Sensor Inductivo

Este circuito puede pasar como Sensor Inductivo o como un simple detector de metales.
Es un circuito experimental que se ha probado solo en protoboard, pero podría realizarse en PCB mas adelante.
Se alimenta con 5V y el sensor como podrán intuir es una bobina.
La clave de funcionamiento de este dispositivo es detectar una variación en la caída de tensión en el circuito tanque LC que varía en función del núcleo o bien en función del material metálico que "detecte", como sabemos la inductancia de una bobina varía con la frecuencia y con el núcleo, nosotros usaremos una frecuencia constante y variaremos el núcleo, de esta forma podremos distinguir la presencia del objeto ferromagnetico que detecta.
En nuestro circuito hemos utilizado un circuito oscilador en base al timer 555 ya que la frecuencia de operación sera de al rededor de 100kHz, pero podria usarse cualquier oscilador.
La frecuencia del oscilador tendrá que encontrarse sintonizada con la frecuencia del circuito tanque LC, para ello debemos conocer la frecuencia de resonancia del tanque LC que en principio calcularemos de forma teórica pero luego aproximaremos de forma practica y terminaremos la sintonía variando la frecuencia del oscilador VFO.
Lo primero que aremos sera construir la bobina ya que sea un componente clave para este diseño (el tamaño, la forma, etc...) en nuestro caso se ha construido una bobina de 10uH que hemos calculado en función de las dimensiones y cantidad de espiras de la misma.
Por ejemplo para una bobina de 6cm de diámetro por 2mm de espesor y 9 espiras de alambre tendremos los siguientes cálculos

 
 
 


Luego de esto podemos ver que al 555 se le debe poner una resistencia de 6150 ohms lo cual no se encuentra normalizado, yo pondría un preset de 10k y lo graduaría hasta que en la salida pueda leer la frecuencia de 108kHz.
Claramente todo esto es teórico, la instrucción de la bobina no va a dar los 9.87uH que calculamos, ni el capacitor comprado tendrá exactamente 220nF, al igual que el resto de los componentes del timer 555, por eso seria adecuado contar con un instrumento de medición como un osciloscopio para poder visualizar la señal de salida y la respuesta en frecuencia del circuito tanque LC.
En el osciloscopio se vera una señal periódica que debería ser senoidal (aunque el 555 entregue una señal cuadrada al pasar por el tanque LC se convertirá en senoidal) y la máxima amplitud de salida se obtendrá cuando el circuito se encuentre en resonancia. Aquí entra en juego nuestro detector, si a este circuito ya funcionando y visualizando la señal en el osciloscopio le acercamos un metal a la bobina, notaremos que la amplitud disminuye, esto es porque varía la inductancia y a su vez se sale de sintonía. Esta variación es la que queremos canalizar para detectar un objeto.
La forma que utilizamos aquí para detectar el objeto es simplemente comparando esta variación con una tensión de referencia que se podrá variar con un potenciometro, esta comparacion se realiza con un operacional LM358, en este caso tenemos un led que nos indicara cuando se detecte el objeto pero podría poseer otra salida, como un relé o un colector abierto.
Como podemos ver en el circuito entre el tanque y el comparado hay otros componentes, esto se debe a que no podemos ingresar una señal alterna de 100kHz para ser comparada con un nivel de tensión, entonces procedemos a realizar un desacople de continua, una detección con diodos y luego un filtro pasa bajos con un pull-Down, de esta forma la salida se convertirá en nivel de tensión y podremos compararla con la referencia.



NOTA: este circuito funciona con 5V por lo que la distancia de detección es aproximadamente de 5cm, si uno quisiera una detección a mayor distancia debería modificar tanto la tensión de alimentación como la forma y dimensiones de la bobina.

10 comentarios:

  1. Hola Sebastian.

    Como comenté en el canal de Youtube, armé el circuito y funciona perfectamente.

    Sólo cambié valores de bobina y condensador, y por ende, los de la frecuencia del 555. La salida del circuito no la ingresé por la entrada no inversora (+) del comparador, sino por la inversora, colocando el Vref en la primera. Con ello obtengo que la salida del operacional pase a alto cuando el voltaje sensado baje con respecto a Vref.
    Una duda. ¿Qué debemos modificar para aumentar el volaje de alimentación, y así tener más alcance, aparte de Vcc obviamente?

    Gracias y saludos.

