開關(guān)型霍爾元件的教學(xué)演示設(shè)計(jì)

丁洪良

（江蘇省丹陽高級(jí)中學(xué)，江蘇 丹陽 212300）

霍爾元件可大致分為兩類：線性霍爾和開關(guān)霍爾.人教版高中物理新教材選修3-1和選修3-2上涉及的主要是霍爾元件的線性特征.而實(shí)際上，隨著電子電路的數(shù)字化的傾向，開關(guān)霍爾的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線性霍爾，在近年各地高考及模擬中也多次出現(xiàn)和霍爾應(yīng)用相關(guān)的試題，但廣大教師和學(xué)生對(duì)真實(shí)霍爾元件卻了解甚少，影響對(duì)題意的理解.本文就生產(chǎn)生活中常見的開關(guān)霍爾元件的電氣特性及其應(yīng)用作一簡(jiǎn)單介紹，感興趣者可以根據(jù)介紹自己動(dòng)手制作課堂教學(xué)演示裝置.

1 產(chǎn)品特性

圖1

線性霍爾輸出的是與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比的連續(xù)變化的電壓U，在此不贅述.而開關(guān)霍爾元件輸出電壓信號(hào)不再是連續(xù)變化的模擬量，而是非高即低的突變型數(shù)字信號(hào).其典型代表型號(hào)為SS1104.外觀封裝及演示電路如圖1所示，該霍爾片有3個(gè)引腳，“＋”接電源正極，“－”接電源負(fù)極，“out”為電壓信號(hào)輸出端；電路中電源電壓和電表量程均為6V，電壓表正接線柱接霍爾片“out”端.開關(guān)接通后，電壓表示數(shù)為0，原因在于此時(shí)“out”端和“－”端在集成片內(nèi)部可以認(rèn)為是相通的，故“out”的電勢(shì)等于“－”的電勢(shì)，即為0.當(dāng)條形磁鐵的S極靠近霍爾片時(shí)，在集成片內(nèi)部“out”與“－”就會(huì)斷開，此時(shí)“out”本應(yīng)無信號(hào)輸出，但通過集成片外部一阻值為10kΩ的“上拉電阻”與電源的“＋”相連，由于“上拉電阻”中電流幾乎為0，可認(rèn)為此時(shí)“out”的電勢(shì)與電源“＋”的電勢(shì)相同，輸出為高電平，電壓表示數(shù)顯示為6V.拿開磁鐵后，電壓表示數(shù)變?yōu)?V，只有當(dāng)S極再次靠近時(shí)，輸出電壓又轉(zhuǎn)為高.

2 應(yīng)用模擬

利用開關(guān)型霍爾元件可以制作計(jì)程裝置，演示交通工具里程表的工作原理.這還要用到計(jì)數(shù)裝置，其型號(hào)為AD5135，其工作原理為低電平觸發(fā)，即計(jì)數(shù)器輸入端“in”的電壓由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，它就計(jì)一次數(shù)，這樣我們將開關(guān)霍爾元件輸出的高低數(shù)字信號(hào)與計(jì)數(shù)器的輸入端相連時(shí)，便可完成相應(yīng)的計(jì)數(shù)工作.圖2為裝置原理示意圖，將霍爾片SS1104和計(jì)數(shù)器連接好后，再找一玩具汽車的輪胎，使其可以繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，輪胎邊緣正好能經(jīng)過霍爾片工作面的上方，然后將一枚小磁鋼粘在輪胎靠近霍爾片的一側(cè).旋轉(zhuǎn)輪胎，每當(dāng)小磁鋼到達(dá)霍爾片正上方時(shí)，計(jì)數(shù)器便接收到一個(gè)來自霍爾片的高電平信號(hào)，當(dāng)小磁鋼離開霍爾片時(shí)，該高電平便躍變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)，計(jì)數(shù)器便記錄一次，所以輪胎每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，小磁鋼便經(jīng)過霍爾片表面一次，計(jì)數(shù)器便累加一次，這樣計(jì)數(shù)器便將輪胎轉(zhuǎn)過的圈數(shù)記錄下來了.實(shí)際應(yīng)用中再通過乘法電路將圈數(shù)乘以輪胎的周長(zhǎng)便得到車輛行駛的里程數(shù)了.

圖2

通過以上實(shí)例，學(xué)生會(huì)對(duì)霍爾元件作為磁傳感器的工作原理理解得更為透徹.