הכרת המגנטים ושימושיהם הדור החדש של המגנטים – Sintered NdFeB Magnet, או בשמם המוכר – מגנטים מסוג ניאודימיום, משמשים כיום בכל תעשיות ההי-טק, פרויקטים צבאיים ופרויקטים רפואיים. תכונותיהם המיוחדות, מביאות לכך, שהשימוש במגנטים אלו גדל יותר ויותר ככל שמתגלים יתרונותיהם. המגנטים הינם חסיני זמן, חסיני עוצמה, וחסינים בפני רעידות, שוק והלמים, ומתאימים לתנאי סביבה קשים ומיוחדים. המגנטים משמשים במערכות סרוו, מערכות ראיה זעירות, רובוטים צבאיים, הצמדה מגנטית ללא מגע, אחיזה וניתוק מהיר להסוואה, שליית עצמים מהים, ועוד. המגנטים מגיעים עם ציפויים שונים, לצורכי רפואה, עמידה בקורוזיה, מבריקים ו/או שחורים למניעת הבזקים. כמו”כ קיימים מגנטים במבנה מיוחד, הנקראים “Pot Magnets” אשר מצד אחד כוח האחיזה שלהם גדל עד פי 18 בצד המגנט, ומצד שני הם לא מפריעים לרכיבי אלקטרוניקה, ציוד רגיש לשטפים, ומצפנים, מצידם האחורי.
דיאגרמה 1 – דיאגרמת תמסורת של מפסק מגנטי דיגיטלי חד קוטבי – CS 3141E – Unipolar Digital Magnetic Switch:
B – סימון לשטף מגנטי
B RP – שטף מגנטי בנקודת ניתוק (OFF – Release point)
B OP – שטף מגנטי בנקודת עבודה (ON – operating point)
B H – הפרש השטף מגנטי בין נקודת העבודה לנקודת הניתוק –
או בשפה המקצועית – HYSTERSIS
שימושים אקזוטיים לתחום הצבאי
חיווי מערכות וחיישנים סמויים ומוצפנים.
הפעלת הינע סמוי – סיבובי או חלקי.
מיקום ופולריזציה מגנט-חיישן.
נעילה/פתיחה של מנגנונים בתווך לא מגנטי. יריעות ניאודימיום גמישות לציפוי משטחים
מרחק וחוזק השדה המגנטי
בקרבת המגנט, החוזק המגנטי תלוי במבנה המגנט, ממדיו, נפחו, ופרופורציות הגיאומטריות שלו – עגול, מרובע, מלבן, טרפז, טבעתי, סגמנט, וכו’
כאשר מתרחקים מפני המגנט, נחלש השדה המגנטי – לפי הכלל של אחד מחולק במרחק בשלישית –
לדוגמא – אם מדובר במגנט קטן, השדה המגנטי במרחק של 20 מ”מ יהיה
1/2³=1/8 מחוזקו במרחק של 10 מ”מ.
המרחק והכוח המגנטי המופעל על מגנט
הכוח שגוף חש בשדה מגנטי תלוי ומותנה במדרג של שינוי השדה בהתאם למרחק, או שינוי השדה ביחידות אורך – Rate to Range.
באופן פרדוקסאלי, בשדה מגנטי יחיד ויציב, שאינו משתנה לאורך המרחק, לא יופיעו כוחות נטו על הגוף (Gradient).
הכוח שמרגיש מגנט שני בשדה מגנטי משתנה, יקטן לפי הכלל של ר=אחד מחולק במרחק ברביעית-
אחת הסיבות מדוע מבנה וצורת המגנט חשובים, הינה מכיוון שצפיפות השטף על פני המגנט איננה אחידה, שונה משמעותית בקצוות לעומת המרכז, ולכן קצב השינוי איננו קבוע.
דיאגרמה 2 -דיאגרמת תמסורת של מפסק מגנטי דיגיטלי דו קוטבי עם נעילה CS 3175 – Bipolar Latch Digital Magnetic Switch
המרחק והכוח המגנטי המופעל על גוף מתכתי
במקרה ונדרש להפעיל כוח על גוף מתכתי בשדה מגנטי, עלינו להביא ראשית למצב מגנטי בעזרת השראות מגנטית.
