Индикатор магнитного поля в Алмаг ПЛЮС (Алмаг-01)


Схемы индикатори электрических полей (13 схем)

Индикаторы электрических полей могут быть использованы для индивидуальной защиты электромонтеров, при поиске мест повреждений электрических сетей. С их помощью определяется наличие электростатических зарядов в полупроводниковом, текстильном производствах, хранилищах легковоспламеняющихся жидкостей. При поиске источников магнитных полей, определении их конфигурации и исследовании полей рассеяния трансформаторов, дросселей и электродвигателей не обойтись без индикаторов магнитных полей.

Схема индикатора высокочастотных излучений показана на рис. 20.1. 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. 20.1

Для индикации низкочастотных электрических полей используют индикаторы с входным каскадом на полевом транзисторе (рис. 20.2 — 20.7). Первый из них (рис. 20.2) выполнен на основе мультивибратора [ВРЯ 80-28, Р 8/91-76]. Канал полевого транзистора является управляемым элементом, сопротивление которого зависит от величины контролируемого электрического поля. К затвору транзистора подключена антенна. При внесении индикатора в электрическое поле, сопротивление исток — сток полевого транзистора возрастает, и мультивибратор включается.

В телефонном капсюле раздается звуковой сигнал, частота которого зависит от напряженности электрического поля.

Рис. 20.2

Рис. 20.3

Следующие две конструкции по схемам Д. Болотника и Д. Приймака (рис. 20.3 и 20.4) предназначены для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах [Р 11/88-56]. Индикатор (рис. 20.3) 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. 20.4) выполнен по схеме управляемого низкочастотного генератора. Он содержит пороговое устройство, усилитель и детектор сигнала, наведенного в антенне переменным электрическим полем. 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.

Рис. 20.4

Рис. 20.5

Индикатор электрического поля (рис. 20.5) предназначен для поиска скрытой проводки, электрических цепей, находящихся под напряжением, индикации приближения к зоне высоковольтных проводов, наличия переменных или постоянных электрических полей [РаЭ 8/00-15].

В устройстве использован заторможенный генератор светозвуковых импульсов, выполненный на аналоге инжекционно-по-левого транзистора (VT2, VT3). При отсутствии электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 невелико, транзистор VT3 закрыт, генерация отсутствует. Ток, потребляемый устройством, составляет единицы, десятки мкА. При наличии постоянного или переменного электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 возрастает, и устройство начинает вырабатывать светозвуковые сигналы. Так, если в качестве антенны использован вывод затвора транзистора VT1, индикатор реагирует на приближение сетевого провода на расстояние около 25 мм.

Потенциометром R3 регулируется чувствительность, резистор R1 задает длительность светозвуковой посылки, конденсатор С1 — частоту их следования, а С2 определяет тембр звукового сигнала.

Для повышения чувствительности в качестве антенны может быть использован отрезок изолированного провода или телескопическая антенна. Для защиты транзистора VT1 от пробоя параллельно переходу затвор — исток стоит подключить стабилитрон или высокоомный резистор.

Рис. 20.6

Индикатор электрических и магнитных полей (рис. 20.6) содержит релаксационный генератор импульсов. Он выполнен на биполярном лавинном транзисторе (транзистор микросхемы К101КТ1А, управляемый электронным ключом на полевом транзисторе типа КП103Г), к затвору которого подключена антенна. Для задания рабочей точки генератора (срыв генерации в отсутствии индицируемых электрических полей) используют резисторы R1 и R2. Генератор импульсов через конденсатор С1 нагружен на высокоомные головные телефоны. При наличии переменного электрического поля (или перемещении предметов, несущих электростатические заряды) на антенне и, соответственно, затворе полевого транзистора появляется сигнал переменного тока, что приводит к изменению электрического сопротивления перехода сток — исток с частотой модуляции. В соответствии с этим релаксационный генератор начинает генерировать пачки модулированных импульсов, а в головных телефонах будет прослушиваться звуковой сигнал.

Чувствительность прибора (дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц) составляет 15…20 см. В качестве антенны использован стальной штырь 300×3 мм. При напряжении питания 9 В ток, потребляемый индикатором в режиме молчания, составляет 100 мкА, в рабочем режиме — 20 мкА.

