ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01L31/16 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как датчик магнитной индукции в различных устройствах автоматизированного управления.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например, некоторые ферромагнитные материалы типа пермаллоя (80% Ni и 20% Fe), которые изменяют свое сопротивление при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности и направлением тока. Датчик состоит из резистивного элемента в форме меандра сопротивлением от 30 Ом до 1 кОм. Так как получать сигнал с помощью таких датчиков наиболее целесообразно в мостовой схеме, то в датчике располагают две меандровые структуры различной ориентации. При воздействии магнитного поля на меандровые структуры, происходит изменение их сопротивления, которое при помощи мостовой схемы преобразуется в изменение напряжения [1]
Однако эти устройства имеют низкую чувствительность и точность измерения, особенно, в области малых значений магнитной индукции, так как при этом происходит незначительное изменение сопротивления датчика.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению можно отнести фототранзистор с магнитным управлением [2] Фототранзистор выполнен на полупроводниковой подложке, имеющей шесть ступенчатых участков. При воздействии магнитного поля на структуру в направлении, перпендикулярном размещению ступеньки, часть электронов, зависящая от напряженности магнитного поля, отклоняется и через кристаллический полупроводниковый слой попадает в третий электронный слой. Остальные электроны направляются во второй полупроводниковый слой, который является барьерным и электроны частично отражаются от него, а частично попадают в третий электронный слой. Такая конструкция позволяет с помощью магнитного поля управлять потоком электронов, проходящих сквозь полупроводник в третий электронный слой. Однако, такие конструкции имеют низкую чувствительность и точность измерения в области малых значений индукции, так как при этом происходит незначительное изменение тока фототранзистора.

В основу изобретения поставлена задача создания полупроводникового магнито-оптического преобразователя, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерения.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве преобразование тока в напряжение заменяется в предлагаемом устройстве преобразованием емкости в частоту, для чего полевой транзистор и биполярный фототранзистор выступают в качестве управляемых светом емкостных элементов колебательного контура, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на зажимах коллектор-эмиттер биполярного фототранзистора за счет обратной положительной связи. Индуктивным элементом контура является внешняя пассивная индуктивность. Таким образом, в предлагаемом устройстве небольшое изменение емкости полевого транзистора и биполярного фототранзистора под действием светового потока, зависящего от величины магнитной индукции преобразуется в значительное изменение резонансной частоты колебательного контура, что позволяет увеличить чувствительность и точность определения величины магнитной индукции.

Полупроводниковый магнито-оптический преобразователь содержит источник 1 управляющего постоянного напряжения, включенного параллельно светодиоду 2, на который воздействует магнитное поле с индукцией B, источника 3 постоянного напряжения, который подключен параллельно зажимам коллектор-эмиттер биполярного фототранзистора 6 и последовательной цепочке, состоящей из пассивной индуктивности 4 и конденсатора 5, источника 8 постоянного напряжения, включенного параллельно зажимам затвора полевого транзистора 7 и эмиттера биполярного фототранзистора 6, причем сток полевого транзистора 7 соединен с коллектором биполярного фототранзистора 6. Магниточувствительным элементом является светодиод 2. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 5 и общей шиной (см. чертеж).

Полупроводниковый магнито-оптический преобразователь работает следующим образом. В начальный момент времени магнитное поле не воздействует на светодиод 2. При помощи источника 1 постоянного напряжения устанавливается режим излучения света, падающего на базовую область фототранзистора 6. Затем повышением напряжения управляющих источников 3 и 8 до величины, когда полевой транзистор 7 будет работать в режиме насыщения, а биполярный фототранзистор 6 в активном режиме, на зажимах коллектор-эмиттер биполярного фототранзистора 6 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в колебательном контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах эмиттер-коллектор биполярного фототранзистора 6 и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности 4. Емкость 5 служит для подстройки колебательного контура на нужную резонансную частоту и предохраняет источник 3 управляющего напряжения от короткого замыкания через индуктивность 4, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующем воздействии магнитного поля на светодиод 2 происходит изменение интенсивности его светового потока, который воздействует на базу фототранзистора 6, в результате чего изменяется величина емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах эмиттер-коллектор биполярного фототранзистора 6, что приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура.

Использование предлагаемого устройства для измерения магнитной индукции по сравнению с прототипом существенно повышает чувствительность и точность определения информативного параметра за счет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде полевого транзистора и биполярного фототранзистора, в котором изменение емкости под действием света обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора напряжений источников электропитания 3 и 8.

Использование: в контрольно-измерительной технике, в частности может быть использовано как датчик магнитной индукции в различных устройствах автоматизированного управления. Сущность изобретения: в предлагаемом устройстве осуществляется преобразование емкости в частоту, для чего полевой транзистор и биполярный фототранзистор выступают в качестве управляемых светом емкостных элементов колебательного контура, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на зажимах коллектор - эмиттер биполярного фототранзистора. Индуктивным элементом контура является внешняя пассивная индуктивность. При воздействии магнитного поля на магнитодиод, излучающий световой поток, который действует на биполярный фототранзистор, происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах эмиттер - коллектор, что приводит к изменению резонансной частоты контура. 1 ил.

Полупроводниковый магнитно-оптический преобразователь, содержащий источник электропитания, подключенный к излучающему магниточувствительному светодиоду, оптически связанному с биполярным фототранзистором, электрически связанные с двумя параллельно подключенными источниками электропитания, отличающийся тем, что в него введены полевой транзистор, конденсатор и пассивная индуктивность, причем затвор полевого транзистора через второй источник питания соединен с эмиттером биполярного фототранзистора, сток полевого транзистора соединен с коллектором биполярного фототранзистора, исток полевого транзистора соединен с базой биполярного фототранзистора, первый вывод пассивной индуктивности подключен к коллектору биполярного фототранзистора, истоку полевого транзистора и первому полюсу первого источника питания, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к эмиттеру биполярного фототранзистора и второму полюсу второго источника электропитания, которые образуют общую шину, к которой подключается вторая выходная клемма.