RU2086048C1

RU2086048C1 - Semiconductor magnetic-to-optical converter

Info

Publication number: RU2086048C1
Application number: RU94028632A
Authority: RU
Inventors: Владимир Степанович Осадчук; Елена Владимировна Осадчук; Александр Владимирович Осадчук
Original assignee: Владимир Степанович Осадчук; Елена Владимировна Осадчук; Александр Владимирович Осадчук
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 1997-07-27
Also published as: RU94028632A

Abstract

FIELD: instruments, in particular, magnetic inductance detector in automatic control devices. SUBSTANCE: device provides conversion of capacitance to frequency using field-effect transistor and bipolar photo transistor as light-controlled capacitors for oscillating circuit which power losses are compensated by negative resistance at collector-to-emitter terminals of bipolar photo transistor. Passive coil is used as inductance element. When magnetic field effects magnetic-sensitive diode, which emits light, which fires bipolar photo transistor, then capacitance constituent of total resistance at collector-to-emitter terminals of bipolar photo transistor is altered, so that resonant frequency of circuit is changed. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как датчик магнитной индукции в различных устройствах автоматизированного управления. The invention relates to instrumentation and can be used as a magnetic induction sensor in various automated control devices.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например, некоторые ферромагнитные материалы типа пермаллоя (80% Ni и 20% Fe), которые изменяют свое сопротивление при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности и направлением тока. Датчик состоит из резистивного элемента в форме меандра сопротивлением от 30 Ом до 1 кОм. Так как получать сигнал с помощью таких датчиков наиболее целесообразно в мостовой схеме, то в датчике располагают две меандровые структуры различной ориентации. При воздействии магнитного поля на меандровые структуры, происходит изменение их сопротивления, которое при помощи мостовой схемы преобразуется в изменение напряжения [1]
Однако эти устройства имеют низкую чувствительность и точность измерения, особенно, в области малых значений магнитной индукции, так как при этом происходит незначительное изменение сопротивления датчика.Known devices for measuring magnetic induction, for example, some ferromagnetic materials such as permalloy (80% Ni and 20% Fe), which change their resistance when exposed to a magnetic field. The degree of this change depends on the magnitude of the magnetic field and the angle between the intensity vector and the direction of the current. The sensor consists of a resistive element in the form of a meander with a resistance of 30 ohms to 1 kOhm. Since it is most expedient to receive a signal using such sensors in a bridge circuit, two meander structures of different orientations are located in the sensor. When a magnetic field acts on the meander structures, a change in their resistance occurs, which with the help of a bridge circuit is converted into a change in voltage [1]
However, these devices have low sensitivity and measurement accuracy, especially in the region of small values of magnetic induction, since this leads to a slight change in the sensor resistance.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению можно отнести фототранзистор с магнитным управлением [2] Фототранзистор выполнен на полупроводниковой подложке, имеющей шесть ступенчатых участков. При воздействии магнитного поля на структуру в направлении, перпендикулярном размещению ступеньки, часть электронов, зависящая от напряженности магнитного поля, отклоняется и через кристаллический полупроводниковый слой попадает в третий электронный слой. Остальные электроны направляются во второй полупроводниковый слой, который является барьерным и электроны частично отражаются от него, а частично попадают в третий электронный слой. Такая конструкция позволяет с помощью магнитного поля управлять потоком электронов, проходящих сквозь полупроводник в третий электронный слой. Однако, такие конструкции имеют низкую чувствительность и точность измерения в области малых значений индукции, так как при этом происходит незначительное изменение тока фототранзистора. The closest technical solution to this invention can be attributed to a magnetically controlled phototransistor [2]. The phototransistor is made on a semiconductor substrate having six step sections. When a magnetic field acts on the structure in a direction perpendicular to the location of the step, a part of the electrons, which depends on the magnetic field strength, is deflected and enters the third electron layer through the crystalline semiconductor layer. The remaining electrons are sent to the second semiconductor layer, which is a barrier layer and the electrons are partially reflected from it, and partially fall into the third electron layer. This design allows using a magnetic field to control the flow of electrons passing through the semiconductor into the third electron layer. However, such designs have low sensitivity and measurement accuracy in the region of small induction values, since this causes a slight change in the phototransistor current.

В основу изобретения поставлена задача создания полупроводникового магнито-оптического преобразователя, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерения. The basis of the invention is the task of creating a semiconductor magneto-optical transducer, which has high sensitivity and measurement accuracy.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве преобразование тока в напряжение заменяется в предлагаемом устройстве преобразованием емкости в частоту, для чего полевой транзистор и биполярный фототранзистор выступают в качестве управляемых светом емкостных элементов колебательного контура, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на зажимах коллектор-эмиттер биполярного фототранзистора за счет обратной положительной связи. Индуктивным элементом контура является внешняя пассивная индуктивность. Таким образом, в предлагаемом устройстве небольшое изменение емкости полевого транзистора и биполярного фототранзистора под действием светового потока, зависящего от величины магнитной индукции преобразуется в значительное изменение резонансной частоты колебательного контура, что позволяет увеличить чувствительность и точность определения величины магнитной индукции. The problem is solved in that in the known device, the conversion of current to voltage is replaced in the proposed device by converting the capacitance to frequency, for which the field effect transistor and bipolar phototransistor act as light-controlled capacitive elements of the oscillatory circuit, the energy loss in which is compensated by the negative resistance arising from on the terminals of the collector-emitter of the bipolar phototransistor due to the positive feedback. The inductive element of the circuit is an external passive inductance. Thus, in the proposed device, a small change in the capacitance of a field-effect transistor and a bipolar phototransistor under the influence of a light flux depending on the magnitude of the magnetic induction is converted into a significant change in the resonant frequency of the oscillatory circuit, which allows to increase the sensitivity and accuracy of determining the magnitude of the magnetic induction.