Индикатор магнитных полей (рис. 20.6) выполнен на втором транзисторе микросхемы. Нагрузкой второго генератора является высокоомный головной телефон. Сигнал переменного тока, снимаемый с индуктивного датчика магнитного поля L1, через переходной конденсатор С1 подается на базу лавинного транзистора, не связанную по постоянному току с другими элементами схемы («плавающая» рабочая точка). В режиме индикации переменного магнитного поля напряжение на управляющем электроде (базе) лавинного транзистора периодически изменяется, изменяется также и напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода и, в связи с этим, частота и продолжительность генерации.

Схемы индикаторов электрических и магнитных полей

Рис. 20.7

Индикатор (рис. 20.7) изготовлен на основе делителя напряжения, одним из элементов которого является полевой транзистор VT1, сопротивление перехода сток — исток которого определяется потенциалом управляющего электрода (затвора) с подключенной к нему антенной [Рк 6/00-19]. К резистивному делителю напряжения подключен релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе VT2, работающий в ждущем режиме. Уровень начального напряжения (порог срабатывания), подаваемого на релаксационный генератор импульсов, устанавливается потенциометром R1.

Для предотвращения пробоя управляющего перехода полевого транзистора в схему введена защита (при отключении источника питания цепь затвор — исток закорочена). Повышение уровня громкости звукового сигнала достигается введением усилителя на биполярном транзисторе VT3. В качестве нагрузки выходного транзистора VT3 можно использовать низкоомный телефонный капсюль.

Для упрощения схемы высокоомный телефонный капсюль, например, ТОН-1, ТОН-2 (либо «среднеомный» — ТК-67, ТМ-2) может быть включен вместо резистора R3. В этом случае надобность в использовании элементов VT3, R4, С2 отпадает. Разъем, в который включается телефон, для снижения габаритов устройства, может одновременно служить выключателем питания.

При отсутствии входного сигнала сопротивление перехода сток — исток полевого транзистора составляет несколько сотен Ом, и напряжение, снимаемое с движка потенциометра на питание релаксационного генератора импульсов, мало. При появлении сигнала на управляющем электроде полевого транзистора сопротивление перехода сток — исток последнего возрастает пропорционально уровню входного сигнала до единиц, сотен кОм. Это приводит к увеличению напряжения, подаваемого на релаксационный генератор импульсов до величины, достаточной для возникновения колебаний, частота которых определяется произведением R4C1. Потребляемый устройством ток при отсутствии сигнала — 0,6 мА, в режиме индикации — 0,2…0,3 мА. Дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц при длине штыревой антенны 10 см составляет 10…100 см.

Рис. 20.8

Индикатор высокочастотного электрического поля (рис. 20.8) [МК 2/86-13] отличается от аналога (рис. 20.1) тем, что его выходная часть выполнена по мостовой схеме, имеющей повышенную чувствительность. Резистор R1 предназначен для балансировки схемы (установки стрелки прибора на ноль).

Ждущий мультивибратор (рис. 20.9) 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.

Схемы индикаторов электрических и магнитных полей

Рис. 20.9

Схемы индикаторов электрических и магнитных полей

Рис. 20.10

Индикаторы магнитных полей по схемам, представленным на рис. 20.10 — 20.13, имеют индуктивные датчики, в качестве которых может быть использован телефонный капсюль без мембраны, либо многовитковая катушка индуктивности с железным сердечником.

Индикатор (рис. 20.10) выполнен по схеме радиоприемника 2-V-0. Он содержит датчик, двухкаскадный усилитель, детектор с удвоением напряжения и показывающий прибор.

Индикаторы (рис. 20.11, 20.12) имеют светодиодную индикацию и предназначены для качественной индикации магнитных полей [Р 8/91-83; Р 3/85-49].

