I4CIV
Sensore contactless per
l'indicazione della direzione di un rotore di antenna
Sostituzione del potenziometro multigiri con un sensore ad effetto Hall
Premessa
Questo progetto nasce dall'ispirazione tratta da un articolo di Pierluigi IW4BLG (riferimento1), il quale descrive in maniera chiara e dettagliata una modifica a un piccolo rotore per antenna televisiva privo di un'indicazione precisa della direzione dell'antenna. La novità introdotta consiste nell'utilizzo di un sensore contactless per rilevare la posizione dell'antenna, sostituendo il tradizionale potenziometro.
Sebbene i potenziometri multigiri a filo siano di buona qualità, le tolleranze costruttive limitano la precisione. Inoltre, questi dispositivi sono influenzati da variazioni di temperatura, dall'invecchiamento e, soprattutto, dall'usura meccanica dovuta al continuo movimento del contatto mobile sulla resistenza, che deve garantire un buon contatto elettrico. Un ulteriore problema è che il potenziometro, essendo installato solidalmente all'albero del rotore, deve essere posizionato all'esterno, richiedendo una protezione adeguata dagli agenti atmosferici. Nonostante i tentativi di proteggerlo, spesso si verificano infiltrazioni di umidità e acqua all'interno, che alterano i valori resistivi, causando errori nell'indicazione della posizione dell'antenna sul display LCD.
Anche il mio rotore autocostruito, (riferimento 2,3,4) che utilizza un potenziometro multigiri da 10 kOhm, dopo alcuni anni di utilizzo ha presentato gli stessi problemi, nonostante avessi adottato misure per proteggerlo da umidità, condensa e pioggia battente, spesso spinta dal vento in ogni direzione. Dopo aver letto l'articolo di Pierluigi e scambiato alcune e-mail ho deciso di abbandonare l'uso del potenziometro multigiri per rilevare la direzione dell'antenna, sostituendolo con un sensore completamente diverso: un sensore ad effetto Hall.(riferimento5)
Caratteristiche
Il dispositivo che ho utilizzato è stato acquistato on-line ad un costo di circa 20 Euro. Si tratta di sensore di posizione rotativo contactless ad effetto Hall, con il codice P3022-V1-CW360, selezionato per la sua adattabilità a questo tipo di applicazione. Questo sensore converte la posizione angolare del suo perno in una tensione proporzionale alla posizione stessa, con un angolo di rotazione completo da 0° a 360°, senza fine corsa.
Visivamente (foto n.1), il dispositivo presenta un corpo in lega di alluminio anodizzato di colore verde, con un diametro di 22 mm, ed un perno di rotazione in acciaio inossidabile. I terminali di connessione sono in ottone placcato oro, garantendo una buona conduzione elettrica. Il grado di protezione è IP40, quindi occorre una protezione supplementare specialmente per l’acqua. Il sensore è definito "long life" grazie alla sua durata meccanica dichiarata di oltre 10 milioni di rotazioni. È in grado di operare a temperature comprese tra -30°C e +80°C, con una coppia di rotazione inferiore a 5mNm e una linearità dello 0,3% sul fondo scala.
I parametri elettrici del sensore sono i seguenti: tensione di funzionamento di 5 V ±10% stabilizzati, segnale di uscita 0-5 V proporzionale rispetto all'alimentazione fornita, corrente assorbita inferiore a 16 mA e resistenza di carico superiore a 10 kOhm. La precisione è dello 0,2% e la risoluzione di 0,088°. Alimentando il dispositivo con una tensione stabilizzata di 5V, ad ogni grado di rotazione del perno corrisponde una variazione di tensione di 0,0138888 V. Tuttavia, questo valore non è direttamente utilizzabile per una lettura precisa della posizione dell'antenna su un display LCD. Perciò è necessaria un'interfaccia che adatti il segnale fornito in base alla risoluzione desiderata. Se si vuole ottenere una risoluzione elevata fino alla massima del sensore (0,089°), una delle soluzioni possibili è l'uso di una scheda Arduino, programmata in modo di avere anche un controllo mediante un PC; nel caso sia sufficiente avere una risoluzione di un grado, propongo una soluzione circuitale molto più semplice.