ההשראה המגנטים הינה פרופורציונאלית לשדה המגנטי.
הכוח המופעל על גוף מתכתי שהתמגנט, יקטן בהתאם למרחק לפי הכלל
של אחד לחלק במרחק בשביעית –
שימוש במגנטים להפעלת חיישנים מגנטיים מבוססי תופעת HALL
תופעת HALL התגלתה לראשונה ע”י Edwin H. Hall. בשנת 1879, ומאז נקראת אפקט HALL. מפסקים וחיישנים מגנטיים, המבוססים על תופעת HALL, או בשמם המקצועי – HED – Hall effect Device – בנויים ממעגל משולב המכיל:
גנרטור מתח מבוסס תופעת HALL.
מגבר דיפרנציאלי ו/או מגבר אות.
מעגל קיזוז טמפרטורה.
מעגל הגנה בפני קוטביות הפוכה.
מגבר מעורר – Schmitt Trigger – להגברת האות.
מעגל יציאה טרנזיסטורי, בדרך כלל מסוג Open collector.
כל המפסקים המגנטיים המבוססים על תופעת HALL מופעלים וממותגים אך ורק ע”י מגנט/שדה מגנטי.
ההתפתחות העצומה בתחום החומרים המגנטיים והופעתם של “סופר מגנטים” בתחילת שנות ה-80, מאפשרים כיום את הפעלת המפסקים המגנטיים בעזרת מגנטים זעירים בגדלים של 2 מ”מ ומעלה ובמרחקי הפעלה שונים.
רכיבי HED מגנטיים מתחלקים לשני סוגים – מפסקים מגנטיים וחיישנים ליניאריים.
יתרונות המפסקים המגנטיים:
חצי מוליך, דיגיטלי, קטן מימדים, ללא חלקים נעים, וללא בלאי.
הפעלה מרחוק ללא מגע, גם דרך תווך לא מגנטי.
ניתן לכיסוי, ציפוי, הסתרה והטבעה ללא השפעה על פעולתו.
אמין מאד, ניתן לאחסנה ארוכה, ללא חשש של שינוי ביצועים ותכונות.
תחום מתח הפעלה רחב – 4.5 ÷ 24VDC זמן תגובה מהיר – 2 ÷ 0.2 מיקרו שניה.
תחום טמפרטורת עבודה רחב –
-55oC ÷ +150oC.
תחום טמפרטורת אחסנה רחב –
-65oC ÷ + 170oC.
אנו מבחינים בשלושה סוגים עיקריים של מפסקים מגנטיים –
א. מפסק דיגיטלי מגנטי חד קוטבי – UNIPOLAR – מופעל רק ע”י הקוטב הדרומי – קוטב S – של המגנט.
ב. מפסק דיגיטלי מגנטי דו קוטבי – BIPOLAR – מופעל גם ע”י הקוטב הצפוני – קוטב N – של המגנט, וגם ע”י הקוטב הדרומי – קוטב S.
ג. מפסק דיגיטלי מגנטי דו קוטבי עם נעילה – BIPOLAR LATCH – קוטב חיובי מפעיל, קוטב שלילי מנתק.
התכונות המגנטיות החשמליות של מפסקים מגנטיים דיגיטליים מתוארים בשרטוטים המכונים “דיאגרמת התמסורת של המפסק” (ראו דיאגרמת 1).
תאור הפעולה –
א. השטף המגנטי החיובי, S+, בגודל של Bop ומעלה, מעביר את מעגל היציאה הטרנזיסטורי למצב ON.
ב. ירידת השטף החיובי, +S, מעבר לנקודת Brp ומטה, הנגרמת לדוגמה ע”י התרחקות המגנט מהמפסק , מחליפה את מצב המעגל הטרנזיסטורי למצב OFF.
ג. בכדי למנוע מצב לא יציב – נדנוד – תוכנן הפרש השטף המגנטי BH.
