DE4028089A1 - Schaltungsanordnung zum erfassen von konstanten oder wechselnden magnetfeldern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von konstanten oder wechselnden Magnetfeldern und kann insbesondere zur Lageerkennung von Rotoren von Gleichstrommotoren herangezogen werden.

Für verschiedene Anwendungen, insbesondere zur Positions­ erfassung von Rotoren von Elektromotoren, ist es erforderlich, nicht nur wechselnde Magnetfelder auszuwerten, sondern eben­ falls solche mit konstanter Feldstärke. Aufgaben dieser Art, bei denen die Genauigkeitsanforderungen an das Meßergebnis nicht allzu hoch sind, werden gerne mit Hall-Sensoren bzw. Hall-Generatoren gelöst. Diese geben ein Ausgangssignal in Form einer Spannung ab, welche direkt proportional dem einwirkenden Magnetfeld sowie einem einzuprägenden Versorgungsstrom eines solchen Hallgenerators ist. Im Vergleich zu anderen Sensoren, zeichnen sich solche Hall-Generatoren neben einer guten Lineari­ tät auch durch eine hohe Dynamik aus. Allerdings sind die Ausgangssignale solcher Hall-Generatoren temperaturabhängig, so daß verschiedene Anstrengungen unternommen wurden, den Einfluß der Temperatur oder anderer externer Einflußgrößen auf die auszugebende Hall-Spannung möglichst gering zu halten. Eine Maßnahme dieser Art ist bekannt aus der deutschen Patentsschrift DE-PS 29 31 686, welche lehrt, wie Signale generierbar sind, die ihren Ursprung in Hallgeneratoren haben und die sich durch gute Temperaturunabhängigkeit auszeichnen.

Weitere Maßnahmen zur Erzeugung vorteilhafter Signale, die Hall-Generatoren als erzeugende Signalquellen besitzen, werden in dem Buch "Hall Effect and Opto-Electronic Sensors", Data Book SN 500 der Fa. Sprague Electric Company, Concord, N.H., U.S.A. erläutert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln eine elektronische Schaltung zu schaffen, die eine noch präzisere Erfassung von Hall-Signalen ermöglicht und die von vornherein hohe Hall-Ausgangssignale liefert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in Anspruch 1 angegebenen Vorrichtungen bzw. Maßnahmen. Hierbei handelt es sich um Schaltungen, die einen Hall-Generator periodisch mit kurzen, aber dafür relativ hohen Stromimpulsen versehen. Diese Schaltungen bewirken erhöhte Ausgangsspannungen des Hall-Sensors und werden ergänzt durch Auswerteschaltungen für solcherart erzeugte Hall-Signale. Diese Signale weisen eine weit höhere (Spitzen)Spannung als im Normalbetrieb auf, sind ebenfalls pulsförmig und können bei Bedarf durch nachgeschaltete Auswerte- oder Glättungssschaltungen gefiltert werden. Auf diese Weise kann ein sonst erforderlicher Vorverstärker zur Verstärung der Hall-Signale entfallen. Außerdem wird durch die genannte Maßnahme das Signal-Rausch-Verhältnis der abgegebenen Hall-Spanungen verbessert.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel sowie aus den Unteransprüchen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltung zur impulsmäßigen Bestromung eines Hall-Generators 13,

