Датчик работающий от магнита

Датчик Холла

Что такое датчик Холла

Датчики Холла представляют из себя твердотельные радиоэлементы, которые становятся все более популярными в радиолюбительской среде и разработке радиоэлектронных устройств. Они применяются в датчиках измерения положения, скорости или направленного движения. Они все чаще заменяют собой путевые выключатели и герконы. Так как такие датчики являются абсолютно герметичными и представляют из себя простой радиоэлемент, то они не боятся вибрации, пыли и влаги. То есть по сути датчик Холла простыми словами — это радиоэлемент, который реагирует на внешнее магнитное поле.

Эффект Холла

Дело было еще в 19-ом веке. Американский физик Эдвин Холл обнаружил очень странный эффект. Он взял пластинку золота и стал пропускать через неё постоянный ток. На рисунке эту пластинку я пометил гранями ABCD.

Он пропускал постоянный ток через грани D и B. Потом поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и обнаружил напряжение на гранях А и C! Этот эффект и был назван в честь этого великого ученого. Основной физический принцип данного эффекта был основан на силе Лоренца. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, стали называть датчиками Холла.

Но здесь один маленький нюанс. Дело в том, что напряжение Холла даже при самой большой напряженности магнитного поля будет какие-то микровольты. Согласитесь, это очень мало. Поэтому, помимо самой пластинки в датчик Холла устанавливают усилители постоянного тока, логические схемы переключения, регулятор напряжения а также триггер Шмитта. В самом простом переключающем датчике Холла все это выглядит примерно вот так:

Supply Voltage — напряжение питания датчика

Voltage Regulator — регулятор напряжения

Hall Sensor — собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch — выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Линейные (аналоговые) датчики Холла

В линейных датчиках напряжение Холла (напряжение на гранях А и С) будет зависеть от напряженности магнитного поля. Или простыми словами, чем ближе мы поднесем магнит к датчику, тем больше будет напряжение Холла. Это и есть прямолинейная зависимость.

В линейных датчиках Холла выходное напряжение берется сразу с операционного усилителя. То есть в линейных датчиках вы не увидите триггер Шмитта, а также выходного переключающего транзистора. То есть все это будет выглядеть примерно вот так:

О чего же зависит напряжение на гранях А и С? В основном от магнитного поля, создаваемым либо постоянным магнитом, либо электромагнитом; толщиной пластинки, а также силой тока, протекающего через саму пластинку.

Теоретически, если подавать ну очень сильный магнитный поток на датчик Холла, то напряжение Холла будет бесконечно большим? Как бы не так). Выходное напряжение будет лимитировано напряжением питания. То есть график будет выглядеть примерно вот так:

Как вы видите, до какого-то момента у нас идет линейная зависимость выходного напряжения датчика от плотности магнитного потока. Дальнейшее увеличение магнитного потока бесполезно, так как оно достигло напряжения насыщения, которое ограничено напряжением питанием самого датчика Холла.

Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого провода, например, токовые клещи.

Существуют также приборы, с помощью которых можно замерять напряженность магнитного поля. Датчики Холла, используемые в этих приборах, называют линейными, так как напряжение на датчике Холла прямо пропорционально плотности магнитного потока.

Линейные датчики, как я уже сказал, могут быть использованы в токовых клещах. Они позволяют измерять силу тока, начиная от 250 мА и до нескольких тысяч Ампер. Самым большим преимуществом в таких токовых клещах является отсутствие механического контакта с измеряемой цепью. Иными словами, токовые измерители на эффекте Холла намного безопаснее, чем измерители на основе шунта и амперметра, особенно при большой силе тока в цепи, которую нередко можно встретить в промышленных установках.

Цифровые датчики Холла

Как только наступила эра цифровой элек троники, в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы. Самый простой датчик Холла на триггере Шмитта мы уже рассмотрели выше и он выглядит вот так:

По сути такой датчик имеет только два состояние на выходе. Либо сигнал есть (логическая единица), либо его нет (логический ноль). Гистерезис на триггере Шмитта просто устраняет частые переключения, поэтому в цифровых датчиках Холла он используется всегда.

В результате промышленность стала выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном такие датчики делятся на три вида:

Униполярные

Реагируют только на один магнитный полюс. На противоположный магнитный полюс не обращают никакого внимания. К примеру, подносим южный полюс магнита и датчик сработает. На северный магнитный полюс он реагировать не будет.

Биполярные

Подносим магнит одним полюсом — датчик сработает и будет продолжать работать даже тогда, когда мы уберем магнит от датчика. Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

Как проверить датчик Холла

Давайте рассмотрим работу цифрового биполярного датчика Холла марки SS41. Выглядит наш подопечный вот так:

Судя по даташиту, на первую ножку подаем плюс питания, на вторую — минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

Для этого соберем простейшую схему: светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и сам датчик Холла.

Теперь цепляемся к нашей схеме от блока питания, выставив на нем 5 Вольт. Минус на средний вывод, а плюс питания — на первый.

