
Filing date: 1988-02-23
Publication date: 1988-09-01
Also published as: GB2207824B; US4761569A; JPS63248188A; GB8804295D0; GB2207824A

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis mit Hall-Effekt-Schalter, der ein Hall-Element und einen Schmitt-Trigger-Kreis aufweist, dessen Eingang an den Ausgang dieses Hall-Elementes angeschlossen ist.

Aus der US-PS 44 43 716 ist ein integrierter Schaltkreis mit einem Hall-Effekt-Schalter bekannt, der ein Hall-Element, einen Hall-Spannungsverstärker und einen daran angeschlossenen Schmitt-Trigger-Kreis aufweist. Für den Einsatz als Magnetfeldsensor hat dieser integrierte Schaltkreis ein Ausgangssignal, das von einem Niveau auf ein anderes Niveau springt, wenn das umgebende Magnetfeld eine vorbestimmte Stärke überschreitet. Dieser integrierte Schaltkreis hat Einschalt- und Ausschaltpunkte, die auf die Magnetisierung und teilweise Entmagnetisierung des an dem integrierten Schaltkreis angeordneten Magneten nach Belieben eingestellt sind.

In der Patentanmeldung Ser. No. 9 12 709 ist ein anderes Verfahren zur Einstellung der Hysterese-Charakteristik eines solchen IC-Hall-Effekt-Schalters beschrieben. In diesem integrierten Schaltkreis ist eine Kette von in Reihe geschalteter Widerstände vorgesehen, die parallel zu einem der Differenzeingänge des Schmitt-Triggers liegen. Alle bis auf einen dieser Widerstände sind durch einen Metallfilmleiter kurzgeschlossen. Durch das selektive Öffnen bestimmter Kurzschlußleiter wird der Widerstand der Kette so eingestellt, daß wiederum der Einschalt-(und Ausschalt-)punkt des IC-Hall-Effekt-Schalters eingestellt wird.

Solche integrierte Schaltkreise oder IC-Hall-Effekt-Schalter werden als Rotorpositionssensoren in bürstenlosen Gleichstrommotoren eingesetzt, die magnetisierte Rotoren aufweisen. Die Statorwicklungen werden durch einen Festkörperumschaltkreis angeregt. Üblicherweise besitzt ein solcher Motor einen Zweimagnetpolrotor und vier Statorwicklungen. Zwei Hall-Effekt-Schalter können zwischen den Statorwicklungen in 90° zueinander angeordnet sein. Der Ausgang jedes Hall-Effekt-Sensors, der auf das Rotorfeld anspricht, liefert Strompulse an das eine Paar der Statorwicklungen in der Weise, daß die eine Wicklung eingeschaltet ist, wenn die andere ausgeschaltet ist. Dies wird üblicherweise mittels eines Schaltkreises mit Hall-Effekt-Sensor ausgeführt, der einen Differenzausgang (zwei komplementäre Ausgänge) aufweist, wovon jeder Zweig zum Anregen einer Wicklung eines Paares von Statorwicklungen dient.

Eine ausführliche Beschreibung von bürstenlosen Gleichstrommotoren einschließlich des damit verbundenen Einsatzes von Hall-Effekt-Vorrichtungen als Rotorpositionssensoren ist in dem Buch "Direct Current Machines" (M. Say und E. Taylor, 2. Auflage, Pitman and Son, Ltd., London 1985, Seiten 79-80, 121-124 und 296-300) zu finden.

Es wurde jedoch beobachtet, daß elektronisch umschaltbare bürstenlose Gleichstrommotoren dazu neigen, unangenehme Geräusche zu erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Umschaltkreis zu schaffen, der diese Geräusche reduziert, wobei dieser Umschaltkreis ein Paar integrierter Schaltkreise mit Hall-Effekt-Schaltern aufweist, die ein Paar Statorwicklungen in einem bürstenlosen Gleichstrommotor antreiben, indem zwei binäre Ausgangssignale erzeugt werden, die von einer gemeinsamen komplementären Beziehung nur im Falle nicht simultaner Übergänge von einem binären Niveau zu einem anderen Niveau als Antwort auf das umgebende Magnetfeld voneinander abweichen.

