Датчик магнитного поля своими руками

Собранный из нескольких деталей индикатор оказывается совершенно неинерционным и сравнительно чувствительным, чтобы, к примеру, определить намагниченность лезвия бритвы или часовой отвертки. Кроме того, подобный прибор пригодится в школе для демонстрации явления индукции и самоиндукции.

Каков принцип работы схемы индикатора магнитного поля? Если вблизи катушки, лучше всего со стальным сердечником, пронести постоянный магнит, его силовые линии пересекут витки катушки. На выводах катушки появится ЭДС, величина которой зависит от напряженности магнитного поля и числа витков катушки. Остается усилить снимаемый с выводов катушки сигнал и подать его, например, на лампу накаливания от карманного фонаря.

Датчиком является катушка индуктивности L1, намотанная на железном сердечнике. Она подключена через конденсатор С1 к усилительному каскаду, выполненному на транзисторе VT1. Режим работы каскада задается резисторами R1 и R2. В зависимости от параметров транзистора (статический коэффициент передачи и обратный ток коллектора) оптимальный режим работы устанавливают переменным резистором R1.

В эмиттерную цепь транзистора первого каскада включен составной транзистор VT2-VT3 из транзисторов разной структуры.

Нагрузкой этого транзистора является сигнальная лампа HL1. Для ограничения максимального коллекторного тока транзистора VT3 в цепи базы транзистора VT2 стоит резистор R3.

Как только вблизи сердечника датчика окажется намагниченный предмет, появившийся на выводах катушки сигнал усилится, и сигнальная лампа на мгновение вспыхнет. Чем больше предмет и сильнее его намагниченность, тем ярче вспышка лампы.

Схема индикатора магнитного поля, вроли датчика лучше всего использовать катушку с сердечником от электромагнитных реле РСМ, РЭС6, РЗС9 или других, сопротивлением обмотки не менее 200 Ом. Учтите, чем больше сопротивление обмотки, тем более чувствительным будет индикатор.

Неплохие результаты получаются с самодельным датчиком. Для него берут отрезок стержня диаметром 8 и длиной 25 мм из феррита 600НН (от магнитной антенны карманных приемников). На длине примерно 16 мм на стержень наматывают внавал 300 витков провода ПЭВ-1 0,25. 0,3, размещая их равномерно по всей поверхности. Сопротивление обмотки такого датчика примерно 5 Ом. Чувствительность датчика, необходимая для работы прибора, обеспечивается благодаря высокой магнитной проницаемости сердечника. Чувствительность зависит также от статического коэффициента передачи тока транзисторов, поэтому желательно использовать транзисторы с возможно большим значением этого параметра. Кроме того, транзистор VT1 должен быть с небольшим обратным током коллектора. Вместо МП103А можно применить КТ315 с любым буквенным индексом, а вместо МП25Б — другие транзисторы серий МП25, МП26, обладающие коэффициентом передачи не менее 40.

Схема индикатора магнитного поля расположение радиокомпонентов. Часть деталей индикатора смонтируйте на плате из любого изоляционного материала (гетинакс, текстолит, оргалит) . Монтаж навесной, для подпайки выводов деталей установите на плате шпильки длиной 8. 10 мм из толстого (1. 1.5 мм) облуженного медного провода. Вместо шпилек можно расклепать на плате пустотелые заклепки либо установить небольшие скобки из жести от консервной банки. Так же поступайте в дальнейшем при изготовлении плат для навесного монтажа. Соединения между шпильками ведите голым луженым монтажным проводом, а в случае пересечения проводников надевайте на один из них отрезок поливинилхлоридной трубки либо кембрика.

Монтажная плата индикатора магнитного поля
После монтажа деталей к плате подпаивают проводниками в изоляции датчик, переменный резистор, сигнальную лампу, выключатель и источник питания. Включив питание, устанавливают движок переменного резистора в такое положение, чтобы нить накала лампы едва светилась. Если же нить сильно раскалена даже при верхнем по схеме положении движка, следует заменить резистор R2 другим, с большим сопротивлением.

Перед сердечником датчика помещают ненадолго небольшой магнит. Лампа должна ярко вспыхнуть. Если же вспышка слабая, это свидетельствует о малом коэффициенте передачи транзистора VT1. Его желательно заменить.

