自制霍爾傳感器自動控制裝置

管小慶 胡 星

（江蘇省錫山高級中學(xué)，江蘇 無錫 214174）

1 霍爾效應(yīng)

1879年，美國物理學(xué)家霍爾研究載流導(dǎo)體在磁場中受力時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng).如圖1，在一導(dǎo)體或者半導(dǎo)體薄片左右ab兩面之間通入電流I，并將其置于垂直于上下cd兩面的磁感應(yīng)強度為B的磁場中，就會在垂直于電流和磁場的前后ef兩面上產(chǎn)生電勢差，我們將其稱為霍爾電壓UH.當(dāng)霍爾元件輸出穩(wěn)定的霍爾電壓時，內(nèi)部載流子在洛倫茲力和電場力的作用下勻速直線運動，經(jīng)推導(dǎo)，其中d為霍爾元件厚度，即沿磁感應(yīng)線方向上的距離.，n為霍爾元件單位體積內(nèi)載流子的個數(shù)，q為載流子的電荷量，因此k稱為霍爾系數(shù)，與霍爾元件的材料有關(guān).

圖1 霍爾效應(yīng)基本原理示意圖

2 霍爾傳感器

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，為了滿足不同的應(yīng)用需求，通常將霍爾元件與不同功能的附屬電路進(jìn)行集成，制作成霍爾傳感器.霍爾傳感器一般分為兩類：線性霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器.前者由恒流源、霍爾元件和線性放大器構(gòu)成，在一定范圍內(nèi)其輸出電壓與外加磁感應(yīng)強度呈線性關(guān)系；后者由霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、門電路等構(gòu)成，當(dāng)外界環(huán)境的磁感應(yīng)強度低于或者高于規(guī)定的工作點時，其輸出關(guān)閉或者導(dǎo)通的狀態(tài).

3 自制霍爾傳感器自動控制裝置簡介

3.1 線性霍爾傳感器應(yīng)用于車把調(diào)速

在騎行電動自行車過程中，旋轉(zhuǎn)右手車把，即可實現(xiàn)車速調(diào)控.圖2實驗板左側(cè)是自制實驗裝置——簡易調(diào)速車把（示意圖如圖3所示）.旋轉(zhuǎn)右手車把，實際上就是在旋轉(zhuǎn)弧形磁鐵，順時針旋轉(zhuǎn)弧形磁鐵，線性霍爾傳感器感知到所在處磁感應(yīng)強度的變化，示波器對應(yīng)輸出連續(xù)變化的電壓.該變化的輸出電壓輸送至電機(jī)控制器，以不同的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機(jī)和車輪，從而實現(xiàn)以車把的旋轉(zhuǎn)調(diào)控車速.

圖2 車把調(diào)速和無刷直流電機(jī)自制裝置實物圖

圖3 車把調(diào)速示意圖

3.2 開關(guān)型霍爾傳感器應(yīng)用于無刷直流電機(jī)

直流電動機(jī)分為有刷和無刷兩種.有刷直流電動機(jī)通過碳刷和換向器實現(xiàn)線圈在轉(zhuǎn)動過程中電流方向的改變，從而使線圈持續(xù)受到磁場的驅(qū)動力而轉(zhuǎn)動.然而，無刷直流電機(jī)是通過霍爾傳感器感知磁鐵的位置，由電機(jī)控制器控制線圈中電流的通斷和方向，實現(xiàn)電子換相.

圖2實驗板右側(cè)是自制實驗裝置——最簡單的無刷直流電機(jī)（示意圖如圖4所示）.轉(zhuǎn)子上一共有8個磁鐵，每當(dāng)磁鐵靠近開關(guān)型霍爾傳感器時，傳感器就會輸出“開”的狀態(tài).控制電路接收到該信號后，導(dǎo)通電路使定子（線圈）通電，此時通電線圈的磁場對磁鐵產(chǎn)生驅(qū)動力使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動.也就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的磁鐵依次經(jīng)過霍爾傳感器時，控制電路都會使定子（線圈）導(dǎo)通產(chǎn)生磁場并驅(qū)動磁鐵.這種源源不斷地驅(qū)動，使得電機(jī)車輪持續(xù)不斷地向前轉(zhuǎn)動.