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

Чтобы не перепутать полюса, я пометил красным бумажным ценником один из полюсов магнита. Какой именно — я не знаю, так как не имею компаса, с помощью которого можно было бы узнать, где северный полюс, а где южный.

Как только я поднес магнит «красным» полюсом к датчику холла, то у меня светодиод сразу потух.

Переворачиваю магнит другим полюсом, подношу его к датчику Холла и вуаля!

Если магнит не переворачивать, то есть не менять полюса, то светодиод также останется потухшим, потому что датчик биполярный.

Как вы видите на видео, мы с помощью магнита управляем датчиком Холла. Датчик Холла выдает нам два состояния сигнала: сигнал есть — единичка, сигнала нет — ноль. То есть светодиод горит — единичка, светодиод потух — ноль.

Применение датчиков Холла

В настоящее время область применения датчиков Холла очень обширна и с каждым годом становится все шире и шире. Вот основные применения:

Применение линейных датчиков

датчики тока
тахометры
датчики вибрации
детекторы ферромагнетиков
датчики угла поворота
бесконтактные потенциометры
бесколлекторные двигатели постоянного тока
датчики расхода
датчики положения

Применение цифровых датчиков

датчики частоты вращения
устройства синхронизации
датчики систем зажигания автомобилей
датчики положения
счетчики импульсов
датчики положения клапанов
блокировка дверей
измерители расхода
бесконтактные реле
детекторы приближения
датчики бумаги (в принтерах)

Заключение

Чем же так хороши датчики Холла? Если соблюдать нормальные рабочие значения напряжения и тока, то теоретически датчика хватит на бесконечное число включений-выключений. Они не имеют электромеханического контакта, который бы изнашивался, в отличие от геркона и электромагнитного реле. В настоящее время они уже почти полностью заменили герконы.

Приобрести датчик эффектов Холла тут.

Источник

Принцип работы и виды герконовых датчиков, схема и применение

Для уменьшения влияния негативных факторов, влияющих на контакты и несущих разрушающее воздействие, разработаны герконовые датчики — коммутирующие устройства. Контактная группа в них помещается в герметичную колбу.

Эти контакты переводят магнитопровод, могут менять своё положение. Конструкция геркона распространена, несмотря на свою хрупкость.

Описание и назначение

Герконом является устройство электромеханического типа, которое размыкает или замыкает электрические контакты. Это происходит за счёт магнитно-контактного поля, которое генерирует электромагнит. Это может делать и постоянный магнит.

Геркон переводится как герметичный контакт. Это обуславливается его конструкцией. Его составляющие — ферромагнитными пластинами, которые запаяны в капсулу из стекла. Она заполняется инертным газом, вместе с двумя контактами выхода.

Благодаря оболочке воздействие внешних факторов сводится к минимуму, при этом устройство может функционировать в нормальном режиме.

В колбе может содержаться иссушенный воздух, азот и любой другой инертный газ. Кроме этого, его могут откачать, чтобы создать вакуум. Это делают, чтобы повысить уровень коммутируемого напряжения.

Датчики из геркона применяются в разных системах и устройствах:

Бытовые счетчики.
Клавиатуры в оборудовании промышленного назначения и синтезаторах. Возникновение искры с них исключено. Именно поэтому их широко используют при производстве взрывоопасных вещей (где есть пыльные испарения или горючие).
Оборудование для медицинских учреждений.
Системы, которые охраняют и контролируют положение, работающее по автоматическому принципу.
Телекоммуникационные системы.

Для систем безопасности актуальны устройства, изготавливаемые из магнита и геркона. Они дают сигнал о закрытии и открытии дверей.

Стоит отметить, что распространены герконовые реле, которые состоят из проволочной обмотки и контактного датчика. У такой системы отмечают значимые преимущества: устойчивость к влаге, простое использование, нет деталей, которые двигаются.

С помощью герконов защищаются электроустановки от перегрузок.

Схема

Устройство и принцип работы

Принцип работы геркона похож на выключатель. Его составляющие — пара сердечников, проводящих ток и зазор. Их герметично запаивают в стеклянной колбе, у которой инертная среда. Благодаря этому исключается процесс окисления.

Управляющая обмотка находится вокруг колбы и питается постоянным током, за счет которого работает. Магнитное поле генерируется с помощью обмотки после подачи питания. После отключения от питания катушки магнитный поток прекращается. После этого размыкаются пружинами контакты. Так как трение отсутствует, они являются абсолютно надежными.

У герконового датчика есть своя особенность: в состоянии покоя на пружины реле не действуют никакие силы. Благодаря этому они замыкают контакт за несколько секунд.

Магниты постоянного характера также используются. Их принято относить к поляризованным.
Стандартные устройства работают по другому принципу функционирования. Система магнитов под воздействием электромагнита заряжает каждый сердечник потенциалом.

Это заставляет их размыкать цепь и отталкиваться друг от друга.

Герконы, которые переключаются, состоят из трёх контактов. Два из них сделаны из специального ферромагнитного сплава, один не магнитится. Когда наводится магнитное поле, разомкнутые контакты замыкаются, при этом пара немагнитного размыкается.