Затем к сердечнику датчика нужно приблизить конец намагниченной отвертки. Намагнитить ее нетрудно несколькими касаниями сравнительно сильного постоянного магнита, например магнита динамической головки мощностью 1 Вт. С намагниченной отверткой яркость вспышки сигнальной лампы будет меньше, чем с постоянным магнитом. Совсем слабой будет вспышка, если вместо отвертки использовать намагниченное лезвие безопасной бритвы.

Во время работы индикатора переменным резистором устанавливайте сначала возможно меньшую яркость свечения лампы, а затем уже подносите к сердечнику датчика испытываемый предмет. При проверке слабо намагниченных предметов яркость сигнальной лампы немного увеличивают, чтобы лучше было заметно ее изменение.

Как уже было сказано, вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Если включить, скажем, настольную лампу, то такое поле будет вокруг проводов, подводящих к лампе сетевое напряжение. Причем поле будет переменным, изменяющимся с частотой сети (50 Гц). Правда, напряженность поля невелика, и обнаружить его можно лишь чувствительным индикатором — о его устройстве будет рассказано позже.

Совсем иначе обстоит дело с работающим паяльником. Его нагревательная обмотка (спираль) выполнена в виде катушки, и вокруг нее образуется достаточно мощное магнитное поле, которое можно зафиксировать сравнительно простым индикатором.

Принципиальная схема индикатора переменного магнитного поля

Входная часть индикатора напоминает такую же часть предыдущего прибора: та же катушка индуктивности L1 с конденсатором С1, то же построение схемы первого каскада на транзисторе VT1. Только цепочка из двух резисторов в цепи базы транзистора заменена одним резистором R1, сопротивление которого уточняется в процессе настройки прибора. Транзистор же взят германиевый структуры р-n-р.

Схема индикатора магнитного поля

Индикатор высокочастотных излучений

Схема индикатора высокочастотных излучений показана на рис. 1. Сигнал с антенны попадает на детектор, выполненный на германиевом диоде. Далее через Г-образный LC-фильтр сигнал поступает на базу транзистора, в коллекторную цепь которого включен микроамперметр. По нему и определяется мощность высокочастотных излучений.

Рис. 1. Схема индикатора высокочастотных излучений.

Модуль датчика Холла KY-003

Данный модуль предназначен для обнаружения магнитного поля при помощи эффекта Холла. Этот эффект состоит в том, что в проводнике с постоянным током, помещенном в магнитное поле возникает поперечная разность потенциалов 3.

Габариты 28 х 15 мм, масса модуля 1,2 г. На плате имеется два крепежных отверстия диаметром 2 мм на расстоянии 10 мм друг от друга. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» – общий, контакт «S» – информационный. Когда индукция магнитного поля превышает заданное значение на информационном выходе модуля высокий логический уровень сменяется на низкий. На модуле имеется светодиод, который загорается при срабатывании датчика. В качестве иллюстрации можно загрузить на плату Arduino UNO программу LED_with_button [4], и подключить вместо кнопки данный модуль.

Модуль срабатывает только на северный полюс магнита, порог срабатывания достаточно высокий, магнит нужно подносить вплотную. Потребляемый ток 6,3 мА в ждущем режиме и составляет 11 мА при срабатывании.

Из недостатков следует отметить, что довольно сложно найти взаимную конфигурацию магнита и датчика для надежного срабатывания.

Поскольку модуль реагирует на определенное пороговое значение магнитного поля, то самым очевидным применением такого датчика может быть использование этого датчика вместо геркона. Хотя геркон это весьма надежный прибор, все же в его конструкции имеются подвижные механические контакты, в отличие от него датчик Холла никаких подвижных деталей не имеет. К примеру, можно установить данный модуль на дверном косяке, на полотне двери напротив него установить магнит, получится датчик открывания двери для сигнализации или умного дома, аналогично можно организовать подсчет оборотов колеса, закрепив на нем магнит и поместив в непосредственной близости от него этот датчик.

Магнитное поле проводника с током

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:

если вращать ручку буравчика по направлению тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Модуль на основе геркона KY-021

Датчик представляет собой нормально разомкнутый геркон с добавочным сопротивлением 10 кОм 5.