Diese Aufgabe wird durch einen integrierten Schaltkreis gelöst, der durch einen weiteren Schmitt-Trigger-Kreis gekennzeichnet ist, der mit seinem Eingang an dieses Hall-Element angeschlossen ist.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der integrierte Schaltkreis ein Hall-Element und zwei Schmitt-Trigger-Kreise auf, wobei jeder Schmitt-Trigger-Kreis mit seinem Eingang an den Ausgang des Hall-Elementes angeschlossen ist. Der eine Schmitt-Trigger-Kreis liefert an seinem Ausgang ein binäres Signal, das von einem Niveau in ein anderes Niveau übergeht, wenn die Stärke des das Hall-Element umgebenden Magnetfeldes mit der einen Polarität einen ersten Wert übersteigt, und das wieder auf das erste Niveau zurückgeht, wenn die Stärke dieses polarisierten Feldes unter einen zweiten vorbestimmten Wert fällt, der geringer ist als dieser erste Wert.

Der andere Schmitt-Trigger-Kreis liefert an seinem Ausgang ein binäres Signal, das von einem Niveau auf ein anderes Niveau übergeht, wenn die Stärke des das Hall-Element umgebenden Magnetfeldes mit entgegengesetzter Polarität einen dritten Wert übersteigt, und das wieder auf das erste Niveau zurückgeht, wenn die Stärke dieses entgegengesetzten polarisierten Feldes unter einen vierten Wert fällt, der geringer ist als dieser dritte Wert.

Bei dem Einsatz als Positionssensor und Umschaltkreis in einem bürstenlosen Gleichstrommotor reduzieren diese erfindungsgemäßen Schaltkreise die zuvor erwähnten unangenehmen Geräusche, wobei eine einfache und kostengünstige Lösung bereitgestellt wird, die wirkungsvoll in einem großen Bereich von Motorgeschwindigkeiten und unterschiedlichen Konstruktionen von bürstenlosen Gleichstrommotoren eingesetzt werden kann.

Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Stärke eines magnetischen Feldes als Funktion der Zeit, wobei dieses Feld das Hall-Element des integrierten Schaltkreises gemäß Fig. 1 umgibt;

Fig. 3 und 4 graphische Darstellungen des Ausgangssignals an den beiden Ausgängen des integrierten Schaltkreises der Fig. 1 in einem bürstenlosen Gleichstrommotor als Antwort auf das in Fig. 2 gezeigte Umgebungsmagnetfeld. Die Zeit ist in den Fig. 2, 3 und 4 längs der Abszisse im gleichen Maßstab aufgetragen;

Fig. 5 den Schaltplan eines weiteren erfindungsgemäßen Schaltkreises.

In Fig. 1 ist ein integrierter Schaltkreis 10 mit einem Hall-Element 12, einem Differenzverstärker 14 zur Verstärkung der von dem Ausgang des Hall-Elementes 12 kommenden Spannung und mit zwei Schmitt-Trigger-Kreisen 16 und 18 dargestellt, wobei jeder Schmitt-Trigger-Kreis einen einseitig geerdeten Eingang aufweist. Die Eingänge der Schmitt-Trigger-Kreise 16 und 18 sind an den einen bzw. an den anderen Zweig des Differenzausgangs des Verstärkers 14 angeschlossen.

Im Betrieb können diese integrierten Schaltkreise in der Nähe der Außenfläche des magnetisierten Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors (nicht gezeigt) angeordnet sein. Der rotierende Rotor erzeugt senkrecht zum Hall-Element 12 ein magnetisches Wechselfeld, dessen Verlauf durch die Kurve 20 in Fig. 2 dargestellt ist. Die zwei Polaritäten dieses Feldes sind auf der Ordinate als N (Nordpol) und S (Südpol) dargestellt.

Es wird vorausgesetzt, daß die beiden Schmitt-Trigger-Kreise 16 und 18 identische Betriebscharakteristiken aufweisen, d.h., daß sie die gleichen Einschalt- und Ausschaltpunkte besitzen. Bei Nordpolfeldern ist nur der Schmitt-Trigger 16 aktiviert, der an den Ausgängen 23 des integrierten Schaltkreises ein Ausgangssignal erzeugt, das durch die Kurve 25 in Fig. 3 dargestellt ist. Andererseits ist bei Südpolfeldern nur der Schmitt-Trigger 18 aktiviert, der an dem Ausgang 24 des integrierten Schaltkreises ein Ausgangssignal erzeugt, das durch die Kurve 26 in Fig. 4 dargestellt ist.

