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Einriehtung zur Multiplikation zweier elektrischer Größen Die Erdindung
betrifft eine Einrichtung zur Multiplikation zweier elektrischer Großen, die nach
dem Prinsip der Ausnutzung des in diinnen ferromagnetischen Schichten und insobesondere
in Permalloyschichten mit vorteilhaft
einachsiger Anisotropie auftretenden
Magnetoresistanseffekts arbeitet und in verschiedenen Meßachaltungen sowie automatischen
Regel- und Steuersystemen verwendet werden kinn, Bei den bekannten zur Multiplikation
zweier elektrischer Grössen, am häufigsten der Spannungen oder Ströme bs anderer
in Spannung oder Strom umgewandelter physikalischer Größen, dienenden Einrichtungen
werden Elemente mit nichtlinearer Strom- und Spannungscharackeristik, beispielsweise
nach den entsprechenden Schaltbild verbundene Dioden bnr.
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Elemente angewendet, in denen physikalische Effekte auftreten, die
einen dem Produkt zweier Eingangswerte proportionalen Ausgangswert liefern. Zu den
letzteren zählen beispielsweise die zur Multiplikation zweier elektrischer Größen
dienenden Halletrone, in denen die Halleffekte in Halbleitern ausgenutzt werden.
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In den Multiplikationseinrichtungen mit Hallotronen oder auch mit
Hallogeneratoren wird eine der Multiplikatiensgrößen in Steuerstrom und die andere
in magnetische Induktion ugewandelt.
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Zur Erzeugung der agnetischen Induktion werden am häufigstem Spulen
mit ferromagnetischen oder Ferritkernen, selteer kernlese Spulen verwendet. Ferromagnetische
Kerne müssen verwendet werden, weil die Multilikationseinrichtung nit
einen
Halletren oder iit einen Hallgenerater bei hohen Induktionswerten (von über zehn
Gz) arbeitet. Die Verwendumg von ferremagnetischen oder Ferrikternen ruft Multiplikationsabweichungen
herver, die u.a. durch nichtlineare Abhängigkeit zwischen Feldstärke und Induktien,
Verluste infelge von Wirbelströmen, Hystereseverluste und dgl. verursacht werden.
Wenn eine kernlose Spule verwendet wird, sind zwar diese Abweichungen geringer,
es können dafür aber keine kleinen Ströme oder Spannungen multipliziert werden.
Außerdem weisen die Multiplikationseinrichtungen mit Halletronen oder mit Hallgeneratoren
Abweichungen auf, die mit verhältnismäßig greßen Temperaturkoeffizienten verbunden
sind. Infolge aller oben erwähnten Faktoren dürfen die zu multiplizierenden Größen
- der Strom etwa fünfzehn Milliampere und die Spannung einige Volt nicht unterschreitem.
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Durch den Vergleich der Kenndaten der mit Hallotronen oder mit Hallgeneratoren
ausgestatteten Einrichtungen mit den nach anderen Prinzipien arbeitenden Multiplikationseinrichtungen
kann nan feststellen, daß ihre Eigenschaften einander gemähert sind.
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Durch die Erfindung soll erreicht werden, daß zwei eleitrische Größen
auch mit kleinen Werten nultipliziert werden können, z.B. Spannungen von etwa fünfzehn
Millivolt und Ströne ab einigen Mikroampere. Dazu soll eine entsprechende
elektrische
Schaltung, die mit geringem Aufwand realieierbar ist, geschaffen werden.
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Dies wird durch eine unter Ausnutzung des Magnetoresistanzeffekts
arbeitende Einrichtung zur Multiplikation zweier elektrischer Größen erreicht, die
eine oder mehrere dünne ferromagnetische Schichten aufweist, welche die nagnetieche,
an vorteilhaftesten einachsige Anisotropie aufweist. Diese Schicht oder Schichten
ist bzw. sind sant zwei Elektrodenpaaren auf einen Isolierkörper, beispielsweise
aus Glas, aufgetragen. Dabei ist ein Paar Elektroden, die als Stromelektroden bezeichnet
werden, so angeordnet, daß der Steuerstrom länge der Shicht fließt. Das andere Paar
Elektroden, die Spannungselektroden genannt werden, ist quer zur Stromrichtung angebracht.
Die Einrichtung weist auch eine mit der Schicht fest verbundene Spule auf, die auf
den Isolierkörper mit der Schicht so gewickelt ist, daß der durch die Spule fließende
Strom eine Magnetfeldkomponente in der Schichtebene ergibt. Infolge der Einwirkung
des zum Spulenstrom proportionalen Feldes auf die durch den Strom durchflossene
ferromagnetische Schicht, tritt an den Spannungselektroden ein Ausgangssignal in
Forn einer Spannung oder eines Strom. auf, das den Produkt des Steuer- und des Magnetisierungsstroms
direkt proportional ist. Die dünne ierremagnetische Schicht und die Elektroden,
die mit der Magnetieierungsspule auf den isolierkörper angebracht sind, beiinden
sich je nach Bedari im Wirkungsbereich des mit Hilfe
einer Zusatz-Magnetisierungsspule
oder einer Dauermagnete erzeugten Magnetfeldes. Diese Spule ist analog wie der Magnet
in Bezug auf die Schicht so angeordnet, daß die Magnetfeldkomponente in der Ebene
der ferromagnetischen Schicht liegt. Zwischen dem Isolierkörper und der mit wei
Paar Elektroden, den Stro- nd Spannungselektroden, versehenen dünnen ferromagnetischen
Schicht befindet rioh je nach Bedarf eine dünne leitende Schicht mit einem Paar
Elektroden, dureh die der der Multiplikation unterliegende Strom, d.i. der Magnetisierungsstrom,
eingeführt wird. Das Ganze befindet sich je nach Bedarf, wie oben schon erwähnt,
im Wirkunsbereich des mit Hilfe einer Zusatz-Magnetisierungsspule oder eines Dauermagnete
erzeugten Magnetfeldes. Die Spule oder der Magnet sind in Bezug auf die dünne ierromagnetische
Schicht so angeordnet, daß die Magnetfeldkom ponente in der Ebene der ferromagnetischen
Schicht liegt.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung weist im Vergleich mit den bekannten
Multiplikationseinrichtungen für zwei lektrische Größen eine sehr hohe Empfindlichkeit
auf, d.i0 sie arbeitet bereits bei kleinen Steuerströmen und Magnet feldern, so
daß sie keine Verwendung von Feldkonzentratoren erfordert. Dadurch wird eine Verkleinerung
des Magnetfeldes ermöglicht und der praktische Verwendungsbereich der Einrichtung
im Mess-, Automatik- und Steuerschaltungen wird somit beträchtlich erweitert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt die dünne ferromagnetische Schicht mit Elektroden.
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Fig. 2 zeigt das Grundschaltbild der Multiplikationseinrichtung für
zwei elektrische Größen.
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Fig. a zeigt eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit einer Zusatz-Magnetisierungsspule.
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Fig. 4 zeigt eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit eine Dauermagneten
Fig. 5 zeigt eine Einrichtung gemäß Erfindung mit einer zusätzlichen leitenden Schicht,
durch die das U-nagnetisierungsfeld erzeugt wird.
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In der Fig. 1 ist eine am vorteilhaftesten einachsige Anisotropie
aufweisende dünne ferromagnetische Schicht 2 dargestellt, die samt den Stromelektroden
4 und den Spannungselektroden 3 auf den Isolierkörper 1 aufgetragen ist. Die ferromagnetische
Schicht 2 kann einfach oder mehrfach sein, d.i. sie kann aus mehreren durch nichtferromagnetische
Zwischenlagen, beispielsweise aus Siliziumoxyd SiO, getrennten ferromagnetischen
Schichten bestehen, wobei die Dicke jeder
Schicht im Bereich von
5 bis 2000 Nanometer liegen kann; als Isolierkörper kann eine Glasplatte verwendet
werden.
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Infolge der Einwirkung der Energie der magnetischen Anisetropie kann
man in einer solchen Schicht zwei Richtungen, nämlich eine mit einer leichten L
mnd eine mit einer schweren Magnetisierung T unterscheiden. Ist kein fremdes Magnetfeld
verhanden, so zeigt der Magnetisierungsvektor J längs der Achse L. Die Lage des
Magnetisierungsvektors J ändert sich unter der Einwirkung des fremden Magnetfeldes
H, und danit wird auch die Anisotropieachse des elektrischen Widerstandes der Schicht
geändert. Zwischen den Spannungselektroden 8 tritt eine Spannung auf. Die Änderung
der Anisetropieachse des Widerstandes unter der Einwirkung der Magnetisierungsäderung
wird als Magnetowiderstands- oder Magnetresistanzeffekt bezeichnet. Wird an die
Stromelektreden 4 der dünnen ferromagnetischen Schicht die Spannung U angelegt,
die einen Steuerstrom I fließen läßt, so tritt an den Spannungselektroden 8 eine
Ausgangsspanung auf, die von der Lage des Magnetisierungsvektors J abhängig ist.
Die Lageränderung dieses Vektors wird durch ein frewdes Magnetfeld hervorgerufen.
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Eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung ist ans Fig.
2 ersichtlich. Den Klonen der Magnetisierungsspule 5 wird die Spannung Um oder der
Strom Im zugeführt, die der Multiplikation durch die Spannung Us oder den Strom
Is unterliegen, weich letztere den Stromelektroden 4 sugeführt
werden.
Der durch die Spule 5 fließende Strom In erzeugt das Magnetfeld H, das eine Lageänderung
des Magnetisierungsvektors J in der ferromagnetischen Schicht bewirkt, wodurch an
den Spannungselektroden 3 die Spannung Ug auftritt, die dem Produkt der Spannung
Um oder des Stroms Im und der Spannung U5 oder des Stroms I proportional ist.
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Das Ausgangssignal in Form der Spannung Ug oder des Stroms I- wird
direkt dem Messgaät 6 zugeführt bzw. mit Hilie des Verstärkers 7 verstärkt.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung
mit einer Zusatz-Magnetisierungsspule 8 angegeben, die durch einen Gleichstrom von
bestimmter Stärke durchflossen wird, durch den das zur Feld H der Spule 5 senkrecht
gerichtete konstante Magnetfeld H erzeugt wird.
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Iniolge dieser Anordnung der Spule 8 in Bezug auf die ferromagnetische
Schicht wird die in der Ebene der ferromagnetischen Schicht liegende Magnetfeldkomponente
erzielt.
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Die in der Schichtebene liegende Feldkomponente H wirkt auf den Magnetisierungsvektor
J ein, wodurch eine Änderung der Charakteristik des Ausgangssignals der Multiplikationseinrichtung
sowie ihrer Empfindlichkeit ermöglicht und damit eine Erweiterung des Messbereichs
erzielt wird.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung
dargestellt, bei der die auf dcm Isolierkörper
1 angebrachte ferromagnetische
Schicht 2 mit Elektroden und die Magnetisierungsapule 5 sich im Wirkungsbereich
des mit Hilfe des Dauermagneten 9 erzeugten Magnetfelds befinden. Der Magnet 9 iet
so in Bezug auf die ferromagnetische Schicht 2 angeordnet, daß die Magnetfeldkomponente
in der Ebene der Schicht 2 liegt. Diese Ausführungsforn erfordert keine zusätzliche
Gleichstromquelle zur Speisung der Spule 8 gemäß Figt 3, und eine Änderung der Charakteristik
wird durch eine Änderung der Lage des Magneten 9 in Bezug auf die dünne Schicht
2 erzielt.
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Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung,
in der zwischen der isolierenden l und der ferromagnetischen Schicht 2 eine dünne
leitende Schicht 10 angeordnet ist, die die Einwirkung der Magnetisierungsspule
5 ersetzt. Bei dieser Ausführung wird der durch den Steuerstrom Is multiplizierte
Strom Im durch die leitende Schicht 10 durchgelassen und das um diese entstandene
Magnetfeld ändert die Lage des Magnetisierungsvektors J in der ierromagnetischen
Schicht 2. Durch das Ersetzen der Magnetisierungsspule 5 durch die dünne leitende
Schicht 10 können die Abmessungen der Einrichtung beträchtlich verringert werden
und ihre Herstellung vereiitacht sich ebenfalls. Diese Ausiührungsiorm ist zur Veränderung
ihrer Charakteristik oder Änderung des Messbereichs mit einer Zusatzepule 8 oder
einem Dauermagneten 9 ausgestattet.
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Mit Hilfe der beschriebenen Einrichtungen können sowohl Wechsel spannungen
und -ströme als auch Gleichspannungen und -ströme multipliziert werden. Das Multiplikationseffekt
tritt auch dann auf, wenn ine der Multiplikation unterliegenden Größen konstant
und die andere veränderlich ist.
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Die Multiplikationseinrichtung für zwei elektrische Größen gesäß der
Erfindung weist gute metrologische Eigenschaften auf. Sie ermöglicht die Multiplikation
zweier elektrischer Größen mit kleinen Werten, wobei der Einfluß von Störiaktoren
auf das Multiplikationsergebnis geringfügig ist. Die Einrichtung hat sehr kleine
Abmessungen, wodurch ihr Verwendungebereich groß ist.
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- Patentansprüche -