Полупроводниковый магнито-оптический преобразователь содержит источник 1 управляющего постоянного напряжения, включенного параллельно светодиоду 2, на который воздействует магнитное поле с индукцией B, источника 3 постоянного напряжения, который подключен параллельно зажимам коллектор-эмиттер биполярного фототранзистора 6 и последовательной цепочке, состоящей из пассивной индуктивности 4 и конденсатора 5, источника 8 постоянного напряжения, включенного параллельно зажимам затвора полевого транзистора 7 и эмиттера биполярного фототранзистора 6, причем сток полевого транзистора 7 соединен с коллектором биполярного фототранзистора 6. Магниточувствительным элементом является светодиод 2. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 5 и общей шиной (см. чертеж). The semiconductor magneto-optical converter contains a control constant voltage source 1 connected in parallel with LED 2, which is affected by a magnetic field with induction B, a constant voltage source 3, which is connected parallel to the collector-emitter terminals of the bipolar phototransistor 6 and a series circuit consisting of passive inductance 4 and a capacitor 5, a constant voltage source 8, connected in parallel with the gate clamps of the field-effect transistor 7 and the emitter of the bipolar phototra nzistor 6, and the drain of the field-effect transistor 7 is connected to the collector of the bipolar phototransistor 6. The magnetically sensitive element is LED 2. The output of the device is formed by the first lining of the capacitor 5 and a common bus (see drawing).

Полупроводниковый магнито-оптический преобразователь работает следующим образом. В начальный момент времени магнитное поле не воздействует на светодиод 2. При помощи источника 1 постоянного напряжения устанавливается режим излучения света, падающего на базовую область фототранзистора 6. Затем повышением напряжения управляющих источников 3 и 8 до величины, когда полевой транзистор 7 будет работать в режиме насыщения, а биполярный фототранзистор 6 в активном режиме, на зажимах коллектор-эмиттер биполярного фототранзистора 6 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в колебательном контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах эмиттер-коллектор биполярного фототранзистора 6 и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности 4. Емкость 5 служит для подстройки колебательного контура на нужную резонансную частоту и предохраняет источник 3 управляющего напряжения от короткого замыкания через индуктивность 4, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующем воздействии магнитного поля на светодиод 2 происходит изменение интенсивности его светового потока, который воздействует на базу фототранзистора 6, в результате чего изменяется величина емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах эмиттер-коллектор биполярного фототранзистора 6, что приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура. The semiconductor magneto-optical Converter operates as follows. At the initial moment of time, the magnetic field does not affect the LED 2. Using a constant voltage source 1, the light emission mode is set, incident on the base area of the phototransistor 6. Then, by increasing the voltage of the control sources 3 and 8 to the value when the field effect transistor 7 will work in saturation mode and the bipolar phototransistor 6 is in active mode, at the terminals of the collector-emitter of the bipolar phototransistor 6 there is a negative resistance, which leads to electric oscillations in the oscillatory circuit formed by parallel switching of the impedance with a capacitive nature on the terminals of the emitter-collector of the bipolar phototransistor 6 and the inductive resistance of the passive inductance 4. The capacitance 5 serves to adjust the oscillatory circuit to the desired resonant frequency and protects the control voltage source 3 from short circuit through the inductance 4 , and also serves as an AC load resistor, from which the output signal is taken. With the subsequent exposure of the magnetic field to LED 2, a change in the intensity of its light flux occurs, which acts on the base of the phototransistor 6, as a result of which the value of the capacitive component of the impedance at the terminals of the emitter-collector of the bipolar phototransistor 6 changes, which leads to a change in the resonant frequency of the oscillating circuit.

Использование предлагаемого устройства для измерения магнитной индукции по сравнению с прототипом существенно повышает чувствительность и точность определения информативного параметра за счет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде полевого транзистора и биполярного фототранзистора, в котором изменение емкости под действием света обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора напряжений источников электропитания 3 и 8. The use of the proposed device for measuring magnetic induction in comparison with the prototype significantly increases the sensitivity and accuracy of determining the informative parameter due to the capacitive element of the oscillatory circuit in the form of a field-effect transistor and a bipolar phototransistor, in which a change in capacitance under the influence of light provides an effective tuning of the resonant frequency, as well as due to the possibility of linearizing the conversion function by selecting the voltage of power supplies 3 and 8.

Claims

A semiconductor magneto-optical converter containing a power source connected to an emitting magnetically sensitive LED optically coupled to a bipolar phototransistor, electrically coupled to two parallel connected power sources, characterized in that a field-effect transistor, a capacitor and a passive inductance are introduced into it, and the gate of the field-effect transistor through a second power source connected to the emitter of a bipolar phototransistor, the drain of the field effect transistor is connected inen with a collector of a bipolar phototransistor, the source of the field effect transistor is connected to the base of the bipolar phototransistor, the first output of the passive inductance is connected to the collector of the bipolar phototransistor, the source of the field transistor and the first pole of the first power source, and the second output of the passive inductance is connected to the first output of the capacitor output terminal, and the second output of the capacitor is connected to the emitter of the bipolar phototransistor and the second pole of the second power source I, which form a common bus, which is connected to the second output terminal.