Sensori magnetici: reed vs. effetto Hall

Pubblicato il 29 febbraio 2020

Per realizzare automatismi su un plastico ferroviario occorre rilevare la posizione dei rotabili. Potremo allora prevedere degli effetti legati al transito di un treno, come ad esempio abbassare le sbarre, far scattare un segnale o commutare uno scambio, rallentare o fermare il treno stesso o farne partire un altro.

La rilevazione di posizione è basata su sensori, che possono essere di varia natura: meccanici, ottici, magnetici. Qui ci concentriamo su quelli magnetici:  i reed (piuttosto diffusi in ambito ferromodellistico) e quelli ad effetto Hall (usatissimi i molti contesti, che vanno dal controllo di chiusura delle finestre al blocco del portello della lavatrice).

Cerchiamo di esaminarli entrambi, e di confrontarli tra loro.

Sensori reed.

Si tratta sostanzialmente di un interruttore che si chiude in presenza di un campo magnetico. Le due lamelle di cui è composto si muovono fino a toccarsi spinte dall’effetto di magnete che passi vicino al sensore. Sparito il magnete, tornano in posizione “normale”riaprendo il circuito elettrico.

Sono dei sensori dal costo limitatissimo: se ne possono avere 10 pezzi a 3 Euro su Amazon.

Sensore magnetico reed

Un reed tollera tipicamente una corrente massima di qualche decimo di Ampere (tipicamente tra 0,2 e 0,5), quindi occorre fare attenzione a non superare questa soglia: se si vogliono attivare correnti più intense, bisogna usare anche un relè, di quelli che chiudono il circuito per la durata dell’impulso che ricevono, come i Songle SRD che si possono ottenere per meno di un Euro a pezzo su ebay.

La sua maggior criticità è la fragilità dell’ampollina di vetro che lo contiene: non è affatto difficile che si rompa!  Occorre far molta attenzione nel maneggiare questi oggetti molto delicati: alla minima pressione l’ampollina va in frantumi. Quindi, per l’installazione sui binari, sarebbe meglio non usare le dita ma delle pinzette per piegare i due terminali. Se si rompe a plastico montato (già più difficile, ma non impossibile) sono dolori!

Quanto all’installazione, è molto facile: basta saldare su suoi estremi due fili e posizionare il reed longitudinalmente sotto il binario.

Sensore reed

Sensore reed sotto il binario

Fleischmann Piccolo ha a catalogo un binario dotato di sensore reed nascosto: in questo caso il problema della robustezza non si pone. Il costruttore tedesco dichiara una corrente massima di 0,8 A.

Fleischmann 9115, binario di rilevazione presenza basato su reed

Visto da sotto, il Fleischmann 9115 rivela il reed.

Le eventuali controindicazioni del binario Fleischmann sono il costo molto maggiore (circa 20 Euro, più IVA, su Conrad), ed il fatto che il sensore è su un tratto rettilineo: nella soluzione “fai da te” il sensore può essere posto anche sotto una curva, e si possono utilizzare anche binari flessibili.

Sensore a effetto Hall A3144

Il sensore A3144 è ufficialmente “discontinued”, sostituito dal nuovo 1104. A3144 è tuttavia più facile da trovare: ad esempio su Amazon cinque A3144 costano meno di 2 Euro.

A differenza del reed, il sensore ha tre piedini: due servono per l’alimentazione (ground e polo positivo, tra 4.5 e 24 Volt) ed il terzo porta il segnale in uscita, che è alla tensione di ingresso in assenza di campo magnetico, e a circa 0 Volt in presenza dello stesso. Dunque funziona all’inverso del reed: la corrente passa se il campo magnetico non c’è, e non passa se il campo è presente. E’ comunque facile realizzare un circuito che permetta di utilizzarlo in modo “diretto”, come mostreremo dopo.

Il datasheet si trova facilmente in Internet, ad esempio su elecrow.

Sensore a effetto Hall A3144

La corrente massima (tipicamente 25 mA) è molto bassa, per cui in genere il sensore non può essere utilizzato per pilotare direttamente un attuatore. E’ però sufficiente per un comando digitale (quindi per dare un segnale ad esempio ad un microcontrollore come Arduino) o può essere usata per pilotare un un relè o un transistor: In tal caso la corrente massima sarà quella ammessa dal transistor stesso o dal relè (quest’ultima tipicamente abbondante per gli usi ferromodellistici).

In sezione A3144 ha la forma di un trapezio. Il lato frontale, quello su cui è riportata la scritta che lo identifica, presenta la base minore del trapezio. Guardandolo di fronte, come nell’immagine sopra, a sinistra abbiamo il polo positivo (noi considereremo +5V, ma come detto possono essere tra 4,5 e 24 V), al centro il negativo (Ground), mentre a destra abbiamo l’uscita. Quest’ultima è alla tensione di ingresso in assenza di campo magnetico, e pressoché nulla (0V) in sua presenza. E’ buona norma  porre una resistenza (di valore indicativo tra i 680 Ohm e i 10 KOhm) tra il polo positivo e l’uscita. Lo schema è quindi il seguente:

Schema di collegamento per il sensore a effetto Hall (da geekmatic.in_.ua)

L’uso del condensatore è suggerito se ci interessa usare l’output del sensore come segnale su un microcontrollore come Arduino (per questo abbiamo considerato tensioni di +5V).

Se vogliamo testarlo, possiamo usare un LED, collegandolo come da schema seguente, con la solita resistenza da 330 Ohm.

