DE69425465T2

DE69425465T2 - Ein anstiegsaktivierter Hall-Spannungssensor

Info

Publication number: DE69425465T2
Application number: DE69425465T
Authority: DE
Inventors: Alberto Bilotti; Ravi Vig; Hitoshi Yabusaki
Original assignee: Allegro Microsystems LLC
Current assignee: Allegro Microsystems LLC
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1994-05-18
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2014-05-19
Also published as: US5442283A; DE69425465D1; EP0642029A1; EP0997705A2; JPH0783699A; EP0642029B1; EP0997705A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen berührungslosen Hall-Detektor, insbesondere einen Hall-Sensor für Eisenzahnräder mit einem angeschlossenen Magneten, mit dem die Nähe jedes Zahns eines anliegenden umlaufenden Eisenzahnrades erfasst werden kann, und sie betrifft konkret einen Hall-Sensor, der in der Lage ist, die Vorder- und Hinterflanke jedes passierenden Zahns zu erfassen, wohingegen er gegenüber den Gleichstromanteilen des Hall-Signals innerhalb des Sensorschaltkreises unempfindlich ist, einschließlich derjenigen, die durch den Magneten verursacht werden, sowie derjenigen, die auf die Gleichstromverschiebungen im (in den) Hall- Element(en) und den Hall-Signalverstärkern zurückzuführen sind.
Bei einer bekannten Hall-Sensorschaltung wird ein passierendes magnetisches oder eisenmagnetisches Objekt erfasst, wobei das verstärkte Hall-Signal verstärkt und anschließend durch ein Wechselstrom-Kopplungsglied, wie zum Beispiel ein Hochpassfilter, gefiltert wird, um den Gleichstromanteil des Hall-Signals zu entfernen. Die Entfernung des Gleichstromanteils ist dann besonders wichtig, wenn an den Hall- Sensor ein Magnet angeschlossen ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das verzerrt wird, wenn ein Objekt aus Eisen den Sensor passiert, dessen Verzerrung durch den Hall-Sensor erfasst werden soll.
Das USA-Patent 4 218 659, erteilt am 19. August 1980, offenbart eine Reihe solcher wechselstromgekoppelter Hall-Sensoren. In einem weiteren derartigen wechselstromgekoppelten Hall-Sensor wird ein Differential-Hochpassfilter eingesetzt, das nur einen Filterkondensator im Hall-Signalweg hat. Dieser Hall-Sensor wird im USA- Patent 4 982 155 beschrieben, das am 1. Januar 1991 an Ramsden erteilt·und an den gleichen Rechtsnachfolger abgetreten wurde wie die vorliegende Erfindung. Aus der Patentschrift des genannten US-Patents ist die Präambel zu Anspruch 1 der vorliegenden Beschreibung abgeleitet worden.
Diese Hall-Sensoren mit Hochpassfiltern neigen bei Einschaltung des Stroms zu einer falschen Triggerung und zu einem falschen Ausgangssignal, weil die Ladung des/der Filterkondensators/Filterkondensatoren einen angemessenen Gleichstrom pegel erreicht haben muss, bevor der normale Betrieb beginnen kann. Welcher Gleichstrompegel angemessen ist, kann nicht bestimmt werden, weil es beispielsweise bei Spannungshochlauf nicht bekannt ist, ob der zuerst vorhandene Hall- Signalpegel den Spitzen zuzuschreiben ist, d. h. einem Zahnkopf oder einem Zahnfuß eines Zahnrades, oder welcher Anteil des zuerst gesehenen Signalpegels die Verstärker-Messwertverschiebung widerspiegelt. Es gibt keine bekannten den Spannungshochlauf unterstützenden Schnellladeschaltungen, die dieses Problem lösen.
Ferner klingt die Spannung des Hochpass-Filterkondensators während des Sensorbetriebs bei Niederfrequenzen ab, wodurch die Sensorschaltung zu einer falschen Triggerung neigt. Es ist wesentlich besser, wenn ein Sensor gar kein Ausgangssignal produziert als dass er ein falsches erzeugt.
Daher besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, einen Hall-Sensor zu schaffen, der die oben genannten bekannten Nachteile überwindet.
Es ist weiterhin Ziel der Erfindung, einen verbesserten Hall-Sensor für die Erfassung der Vorder- und Hinterflanken des Hall-Spannungssignals unter Verwendung einer Haü-Signal-Nachlauf- und -halteschaltung zu schaffen, indem das Auftreten eines Hall-Signal-Impulsanstiegs oder einer -Impulsspitze erfasst wird, wobei der Gleichstromanteil der Hall-Spannung, die Verschiebungen des/der Hall-Elements/Hall- Elemente und die Hall-Signalverstärker ignoriert werden und nur ein kleiner, das Hall- Signal modifizierender Kondensator eingesetzt wird.
Weiterhin hat die Erfindung das Ziel, einen Sensor zu schaffen, bei dem die Kapazität des kleinen Kondensators um ein Vielfaches kleiner ist als bei (einem) bekannten Kondensator(en) in dem das Hall-Signal modifizierenden Weg der Nachlauf- und Halteschaltung, und zwar für einen gegebenen Niederfrequenzgrenzpunkt für das Zählen von Zahnradzähnen, z. B. einer gegebenen minimalen Umlaufgeschwindigkeit passierender Zahnradzähne.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen anstiegsaktivierten Hall-Spannungssensor mit:
a) einem Hall-Detektor mit mindestens einem Hall-Element;
b) einer Komparatoreinrichtung mit einem Ausgang und mit einem und einem weiteren Differentialeingangsleiter zur Erzeugung einer binären Ausgangsspannung, die sich von einem Binärniveau zum anderen ändert, wenn die zwischen den Differentialeingangsleitern auftretende Spannung eine vorgegebene Größe überschreitet;
c) einer ersten Schaltungsverzweigungseinrichtung, die zwischen dem Ausgang des Hall-Detektors und dem einen Komparatoreingangsleiter angeschlossenen ist und zum Anlegen der Hall-Spannung am Ausgang des Hall-Detektors an den einen Komparatoreingangsleiter dient; und