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    1. Hola! como estas?, si podes jugar con el opamp para que te active a gusto jeje, Mas que la tensión de alimentación te diría las dimensiones de la bobina y el núcleo, este lo he probado como dice el post con una bobina de núcleo de aire de 60mm de diámetro y obtuve mayor distancia que con la bobinita de ferrite que mostré en el vídeo.
      Claramente es configurable el circuito en cuanto a la frecuencia de resonancia no hay problemas, pero tene en cuenta que si te acercas a frecuencias de radio podes tener alguna interferencia (no debería porque el 555 esta inyectando un nivel elevado de tensión pero podría pasar), después podes agregar un amplificador a la salida del detector de envolvente.
      Saludos!

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    2. Gracias Sebas.

      Me hice una bobina de 8cm y 42 vueltas, y por más que utilizado fómulas y calculadoras, todas me dan valores de inductancias diferentes. Lo que sí sé es que con un condensador de 100nF la frecuencia de corte ronda los 24.8KHz, que es donde obtengo el mayor voltaje de salida.
      Sí he notado que detecta bastante antes los metales, sobre todo los de grandes dimensiones, encendiendo el LED. Si en vez de un LED quisiera que sonara un pequeño altavoz, al igual que los detectores de metales ¿qué hay que añadir a la salida para generar una señal audible?

      Gracias nuevamente.

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    3. Si, claramente la matemática difiere mucho de la realidad en estas cosas... Igual haciendo un tracking de frecuencias con el 555 y midiendo con el osciloscopio como hice en el vídeo, podes ver cuando te acercas y te alejas de la frecuencia de resonancia, es una manera de saber que frecuencia tiene tu bobina, similar a como funciona el DipMeter o un VSWR (pero en frecuencias de RF).
      Supongo que para un parlante o algo así, tendrías que usar un generador de tono con otro 555 y podes ingresar la señal al pin 5 de modulación en lugar del amp operacional, así te varia el sonido en función a como detecta el circuito.
      Saludos.

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    4. Ahh, vale. Perfecto. Probaré a ver que tal se oye. De los altavoces que tengo por aqui reciclados, creo que alguno hay de 8 Ohm 0,5W.

      Gracias Sebas. Saludos.

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    5. Dale, cualquier cosa avísame, puede que necesites poner un amp en el medio, ya que tal vez la tensión que inyectas en la modulación del 555 requiera una amplitud mayor a la que te entrega el diodo detector.
      Saludos.

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  2. Hola de nuevo Sebas.

    Estoy aprovechando tu circuito tanque para medir de forma indirecta el valor de diferentes bobinas que tengo armadas por aquí, junto con el osciloscopio, y de las que sólo tengo su valor por un medidor con Arduino que me armé más allá.

    Mi duda viene en el valor del condensador que se debe colocar para crear el circuito. Me explico. Si le coloca a un inductor toroidal un C de 1nF, me tira valores de tensión diferentes que si le coloco uno de 47nF ó 100nF. Con el penúltimo (el de 47nF) es con el que conseguí más tensión de salida, y con el que el valor medido casi coincide con medido con Arduino, aplicando la fórmula f=1/(2pi*sqr(LC)).

    Si quisieramos armar un medidor de inductancias con este circuito tanque ¿qué valores debemos barajar para el condensador?

    Gracias y saludos.

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    1. Exacto, es lo que te mencionaba en el comentario del video, el problema de usar un solo capacitor para cualquier bobina es que a frecuencias altas disminuye mucho la reactancia capacitiva y reduce mucho la amplitud de salida en el diodo detector, cosa que juega en contra para ver como aumenta y disminuye la amplitud al variar la frecuencia.
      Saludos!

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    2. Gracias Sebas. Sí, iré probando con valores de 10nF hasta los 100nF ó 220nF. Como comenté por último en el vídeo, tampoco es pretenda un medidor de inductancias que abarque todo el rango. Con que mida desde 1uH hasta los 330uH o así, me conformo.
      Para armar los conversores DC-DC me viene genial, ya que al armar las bobinas uno mismo, no basta con las calculadoras en las que ingresas el tamaño del toroide y las espiras que le metes.

      Seguiremos probando.

      Saludos y gracias.

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    3. Hola!, si totalmente de acuerdo, es un buen instrumento de bajo costo para aproximar las medidas de inductancias, sobre todo para ese tipo de circuitos como las DCDC y otras. Esta bueno y funciona muy bien por la simplicidad que tiene.
      Saludos!

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