Schema di connessione di un LED che si accende quando un magnete viene avvicinato (dal verso giusto) al sensore di Hall

Volendo usarlo per pilotare un relè, dovremo fare un collegamento inverso, connettendo l’uscita del sensore (OUT) al Set (o Reset, a nostra scelta), mentre il rispettivo ground del relè dovrà essere collegato ai +5V (e non al ground del sensore!).

Il sensore A3144 è molto piccolo, e posto sulle traversine dei binari ed in scala H0 non sarebbe molto diverso dai sensori che si trovano nelle ferrovie reali, come l’RTR.

Sensori Ansaldo tra i binari

In scala N invece è sconsigliabile farlo affiorare sopra le traversine: meglio lasciarlo nascosto sotto.

La microscopica dimensione è sicuramente un vantaggio, ma al tempo stesso è anche uno handicap, perché saldare sulle tre “gambe” del sensore dei fili non è affatto banale, al punto che può convenire montarlo su una basetta e metterlo sotto il binario.

A3144 montato su basetta

A3144 e basetta sotto il binario in scala N

Il sensore si trova anche già “basettato”, con inclusa una resistenza da 680 Ohm ed un LED (quest’ultimo in verità non molto utile se vogliamo mettere il sensore sotto la massicciata, ma comodo in fase di montaggio per testare il funzionamento).

Sensore a effetto Hall pronto per l’uso con Arduino.

Questa versione è pensata (e ben documentata) per Arduino, ma nulla vieta di usarlo invece ai nostri fini anche senza un microcontrollore, come discusso sopra. Attenzione che il cablaggio è diverso, con GND e +5V invertiti tra loro sullo spinotto!

In questa veste il sensore è un po’ più caro (poco più di un Euro a pezzo, sempre su Amazon) ma ne potrebbe valer la pena, visto il lavoro che ci si risparmia, anche se preparandolo da sé si può ottenere uno spessore minore. Comunque un pò di lavoro da fare c’è per dissaldare lo spinotto e mettere al suo posto dei fili.

Sensori montati su basetta: a sinistra fatto a mano, a destra quello premontato, dopo aver sostituito lo spinotto con fili.

Magneti per i sensori Reed e a effetto Hall

Veniamo ai magneti. Abbiamo provato con successo magneti al neodimio di 1 mm di spessore e 5 mm di diametro, con una forza di 0,29 kg: una confezione da 50 pezzi costa meno di 10 Euro su Amazon: meno di 20 centesimi a magnete. Dei magneti più piccoli (0,5 mm di spessore per 3 mm di diametro, forza 0,08 kg) non hanno invece funzionato, nei nostri test, in modo affidabile (va meglio usandone due alla volta, ma a quel punto meglio i primi).

Magnetini di neoodimio

Confronto tra i due sensori

Come detto, il sensore a effetto Hall è molto più robusto dei reed. Inoltre sensore a effetto Hall è più preciso del reed, come si può vedere nel seguente breve video che mostra i due tipi di sensori in uso. I due sensori sono posti sotto lo stesso binario di prova, a breve distanza uno dall’altro. Il reed accende il led verde, l’A3144 il led rosso. La motrice passa prima a bassa velocità, poi veloce. Si può notare (specie nel passaggio a bassa velocità) il doppio impulso dato dal reed ed il singolo dato dall’A3144.

Non ne abbiamo certezza, ma sembrerebbe che il doppio impulso del reed abbia origine dal fatto che il campo magnetico agisce quando il magnete si trova sopra il filo di contatto (di entrata e poi di uscita) piuttosto che direttamente sopra l’ampollina. Se serve, il doppio impulso potrebbe essere usato per misurare la velocità di transito.

Con entrambi i sensori è ovviamente necessario apporre sul convoglio da rilevare un magnete (eventualmente sia in testa che in coda, a seconda del tipo di uso che se ne vuole fare, e soprattutto se il convoglio è reversibile (automotrici, elettrotreni, push-pull con carrozza semipilota): in tal caso bisogna studiare la logica affinché i due impulsi – quello di testa e quello di coda convoglio – vengano interpretati correttamente. Si veda ad esempio la discussione fatta per la protezione di via impedita nella quarta puntata sugli scambi pensanti.

Magnete montato sotto la motrice

Per il reed la direzione del campo magnetico è irrilevante: non occorre preoccuparsi di come la calamita viene apposta sul convoglio. Il sensore a effetto Hall invece reagisce solo per una direzione del campo magnetico: occorre quindi montare tutti i vari sensori nello stesso verso (non è difficile visto che sono asimmetrici: come abbiamo già detto, visti dall’alto hanno forma trapeziodale, cosicché individuare recto e verso è possibile con un minimo di attenzione). Anche i magneti vanno posti sulla motrice tutti nello stesso verso (con il polo “sud” in alto o in basso coerentemente con la disposizione scelta per i sensori). Non è difficile ma richiede cura e attenzione, non si può procedere “a caso”. Basta provare l’orientamento del magnete prima di fissarlo sul rotabile, magari facendosi un circuitino di prova con un sensore che accende il led, o usando la versione del sensore già “basettata” e provvista di led che abbiamo discusso sopra.

I reed sono degli interruttori che chiudono il circuito in presenza di campo magnetico: quindi sostanzialmente forniscono un segnale quando vengono attivati da un magnete.

I sensori di tipo Hall funzionano in logica inversa, ovvero forniscono corrente se non sottoposti a campo magnetico, mentre in presenza di quest’ultimo vanno “a terra”.

Di questa differenza va ovviamente tenuto conto nella progettazione dei sistemi che sfruttano il segnale, come abbiamo fatto ad esempio  nel circuito di prova  usato per accendere un led al passaggio del convoglio sul sensore.