自制霍尔传感器自动控制装置

管小庆 胡 星

（江苏省锡山高级中学，江苏 无锡 214174）

1 霍尔效应

1879年，美国物理学家霍尔研究载流导体在磁场中受力时发现了霍尔效应.如图1，在一导体或者半导体薄片左右ab两面之间通入电流I，并将其置于垂直于上下cd两面的磁感应强度为B的磁场中，就会在垂直于电流和磁场的前后ef两面上产生电势差，我们将其称为霍尔电压UH.当霍尔元件输出稳定的霍尔电压时，内部载流子在洛伦兹力和电场力的作用下匀速直线运动，经推导，其中d为霍尔元件厚度，即沿磁感应线方向上的距离.，n为霍尔元件单位体积内载流子的个数，q为载流子的电荷量，因此k称为霍尔系数，与霍尔元件的材料有关.

图1 霍尔效应基本原理示意图

2 霍尔传感器

随着微电子技术的发展，为了满足不同的应用需求，通常将霍尔元件与不同功能的附属电路进行集成，制作成霍尔传感器.霍尔传感器一般分为两类：线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器.前者由恒流源、霍尔元件和线性放大器构成，在一定范围内其输出电压与外加磁感应强度呈线性关系；后者由霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、门电路等构成，当外界环境的磁感应强度低于或者高于规定的工作点时，其输出关闭或者导通的状态.

3 自制霍尔传感器自动控制装置简介

3.1 线性霍尔传感器应用于车把调速

在骑行电动自行车过程中，旋转右手车把，即可实现车速调控.图2实验板左侧是自制实验装置——简易调速车把（示意图如图3所示）.旋转右手车把，实际上就是在旋转弧形磁铁，顺时针旋转弧形磁铁，线性霍尔传感器感知到所在处磁感应强度的变化，示波器对应输出连续变化的电压.该变化的输出电压输送至电机控制器，以不同的转矩驱动电机和车轮，从而实现以车把的旋转调控车速.

图2 车把调速和无刷直流电机自制装置实物图

图3 车把调速示意图

3.2 开关型霍尔传感器应用于无刷直流电机

直流电动机分为有刷和无刷两种.有刷直流电动机通过碳刷和换向器实现线圈在转动过程中电流方向的改变，从而使线圈持续受到磁场的驱动力而转动.然而，无刷直流电机是通过霍尔传感器感知磁铁的位置，由电机控制器控制线圈中电流的通断和方向，实现电子换相.

图2实验板右侧是自制实验装置——最简单的无刷直流电机（示意图如图4所示）.转子上一共有8个磁铁，每当磁铁靠近开关型霍尔传感器时，传感器就会输出“开”的状态.控制电路接收到该信号后，导通电路使定子（线圈）通电，此时通电线圈的磁场对磁铁产生驱动力使转子转动.也就是说，当转子上的磁铁依次经过霍尔传感器时，控制电路都会使定子（线圈）导通产生磁场并驱动磁铁.这种源源不断地驱动，使得电机车轮持续不断地向前转动.

图4 无刷直流电机示意图

图4中控制电路的电路图如图5所示.H为开关型霍尔传感器（型号411B112）.R为4.7kΩ上拉电阻，其作用在于当霍尔传感器处于导通状态时，将A点电势拉高，从而使三极管被导通.D1为发光二极管，用来标识磁铁经过霍尔传感器时定子线圈被导通.Q为NPN型三极管（型号S9013），当基极b电流发生微小变化时，会引起集电极c电流较大的变化，这就是三极管的放大作用.二极管D2（型号IN4007）提供自感电流释放的通路，用来保护三极管.L为图4中的定子（线圈）.

图5 控制电路电路图

4 自制霍尔传感器自动控制装置的教学意义

（1）紧扣课程标准“会利用传感器制作简单的自动控制装置”要求，简单且直观地展现了传感器将非电学量转化为电学量的技术意义.

图2模拟了骑行电动自行车时旋转车把加速的过程，展现了线性霍尔传感器将磁信号转化为电信号的技术意义.用直流无刷电机来模拟自行车后轮电机，展现了开关型霍尔传感器将磁信号转化为电路通断的技术意义.

通过上述两例具体演示实验，学生能够认识到将非电学量转化为电学量是实现自动控制和数字化信息传输的基础，从而体会传感器将非电学量转化为电学量的原理和转化意义.

（2）以简洁的教具生动形象地可视化呈现了时代科技成果——无刷直流电机的基本原理.

有刷直流电机通过碳刷和换向器实现线圈中电流方向的改变.然而无刷电机采用的是电子换向，是现代科技发展的重要成果，具有体积小、功率大、转速高、功耗低、噪音低、寿命长、可靠性高等众多优点.

通过最简单的直流无刷电机的实验展示，学生可以进一步理解稍复杂的微型电风扇直流无刷电机（图6）的工作原理，即每当磁铁经过霍尔传感器时，总是一对线圈被导通同时驱动相应的一对磁铁.进而，学生可以理解较复杂的电动自行车无刷直流电机（图7）的工作原理.即3个霍尔传感器感知外圈磁场的位置，分别输出“开”或者“关”的状态，如100、101、001，这些输出状态代表了转子的不同位置.电机控制器接受到转子的位置信息，从而决定哪些线圈接通导电，共同驱动转子，使得转子持续不断地转动.

图6 微型电风扇电机

关注科技进步，反映当代科学技术发展的重要成果是普通高中物理课程的 基本理念.实验教具是用最简单、常用、熟悉的器材制作而成的，生动形象地可视化呈现了现代科技最本质的核心原理.通过将原理迁移到电风扇电机和电动自行车电机，学生思维得到了发展和进阶，并且能感知科技进步对人类文明的重要意义，从而形成社会参与意识和社会责任感.

图7 电动自行车后轮电机

（3）紧密联系生活，以熟悉的电动自行车为载体亲切地体现了“物理与生活”的密切关系.

电动自行车是学生生活中最普遍的交通工具.几乎所有高中学生都有驾驶电动自行车的生活经验.通过制作本实验装置，学生会豁然开朗：原来我们当下学习的相关内容正在我每天骑行的电动自行车里发挥着重要作用；原来旋转车把不能加速，后轮电机不能转动，转动无力或者空转时发出“咯咯咯”声响都可能是霍尔传感器出现了故障.将物理与生活紧密联系，有助于提升学生的学习兴趣、学习信心和学习主动性.