DE1225885B

DE1225885B - Multiplier

Info

Publication number: DE1225885B
Application number: DES35385A
Authority: DE
Inventors: Eberhardt Braunersreuther; Dr Rer Nat Friedrich Kuhrt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1953-09-23
Filing date: 1953-09-23
Publication date: 1966-09-29

Description

Multiplikationseinrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Multiplikationseinrichtung, welche auf dem Prinzip des Halleffektes beruht, der bekanntlich darin besteht, da$ an zwei normalerweise spannungslosen Punkten eines elektrischen Widerstandskörpers eine Spannung, die sogenannte Hallspannung U,1, entsteht, wenn ein Strom I und ein Magnetfeld B vorhanden sind. Für die Hallspannung gilt dann Uli = const - I - B. Multiplication device The present invention relates to a multiplication device which is based on the principle of the Hall effect, which, as is well known, consists in the fact that a voltage, the so-called Hall voltage U, 1, arises at two normally dead points of an electrical resistance body when a current I and a magnetic field B are present. Uli = const - I - B then applies to the Hall voltage.

Obwohl der Halleffekt grundsätzlich bei jedem sich innerhalb eines Magnetfeldes befindlichen stromdurchflossenen elektrischen Widerstand.skörper auftritt, haben sich bisher für die technische Ausnutzung des Halleffektes nur Halbleiterwiderstandskörper als brauchbar erwiesen. Halbleiter sind die Elemente der III. bis V. Gruppe des Periodischen Systems, so z. B. Indium, Silicium, Germanium und Wismut, Daneben sind in neuerer Zeit auch halbleitende Verbindungen aus einem Element der dritten und einem Element der V. Gruppe, sogenannte Alj,Bv-Verbindungen bekanntgeworden, welche gegenüber den zuvor genannten Halbleitern eine höhere Trägerbeweglichkeit aufweisen.Although the reverb effect is basically within a Electric resistance body through which there is a current flowing through the magnetic field occurs, So far, only semiconductor resistors have been used for the technical exploitation of the Hall effect proven to be useful. Semiconductors are the elements of III. to V. group of Periodic table, e.g. B. indium, silicon, germanium and bismuth, besides are more recently also semiconducting compounds from an element of the third and an element of the V group, so-called Alj, Bv compounds, which have a higher carrier mobility compared to the aforementioned semiconductors.

Multipliziervorrichtungen auf der Grundlage des Halleffektes sind bekannt. Als Halbleitermaterial wurde dabei jedoch Silicium oder Germanium verwendet, weil man den höheren Hallkoeffizient dieser Stoffe im Vergleich zu den anderen vorstehend genannten Materialien, insbesondere gegenüber den AjnBv-Verbindungen für ausschlaggebend für einen guten Hallmultiplikator hielt. Zwar wurde schon vorgeschlagen, einen aus AjjBv-Material bestehenden Halbleiterkörper bei einem elektrischen Magnetfeldmeßgerät einzusetzen, die Verwendung derartiger Materialien für Hallmultiplikatoren wurde jedoch bisher wegen ihrer relativ niedrigen Hallkonstanten nicht in Betracht gezogen und zum Teil in der Literatur ausdrücklich abgelehnt.Are multipliers based on the Hall effect known. However, silicon or germanium was used as the semiconductor material, because one has the higher reverberation coefficient of these substances compared to the others above materials mentioned, in particular with regard to the AjnBv connections, are decisive thought was a good reverb multiplier. It has already been suggested to take one off AjjBv material consisting of a semiconductor body in an electric magnetic field measuring device to use the use of such materials for Hall multipliers was however, so far not considered because of their relatively low Hall constants and in some cases expressly rejected in the literature.