Габариты модуля 24 х 17 мм, масса 1,2 г. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» – общий, контакт «S» – информационный.

Воздействие токов на магниты

Магниты оказывают действие на электрические токи. В свою очередь токи воздействуют на магниты.

Рассмотрим эксперимент, который проводил Эрстед. Ученый разместил над магнитной стрелкой прямой провод (рис.1) параллельно плоскости стрелки. Стал пропускать ток по проводнику. При этом стрелка, способная вращаться около вертикальной оси, отклонялась и устанавливалась нормально к проводнику. Эрстед изменял направление течения тока, стрелка поворачивалась на 180 °. Тот же эффект возникал, когда проводник переносили под стрелку. Опыт Эрстеда показал связь между электрическими и магнитными явлениями.

Рисунок 1. Эксперимент Эрстеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Модуль датчика Холла (линейный) KY-024

Модуль предназначен для измерения напряженности постоянного магнитного поля 10.

Габариты модуля 44 х 15 х 13 мм, масса 2,8 г., в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Чувствительным элементом служит датчик Холла SS49E. Индикация подачи питания осуществляется светодиодом L1.

Датчик имеет четыре контакта. «A0» – аналоговый выход, напряжение на котором меняется в зависимости от индукции магнитного поля. Выводы питания «G» – общий провод, «+»– питание +5В. На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, если напряженность магнитного поля не превышает заданного порога, при срабатывании датчика низкий уровень меняется на высокий. Порог срабатывания цифрового канала датчика можно менять многооборотным подстроечным резистором. При срабатывании датчика загорается светодиод L2.

Потребляемый ток 9 мА в ждущем режиме и 11 мА при срабатывании.

Модуль срабатывает только на северный полюс магнита. Максимальное расстояние срабатывания 6 мм.

Аналоговый канал позволяет организовать измерение количественных характеристик магнитного поля. Показания на аналоговом порте Arduino UNO меняются от 550 до 200 единиц в зависимости от расстояния до магнита (в память Arduino UNO была загружена программа AnalogInput2).

Индикатор сетевого напряжения на ждущем мультивибраторе

Ждущий мультивибратор (рис. 9) использован для индикации сетевого напряжения [МК 7/88-12]. Индикатор работает при приближении его антенны к сетевому проводу (220 В) на расстояние 2…3 см. Частота генерации для приведенных на схеме номиналов близка к 1 Гц.

Рис. 9. Схема индикатора сетевого напряжения на ждущем мультивибраторе.

Модуль с герконом KY-025

Чувствительным элементом модуля является обычный геркон, работающий вместе с компаратором на микросхеме LM393YD, по заверениям продавцов 13 это позволяет уменьшить, ток, протекающий через контакты геркона, и тем самым увеличить его ресурс.

Габариты модуля 45 х 18 х 13 мм, масса 2,8 г., аналогично предыдущему случаю в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Индикация питания осуществляется светодиодом L1.

При срабатывании геркона загорается светодиод L2. Потребляемый ток 3,7 мА в ждущем режиме и 5,8 мА при срабатывании.

Какой порог чувствительности должен регулироваться переменным резистором неясно, видимо данные модули с компаратором LM393YD являются стандартными и к ним припаивают различные датчики в зависимости от назначения конкретного модуля. Разумеется, модуль срабатывает дискретно как кнопка, в чем можно убедиться с помощью программы LED_with_button [4]. На выводе «A0» постоянно присутствует напряжение питания +5В. Выводы питания «G» – общий провод, «+»– питание +5В. На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, при срабатывании геркона низкий уровень меняется на высокий. Целесообразность данного модуля, по мнению автора, спорна, учитывая, что и в простейшем случае включения геркона типа модуля KY-021 сила тока, протекающая через контакты геркона, существенно меньше одного миллиампера.

Индикаторы для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах

Следующие две конструкции по схемам Д. Болотника и Д. Приймака (рис. 3 и 4) предназначены для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах [Р 11/88-56].

Рис. 3. Схема индикатора для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах.

Индикатор (рис. 3) в целом представляет собой резистор с управляемым сопротивлением. Роль такого сопротивления опять же играет канал сток — исток полевого транзистора, дополненного двухкаскадным усилителем постоянного тока.