d) einer zweiten Schaltungsverzweigungseinrichtung, die zwischen dem Hall- Detektorausgang und dem anderen Komparatoreingangsleiter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltungsverzweigungseinrichtung so angeordnet ist, dass ein positiver Anstieg verfolgt und der anschließende positive Spitzenwert der Hall-Spannung an dem Detektorausgang gehalten und die gehaltene Spannung an den anderen Komparatoreingangsleiter angelegt wird, so dass, wenn nach beginnendem Abfall der Hall-Spannung von dem positiven Höchstwert die zunehmende Differenz zwischen der Hall-Spannung und der gehaltenen Spannung die vorgegebene Größe überschreitet, der entstehende Komparatorausgangsimpuls den Beginn einer Veränderung in der Stärke des umgebenden Magnetfeldes am Hall-Element anzeigt.
Der Begriff "Hall-Detektor" soll in der hier verwendeten Bedeutung ein oder mehrere einzelne Hall-Elemente und Hall-Signalverstärker umfassen, die zur Erzeugung einer Hall-Spannung dienen. Der Komparator kann aus einer Schmitt-Triggerschaltung bestehen.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht die zweite Schaltungsverzweigung, die zwischen dem Ausgang des Hall-Detektors und dem anderen Komparatoreingangsleiter angeschlossen ist, aus einer symmetrischen Nachlauf- und Halteschaltung mit Doppelpolarität, einschließlich einer Hall-Plusspannungs- Nachlauf- und -Halteschaltungseinrichtung mit einem einfachen Spannungshaltekondensator zum Verfolgen positiver Anstiege und zum Halten positiver Hall- Spannungsspitzen sowie einer Hall-Minusspannungsnachlauf- und -halteschaltungseinrichtung zum Verfolgen negativer Anstiege und zum Halten negativer Hall- Spannungsspitzen. Diese Anordnung ist besonders günstig, wenn der Hall-Sensor beispielsweise als Zahnradsensor eingesetzt werden soll.
Die Plus- und Minus-Hall-Spannungsnachlauf- und -halteschaltungseinrichtungen bestehen vorzugsweise jeweils aus einem bipolaren Transistor mit einem an den Spannungshaltekondensator angeschlossenen Emitter, einem Betriebsverstärker mit einem an die Basis des Transistors angeschlossenen Ausgang, wobei der Verstärker einen an den Transistoremitter angeschlossenen negativen Eingang und einen an den Transistorkollektor angeschlossenen positiven Eingang hat und als Eingang für jede Hall-Spannungsnachlauf- und -halteschaltung dient.
Der Komparator kann eine symmetrische Schmitt-Triggerschaltung mit Doppelpolarität sein, die über eine Ansprech- und eine Auslösespannung mit entgegengesetzter Polarität und gleichem Wert, nämlich dem vorgegebenen Wert, verfügt.
Des Weiteren arbeitet der Differentialkomparator, der der Nachlauf- und Halteschaltung folgt, sogar von diesem Gleichstrompegel unabhängig, weil er auf die Differenz zwischen der an dem einen Eingang angeschlossenen Hall-Spannung und der an dem anderen Eingang angeschlossenen Haltekondensatorspannung reagiert. In seiner Funktionsweise ignoriert er den Gleichstromanteil der Hall-Spannung. In einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen anstiegsaktivierten Hall-Spannungs-Zahnradsensor, wie im vorliegenden Anspruch 9 definiert.
Der erfindungsgemäße Hall-Sensor ist für einen Einsatz als berührungsloser Detektor für Eisenobjekte geeignet, insbesondere für den Einsatz als Sensor für die Zähne von Eisenzahnrädern. In beiden Fällen ist der Hall-Sensor als integrierte Schaltung ausgeführt und mit einem Magneten mit einem Polende ausgestattet, das an die integrierte Schaltung angeschlossen ist. Im allgemeinen hat die Wellenform der Ausgangsspannung des Hall-Elements von bekannten Hall-Zahnradzahnsensoren mit angeschlossenem Magneten das Profil der Zahnradzähne. Das ist auch bei erfindungsgemäßen Hall-Sensoren der Fall. Aber im Gegensatz zu den bekannten Sensoren, bei denen mindestens ein Teil des Hall-Signals verstärkt und zur Auslösung einer Schmitt-Triggerschaltung oder eines anderen Komparators genutzt wird, wird in einer erfindungsgemäßen Schaltung eine Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung eingesetzt, die den Beginn und das Ende des Hall-Signalanstiegs genauer erfasst, z. B. entsprechend der Annäherung bzw. der Entfernung eines Zahnradzahns. Ferner ist die erforderliche Kapazität und Größe des einzelnen Haltekondensators in einem erfindungsgemäßen Sensor viel kleiner als bei den bekannten wechselstromgekoppelten Hall-Sensoren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen ersten anstiegsaktivierten Hall-Sensors.
Fig. 2 zeigt in einer überlagerten Darstellung die Hystereseschleife für das in Fig. 1 eingesetzte Schmitt-Triggerschaltungspaar, nämlich eine graphische Darstellung der Ausgangsspannungen der Schmitt-Triggerschaltung als Funktion der entsprechenden Differentialeingänge.
Fig. 3 Zeit eine Seitenansicht eines fest montierten Hall-Sensors nach Fig. 1 mit einem daneben umlaufenden Zahnrad zur Veranschaulichung einer wichtigen Einsatzmöglichkeit eines erfindungsgemäßen anstiegsaktivierten Hall-Sensors.
Fig. 4 zeigt die Wellenform 43 der Spannung am Ausgang einer Schmitt- Triggerschaltung in dem anstiegsaktivierten Hall-Sensor aus Fig. 1.
Fig. 5 zeigt die Wellenform 44 der Spannung am Ausgang der anderen Schmitt- Triggerschaltung in dem anstiegsaktivierten Hall-Sensor aus Fig. 1.
Fig. 6 zeigt die Wellenform 30 der Hall-Spannung im Sensor aus Fig. 1 am Ausgang des Hall-Signalverstärkers, die den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Wellenformen entspricht. Ferner wird auch die Wellenform 32 der Haltekondensatorspannung Vc gezeigt, die der Wellenform 30 überlagert dargestellt ist.