Die Ausgangssignale 25 und 26 sind dazu bestimmt, die Statorfeldwicklungen in dem bürstenlosen Gleichstrommotor zu steuern, und jeder der Schmitt-Trigger-Kreise 16 und 18 kann zu diesem Zweck geeignete Leistungsverstärker aufweisen. Es ist insbesondere erwähnenswert, daß das Plussignal der Kurve 25 am Ausgang 23 sich niemals an das Plussignal der Kurve 26 am Ausgang 24 anschließt, sondern von diesem zeitlich getrennt ist.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ist ein Hall-Element 30 mit den Anschlüssen 31 und 32 an den Eingang eines Differenzverstärkers 34 angeschlossen. Der Differenzeingang eines ersten Schmitt-Trigger-Kreises 36 ist an die zwei Zweige des Differenzausgangs des Verstärkers 34 angeschlossen. Ebenfalls ist der Differenzeingang des zweiten Schmitt-Trigger-Kreises 38 an die zwei Zweige des Differenzausgangs des Verstärkers 34 angeschlossen, jedoch in der Weise, daß der zweite Schaltkreis 38 auf die eine Polarität des Verstärkerausgangssignales anspricht, während der erste Schaltkreis 36 nur auf die andere Polarität anspricht.

Des weiteren besteht die Ausgangsbelastung aus jeweils zwei Reihenwiderständen, nämlich den Widerständen 40 und 42 für den einen Ausgangszweig und den Widerständen 44 und 46 für den anderen Ausgangszweig, wobei die Ausgangssignalspannungen zwischen diesen beiden Zweigen des Verstärkers auftreten. Der Differentialeingang des ersten Schmitt-Triggers 36 wird einmal an den unteren Teil des ersten Ausgangszweiges, z.B. zwischen dem Ausgang des Verstärkers 34 und dem Widerstand 40 und zum anderen an den anderen Ausgangszweig, z.B. zwischen den Widerständen 44 und 46 angeschlossen. Dadurch können die Einschalt- und Ausschaltpunkte des ersten Schmitt-Trigger-Kreises in einen größeren Wertebereich der einen Polarität (z.B. Nordpol) angehoben werden.

In ähnlicher Weise ist der Differenzeingang des zweiten Schmitt-Trigger-Kreises an die Ausgangsbelastung des gleichen Verstärkers angeschlossen, jedoch in umgekehrter Weise, so daß die Ein- und Ausschaltpunkte zu einem größeren Wertebereich des Feldes mit entgegengesetzter Polarität (z.B. Südpol) verschoben sind.

Der Begriff "Einschaltpunkt" bedeutet diejenige nachgewiesene Magnetfeldstärke, die gerade groß genug ist, um die Vorrichtung von einem ersten Niveau in ein zweites Niveau zu schalten, und der Begriff "Ausschaltpunkt" bedeutet diejenige nachgewiesene Magnetfeldstärke, an der die Vorrichtung von dem zweiten in das erste Niveau zurückschaltet. Für einen Hall-Effekt-Schalter gemäß Fig. 5, wobei die Hystereseschleife, die bei jedem Schmitt-Trigger-Kreis vorhanden ist, innerhalb einer Polarität des umgebenden, nachgewiesenen Magnetfeldes liegt, liegt der Ausschaltpunkt bei der gleichen Polarität und ist niedriger als der Einschaltpunkt. Die Hysterese ist definiert als die Differenz zwischen Einschalt- und Ausschaltpunkt. Für Hall-Effekt-Schalter mit einer symmetrischen Hysterese liegen der Einschalt- und Ausschaltpunkt bei unterschiedlichen Polaritäten.

In der oben genannten Patentanmeldung (Ser. No. 9 12 709) wird ein integrierter Schaltkreis mit einem Hall-Element und einem einzigen Schmitt-Trigger-Kreis beschrieben. Darin werden auch in Reihe geschaltete und mit Leitern überbrückte Widerstände, wie die Widerstandsketten 50 und 52 beschrieben, die parallel zum einen Eingang jedes Schmitt-Trigger-Schaltkreises 36 bzw. 38 liegen. Beispielsweise kann die Widerstandskette 50 einen oder mehrere dieser leitenden Shunts besitzen, die durch Laserverdampfung des Metalls entfernt werden, um den Einschaltpunkt des Schmitt-Triggers 36 ohne Änderung der Hysterese oder Änderung der Temperaturcharakteristik von beiden einzustellen.

Die geregelte Spannung an der Leitung 60 beträgt 3,3 V.