Fig. 2 eine weitere Ansteuerungsschaltung zu gepulsten Bestromung eines Hall-Generators mit nachgeschalte­ ter Auswerte- bzw. Filterelektronik.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird ein Kondensator 12 über einen Vorwiderstand 10 und einen Hall-Generator 12 mit einer Spannung V1 aufgeladen. Der Vorwiderstand 10 kann nahezu beliebig dimensioniert sein und insbesondere den Wert 0 Ohm annehmen. Der Kondensator 12 kann, je nach Versorgungsspannung V1, Werte von einigen Nano-Farad bis einige zig- Micro-Farad besitzen. Die Aufladung des Kondensators 12 erfolgt über einen Wechselschalter 11, der zweckmäßigerweise als elektroni­ sche Schaltung ausgebildet ist. Der Wechselschalter 11 kann durch eine automatisch arbeitende Umschalteeinrichtung 16 betätigt werden und ist ebenfalls vorzugsweise elektronisch ausgeführt. Nach einer Aufladung des Kondensators 12, deren Dauer sich nach üblichen Schaltregeln als RC-Zeitkonstante aus dem Produkt des Kapazitätswertes dieses Kondensators und der Summe der Wider­ stände von Widerstand 10 und Durchgangswiderstand des Hall-Generators 13 errechnet, fließt kein weiterer Strom durch den Hall-Generator. Auf diese Weise kann bereits ein kurzer und relativ hoher Stromimpuls durch den Hall-Generator 13 erzeugt werden. Die an Ausgängen 14, 15 des Hall-Generators abgreifbare Hall-Spannung besitzt einen zeitlichen Verlauf, der dem Stromimpuls sowie einem extern anliegenden Magnetfeld proportional ist. Nach dieser impulsmäßigen Bestromung, die eine kurzfristige Erwärmung des bauteileinternen Hall-Elements hervorruft, ist eine Bestromungspause erforderlich, damit eine Überhitzung des Hall-Elementes vermieden wird.

Eine solche Pause hängt natürlich davon ab, welche Intensität der Stromimpuls besaß und welche zeitliche Dauer der Lade­ vorgang für Kondensator 12 aufwies. Um möglichst große Hall-Spannungen an den Ausgängen 14 und 15 zu erhalten, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, durch die Dimensionierung des Kondensators 12 möglichst intensive, aber relativ kurzfristige Impulse auf den Hall-Generator 13 zu geben. Ein solches Verhältnis von Pulszeit zu Pausenzeit ist dabei typisch 1 : 100, es kann aber auch wesentlich größere oder kleinere Werte annehmen.

Nach Ablauf einer solchen Bestromungs- und Pausensequenz wechselt die Umschalteeinrichtung 16 die Schalterstellung des Schalters 11, welche zu einer Entladung des Kondensators 12 führt, deren Zeitkonstante jetzt nur noch vom Kapazitätswert dieses Kondensators und dem Durchgangswiderstand des Hall- Generators 13 abhängt. Dieser Stromimpuls ist mindestens gleich groß, gewöhnlich aber höher als der im vorhergehenden genannte Stromimpuls, der von dem Aufladevorgang herrührt. Wegen der unterschiedlichen Stromrichtung besitzt er natur­ gemäß entgegengesetzte Polarität. Dementsprechend besitzt auch die Hall-Spannung an den Ausgängen 14 und 15 eine entgegengesetzte Polarität und muß zur Auswertung z. B. durch Gleichrichter in eine Gleichspannung übergeführt werden. Alternativ kann auch eine gezielte Auswertung solcher Impulse wechselnder Polarität vorgenommen werden, z. B. durch Sample- und Hold-Schaltungen, die jeweils nur eine Polarität solcher Ausgangsimpulse registrieren und von denen die eine einen invertierenden Ausgang besitzt, so daß eine arithmetisch korrekte Summierung solcher Ausgangssignale durch eine nachgeschaltete Summierungsschaltung stattfinden kann.

Fig. 2 zeigt eine andere Schaltungsvariante, bei der ein Hall-Generator 13 nur mit Impulsen einer Polarität bestromt wird und die eine Ansteuer- und Auswerteschaltung 24 besitzt.

Anstelle des Wechselschalters 11 aus Fig. 1 wird in Fig. 2 ein elektronischer Schalter 11′ benutzt, der aus einem Halbleiterbauelement wie z. B. einem Feldefekttransistor bestehen kann, welcher über einen Eingang 26 ansteuerbar ist. - Sobald dieser Transistor eingeschaltet ist, fließt über einen Vorwiderstand 21, Innenwiderstand des Hall-Generators 13 und den Durchgangs­ widerstand des Transistors solange ein Strom, bis der Tran­ sistor 11′ wieder abschaltet. Auch hier handelt es sich um ein kurzfristiges Einschalten, gefolgt von einer relativ langen Schaltpause.

Die erforderlichen Ansteuerpulse gemäß Bezugszeichen 28 werden von einer elektronischen Schaltung 24, vorzugsweise in Form eines Mikroprozessors, generiert und über eine Schaltsignalleitung 25 auf Eingang 26 des elektronischen Schalters 11′ gegeben. Die Schaltung 24 ist in der Lage, über Leitungen 22 und 23 die Ausgangsspannungen des Hall­ Generators von Ausgangspunkten 14 und 15 entgegenzunehmen. Diese Spannungen werden zweckmäßigerweise nur dann analysiert, wenn der Hall-Generator 13 bereits bestromt ist dieser Strom bereits eine zumindest annähernd konstante Größe besitzt. Nach der Erfassung der an Leitungen 22 und 23 anliegenden Hall-Spannung wird der Transistor 11′ wieder abgeschaltet und eine Impulspause eingelegt, um dem Hall-Generator 13 ausreichend Zeit zur Abkühlung zu geben.

Hierbei kann die Impulsfrequenz ziemlich unterschiedliche Werte annehmen, die von einigen wenigen Hertz bis einige 100 kHz betragen kann. Impulsdiagramm 28 symboli­ siert das Impuls-zu-Pausen-Verhältnis der auf der Leitung 25 anliegenden Steuerimpulse. Das dort gezeigte Tastverhältnis kann im praktischen Fall allerdings noch erheblich reduziert werden. Die auf diese Weise gewonnene Meßinformation kann z. B. in direkter Form auf ein an den Micro-Prozessor 24 ange­ schlossenens Meßinstrument 27 gegeben werden. In einer anderen Ausführunsform besitzt die Schaltung 24 Filter­ einrichtungen oder Programme (z. B. Digitalfilter), welche ein geglättetes Ausgangssignal an die Anzeigeeinheit 27 geben.

Die Signalqualität der Signale, wie sie gemäß vorhergehenden erfindungsgemäßen Vorrichtungen erzeugt wird, ist aufgrund der großen Amplitude für die meisten Anwendungsfälle genügend gut geeignet, so daß eine Temperaturkompensation entfallen kann. Sofern eine besonders temperaturunabhängige Signalgenerierung erforderlich ist, kann eine Kombination der erfindungsgemäßen Schaltungen mit den bekannten, obengenannten Schaltungen nach dem Stand der Technik erfolgen. Eine solche Schaltungs­ kombination liefert temperaturunabhängige Ausgangssignale mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung zum Erfassen von konstanten oder wechselnden Magnetfeldern mittels Hall-Generatoren, dadurch gekennzeichnet,daß ein oder mehrere elektronisch arbeitende Schalter vorhanden sind, welche eine impulsförmige Versorgungsspannung auf einen oder mehrere Hall-Generatoren aufschalten, und ein impulsförmiger Versorgungsstrom erzeugt oder in einen Hall-Generator eingeprägt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis des Versorgungsstroms kleinere Werte als 1 : 5 besitzt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsstrom alternierendes Vorzeichen aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzuprägender Versorgungsstrom durch eine Kondensator­ ladung oder -entladung erzeugt wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzuprägender Versorgungsstrom durch eine geschaltete Konstantstromquelle erzeugt wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronischer Schalter ein oder mehrere Transistoren verwendet werden.

7. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Schalter 16 durch eine Ansteuer- und Auswerteschaltung 24 betätigt wird und die Ansteuer- und Auswerteschaltung 24 vom Hallgenerator 13 erzeugte Hallspannungsimpulse erfaßt und verarbeitet.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß erfaßte Hallspannungsimpulse einer digitalen Filterung unterzogen werden.

9. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuer- und Auswerteschaltung 24 aus einem Mikroprozessor mit mindestens einem Analogeingang, mindestens einem Analogausgang und mindestens einem Digitalausgang besteht.

10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein an Hallgeneratorausgängen 14, 15 anliegendes Hall-Signal über einen invertierenden Verstärker verstärkt wird und der Verstärker einen Rückkopplungswiderstand zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang aufweist.