Fig. 7 zeigt die Wellenform 46 am Ausgang des Hall-Sensors nach Fig. 1, die den Wellenformen der Fig. 4, 5, und 6 entspricht; die Wellenformen sind in diesen vier Figuren nach dem gleichen Zeitmaßstab dargestellt.
Fig. 8 zeigt ein Schaltbild eines konventionellen Wirkspitzendetektors.
Fig. 9 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines erfindungsgemäßen zweiten anstiegsaktivierten Hall-Sensors, eine Nachlauf- und Halteschaltung mit Doppelpolarität bei Verwendung eines konventionellen Wirkspitzendetektorpaars der Art, wie in Fig. 8 dargestellt.
Fig. 10 zeigt ein Schaltbild eines Wirkspitzendetektors mit verbesserten Leistungsmerkmalen in Form einer Nachlauf- und Halteschaltung für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen anstiegsaktivierten Hall-Sensor.
Fig. 11 zeigt einen erfindungsgemäßen zweiten anstiegsaktivierten Hall-Sensor mit einer Nachlauf- und Halteschaltung mit Doppelpolarität bei Verwendung eines neuartigen Spitzendetektorpaars der Art, wie in Fig. 10 dargestellt.
Fig. 12 zeigt eine Wellenform 70 der Hall-Detektorspannung VaH und in überlagerter Darstellung eine Wellenform 74 der Haftekondensatorspannung Vc im Hall-Sensor von Fig. 11 bei Verwendung eines Spitzendetektors der in Fig. 10 dargestellten Art.
Fig. 13 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen dritten anstiegsaktivierten Hall-Sensors mit einer Hall-Sensoreinrichtung mit Doppelelement und einer Nachlauf- und Halteschaltung mit Doppelpolarität bei Verwendung eines Detektorpaars der in Fig. 10 dargestellten Art.
Fig. 14 zeigt das Querschnittsprofil eines Teils eines Eisenzahnrades.
Fig. 15 zeigt eine graphische Darstellung des Magnetfeldes in einem der Hall- Elemente im Hall-Sensor von Fig. 13 als Funktion des Umlaufgrades des in Fig. 14 dargestellten Zahnrades.
Fig. 16 zeigt eine graphische Darstellung der Differentialeingangsspannung der Schmitt-Triggerschaltung für den in Fig. 13 dargestellten Hall-Sensor.
Fig. 17 zeigt eine graphische Darstellung der Hall-Spannung VaH (Strichlinie), die der Haltekondensatorspannung Vc (durchgezogene Linie) im Hall-Sensor von Fig. 13 überlagert wurde, als Funktion der Winkelumlaufgeschwindigkeit des in Fig. 14 dargestellten Zahnrades.
Fig. 18 zeigt eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung (Vout) im Hall- Sensor nach Fig. 13 als Funktion der Winkelumlaufgeschwindigkeit des in Fig. 14 dargestellten Zahnrades. Die fünf Fig. 14 bis 18 sind im gleichen Horizontalmaßstab gezeichnet.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nach Fig. 1 hat das Hall-Element 10 einen an den Eingang eines Hall-Signalverstärkers 11 angeschlossenen Ausgang. Das verstärkte Hall-Signal VaH ist über die obere Schaltungsverzweigungseinrichtung 16 direkt an den "Minus"- bzw. "Plus"- Eingangspol der beiden im wesentlichen identischen Schmitt-Triggerschaltungen 14 und 15 angeschlossen und über die untere Schaltungsverzweigungseinrichtung, die die FET-Schalter 18 und 19 sowie den Spannungshaltekondensator 20 einschließt, indirekt an den "Minus"- bzw. "Plus"-Eingangspol der beiden Schmitt- Triggerschaltungen 14 und 15. Die untere Schaltungsverzweigung dient als symmetrische Nachlauf- und -halteschaltung 21 mit Doppelpolarität, zu der weiterhin ein Rückkopplungskreis von den Ausgängen der Schmitt-Triggerschaltungen 14 und 15 gehört, bestehend aus dem Inverter 22, den UND-Toren 24 und 26, dem NAND-Tor 25, dem Inverter 27 und der monostabilen Schaltung 28.
Die Hall-Spannung VaH befindet sich auf einem gleichbleibenden, unveränderlichen Wert ungleich Null, der in den in den Fig. 4, 5, 6 und 7 dargestellten Intervallen L und H auftritt. Die Nachlauf- und Halteschaltung mit Rückkopplung von den beiden Schmitt-Triggerschaltungen 14 und 15 erzeugt immer dann einen kurzen Ausgangsimpuls, wenn das Hall-Signal an den "Minus"-Eingangspolen einer der Schaltungen 14 und 15 auf einen Wert ansteigt (oder absinkt), der um einen solchen Wert größer ist als die am Haltekondensator 20 gehaltene Spannung, der genau den Schwellenspannungen der verbundenen symmetrischen Schmitt-Differentialtriggerschaltung 29 entspricht.
Die Hall-Sensorschaltung nach Fig. 1 befindet sich in einem Hall-Sensorgehäuse 34 mit den Radialleitungen 36 und ist wie in Fig. 3 an einem Magneten 38 befestigt. Diese Sensor-Magnet-Kombination ist fest montiert, während sich ein Eisenzahnrad 40 in Pfeilrichtung 41 dreht, so dass die Zahnradzähne 42 das Gehäuse des Hall- Sensors 34 nur mit einem kleinen Luftspalt 51 zwischen Zähnen und Gehäuse passieren.
Die Hall-Spannung Va" hat eine in Fig. 6 dargestellte Wellenform 30. Wenn sich der Wert von VaH ändert, beispielsweise um eine Größe, die den passierenden Vorder- und Hinterflanken eines nebenlaufenden Zahnradzahnes entspricht, dann folgt die Kondensatorspannung Vc der Wellenform 32 und erfasst damit die Hall-Spannung VaH von Wellenform 30.
Die Rückmeldung von den Ausgängen der Schmitt-Triggerschaltungen 14 und 15 an die Tore der FET-Schalter 18 und 19 betätigt immer dann den FET-Schalter 18 oder 19, wenn die Differenz zwischen VaH und Vc, nämlich die Spannung Vd, die Schwellenspannung Vap einer der beiden Schmitt-Triggerschaltungen überschreitet. Diese Differenzspannung erscheint daher immer an den Eingängen der beiden Schmitt- Triggerschaltungen während der Kondensatorhaltezeiten Y.