Den bekannten Hallmultiplikatoren haftet jedoch der wesentliche Nachteil an, daß ihre Ausgangsspannung nur sehr wenig belastbar ist, wodurch in sehr vielen Fällen eine nachfolgende Verstärkung erforderlich ist. Diesen Nachteil beseitigt die Erfindung mit einer Multiplikationseinrichtung, insbesondere für Rechenmaschinen, unter Ausnutzung des Halleffekts eines von einem elektrischen Strom durchflossenen und in einem magnetischen Feld angeordneten Halbleiters. Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß bei ihr als Hallspannungserzeuger ein Halbleiter des Typs AllBv, insbesondere Indiumantimonid, mit hoher Trägerbeweglichkeit verwendet ist. Die Erfindung löst sich also von der bisherigen Meinung, daß - im Einklang mit der oben angegebenen Formel - für einen guten Hallmultiplikator nur solche Halbleiterinaterialieil mit einer möglichst hohen Hallkonstante in Frage kommen könnten, und schlägt statt dessen ein Halbleitermaterial mit eindeutig niedriger Hallkonstante zum Aufbau eines Hallmultiplikators vor. Im Gegensatz zu Multiplikatoren aus Germanium und Silicium vermag der Hallmultiplikator nach der Erfindung relativ hohe Leistungen abzugeben. Auf diese Weise wird es z. B. möglich, das Ausgangssignal ohne eine nachfolgende Verstärkung unmittelbar elektrisch weiterzuverarbeiten.The known Hall multipliers, however, have the essential disadvantage that their output voltage can only be loaded very little, as a result of which a subsequent amplification is necessary in very many cases. The invention eliminates this disadvantage with a multiplication device, in particular for calculating machines, utilizing the Hall effect of a semiconductor through which an electric current flows and is arranged in a magnetic field. The distinguishing feature of the invention is that it uses a semiconductor of the AllBv type, in particular indium antimonide, with high carrier mobility as the Hall voltage generator. The invention thus detaches from the previous opinion that - could come for a good Hall multiplier only those Halbleiterinaterialieil with the highest possible Hall constant in question, and proposes instead a semiconductor material of significantly lower Hall constant to build a - consistent with the above formula Hall multiplier. In contrast to multipliers made from germanium and silicon, the Hall multiplier according to the invention can deliver relatively high outputs. In this way it is z. B. possible to further process the output signal directly electrically without a subsequent amplification.

überraschenderweise erweist sich jedoch der Hallmultiplikator mit dem erfindungsgemäß verwendeten Ajj,Bv-Material nicht nur bei Belastung, sondern auch im Leerlauf günstiger als ein solcher mit einem Gerinanium- oder Siliciumwerkstoff. Dies klingt zunächst paradox, da nach der bekannten Formel für den Halleffekt bei Leerlauf ausschließlich die Hallkonstante als maßgeblich erscheint. Es läßt sich aber nachweisen, daß diese Formel, die beim praktischen Aufbau eines Hallmultiplikators entstehenden Probleme nicht berücksichtigt. Auf Grund der geometrischen Verhältnisse im Luftspalt, der Aufbaubedingungen eines Hallmultiplikators sowie aus den Bedingungen hinsichtlich der Konstanz der abgegebenen Werte, insbesondere der Temperaturkonstanz, ergibt sich, daß Materialien des Typs AIIIBv dem Germanium und Silicium auch dann überlegen sind, wenn die Hallspannung unbelastet bleibt. Im Gegensatz zu der bisher vertretenen Auffassung der Fachwelt ist der Hallmultiplikator nach der Erfindung auch für diesen Anwendungsfall vorteilhafter als die bekannten Multiplikatoren. Die Erfindung ist also in der Verwendung eines für elektrische Meßgeräte bereits vorgeschlagenen, aus AjuBv-Material hergestellten Hallgenerators bei bekannten Multipliziervorrichtungen zu sehen.Surprisingly, however, the Hall multiplier turns out to be the Ajj, Bv material used according to the invention not only under load, but cheaper than a gerinanium or silicon material even when idling. This sounds paradoxical at first, since it is based on the well-known formula for the reverb effect When idling, only the Hall constant appears to be decisive. It can be but prove that this formula, which is used in the practical construction of a Hall multiplier arising problems are not taken into account. Due to the geometric relationships in the air gap, the construction conditions of a Hall multiplier and the conditions with regard to the constancy of the given values, in particular the temperature constancy, it follows that materials of the type AIIIBv the germanium and silicon also then are superior if the Hall voltage remains unloaded. In contrast to the previous one Represented view of the professional world is the Hall multiplier according to the invention also more advantageous than the known multipliers for this application. The invention is thus already in use for electrical measuring devices proposed Hall generator made of AjuBv material in known multipliers to see.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen, die ein Prinzipschaltbild des Erfindungsgegenstandes darstellt, das sich auf eine Produktionsbildung bezieht. Es ist angenommen, daß die beiden zu multiplizierenden Faktoren als elektrische Spannungen U, und U, zur Verfügung stehen. Die Spannungen können dabei Abbilder irgendwelcher technisch-physikalisbher Größen sein; die Spannung U, kann beispielsweise die an einem Gleichstrommotor liegende Spannung und die Spannung U2 den vom Motor aufgenommenen Strom darstellen. Es wird in diesem Fall also die aufgenommene Motorleistung gemessen. Während die Spannung U, einen Strom J, durch eine Spule 1 treibt, treibt die Spannung U2 einen Strom f. durch einen aus einer AmBv-Verbindung bestehenden magnetfeldabhängigen Widerstandskörper 2. Dieser ist mit zwei Elektroden 3 und 4 versehen, an denen die Hallspannung, also ein dem Produkt U, - U2 verhältiger Wert, abge-nommen wird. Die Hallspannung kann gegebenenfalls verstärkt werden und entweder in einem Meßgerät angezeigt oder zu irgendeiner anderen Verwendung ausgenutzt werden. Zwei Vorwiderstände sind mit R, bzw. R2 bezeichnet. Werden die Widerstände Ri und R, veränderbar oder steuerbar ausgebildet, so können die Spule 1 und der Widerstand 2 an die gleiche Stromquelle angeschlossen werden. Die an den Widerständen eingesteuerten Leitwerte stellen alsdann die zu multiplizierenden Faktoren dar. Die Widerstände Ri und R2 können beispielsweise Röhren oder Halbleiter oder auch Magnetverstärker sein.For a more detailed explanation of the invention, reference is made to the drawing, which shows a basic circuit diagram of the subject matter of the invention, which relates to a production formation. It is assumed that the two factors to be multiplied are available as electrical voltages U 1 and U 1. The tensions can be images of any technical-physical quantities; the voltage U can, for example, the voltage and lying on a DC motor, the voltage U2 represent the current absorbed by the motor. It is thus in this case measured the absorbed motor power. While the voltage U, a current J, drives a coil 1 , the voltage U2 drives a current f. Through a magnetic field-dependent resistance body 2 consisting of an AmBv connection. This is provided with two electrodes 3 and 4 on which the Hall voltage, so a product U - U2 verhältiger value is taken off. The Hall voltage can optionally be amplified and either displayed in a measuring device or used for some other use. Two series resistors are denoted by R and R2. If the resistors Ri and R, are designed to be variable or controllable, then the coil 1 and the resistor 2 can be connected to the same power source. The conductance values introduced at the resistors then represent the factors to be multiplied. The resistors Ri and R2 can, for example, be tubes or semiconductors or also magnetic amplifiers.

Es ist ferner möglich, das auf den Widerstand 2 einwirkende Magnetfeld, das mit Hilfe der Spule 1 und der daran angeschlossenen Stromquelle erzeugt wird, durch das Feld eines Dauermagneten zu ersetzen. Das Dauermagnetfeld desselben kann entweder konstant sein, wenn einer der Produktfaktoren konstant ist, oder wenn Produkte aus veränderbaren Faktoren gebildet werden sollen, auch veränderbar sein, beispielsweise durch einen einstellbaren magnetischen Nebenschluß oder durch einen Gegenmagneten.It is also possible to replace the magnetic field acting on the resistor 2, which is generated with the aid of the coil 1 and the power source connected to it, by the field of a permanent magnet. The permanent magnetic field of the same can either be constant if one of the product factors is constant, or if products are to be formed from changeable factors, it can also be changeable, for example by an adjustable magnetic shunt or by a counter magnet.

Mit Hilfe der Einrichtung nach der Erfindung lassen sich Produkte aus beliebigen Größen und für die verschiedensten Zwecke bilden. Genannt seien beispielsweise Leistungs- und Effektivwertmessungen in der Elektrotechnik, ferner die Anwendung zum Bau von Rechenmaschinen. Bei der Leistungsmessung mit Hilfe von Strom und Spannung bildet der Strom die eine und die Spannung die andere der zu multiplizierenden Größe. Soll eine Leistungsmessung bei Wechselstrom vorgenommen werden, so werden die Hallelektroden 3 und 4 an ein den Mittelwert anzeigendes Meßinstrument angeschlossen. Zur Effektivwertmessung bei Wechselstromgrößen werden beide Produktfaktoren durch die gleiche Meßgröße gebildet.With the aid of the device according to the invention, products of any size and for a wide variety of purposes can be formed. Examples include power and effective value measurements in electrical engineering, as well as applications for building calculating machines. When measuring power with the aid of current and voltage, the current forms one and the voltage forms the other of the variable to be multiplied. If a power measurement is to be carried out with alternating current, the Hall electrodes 3 and 4 are connected to a measuring instrument showing the mean value. To measure the effective value of alternating currents, both product factors are formed by the same measured variable.

Claims

Claim: Multiplication device, in particular for calculating machines, utilizing the Hall effect of a semiconductor through which an electric current flows and arranged in a magnetic field, characterized in that a semiconductor of the AjuBv type, in particular indium antimonide, with high carrier mobility is used as the Hall voltage generator. Considered publications: German Patent Specifications No. 839 220, 973 121; Swiss patents No. 275 601, 198 449; USA. Patent Nos 2,585,707, 2,562,120, 2,592,257. Archive for electrical engineering, 1956, pp. 155 to 164; Review of Seientific Instruments, 19, 1948, pp. 263-265.