Die bevorzugten Widerstandswerte für den Schaltkreis der Fig. 5 sind in der Tabelle angegeben.
WiderstandOhm

40,44 20 42,461300 57,58 60 59 600 62,64 28 K 66,68 26 K

Die Stromquellen 70 bzw. 72 liefern an 78 und 80 einen Strom von je ungefähr 30 µA, während die Stromquellen 74 und 76 die Ströme von 82 und 84 auf je ungefähr 0,5 µA absenken.

Der Leiter 86 (88) kann als Ausgang des Schmitt-Trigger-Kreises 36 (38) genommen werden. Wenn jedoch jeder Schmitt-Trigger-Kreis 36 und 38 eine Statorwicklung eines bürstenlosen Gleichstrommotors anregen soll, dann ist vorzugsweise ein Verstärker (nicht gezeigt) zwischen jedem der Leiter 86 und 88 bzw. den beiden Statorwicklungen angeschlossen. Solche Verstärker können ein Teil der betreffenden Schmitt-Trigger-Kreise 36 und 38 sein.

Wenn aufgrund des umgebenden Magnetfeldes mit einer Polarität der Anschluß 32 des Hall-Elementes bezüglich des Anschlusses 31 des Hall-Elementes ausreichend positiv wird, dann ändert sich die Spannung am Leiter 86 von einem Spannungswert in der Nähe des regulierten Gleichstromspannungswertes der Leitung 60 auf einen niedrigeren Spannungswert. Der Einschaltpunkt, der in Magnetfeldamplituden gemessen wird, die gerade notwendig sind, um den Schmitt-Trigger-Schaltkreis 36 einzuschalten, ist vorzugsweise ungefähr derselbe wie der des Schmitt-Trigger-Kreises 38, abgesehen von der entgegengesetzten Polarität des magnetischen Feldes. Die Widerstandsshunts, beispielsweise 90, in der Reihenschaltung 50 können, falls notwendig, geöffnet werden, um den Einschaltpunkt des Schmitt-Trigger-Kreises 36 auf einen gewünschten niedrigeren Wert einzustellen. Der Gesamtwiderstand des Kreises 52 kann auf gleiche Weise eingestellt werden, um den Einschaltpunkt des Schmitt-Trigger-Kreises 38 auf einen kleineren Wert, beispielsweise den gleichen Wert wie der des Schmitt-Trigger-Kreises 36, einzustellen.

Claims

1. Integrierter Schaltkreis mit Hall-Effekt-Schalter, der ein Hall-Element und einen Schmitt-Trigger-Kreis aufweist, dessen Eingang an den Ausgang dieses Hall-Elementes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schmitt-Trigger-Kreis (38) mit seinem Eingang an dieses Hall-Element (12) angeschlossen ist.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschaltpunkt des einen Schmitt-Trigger-Kreises (36) auf die eine Polarität und der Einschaltpunkt des anderen Schmitt-Trigger-Kreises (38) auf die entgegengesetzte Polarität des umgebenden Magnetfeldes eingestellt ist.

3. Integrierter Schaltkreis mit Hall-Effekt-Schalter, gekennzeichnet durch

- ein Hall-Element (12)
- einen ersten Schmitt-Trigger-Kreis (36), der an den Ausgang dieses Hall-Elementes (12) zur Erzeugung eines Binärsignales angeschlossen ist, das von einem ersten binären Niveau auf ein zweites Niveau springt, wenn die Stärke eines das Hall-Element umgebenden Magnetfeldes mit der einen Polarität einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet, und das auf das erste Niveau zurückspringt, wenn die Stärke des Feldes mit dieser Polarität unter einen zweiten vorbestimmten Wert fällt, der geringer ist als dieser erste Wert und
- einen zweiten Schmitt-Trigger-Kreis (38), der an den Ausgang dieses Hall-Elementes (12) zur Erzeugung eines Binärsignales angeschlossen ist, das von einem ersten binären Niveau auf ein zweites Niveau springt, wenn die Stärke eines das Hall-Element umgebenden Magnetfeldes mit entgegengesetzter Polarität einen dritten vorbestimmten Wert überschreitet und das auf das erste Niveau zurückspringt, wenn die Stärke dieses entgegengesetzt polarisierten Feldes unter einen vierten vorbestimmten Wert fällt, der geringer ist als dieser dritte Wert.

4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich einen Verstärker (34) aufweist, dessen Eingang direkt an den Ausgang dieses Hall-Elementes (12) angeschlossen ist und dessen Ausgang direkt an die Eingänge dieses ersten und zweiten Schmitt-Trigger-Kreises (36, 38) angeschlossen ist.