Схемы индикаторов электрических и магнитных полей

Рис. 20.11

Рис. 20.12

Схемы индикаторов электрических и магнитных полей

Рис. 20.13

Более сложную конструкцию имеет индикатор по схеме И.П. Шелестова, изображенный на рис. 20.13. Датчик магнитного поля подключен к управляющему переходу полевого транзистора, в цепь истока которого включено сопротивление нагрузки R1. Сигнал с этого сопротивления усиливается каскадом на транзисторе VT2. Далее в схеме использован компаратор на микросхеме DA1 типа К554САЗ. Компаратор сравнивает уровни двух сигналов: напряжения, снимаемого с регулируемого резистивного делителя R4, R5 (регулятора чувствительности) и напряжения, снимаемого с коллектора транзистора VT2. На выходе компаратора включен светодиодный индикатор.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Семейство DRV5000 от Texas Instruments

На сегодняшний день в семействе датчиков Холла производства компании Texas Instruments представлены четыре датчика: DRV5013, DRV5023, DRV5033 и DRV5053. Три из них являются датчиками с цифровым выходом (DRV5013, DRV5023, DRV5033) и один – с аналоговым (DRV5053). Представленные датчики являются первым поколением в линейке датчиков магнитного поля Texas Instruments и предназначены для определения месторасположения, управления двигателями (положение, работа, скорость, ускорение) и так далее. Все микросхемы имеют несколько вариантов исполнения: с различной чувствительностью, в двух вариантах корпуса (SOT23 и TO-92) и двух температурных исполнениях (-40…125°С и -40…150°С). В дальнейшем линейка будет расширяться.

Независимо от исполнения для всех датчиков семейства DRV5000 характерны следующие общие характеристики:

  • компенсация смещения и дрейфа напряжения встроенным модулятором;
  • выход с открытым стоком (для микросхем с цифровым выходом);
  • широкий диапазон рабочих напряжений питания: 2,5…38 В;
  • быстрое время включения: 35 мкс;
  • формирование импульса готовности на выходе при включении питания;
  • быстрое время переключения: 13 мкс;
  • защита от неправильной полярности напряжения питания: до -22 В);
  • защита по выходу от короткого замыкания на землю.

Стоит обратить внимание на внутреннюю структуру датчиков (рисунок 2). Все датчики содержат внутренний регулятор напряжения, который позволяет использовать датчики без дополнительного стабилизатора напряжения, если питающее напряжение не превышает 38 В. Кроме того, регулятор напряжения обеспечивает дополнительную защиту от коротких выбросов при снятии нагрузки. При коротких выбросах, не превышающих 40 В, микросхемы могут использоваться без какой либо дополнительной защиты. Если же в системе ожидаются выбросы более 40 В, например, в бортовой сети автомобиля, где они могут быть более 60 В, дополнительная защита все же понадобится. Простейшим вариантом в данном случае будет использование токоограничивающего резистора.

а)

б)

Рис. 2. Внутренняя структура датчиков семейства DRV 5000: а) DRV5013/5023/ 5033; б) DRV5053

При реализации линейки DRV5000 инженеры TI не обошли вниманием и защиту от «переполюсовки» питания. При подаче отрицательного напряжения питания до -22 В датчики не пострадают, хотя и работать при таком напряжении тоже не будут. Чтобы возобновить функциональность датчиков достаточно подать напряжение питания правильной полярности.

Еще один уровень защиты, реализованный в датчиках, – это интегрированная схема ограничения выходного тока. Для предотвращения выхода микросхемы из строя при коротком замыкании реализована специальная схема ограничения тока, порог срабатывания которой равен 30 мА для DRV5013, DRV5023, DRV5033 и 2,3 мА для DRV5053. Схема ограничения по току работает, пока сохраняются условия для протекания повышенного тока. Микросхема перейдет в рабочий режим при устранении внешних факторов.

Обобщенные данные о различных режимах защиты приведены в таблице 1.

Таблица 1. Различные режимы защиты

АварияУсловиеСостояниеОписаниеВосcтановление
Перегрузка FET (ОСР)ISINK ≥ IOCPРабочееВыходной ток ограничен значением IOCPIO < IOCP
Выброс напряжения38 В < VCC < 40 ВРабочееУстройство работает при наличии выбросаVCC ≤ 38 В
Обратная полярность-22 В < VCC < 0 ВОтключенУстройство переживет данное состояниеVCC ≥ 2,5 В

Чтобы получить исключительные характеристики, в датчиках DRV5000 используются дополнительные блоки. Схемы компенсации температуры и напряжения смещения помогают добиться высокой точности и температурной стабильности чувствительности.