Die Schmitt-Schaltung 14 ist in Betrieb, wenn Vd negativ ist, und der Schmitt-Trigger 15 spricht an, wenn Vd positiv ist. Fig. 2 zeigt die Differential-Ansprech- und Auslöseschwellenspannungen vop und Vre der Schmitt-Triggerschaltung, wobei die linksseitige Schleife der Schmitt-Triggerschaltung 14 und die rechtsseitige Schleife der Schmitt-Triggerschaltung 15 entspricht. Somit bewirken die Schalter 18 und 19 die Freigabe der unteren Schaltungsverzweigung für eine kurze Kondensatoraufladezeit, die immer dann erfolgt, wenn das Hall-Signal zu steigen oder zu fallen beginnt.
Wenn VaH weiter ansteigt, steigt die Differentialspannung Vd wieder von null Volt an und bei wiederholter Überschreitung der Auslöseschwellenspannung vop einer der Schmitt-Triggerschaltungen wird die nächste Aufladeperiode des Haltekondensators 20 auf den Wert der Hall-Verstärkerspannung VaH initiiert, und die Differentialeingangsspannungen Vd der Schmitt-Triggerschaltungen werden auf Null gesetzt.
Die Ausgangssignale der beiden Schmitt-Triggerschaltungen 14 und 15 bestehen jeweils aus den Impulsen 43 und 44. Dabei zeigt Fig. 4 die Schaltung 14 und Impuls 43 und Fig. 5 Schaltung 15 und Impuls 44. Die Ausgänge der Schmitt-Schaltung sind an die jeweiligen Steil- und Rückstell-Eingänge von Flipflop 45 angeschlossen. Da wie in Fig. 4 jede Impulskette der Schmitt-Triggerschaltung 14 an den Hinterflanken der Zahnradzähne beginnt, wird Flipflop 45 durch den ersten dieser Impulse eingestellt, und wie Fig. 5 zeigt, beginnt jede Impulskette der Schmitt- Triggerschaltung 15 an den Vorderflanken eines Zahnrads, so dass Flipflop 45 durch den ersten dieser Impulse zurückgestellt wird. Daher ist der Ausgangswert von Flipflop 45 eine Binärspannung mit der Wellenform 46, die im wesentlichen der Wellenform 30 des Hall-Spannung VaH entspricht und somit mit dem Profil der Zähne 42 des oben genannten Zahnrads 40 übereinstimmt.
Während des kurzen Zeitraums X lädt sich der Haltekondensator 20 schnell bis zur Hall-Signalspannung auf, wobei die Eingangsspannung an den Differentialeingängen der beiden Schmitt-Triggerschaltungen 14 und 15 null wird. In dem anschließenden Intervall Y sind die FET-Schalter offen und der aufgeladene Kondensator 20 hält die Hall-Spannung.
In der praktischen Anwendung findet die Kondensatorladung jedoch Kriechwege im Kondensator 20 selbst sowie in anderen verbundenen Bauelementen der Schaltung. Dieser Ladungsabfluss bewirkt eine allmähliche Abnahme der Kondensatorspannung oder einen Spannungsabfall während der Zeiträume X, wie in der Wellenform 32 von Fig. 6 dargestellt. Der während der Haltezeiten durch Ladungsabfluss und Ladungsverluste verursachte Spannungsabfall an Kondensator 20 wird überkompensiert. Die Überkompensationsströme werden durch die Stromquellen 47 und 49 bereitgestellt. Transistor 50 steuert die Richtung des Kompensationsstroms.
Bei niedrigem Flipflopausgangswert wird der Transistor 50 gesperrt. Dies entspricht den Intervallen, in denen der Kondensator 20 die Spannung in einem positiven Spitzenwert hält. In diesen Intervallen mit positivem Spitzenwert verhindert der stets anliegende Betriebsstrom I aus Stromquelle 47 ein Abfließen der Ladung. Bei Intervallen mit negativem Spitzenwert, in denen die Hall-Spannung VaH einen negativen Verlauf nimmt und die Kondensatorspannung Vc von Kondensator 20 auf einen negativen Spannungsspitzenwert aufgeladen wird, ist das Ausgangssignal von Flipflop 45 hoch und Transistor 50 wird gehalten. In diesen Intervallen liefert die Stromquelle 49 doppelt soviel Strom 21 wie die Stromquelle 47, so dass der Summenstrom der Spannungsquelle (21 -I = I) eine ähnliche Überkompensation für einen Ladungsabfluss mit negativer Änderung bewirkt. Die Auswirkung auf den "Spannungsabfall" von Spannung Vc im Haltekondensator (während der Zeiträume X) wird in Fig. 6 dargestellt.
Wenn an den Hall-Sensor nach Fig. 1 erstmalig Strom (Vcc) angelegt wird, steigt der Wert im Kondensator 20, der nicht aufgeladen war, schnell an und erzeugt eine falsche Triggerung der Schmitt-Triggerschaltung 14, was zu einer falschen Ausgabe am Ausgang von Flipflop 45 führt. Diese Situation wird durch die Spannungshochlauf-Rückstellschaltung verhindert, wobei die monostabile Schaltung 31 den Anstieg der Speisespannung Vcc erfasst und einen Impuls erzeugt, der den Transistor 33 für einen Augenblick anschaltet und damit den Haltekondensator 20 lange genug kurzschließt, so dass die Speisespannung ihren vollen Wert erreichen kann.
Bei Betrachtung des Wirkspitzendetektors nach Fig. 8 ist folgendes ersichtlich: Wenn das Eingangssignal Vin, ein Impuls mit positivem Verlauf ist, dann wird der Ausgang von Verstärker 52 positiv und der NPN-Transistor 53 wird eingeschaltet, wodurch die über Kondensator 54 anliegende Spannung die Eingangsspannung Vin während des ansteigenden Teils des Eingangsimpulses verfolgt und anschließend die Spitzenspannung des Impulses hält.
Der anstiegsaktivierte Hall-Spannungsdetektor nach Fig. 9 ist mit einem Nachlauf- und Haltedetektor mit Doppelpolarität ausgestattet, wobei die Hall-Signaleingangsspannung VaH an den Wirkspitzendetektor mit positivem Anstieg nach Fig. 8 sowie an einen zusätzlichen Wirkspitzendetektor mit negativem Anstieg, bestehend aus Verstärker 56, Transistor 57 sowie dem gleichen Spannungs-Nachlauf- und -Haltekondensator 54, angelegt wird.
Die Stromquellen 58 und 59 versorgen den Kondensator 54 mit ausreichenden Strömen zur Kompensierung des Leckstroms von Kondensator 54 in der gleichen Art und Weise, wie die Stromquellen 47 und 49 in der Hall-Detektorschaltung entsprechend Fig. 1, und der Transistor 60 in Fig. 9 dient zur Ein- und Ausschaltung von Stromquelle 59, so wie Transistor 50 die Stromquelle 49 von Fig. 1 ein- bzw. ausschaltet.
Die Eingangsspannung VaH wird an einen Differentialeingang der Schmitt- Triggerschaltung 62 über die Schaltungsverzweigungseinrichtung, bestehend aus den beiden Nachlauf- und Halteschaltungen, einschließlich Kondensator 54, angelegt. Die Eingangsspannung VaH wird ebenfalls über Leiter 63 direkt an den anderen Differentialeingang der Schmitt-Schaltung 62 angelegt. Der Leiter 63 wird hier als eine weitere Schaltungsverzweigungseinrichtung betrachtet. Der Binärausgangsleiter 64 der Hall-Spannungsdetektorschaltung nach Fig. 9 bildet den Ausgang der Schmitt-Schaltung 62. Das Ausgangssignal 64 wird an den Transistorschalter 60 zurückgeführt, es wird dem Freigabeeingang 65 von Verstärker 56 direkt und dem Freigabeeingang 66 von Verstärker 52 über den Binärsignalinverter zugeführt. Die Verstärker 52 und 56 haben gemeinsame Eingänge und werden nur bei Bedarf freigegeben. Alternativ kann auch eine Schmitt-Differentialtriggerschaltung mit Hysterese VH einen zweckmäßigen Spitzenwertdetektor zuschalten, so dass der Transistorschalter 53 bei einer positiven Hall-Spannungsspitze eingeschaltet und Schalter 57 ausgeschaltet ist, und bei einer negativen Hall-Spannungsspitze VaH ist der Transistorschalter 57 eingeschaltet und Schalter 53 ausgeschaltet.
Bei einer Hall-Spannung mit positivem Anstieg sind der Verstärker 52 und Schalter 53 eingeschaltet, wodurch die Spannung Vc über dem Haltekondensator 54 ungefähr auf dem gleichen Wert wie die Hall-Eingangsspannung VaH gehalten wird. Wenn VaH einen negativen Verlauf nimmt und um mehr als Vc abfällt, wird die Schmitt-Triggerschaltung ausgelöst, sperrt den Verstärker 52 und schaltet den Transistor 53 ab, während der Verstärker 56 freigegeben und PNP-Transistor 57 eingeschaltet wird. Die Kondensatorspannung wird abgeleitet und verfolgt VaH solange, bis sie wieder einen positiven Verlauf nimmt. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt die Rückauslösung der Schmitt-Triggerschaltung und der Zyklus wird für jeden folgenden Impuls wiederholt. Im Falle eines Einsatzes zur Erfassung von Zahnradzähnen ist die Binärausgangsspannung Vout beim Passieren des Kopfes eines Zahnradzahns hoch und beim Passieren eines Zahnfußes zwischen den Zahnradzähnen niedrig.
Eine Verbesserung der Stabilität wird durch Verwendung des anstiegsaktivierten Hall-Sensors nach Fig. 11 erreicht, wobei nicht wie in Fig. 9 die Nachlauf- und Halteschaltung der in Fig. 8 gezeigten Art eingesetzt wird, sondern es werden die Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtungen der in Fig. 10 verwendeten Art eingesetzt.
Bei dem anstiegsaktivierten Hall-Spannungsdetektor nach Fig. 11 wird die Hall- Spannung VaH am Eingangsleiter 76 dem Eingang des Spannungsnachlaufverstärkers 78 zugeführt. Die Hall-Signalspannung VaH wird an die durch Hinzufügung eines Widerstandes 79 modifizierte positive Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung von Fig. 10 angelegt.
Die Hall-Signalspannung VaH wird auch an eine negative Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung, bestehend aus Verstärker 80, Widerstand 81, Transistor 83 sowie dem gleichen Spannungs-Nachlauf- und -Haltekondensator 54, angelegt. Die Schaltung zur Kompensierung der Leckströme besteht aus den in einer Darlington- Schaltung angeschlossenen Transistorschaltern 84 und 86 sowie den Widerständen 88, 89, 90 und 91.
Bei dem Hall-Sensor nach Fig. 11 wird die Eingangsspannung VaH direkt an einen Differentialeingang der Schmitt-Triggerschaltung 92 angelegt. Die Eingangsspannung VaH wird über die Schaltungsverzweigungseinrichtung, die aus den beiden Nachlauf- und Halteschaltungen, einschließlich Spannungsnachlaufverstärker 95 und Haltekondensator 54, besteht, indirekt an den anderen Differentialeingang der Schmitt-Triggerschaltung 92 angelegt. Der Spannungsnachlaufverstärker 95 wird der Schaltung hinzugefügt, um für den Haltekondensatorladestrom eine Stromquelle mit niedriger Impedanz zur Verfügung zu stellen und somit die Ladezeit zu reduzieren. Ferner wird die Eingangsspannung VaH über den Leiter 93, der in diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel als eine weitere Schaltungsverzweigung betrachtet wird, auch direkt an den anderen Differentialeingang der Schmitt-Triggerschaltung 92 angelegt. Der Binärausgangsleiter 94 der Hall-Spannungsdetektorschaltung nach Fig. 11 ist der Ausgang der Schmitt-Triggerschaltung 92. Die Ausgangsspannung von Leiter 94 wird über Transistor 96 an die Basis von Transistor 53 rückgespeist, um bei niedriger Spannung Vout die angeschlossene positive Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung abzuschalten und zu sperren. Gleichermaßen wird Vor über Transistor 99 and die Basis von Transistor 83 rückgespeist, um bei einer hohen Spannung Vogt die angeschlossene negative Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung abzuschalten und zu sperren.
Die Wirkspannungsnachlaufschaltung mit Verstärker 101, NPN-Transistor 103 und Kollektorwiderstand 105 bildet für VaH am Kollektor des Nachlauf- und Haltetransis tors 53 eine Klemmschaltung mit niedriger Impedanz. Gleichermaßen bildet die Wirkspannungsnachlaufischaltung mit Verstärker 107, PNP-Transistor 109 und Kollektorwiderstand 111 für VaH am Kollektor des Nachlauf- und Haltetransistors 83 eine Klemmschaltung mit niedriger Impedanz.
Die Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung nach Fig. 10 ist identisch mit der von Fig. 8, mit der Ausnahme, dass der Kollektor von Transistorschalter 53 an den Eingangssignalleiter 69 von Verstärker 52 angeschlossen ist und das Eingangssignal Vin als Speisespannung für den Kollektor dient.