נתון ה-BH – HYSTERSIS – הינו אחד הנתונים החשובים לבחירת מפסק מגנטי (ראו דיאגרמה 2).
תאור הפעולה –
א. השטף המגנטי החיובי, S+, בגודל של Bop ומעלה, מעביר את מעגל היציאה הטרנזיסטורי למצב ON. המפסק ישאר במצב זה גם אם השטף החיובי ירד. ב. רק כאשר יגיע שטף שלילי, N-, בעוצמה של Brp ומעלה, אשר יוקרן על פני המפסק, המעגל הטרנזיסטורי יחליף את מצבו ויעבור למצב OFF. הערה – תכונה זו של מפסק מגנטי עם נעילה מנוצלת בעיקר עם מנועים ללא מברשות, בשילוב עם דסקיות מגנטיות רב קוטביות לקומוטציה אלקטרונית.
יתרונות החיישנים המגנטים הליניאריים
כל היתרונות שרשמנו לעיל, במפסקים המגנטיים, קיימים כמובן גם בחיישנים המגנטים הליניאריים, אך לחיישנים אלו יש עוד מספר תכונות ייחודיות, ולהלן החשובים שבהם –
א. מתח היציאה הינו יחסי – Ratiometric – כלומר, מתח יציאה ליניארי ופרופורציונאלי לצפיפות השטף – B – ויחסי למתח ההזנה לחיישן.
לדוגמא:
חיישן ליניארי מדגם CS3105E, עם מתח הזנה של 8 ÷ 12 VCC, יוציא מתח יציאה יחסי בתחום 2.5 ÷ 5Vout.
ולעומת זאת, חיישן ליניארי מדגם CS3503E, עם מתח הזנה של
4.5 ÷ 6VCC, יוציא מתח יציאה יחסי בתחום 2.25 ÷ 2.75Vout.
ב. תחום המדידה – תחום התמסורת הליניארי – תחום המדידה הליניארי בדגם CS3501E, הינו בתחום של
B = -100 ÷ + 100 mT
B = -1000 ÷ + 1000 G
= הסבר :
B – צפיפות השטף המגנטי.
“-” מתייחס לשטף קוטב N (צפון).
“+” מתייחס לשטף קוטב S (דרום).
mT – יחידת מדידת השטף במילי טסלה .
G – יחידת מדידת השטף בגאוס
10G= 1mT
ולשם השוואה, תחום המדידה הליניארי לדוגמה בדגם CS3503E, הינו בתחום של
B = – 90 ÷ + 90 mT
B = – 900 ÷ + 900 G
חשוב להבהיר כי החיישן מגיב לשטפים גם מעבר לתחום הליניארי, אך מתח היציאה במצב זה,, כבר איננו שומר על ליניאריות ופרופורציה בהתאם.
ג. רגישות השיפוע – Gradient:
תכונה זו מתארת את השינוי במתח היציאה בתלות בצפיפות השטף המגנטי.
כדי להבהיר נקודה זו, נשתמש בהשוואה בין 2 דגמים פופולאריים –
א. דגם CS 3501E –
תחום המדידה הליניארי הינו בתחום של
B = – 100 ÷ + 100 mT
מתח יציאה יחסי בתחום 2.5 ÷ 5Vout.
רגישות – .
ב. דגם CS 3501E –
תחום המדידה הליניארי הינו בתחום של
B = – 90 ÷ + 90 mT
מתח יציאה יחסי בתחום 2.25 ÷ 2.75Vout רגישות – .
מההשוואה ניתן ללמוד כי דגם CS3503E רגיש כמעט פי שניים מדגם CS3501E.
השימושים הנפוצים בחיישנים מגנטיים ליניאריים
מדידת שטפים מגנטיים במכשירי מדידה.
מיתוג ליניארי למנועים ללא מברשות (Brushless motors)…
ייצור של אנקודרים אבסולוטיים ואינקרמנטליים.
מדידות מרחק והתקדמות.
איתור חלקי מתכת.
בקרת מיקום ומהירות.
