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，江蘇 無錫 214174）

1 霍爾效應

1879年，美國物理學家霍爾研究載流導體在磁場中受力時發現了霍爾效應.如圖1，在一導體或者半導體薄片左右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兩面上產生電勢差，我們將其稱為霍爾電壓UH.當霍爾元件輸出穩定的霍爾電壓時，內部載流子在洛倫茲力和電場力的作用下勻速直線運動，經推導，其中d為霍爾元件厚度，即沿磁感應線方向上的距離.，n為霍爾元件單位體積內載流子的個數，q為載流子的電荷量，因此k稱為霍爾系數，與霍爾元件的材料有關.

圖1 霍爾效應基本原理示意圖

2 霍爾傳感器

隨著微電子技術的發展，為了滿足不同的應用需求，通常將霍爾元件與不同功能的附屬電路進行集成，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型霍爾傳感器.前者由恒流源、霍爾元件和線性放大器構成，在一定范圍內其輸出電壓與外加磁感應強度呈線性關系；后者由霍爾元件、穩壓電路、放大器、施密特觸發器、門電路等構成，當外界環境的磁感應強度低于或者高于規定的工作點時，其輸出關閉或者導通的狀態.

3 自制霍爾傳感器自動控制裝置簡介

3.1 線性霍爾傳感器應用于車把調速

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

圖2 車把調速和無刷直流電機自制裝置實物圖

圖3 車把調速示意圖

3.2 開關型霍爾傳感器應用于無刷直流電機

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

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

圖4 無刷直流電機示意圖

圖4中控制電路的電路圖如圖5所示.H為開關型霍爾傳感器（型號411B112）.R為4.7kΩ上拉電阻，其作用在于當霍爾傳感器處于導通狀態時，將A點電勢拉高，從而使三極管被導通.D1為發光二極管，用來標識磁鐵經過霍爾傳感器時定子線圈被導通.Q為NPN型三極管（型號S9013），當基極b電流發生微小變化時，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意義

（1）緊扣課程標準“會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”要求，簡單且直觀地展現了傳感器將非電學量轉化為電學量的技術意義.

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

通過上述兩例具體演示實驗，學生能夠認識到將非電學量轉化為電學量是實現自動控制和數字化信息傳輸的基礎，從而體會傳感器將非電學量轉化為電學量的原理和轉化意義.

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

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

通過最簡單的直流無刷電機的實驗展示，學生可以進一步理解稍復雜的微型電風扇直流無刷電機（圖6）的工作原理，即每當磁鐵經過霍爾傳感器時，總是一對線圈被導通同時驅動相應的一對磁鐵.進而，學生可以理解較復雜的電動自行車無刷直流電機（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”的狀態，如100、101、001，這些輸出狀態代表了轉子的不同位置.電機控制器接受到轉子的位置信息，從而決定哪些線圈接通導電，共同驅動轉子，使得轉子持續不斷地轉動.

圖6 微型電風扇電機

關注科技進步，反映當代科學技術發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了現代科技最本質的核心原理.通過將原理遷移到電風扇電機和電動自行車電機，學生思維得到了發展和進階，并且能感知科技進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任感.

圖7 電動自行車后輪電機

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

電動自行車是學生生活中最普遍的交通工具.幾乎所有高中學生都有駕駛電動自行車的生活經驗.通過制作本實驗裝置，學生會豁然開朗：原來我們當下學習的相關內容正在我每天騎行的電動自行車里發揮著重要作用；原來旋轉車把不能加速，后輪電機不能轉動，轉動無力或者空轉時發出“咯咯咯”聲響都可能是霍爾傳感器出現了故障.將物理與生活緊密聯系，有助于提升學生的學習興趣、學習信心和學習主動性.