Die Wellenform 74 der Haltekondensatorspannung nach Fig. 12 verkörpert die gleichmäßige und genauere Arbeitsweise des neuartigen Wirkspitzendetektors, von dem ein einfaches Ausführungsbeispiel in Fig. 10 gezeigt wird, wobei die Verbesserung der Arbeitsweise auf das komplementäre neue Spitzendetektorpaar, das in dem Hall-Sensor nach Fig. 11 eingesetzt wird, zurückzuführen ist. Die Kollektorspeisespannung für die Transistoren 53 und 83 ist zu allen Zeiten immer etwa gleich VaH. Die Kondensatorspannung (Wellenform 74) folgt dem Verlauf der Hall-Spannung VaH (Wellenform 70) sehr genau, bis VaH nach einer Spannungsspitze in Wellenform 70 die Richtung ändert. An diesem Punkt wird die Signalspitzenspannung kurz gehalten, bis sich der Verlauf der Signalspannung VaH ausreichend geändert hat, um sich von der Kondensatorhaltespannung Vc um einen Wert zu unterscheiden, der genau der Hysterese (+Vt oder -Vt) der Schmitt-Triggerschaltung 92 entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Schmitt-Schaltung ausgelöst und der Binärausgang ändert seinen Zustand.
Aufgrund der Tatsache, dass die Haltekondensatorspannung Vc dem Spannungsverlauf so genau folgt, bis der Ausgang schaltet, benötigt die in dem Hall-Sensor nach Fig. 11 eingesetzte Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung keinen Kondensator zur Aufrechterhaltung der Ladung in der Zeit, die zwischen dem Passieren von zwei aufeinanderfolgenden Zähnen eines Zahnrades vergeht, so wie das bei der wechselstromgekoppelten Schaltung des Ramsden-Patents oder bei anderen bekannten Schaltungen mit einem Hochpassfilter der Fall ist. Und in dem Fall, dass das "Getrieberad" ein Nocken mit nur einem Zahn ist, braucht der Kondensator die Spannung Vc nicht für die Dauer einer ganzen Umdrehung des Nockens zu halten. Der Haltekondensator muss die Ladung nur für die Zeit halten, in der ein Zahn das Hall-Element passiert. Dadurch wird die Größe und die Kapazität des Haltekondensators auf eine gegebene minimale Umlaufgeschwindigkeit von passierenden Zahnradzähnen reduziert.
Mit Ausnahme der Schmitt-Triggerschaltung 92 ist die gesamte in Fig. 11 gezeigte Schaltung nun als eine symmetrische Nachlauf- und Halteschaltung mit Doppelpolarität 110 ausgeführt.
In einem Ausführungsbeispiel des Hall-Sensors als Brettschaltung nach Fig. 11 beträgt die minimale Zahnraddrehzahl 8,3 Umdrehungen pro Minute bei einem Luftspalt (z. B. 51 in Fig. 3) von 2 Millimetern, und die Kapazität des Haltekondensators 54 beträgt 0,33 Mikrofarad, etwa ein Zehntel dessen, was in dem Kondensatorfilter des oben genannten Ramsden-Patents benötigt wird.
Der Hall-Sensor 134 mit integrierter Schaltung nach Fig. 13 verwendet einen Magnetfelddetektor 136 mit einem Doppel-Hall-Element der Art, wie von R. Vig in seinem USA-Patent 5 045 920 beschrieben, das am 3. September 1991 erteilt und an den gleichen Rechtsnachfolger abgetreten wurde wie die vorliegende Erfindung. Bei dem Hall-Detektor 136 werden die jeweiligen Ausgänge der beiden Hall- Elemente 138 und 139 an die Eingänge der beiden linearen Hall-Spannungsverstärker 141 und 142 angeschlossen, und die Ausgänge der Verstärker 141 und 142 werden an die Eingänge einer Subtraktionsschaltung 145 angeschlossen. Der Ausgang der Subtraktionsschaltung 145, d. h. die Spannungsquelle für die Hall- Detektorspannung VaH, wird direkt an den negativen Eingang der symmetrischen Schmitt-Differentialtriggerschaltung 150 angeschlossen sowie an den Eingang der Nachlauf- und Halteschaltung mit Doppelpolarität 155. Die Nachlauf- und Halteschaltung 155 kann zum Beispiel identisch mit der in Fig. 11 gezeigten Schaltung sein. Der Ausgang von Schaltung 155 wird an den positiven Eingang der Schmitt- Schaltung angeschlossen. Der Ausgang der Schmitt-Schaltung dient als Ausgang des integrierten Hall-Sensors, und er ist ebenfalls intern über Leiter 157 an die Nachlauf- und Halteschaltung 155 angeschlossen, um alternativ die Freigabe der beiden Spitzendetektoren mit Komplementärpolarität zu ermöglichen.
Es wurde eine Schaltung nach Fig. 13 gebaut und mittels eines Eisenzahnrades mit einem Durchmesser von 50 mm getestet. Dieser Schaltungsaufbau wird in Fig. 14 mit verschiedenen Zahnkonfigurationen, z. B. kleinen und großen Zähnen bzw. kleinen und großen Abständen zwischen den Zähnen, dargestellt. Der Mittenabstand zwischen den Hall-Elementen 138 und 139 betrug 2,2 mm. Der Spalt zwischen den Hall-Elementen und den umlaufenden Zahnradzähnen betrug 1 mm.
Unter diesen Bedingungen ist die Differenz im Magnetfeld G zwischen den beiden Hall-Elementen, d. h. der in Fig. 15 dargestellte Feldgradient, beträchtlich größer als der für eine einwandfreie Arbeitsweise erforderliche Wert, nämlich größer ca. 3 · 10&supmin;&sup4; Tesla (3 Gauß) pro Grad Zahnradumlauf. Dabei zeigt Fig. 17 die entsprechende Haltekondensatorspannung Vc. Die Ansprechempfindlichkeit des Hall-Detektors (VaH/DG) beträgt 2 mV/OG, und die symmetrische Ansprech- und Auslösespannung der Schmitt-Schaltung 150 beträgt 50 mv. Eine einwandfreie Arbeitsweise ist durch die Wellenform der Ausgangsspannung Vout nach Fig. 18 gekennzeichnet, die dem Profil des passierenden Zahnradzahns nach Fig. 14 entspricht. Bei einer Kapazität des Haltekondensators 156 von 0,33 uF wurde für Zahnradumlaufgeschwindigkeiten von 10 bis 8000 min&supmin;¹ eine zuverlässige Arbeitsweise erreicht.

