開關型霍爾元件的教學演示設計

丁洪良

（江蘇省丹陽高級中學，江蘇 丹陽 212300）

霍爾元件可大致分為兩類：線性霍爾和開關霍爾.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.而實際上，隨著電子電路的數字化的傾向，開關霍爾的應用遠遠大于線性霍爾，在近年各地高考及模擬中也多次出現和霍爾應用相關的試題，但廣大教師和學生對真實霍爾元件卻了解甚少，影響對題意的理解.本文就生產生活中常見的開關霍爾元件的電氣特性及其應用作一簡單介紹，感興趣者可以根據介紹自己動手制作課堂教學演示裝置.

1 產品特性

圖1

線性霍爾輸出的是與磁感應強度B成正比的連續變化的電壓U，在此不贅述.而開關霍爾元件輸出電壓信號不再是連續變化的模擬量，而是非高即低的突變型數字信號.其典型代表型號為SS1104.外觀封裝及演示電路如圖1所示，該霍爾片有3個引腳，“＋”接電源正極，“－”接電源負極，“out”為電壓信號輸出端；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.開關接通后，電壓表示數為0，原因在于此時“out”端和“－”端在集成片內部可以認為是相通的，故“out”的電勢等于“－”的電勢，即為0.當條形磁鐵的S極靠近霍爾片時，在集成片內部“out”與“－”就會斷開，此時“out”本應無信號輸出，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，可認為此時“out”的電勢與電源“＋”的電勢相同，輸出為高電平，電壓表示數顯示為6V.拿開磁鐵后，電壓表示數變為0V，只有當S極再次靠近時，輸出電壓又轉為高.

2 應用模擬

利用開關型霍爾元件可以制作計程裝置，演示交通工具里程表的工作原理.這還要用到計數裝置，其型號為AD5135，其工作原理為低電平觸發，即計數器輸入端“in”的電壓由高電平跳變為低電平時，它就計一次數，這樣我們將開關霍爾元件輸出的高低數字信號與計數器的輸入端相連時，便可完成相應的計數工作.圖2為裝置原理示意圖，將霍爾片SS1104和計數器連接好后，再找一玩具汽車的輪胎，使其可以繞軸自由轉動，輪胎邊緣正好能經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.旋轉輪胎，每當小磁鋼到達霍爾片正上方時，計數器便接收到一個來自霍爾片的高電平信號，當小磁鋼離開霍爾片時，該高電平便躍變為低電平信號，計數器便記錄一次，所以輪胎每轉動一圈，小磁鋼便經過霍爾片表面一次，計數器便累加一次，這樣計數器便將輪胎轉過的圈數記錄下來了.實際應用中再通過乘法電路將圈數乘以輪胎的周長便得到車輛行駛的里程數了.

圖2

通過以上實例，學生會對霍爾元件作為磁傳感器的工作原理理解得更為透徹.