开关型霍尔元件的教学演示设计

丁洪良

（江苏省丹阳高级中学，江苏 丹阳 212300）

霍尔元件可大致分为两类：线性霍尔和开关霍尔.人教版高中物理新教材选修3-1和选修3-2上涉及的主要是霍尔元件的线性特征.而实际上，随着电子电路的数字化的倾向，开关霍尔的应用远远大于线性霍尔，在近年各地高考及模拟中也多次出现和霍尔应用相关的试题，但广大教师和学生对真实霍尔元件却了解甚少，影响对题意的理解.本文就生产生活中常见的开关霍尔元件的电气特性及其应用作一简单介绍，感兴趣者可以根据介绍自己动手制作课堂教学演示装置.

1 产品特性

图1

线性霍尔输出的是与磁感应强度B成正比的连续变化的电压U，在此不赘述.而开关霍尔元件输出电压信号不再是连续变化的模拟量，而是非高即低的突变型数字信号.其典型代表型号为SS1104.外观封装及演示电路如图1所示，该霍尔片有3个引脚，“＋”接电源正极，“－”接电源负极，“out”为电压信号输出端；电路中电源电压和电表量程均为6V，电压表正接线柱接霍尔片“out”端.开关接通后，电压表示数为0，原因在于此时“out”端和“－”端在集成片内部可以认为是相通的，故“out”的电势等于“－”的电势，即为0.当条形磁铁的S极靠近霍尔片时，在集成片内部“out”与“－”就会断开，此时“out”本应无信号输出，但通过集成片外部一阻值为10kΩ的“上拉电阻”与电源的“＋”相连，由于“上拉电阻”中电流几乎为0，可认为此时“out”的电势与电源“＋”的电势相同，输出为高电平，电压表示数显示为6V.拿开磁铁后，电压表示数变为0V，只有当S极再次靠近时，输出电压又转为高.

2 应用模拟

利用开关型霍尔元件可以制作计程装置，演示交通工具里程表的工作原理.这还要用到计数装置，其型号为AD5135，其工作原理为低电平触发，即计数器输入端“in”的电压由高电平跳变为低电平时，它就计一次数，这样我们将开关霍尔元件输出的高低数字信号与计数器的输入端相连时，便可完成相应的计数工作.图2为装置原理示意图，将霍尔片SS1104和计数器连接好后，再找一玩具汽车的轮胎，使其可以绕轴自由转动，轮胎边缘正好能经过霍尔片工作面的上方，然后将一枚小磁钢粘在轮胎靠近霍尔片的一侧.旋转轮胎，每当小磁钢到达霍尔片正上方时，计数器便接收到一个来自霍尔片的高电平信号，当小磁钢离开霍尔片时，该高电平便跃变为低电平信号，计数器便记录一次，所以轮胎每转动一圈，小磁钢便经过霍尔片表面一次，计数器便累加一次，这样计数器便将轮胎转过的圈数记录下来了.实际应用中再通过乘法电路将圈数乘以轮胎的周长便得到车辆行驶的里程数了.

图2

通过以上实例，学生会对霍尔元件作为磁传感器的工作原理理解得更为透彻.