Claims

1. Anstiegsaktivierter Hall-Spannungssensor mit:

a) einem Hall-Detektor (10, 11) mit mindestens einem Hall-Element (10);

b) einer Komparatoreinrichtung (14, 15, 45) mit einem Ausgang und mit einem und einem weiteren Differentialeingangsleiter zum Erzeugen einer binären Ausgangsspannung, die sich von einem Binärniveau zum anderen ändert, wenn die zwischen den Differentialeingangsleitern auftretende Spannung eine vorgegebene Größe überschreitet,

c) einer ersten, zwischen dem Ausgang des Hall-Detektors und dem einen Komparatoreingangsleiter angeschlossenen Schaltungsverzweigungseinrichtung (16) zum Anlegen der Hall-Spannung am Ausgang des Hall- Detektors an den einen Komparatoreingangsleiter, und

d) einer zweiten Schaltungsverzweigungseinrichtung (18, 19, 20), die zwischen dem Hall-Detektorausgang und dem anderen Komparatoreingangsleiter angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltungsverzweigungseinrichtung so angeordnet ist, dass ein positiver Anstieg erfolgt und der anschließende positive Spitzenwert der Hall-Spannung an dem Detektorausgang gehalten und die gehaltene Spannung an den anderen Komparatoreingangsleiter angelegt wird,

so dass, wenn nach beginnendem Abfallen der Hall-Spannung von dem positiven Höchstwert die zunehmende Differenz zwischen der Hall- Spannung und der gehaltenen Spannung die vorgegebene Größe überschreitet, der entstehende Komparatorausgangsimpuls den Beginn einer Veränderung in der Stärke des umgebenden Magnetfeldes am Hall- Element anzeigt.

2. Hall-Sensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Schaltungsverzweigungseinrichtung eine Hall-Spannungs-Pluskurvennachlauf- und -halteschaltungseinrichtung (21) mit einem Spannungshaltekondensator (20) zum Verfolgen positiver Anstiege und zum Halten positiver Hall-Spannungsspitzen aufweist.