Задача схемы компенсации напряжения смещения (рисунок 3) – исключить постоянное напряжение смещения и его дрейф по температуре, тем самым убрав возможные ошибки измерения. Принцип работы схемы компенсации заключается в чередовании точек подключения воздействующего тока и места измерения Холловского напряжения. Частота переключения составляет порядка 125 кГц, что в несколько раз превышает рабочую полосу датчика и не влияет на его характеристики. Использование данной схемы позволяет измерить малые сигналы на выходе элемента Холла, а также уменьшает составляющую шума на низких частотах.

Рис. 3. Принцип работы схемы компенсации напряжения смещения

Наличие схемы температурной компенсации, позволяет достичь температурной стабильности чувствительности не хуже 10% в диапазоне температур (рисунок 4).

Рис. 4. Температурная зависимость чувствительности DRV5013

Все микросхемы семейства DRV5000 имеют одинаковое расположение выводов, которое совпадает с большинством микросхем, присутствующих на рынке, что облегчает процесс выбора решения на ранних этапах разработки. Однако при разработке платы следует учитывать разницу в реализации выходного каскада у цифровых (DRV5013/23/33) и аналоговых (DRV5053) датчиков, и необходимость использования либо подтягивающего резистора, либо резистора ФНЧ (рисунок 5).

а)

б)

Рис. 5. Схема включения: а) DRV5013/23/33; б) DRV5053

Несмотря на множество общих особенностей у микросхем семейства, основное отличие между ними заключается в выходном отклике на изменение магнитного поля.

Таким образом, чтобы перевести цифровой триггер DRV5013 в состояние с низким уровнем выходного напряжения, необходимо, чтобы поле, создаваемое южным магнитным полюсом возле маркированной стороны корпуса, превысило уровень срабатывания. Заданное состояние будет поддерживаться, пока не будет приложено магнитное поле обратной полярности, превышающее порог срабатывания. Такая зависимость может быть использована для управления BLDC со встроенным датчиком определения скорости вращения (RPM) за счет определения изменения магнитного поля.

Микросхемы DRV5023 и DRV5033 являются магнитными ключами, в которых состояние с низким уровнем выходного напряжения остается, только когда есть магнитное поле. При этом DRV5023 реагирует только на присутствие южного полюса, тогда как на DRV5033 может воздействовать как южный, так и северный полюса. Такие характеристики хорошо подходят для решений, где необходимо детектировать присутствие, например, для датчика открытия дверей.

В DRV5053 выходное напряжение линейно изменяется в зависимости от внешнего магнитного поля в диапазоне 0…2 В. Отсутствию магнитного поля соответствует выходное напряжение 1 В. Такой отклик будет полезен там, где есть необходимость измерения относительного месторасположения или оценки силы тока.

а)

б)

в)

г)

Рис. 6. Зависимость выходного напряжения от воздействия магнитного поля для: а) DRV5013; б) DRV5023; в) DRV5033; г) DRV5053

При использовании датчиков магнитного поля с цифровым выходом следует учитывать, что если в момент подачи напряжения питания напряженность магнитного поля будет находиться между граничными порогами срабатывания, то выход будет находиться в неопределенном положении: либо в высокоимпедансном состоянии, либо в состоянии с низким выходным уровнем. Для того чтобы устройство функционировало нормально, необходимо, чтобы величина магнитного поля превышала заданные пороги.

Схема и детали измерителя

Давайте сначала заглянем внутрь этого измерителя электромагнитного поля.

Полезное: Датчик MQ2

Теперь проведем несколько экспериментов и задокументируем их на фотографиях. Вначале посмотрим, как он ведет себя в непосредственной близости от электрического и электромагнитного поля, а точнее, обоих полей одновременно. Будем подходить с устройством к разным электрическим приборам.

Через некоторое время стали понятны две вещи, во-первых, это устройство действительно что-то измеряет. Во-вторых, близко от мощных источников оно просто зашкаливает. Измерение в месте, где обычно идет работа. Светодиод не переставал мигать и раздавался звуковой сигнал, хотя его в настройках можно было отключить. Далее посмотрим, что будет при более тесном контакте с приборами. Лампа светодиодная сетевая.

Вентилятор, который включается автоматически в жаркую погоду.

Электрический чайник на 2000 Вт.

Электродрель сетевая.

Как оказалось прибор реагирует даже на неодимовый магнит, причём весьма сильно.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: