Einrichtung zur Messung oder Regelung elektrischer Widerstände
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung oder Regelung elektrischer Widerstände, insbesondere Wechselstromwiderstände. Erfindungsgemäss sind dem Strom und der Spannung des Widerstandes proportionale Grossen als Steuergrössen mindestens einem Hallspannungserzeuger zugeführt, dessen Hallspannung ein Mass für Grösse bzw. die Grö- ssenänderung des Widerstandes darstellt.
Beim Gegenstand der Erfindung wird die an sich bekannte Tatsache ausgenützt, dass an einem in einem Magnetfeld angeordneten und von einem Strom durchflossenen Hallspannungserzeuger (magnetfeldabhängiger Widerstandskörper) senkrecht zur Stromund senkrecht zur Feldrichtung eine Hallspannung auftritt, die proportional dem Produkt aus der auf den Widerstand einwirkenden Feldstärke und dem den Widerstand durchfliessenden Strom ist.
Vorteilhaft ist der Hallspannungserzeuger aus einem Halbleiterkörper mit einer Trägerbeweglich- keit von mindestens 6000 cm2/Vs gebildet. Im Gegensatz zu anderen bekannten Hallspannungserzeugern, wie beispielsweise Germanium, mit einer Träger- beweglichkeit unter 6000 cm2/Vs, haben die Halb leiterkörper mit höherer Trägerbeweglichkeit nicht nur den Vorteil erheblich grösserer Empfindlichkeit (grössere Hallspannung bei gleicher Steuergrösse), sondern sind darüber hinaus mit wesentlich grösseren Ausgangsleistungen belastbar. Zu den Halbleitern mit derartig hohen Trägerbeweglichkeiten gehören halbleitende Verbindungen, insbesondere der Form AII, BV, d. h.
Verbindungen eines Elementes A der III. Gruppe mit einem Element B der V. Gruppe des periodischen Systems. Für den vorliegenden Zweck haben sich als besonders vorteilhaft die Verbindungen von Indium-Antimonid und Indium-Arsenid erwiesen, bei denen Trägerbeweglichkeiten bis 60 000 cm2/Vs und mehr erreicht werden.
Die Messung eines rein Ohmschen Widerstandes kann beispielsweise in der Art geschehen, dass der Hallspannungserzeuger von einem der Spannung des zu messenden Widerstandes proportionalen Strom durchflossen wird und das den Hallspannungserzeuger beeinflussende Magnetfeld umgekehrt proportional dem durch den zu messenden Widerstand fliessen- den Strom erregt wird.
Schwieriger ist jedoch die Messung von Wechselstromwiderständen. In den Fig. 1 bis 7 sind verschie- dene Ausführungsbeispiele der Erfindung für die Messung von Wechselstromwiderständen angegeben. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung eignet sich beispielsweise zur Messung der Impedanz eines Widerstandes.
In diesem Fall sind zwei Hallspannungserzeuger 1 und 2 in zwei getrennten Magnetfeldern 3 und 4 angeordnet. Das eine Magnetfeld 3 wird von einem dem Strom der zu messenden Impedanz proportionalen Strom i durchflossen, das Magnetfeld 4 von einem der Spannung proportionalen Strom e. Ist ausserdem -wie dargestellt-der Steuerstrom jedes Hallspannungserzeugers proportional der Feldstärke seines Magnetfeldes, beispielsweise indem der das Magnetfeld erregende Strom zugleich als Steuerstrom dient, so entsteht an dem Hallspannungserzeuger eine Hallspannung, die proportional dem Quadrat dieses Steuerstromes ist.
Die Quadratbildung kann aber auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise indem der Steuerstrom des Hallspannungserzeugers einer zusätzlichen, von dem magnetischen Steuerfeld beeinflussten Wicklung entnommen wird. Sind-wie dargestellt-die beiden Hallspannungen über eine Vergleichseinrichtung 5 gegeneinandergeschaltet, so ist der Ausschlag dieser Vergleichseinrichtung proportional der Differenz der beiden Hallspannungen. Da aber nach obigen Ausführungen die Hallspannung des Hallspannungserzeu gers 1 proportional dem Quadrat des durch den zu messenden Widerstand fliessenden Stromes und die Hallspannung des Hallspannungserzeugers 2 proportional dem Quadrat der Spannung des zu messenden Widerstandes ist, erhält man im Gleichgewichtsfall i2 = e2. Daraus ergibt sich die Impedanz Z = e/i const.
Als Vergleichseinrichtung kann beispielsweise ein Verstärker von an sich bekannter Art verwendet werden, dessen Eingangskreis von der Differenz der beiden Hallspannungen gesteuert wird. Eine erhebliche Vereinfachung kann jedoch bei Verwendung von Hallspannungserzeugern aus Halbleiterkörpern mit hoher Trägerbeweglichkeit dadurch erreicht werden, dass die Differenz der beiden Hallspannungen unmittelbar zur Anzeige bzw. Regelung des bemessenen Widerstandes verwendet wird, beispielsweise durch Anordnung eines Relais als Vergleichseinrichtung.
Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 jeweils der Steuerstrom und das Magnetfeld zweier in getrennten Magnetfeldern angeordneter Hallspan nungserzeuger dem Strom bzw. der Spannung des Widerstandes proportional und die beiden Hallspannungen über eine Vergleichseinrichtung gegeneinandergeschaltet wird, sind in der Anordnung nach Fig. 2 beide Hallspannungserzeuger 1 und 2 in einem gemeinsamen Magnetfeld angeordnet. Dieses wird sowohl von dem dem Strom des Widerstandes als auch von dem der Spannung des Widerstandes proportionalen Steuerstrom erregt. Der Hallspannungserzeuger 1 wird von einem dem Strom des zu messenden Widerstandes proportionalen Steuerstrom i durchflossen, der Hallspannungserzeuger 2 von einem der Spannung des Widerstandes proportionalen Steuerstrom e.
Jeder dieser beiden Steuerströme beeinflusst zugleich das die beiden Hallspannungserzeuger steuernde Magnetfeld. Im Gleichgewichtsfall wird wiederum i2 = e2, so dass man ebenfalls die Impedanz Z erhält.
Eine weitere Vereinfachung einer Anordnung zur Impedanzmessung zeigt Fig. 3. Hier ist nur ein Hallspannungserzeuger 11 in einem Magnetfeld angeordnet, das von einem dem Strom und einem der Spannung des Widerstandes proportionalen Strom derart erregt ist, dass die von diesen beiden Strömen erzeugten Induktionen einander entgegenwirken. Als Steuerstrom des Hallspannungserzeugers 11 dient in diesem Fall die Summe der beiden das Magnetfeld erregenden Ströme. Im Gleichgewichtsfall ist die Hallspannung und damit die Spannung an der Vergleichseinrichtung 5 gleich Null.
In Fig. 4 sind, ebenso wie in Fig. 2, zwei Hall spannungserzeuger 1 und 2 in einem gemeinsamen Magnetfeld angeordnet. Der Steuerstrom i des Hallspannungserzeugers 1 ist proportional dem Strom des zu messenden Widerstandes, und der Steuerstrom e des Hallspannungserzeugers 2 ist proportional der Spannung des zu messenden Widerstandes. Die Feldstärke des Magnetfeldes ist jedoch in diesem Fall nur dem Strom des zu messenden Widerstandes proportional, so dass die Hallspannung des Hallspannungserzeugers 1 proportional i2, die Hallspannung des Hallspannungserzeugers 2 proportional e i-cos 9 wird. Im Gleichgewichtsfall ergibt sich dann e-cos = Z- cos (p. Diese Anordnung eignet sich infolgedessen zur Resistanzmessung.
Eine Resistanzmessung erhält man ebenfalls, wenn entsprechend Fig. 5 lediglich ein Hallspannungserzeuger 12 in einem Magnetfeld angeordnet ist, das von einem dem Strom und einem der Spannung des zu messenden Widerstandes proportionalen Strom derart erregt ist, dass die von diesen beiden Strömen erzeugten Induktionen einander entgegenwirken, wobei als Steuerstrom des Hallspannungserzeugers ein dem Strom des Widerstandes proportionaler Strom dient.
Ist dagegen, entsprechend Fig. 6, der Steuerstrom des Hallspannungserzeugers proportional der Spannung des Widerstandes, so erhält man eine Einrichtung zur Konduktanzmessung, da dann für den Gleichgewichtsfall die Bedingung e2 = e i cos q, gilt und man somit die Konduktanz--cos erhält.
Wird in den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5, wie beispielsweise in Fig. 7 erläutert ist, in dem Stromkreis des der Spannung des Widerstandes proportionalen Stromes e der Widerstand R durch eine Kapazität C ersetzt, so wird im Gleichgewichtsfall eo = e i sin 5U. Man erhält also die Reaktanz Z-sin. Wird dagegen der Widerstand R der Fig. 6 durch eine Kapazität ersetzt, so erhält man die Suszeptanz z sm,.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Selektivschutz elektrischer Anlagen, beispielsweise elektrischer Leitungen oder elektrischer Maschinen, wie Transformatoren, Generatoren und dergleichen. Dadurch erübrigen sich die bisher üblichen recht aufwendigen Anlagen, welche, mit Gleichrichtern und Glättungseinrichtungen versehene Relaisanordnungen enthalten. Anstelle der Vergleichseinrichtung 5 in den Ausführungsbeispielen kann ein einfaches Relais, beispielsweise ein polarisiertes Relais, verwendet werden, welches beim tuber-odeur Unterschreiten eines vorgegebenen Wertes anspricht und dadurch eine Fehlerstelle zur Anzeige bringt.
Weiterhin eignet sich die Erfindung aber auch zur Regelung elektrischer Widerstände auf einen konstanten Wert, indem beispielsweise die Gleichgewichtsbedingung für die Vergleichseinrichtung 5 dem Sollwert des Widerstandes angepasst wird und Abweichungen von diesem Sollwert mit Hilfe einer Relaisanordnung oder dergleichen eine Verstelleinrichtung steuern, bis der Widerstand seinen Sollwert wieder erreicht hat. Derartige Einrichtungen dürften sich vor allem in solchen Anlagen empfehlen, in denen konstante Widerstände erforderlich sind, die Widerstandswerte jedoch infolge äusserer Einflüsse (Verschmutzung, Temperatur oder dergleichen) starken Schwankungen ausgesetzt sind.