3. Hall-Sensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Schaltungsverzweigungseinrichtung eine symmetrische Doppelpolaritäts-Nachlauf- und -halteschaltung (21) mit einer Hall-Plusspannungsnachlauf- und -halteschaltungseinrichtung mit einem Spannungshaltekondensator (20, 54) zum Verfolgen positiver Anstiege und zum Halten positiver Hall-Spannungsspitzen sowie einer Hall-Minusspannungsnachlauf- und -halteschaltungseinrichtung mit dem gemeinsam genutzten Spannungshaltekondensator (20) zum Verfolgen negativer Anstiege und zum Halten negativer Hall-Spannungsspitzen aufweist.

4. Hall-Sensor nach Anspruch 3, wobei der Komparator ein symmetrischer Schmitt-Trigger mit Doppelpolarität ist, der über eine Betriebs- und eine Auslösespannung mit entgegengesetzter Polarität und gleichem Wert, nämlich dem vorgegebenen Wert, verfügt.

5. Hall-Sensor nach Anspruch 3, wobei jede von der Plus- und Minus-Hall- Spannungsnachlauf- und -halteschaltungseinrichtung einen Bipolartransistor (53, 57) mit einem an den Spannungshaltekondensator (54) angeschlossenen Emitter und einen Differential-Betriebsverstärker (52, 56) mit einem an die Basis des Transistors (53, 57) angeschlossenen Ausgang aufweist, wobei der Transistoremitter an den negativen Eingang des Verstärkers angeschlossen ist und der positive Eingang des Verstärkers als Eingang jeder Hall-Spannungsnachlauf- und -halteschaltungseinrichtung dient, an welche die Hall-Spannung angelegt werden soll.

6. Hall-Sensor nach Anspruch 5, wobei der Kollektor des Bipolartransistors (53, 57) an den positiven Eingang (69) des Betriebsverstärkers (52, 56) in jeder Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung angeschlossen ist.

7. Hall-Sensor nach Anspruch 3, wobei der Hall-Sensor in einem integrierten Schaltkreischip ausgebildet ist und wobei der Hall-Detektor (136) zwei auf der Vorderseite des Chips zueinander beabstandete, weitgehend identische Hall-Elemente (138, 139) und eine Differenzspannungs-Schaltungseinrichtung (145) mit zwei Eingängen, an denen aus den Ausgangssignalen der beiden Hall-Elemente abgeleitete Signale eingehen, und einem Ausgang aufweist, der als Hall-Detektorausgang zum Erzeugen der Hall- Spannung dient, die proportional zur Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Hall-Elemente ist.

8. Hall-Sensor nach Anspruch 7 weiterhin mit zwei Hall-Spannungsverstärkern (141, 142), von denen jeder einen an den Ausgang des einen bzw. des anderen Hall-Elements (138, 139) angeschlossen ist und wobei die Differenzspannungs-Schaltungseinrichtung an die Ausgänge der Hall- Spannungsverstärker angeschlossen ist, um konkret die Hall-Spannung zu erzeugen, bei der es sich um die Differenz zwischen den jeweils an den Ausgängen der beiden Hall-Spannungsverstärkern auftretenden Spannungen handelt.

9. Anstiegsaktivierter Hall-Spannungs-Zahnradsensor mit:

a) einem Hall-Element (10, 34),

b) einem Magnet (38) mit einem Polende, an dem das Hall-Element befestigt ist,

c) einem an den Ausgang des Hall-Elements angeschlossenen Hall- Spannungsverstärker (11),

d) einem symmetrischen Schmitt-Differentialtrigger (29) mit einer positiven und negativen Schwellwertspannung mit entgegengesetzter Polarität und gleichem Wert, wobei der Schmitt-Trigger einen ersten und einen zweiten Eingangsleiter hat,

e) einer ersten, direkt zwischen dem Ausgang des Verstärkers (11) und dem ersten Eingangsleiter angeschlossenen Schaltungsverzweigung (16) und

f) einer zweiten, zwischen dem Verstärkerausgang und dem zweiten Eingangsleiter des Schmitt-Triggers angeschlossenen Schaltungsverzweigung (18, 19, 20, 24, 25, 26), wobei die zweite Schaltungsverzweigung aus einer Doppelpolaritäts-Nachlauf- und -Halteschaltung (21) besteht, welche über eine erste und eine zweite Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung verfügt und ebenfalls an den Ausgang des Schmitt-Triggers angeschlossen ist,

wobei die erste Nachlauf- und Halteschalteinrichtung zum Verfolgen der Hall-Spannung während jedes Zeitraums, in dem der Anstieg der Hall- Spannung positiv ist, und zum Halten der Hall-Spannung auf den positiven Spitzen, bis die Hall-Spannung zu fallen beginnt und die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsleiter des Schmitt- Triggers die Schwellwertspannung erreicht, so dass der Schmitt-Trigger ausgelöst und ein binärer Ausgangsimpuls auf einem Niveau erzeugt wird, das die erste Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung ab- und die zweite einschaltet,

wobei die zweite Nachlauf- und Halteschalteinrichtung zum Verfolgen der Hall-Spannung während jedes Zeitraums, in dem der Anstieg der Hall- Spannung negativ ist, und zum Halten der Hall-Spannung auf den negativen Spitzen, bis die Hall-Spannung zu steigen beginnt und die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsleiter des Schmitt-Triggers die Schwellwertspannung erreicht, so dass der Schmitt- Trigger ausgelöst und ein binärer Ausgangsimpuls auf dem anderen Niveau erzeugt wird, das die zweite Nachlauf- und Halteschaltungseinrichtung ab- und die erste einschaltet,

so dass, wenn die Zähne (42) eines Eisenzahnrades (40) das Hall-Element (34) passieren, die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers eine Wellenform hat, die zeitlich dem Profil der Zähne des passierenden Zahnrades entspricht.