Как осуществляется управление

Управление герцогом осуществляется несколькими способами. Самый простой — управление магнитом в электрической схеме. Его перемещение осуществляется линейным способом. Это актуально для охранных сигнализаций, в которых магнит крепится на дверь, после чего геркон срабатывает (при закрытой двери).

Существует угловое перемещение магнита. Его используют редко, когда недоступны к применению остальные способы.

Перекрытие шторкой, как один из способов, уже не применяется. Его использовали для вычислительных устройств и их клавиатур до девяностых годов.

Плюсы и минусы

У герконовых датчиков есть свои преимущества и недостатки. К плюсам относят:

В контактах отсутствует дребезг. Это актуально для тех, выводы которых смочены ртутью.
По сравнению с классическим реле датчики отличаются высоким быстродействием.
Датчик считается долговечным и не поддаётся физическим ударам (например, при неосторожном обращении или падении).
Такой вид датчика не создаёт шум.
Контакты слабо сгорают, так как располагаются в вакууме или инертном газе. Это относится и к тем случаям, когда замыкание с размыванием происходит с возникновением искры.
Доступная для всех цена, так как при производстве не используют тугоплавкие или драгоценные металлы.
Небольшой размер по сравнению с классическими реле.

По сравнению с открытыми контактами они тяжеловаты.
Скорость срабатывания ограничена.
Нужно создавать магнитное поле.
Бывают случаи, когда контакты остаются в замкнутом состоянии и вывести их из него нельзя.
Внешние магнитные поля влияют на них.

Разновидности

Устройство работает по принципу размыкания, либо замыкания линии, передающей электричество. Напряженность магнитного потока задает замкнутое или разомкнутое положение. Примечательно, что не важно, откуда возникает магнитное поле. Оно может появляться как от электромагнита, так и постоянного магнита.

Намагничивание в устройстве начинает происходить тогда, когда под действие попадают силовые линии. После этого, сила упругости преодолевается и притягивает контакты друг к другу. В итоге цепь замыкается.

В таком состоянии датчик будет находиться до тех пор, пока будет оставаться магнитное поле. После прекращения воздействия силовых линий контакты размыкаются. Чтобы произошло следующее замыкание, необходимо, чтобы создалось поле вокруг устройства снова.

Исходя из этого, специалисты считают геркон переключателем.

Замыкающие

Замыкающие по своему принципу работы постоянно находятся в разомкнутом состоянии. Для них это нормальное статичное положение, а контакты между собой не соединятся.

Переключающие

У такого типа в составляющей конструкции есть три вывода. При нормальном состоянии, когда отсутствует влияние электромагнитного поля, оба контакта замкнуты (один с другим). После появления поля, в одном контакте происходит замыкание, а тот, который замкнут нормально — размыкается.

Размыкающие

Размыкающие отличаются тем, что когда магнитное поле отсутствует, контакты соединяются между собой. Такой тип относят к нормально разомкнутым.

Типы по технологическим особенностям

Так как конструкций различных герконовых реле много, выделяют ряд характеристик. Благодаря ним можно отличать конкретный вид от остальных. К основным характеристикам относят:

Время отпускания — этот тот период времени от момента, когда ток в катушке пропадает, до перехода контактов в своё обычное положение. Промежуток времени — 0,2-1 мкс.
Уровень вибрации. Этот заданный уровень нельзя превышать, так как стеклянные колбы трескаются. Измерение величины вибрации происходит количеством колебания в секунду.
Время реакции. Промежуток времени, начинающийся с подачей тока, и завершаемый в момент размыкания или замыкания. Составляет примерно 0,5-2 мкс.
Допустимое показание. Мощность герконового датчика определяется из совокупности сечения контактов и материала. Измерение происходит в кВт и Вт.
Емкость контактов. Она может измеряться только тогда, когда контакты разомкнуты.

Сухие

Сухой выглядит как герметичный баллон, состоящий из стекла. Внутри него находятся контакты. К контактам относятся сердечники из магнита, они привариваются снаружи колбы, с торца. При этом ртуть в этом случае не добавляется.

Ртутные

При ртутном контакте в стеклянный корпус добавляются ртутные капли, благодаря которым смачивается деталь. При срабатывании геркона качество контакта улучшается. Благодаря такой системе можно избежать дребезга и вибрации в контактах. Это увеличит время срабатывания.

Примеры практического применения в быту

Геркон позволяет управлять освещением в коридоре. Например, используя геркон, свет может включаться автоматически, при открытии входной двери. Спустя несколько минут он будет выключаться. При этом, когда уровень освещения нормальный – в течение дня, свет включаться в коридоре не будет.
Используется он и в домашней, охранной сигнализации как извещатель.

Наиболее распространенным видом герконовых датчиков является разомкнутый геркон. Каждый контакт в стеклянной емкости представляет собой плоскую проволоку. Поверхности контактов покрыты золотом, палладием, радием или серебром, что способствует уменьшению сопротивления и позволяет защитить контакты от коррозии. Пространство стеклянной колбы заполнено водородом, аргоном или азотом, либо просто представляет собой вакуумное пространство, что также способствует повышению антикоррозийных свойств.