圖4 無刷直流電機(jī)示意圖

圖4中控制電路的電路圖如圖5所示.H為開關(guān)型霍爾傳感器（型號411B112）.R為4.7kΩ上拉電阻，其作用在于當(dāng)霍爾傳感器處于導(dǎo)通狀態(tài)時，將A點電勢拉高，從而使三極管被導(dǎo)通.D1為發(fā)光二極管，用來標(biāo)識磁鐵經(jīng)過霍爾傳感器時定子線圈被導(dǎo)通.Q為NPN型三極管（型號S9013），當(dāng)基極b電流發(fā)生微小變化時，會引起集電極c電流較大的變化，這就是三極管的放大作用.二極管D2（型號IN4007）提供自感電流釋放的通路，用來保護(hù)三極管.L為圖4中的定子（線圈）.

圖5 控制電路電路圖

4 自制霍爾傳感器自動控制裝置的教學(xué)意義

（1）緊扣課程標(biāo)準(zhǔn)“會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”要求，簡單且直觀地展現(xiàn)了傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的技術(shù)意義.

圖2模擬了騎行電動自行車時旋轉(zhuǎn)車把加速的過程，展現(xiàn)了線性霍爾傳感器將磁信號轉(zhuǎn)化為電信號的技術(shù)意義.用直流無刷電機(jī)來模擬自行車后輪電機(jī)，展現(xiàn)了開關(guān)型霍爾傳感器將磁信號轉(zhuǎn)化為電路通斷的技術(shù)意義.

通過上述兩例具體演示實驗，學(xué)生能夠認(rèn)識到將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量是實現(xiàn)自動控制和數(shù)字化信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，從而體會傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的原理和轉(zhuǎn)化意義.

（2）以簡潔的教具生動形象地可視化呈現(xiàn)了時代科技成果——無刷直流電機(jī)的基本原理.

有刷直流電機(jī)通過碳刷和換向器實現(xiàn)線圈中電流方向的改變.然而無刷電機(jī)采用的是電子換向，是現(xiàn)代科技發(fā)展的重要成果，具有體積小、功率大、轉(zhuǎn)速高、功耗低、噪音低、壽命長、可靠性高等眾多優(yōu)點.

通過最簡單的直流無刷電機(jī)的實驗展示，學(xué)生可以進(jìn)一步理解稍復(fù)雜的微型電風(fēng)扇直流無刷電機(jī)（圖6）的工作原理，即每當(dāng)磁鐵經(jīng)過霍爾傳感器時，總是一對線圈被導(dǎo)通同時驅(qū)動相應(yīng)的一對磁鐵.進(jìn)而，學(xué)生可以理解較復(fù)雜的電動自行車無刷直流電機(jī)（圖7）的工作原理.即3個霍爾傳感器感知外圈磁場的位置，分別輸出“開”或者“關(guān)”的狀態(tài)，如100、101、001，這些輸出狀態(tài)代表了轉(zhuǎn)子的不同位置.電機(jī)控制器接受到轉(zhuǎn)子的位置信息，從而決定哪些線圈接通導(dǎo)電，共同驅(qū)動轉(zhuǎn)子，使得轉(zhuǎn)子持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動.

圖6 微型電風(fēng)扇電機(jī)

關(guān)注科技進(jìn)步，反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果是普通高中物理課程的 基本理念.實驗教具是用最簡單、常用、熟悉的器材制作而成的，生動形象地可視化呈現(xiàn)了現(xiàn)代科技最本質(zhì)的核心原理.通過將原理遷移到電風(fēng)扇電機(jī)和電動自行車電機(jī)，學(xué)生思維得到了發(fā)展和進(jìn)階，并且能感知科技進(jìn)步對人類文明的重要意義，從而形成社會參與意識和社會責(zé)任感.

圖7 電動自行車后輪電機(jī)

（3）緊密聯(lián)系生活，以熟悉的電動自行車為載體親切地體現(xiàn)了“物理與生活”的密切關(guān)系.

電動自行車是學(xué)生生活中最普遍的交通工具.幾乎所有高中學(xué)生都有駕駛電動自行車的生活經(jīng)驗.通過制作本實驗裝置，學(xué)生會豁然開朗：原來我們當(dāng)下學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容正在我每天騎行的電動自行車?yán)锇l(fā)揮著重要作用；原來旋轉(zhuǎn)車把不能加速，后輪電機(jī)不能轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動無力或者空轉(zhuǎn)時發(fā)出“咯咯咯”聲響都可能是霍爾傳感器出現(xiàn)了故障.將物理與生活緊密聯(lián)系，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)信心和學(xué)習(xí)主動性.