Индикатор (рис. 4) выполнен по схеме управляемого низкочастотного генератора. Он содержит пороговое устройство, усилитель и детектор сигнала, наведенного в антенне переменным электрическим полем.

Рис. 4. Индикатор НЧ электрических полей по схеме управляемого низкочастотного генератора.

Все эти функции выполняет один транзистор — VT1. На транзисторах VT2 и VT3 собран генератор низкой частоты, работающий в ждущем режиме. Как только антенну устройства приближают к источнику электрического поля, транзистор VT1 включает звуковой генератор.

Модуль датчика Холла KY-035

Данный модуль представляет собой микросхему SS49E, без каких либо дополнительных устройств [14]. Установка микросхемы на плате в данном случае может быть объяснена, только требованиями унификации при создании данного набора датчиков.

Габариты модуля 29 х 15 мм, масса 1,2 г. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» – общий, контакт «S» – информационный.

Потребляемый модулем ток составляет около 6 мА и не зависит от состояния датчика.

При отсутствии внешнего магнитного поля на информационном выходе присутствует напряжение равное половине напряжения питания. Внешнее постоянное магнитное поле приводит к тому, что напряжение на информационном выходе начнет увеличиваться или уменьшатся в зависимости от полярности магнита. В этом легко убедиться, используя программу AnalogInput2

С помощью данного модуля можно организовать контроль расстояния до источника магнитного поля, подсчет числа оборотов и т.п. Микросхема чувствительна к магнитному полю с индукцией в диапазоне 600-1000 Гс [15].

Дополнительные возможности

Что можно добавить, чтобы увеличить функциональность? Регулятор громкости — два потенциометра между выходом из схемы и гнездом для наушников. Выключатель питания — сейчас схема включена все время, пока не отсоединится батарейка.

При испытаниях оказалось, что устройство очень чувствительно на источника поля. Вы можете услышать, например, как обновляется экран в мобильном телефоне, или как красиво поет кабель USB во время передачи данных. Приложенный к включенному громкоговорителю работает как обычный и вполне точный микрофон, который собирает эл-магнитное поле катушки работающего динамика.

Хорошо ищет кабеля в стене, на манер трассоискателя. Только надо поднять НЧ, увеличив все 4 ёмкости до 10 мкФ. Недостатком является довольно большой шум и ещё сигнал слишком слабый — нужен какой-то дополнительный усилитель мощности, например на PAM-8403.

Полезные ссылки

https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла
https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla
https://www.14core.com/wiring-hall-effect-sensor-switch-magnet-detector-module/
https://robocraft.ru/blog/arduino/57.html
https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-na-osnove-gerkona
https://www.zi-zi.ru/module/module-ky021
https://2shemi.ru/mehanicheskie-datchiki-dlya-arduino/
https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/gerkony/
https://electrik.info/main/school/419-gerkony-sposoby-upravleniya.html
https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla-_lineynyiy_
https://www.zi-zi.ru/module/module-ky024
https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-magnitnyiy-datchik-s-gerkonom
https://www.zi-zi.ru/module/module-ky025
https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla_
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гаусс_(единица_измерения)

Все файлы документации и программ находятся в общем архиве. Обзор подготовил Denev.

Источник

Процесс сборки

Сборка предполагает использование макетной платы размером не менее 15 x 24 отверстия, и особое внимание обращается на расположение элементов на ней. На фотографиях показано рекомендуемое расположение каждого из радиоэлементов и какие связи между ними выполнить. Перемычки на печатной плате можно выполнить из фрагментов кабеля или отрезанных ножек от других элементов (резисторы, конденсаторы), которые остались после их монтажа.

После впайки катушек можно установить конденсаторы C1 и C2. Их емкость составляет 2,2 мкФ и определяет нижнюю частоту среза звуков, которые будут услышаны в наушниках. Чем выше значение ёмкости, тем ниже звуки воспроизводящиеся в системе. Большая часть мощного электромагнитного шума лежит на частоте 50 Гц, так что есть смысл его отфильтровать.

Можно поставить в панельку операционный усилитель любой со стандартными выводами, например OPA2134, NE5532, TL072 и другие.