Verifica preliminare
Prima di procedere con la sostituzione del potenziometro con il nuovo sensore, dovevo valutare se fosse stato possibile una sostituzione diretta o se fosse necessario progettare un nuovo circuito elettrico capace di convertire i gradi rilevati nella corrispondente tensione. Il circuito originale che avevo realizzato era basato sul principio del ponte di Wheatstone, dove una delle quattro resistenze era rappresentata dal potenziometro solidale con l’albero del rotore. La sua rotazione causava una variazione della resistenza e, di conseguenza, della tensione. Questa tensione, una volta convertita in gradi, veniva visualizzata su un display LCD collegato al controller del rotore.
Il funzionamento di un sensore contactless, invece, si basa sull'effetto Hall, che rileva l'intensità di un campo magnetico e converte la posizione angolare del suo perno in una tensione proporzionale. Questo approccio è completamente diverso rispetto al potenziometro. Nonostante ciò, decisi di provare a sostituire direttamente il potenziometro con il nuovo sensore. Come era prevedibile, il circuito non funzionò. Per farlo operare correttamente, era necessario riprogettare il circuito, eliminando l'uso del ponte di Wheatstone.
Da questa prova, compresi che, se mi fossi accontentato di una risoluzione di un grado, la stessa ottenuta con l’impiego del potenziometro, sarebbe stato sufficiente alimentare il sensore con una tensione di 3,60 V. La nuova interfaccia avrebbe dovuto garantire che a 360° di rotazione corrispondesse una tensione di 3,60 V e a 0° una tensione di 0 V, con un incremento o decremento di 0,01 V per ogni grado di rotazione.
Verifica del funzionamento
Per verificare il corretto funzionamento del sensore, ho realizzato un'interfaccia di prova che, una volta confermata la precisione, verrà adottata in modo definitivo. Utilizzando il circuito mostrato in (fig n.1), è possibile determinare la direzione dell'antenna misurando la variazione di tensione fornita dal sensore contactless.
Dopo aver completato il circuito, per garantire una corrispondenza precisa tra i gradi indicati sull'LCD (con risoluzione a tre cifre e fondo scala di 20 V) e la posizione reale del perno del sensore, ho realizzato una sagoma su di un cartoncino rigido. Ho riprodotto esattamente le dimensioni di un goniometro graduato da 0° a 360° con una risoluzione di un grado, sul centro del goniometro, un pomello con un indice può ruotare lungo la sua circonferenza. (foto n.2). In questo modo, ruotando la manopola e posizionando l'indice sui valori dei gradi riportati sul cartoncino, ho verificato che corrispondessero esattamente ai valori mostrati sul display LCD.
Dopo varie prove di rotazione in entrambe le direzioni e in diverse posizioni, ho constatato un'eccellente precisione, linearità e riproducibilità tra le letture sul display e la posizione reale del perno del sensore. Infine dopo questo test il potenziometro multigiri da 200 kOhm è stato fissato su di una basetta millefori e successivamente fissata all’interno del control box (foto n.3), mentre il sensore contactless andrà a sostituire il potenziometro a 10 giri - 10 kOhm posizionato sul rotore.
Intervento di sostituzione
Dopo aver smontato il rotore e posizionatolo sul banco di lavoro, il primo passo consiste nel rimuovere il potenziometro, svitando la vite a brugola esagonale che fissa il suo perno all’interno di un foro da 7 mm situato nella parte inferiore dell’albero di rotazione. Una volta rimosso, è necessario inserire in sostituzione, il giunto cardanico in alluminio, che permette di compensare eventuali disallineamenti tra il perno del sensore e l’albero di rotazione. Il giunto cardanico deve essere posizionato tra il sensore e l’albero di rotazione. (foto n.4).
Per ottenere una corretta calibrazione e una precisa indicazione della direzione, descrivo nel seguito una procedura hardware. Deciso che il fermo del rotore debba avvenire in corrispondenza del SUD, bisogna orientare la levetta che attiverà i due microswitch di fine corsa esattamente a 180°. Ho progettato il mio rotore in modo di poter avere una rotazione superiore a 360°, e cioè con un avanzamento ulteriore di 20° in entrambe le direzioni rispetto al SUD prima che i finecorsa interrompano l'alimentazione al rotore.
Prima di fissare il sensore nella sua sede, alimentiamolo e ruotiamo il suo perno fino a leggere 180° sul display LCD. A questo punto, il perno del sensore può essere fissato all’albero di rotazione del rotore. Il corpo del sensore, dotato di due alette laterali forate, deve essere bloccato sul supporto orientabile mediante due viti in acciaio inox da 3M (foto n.5).
Tale supporto permette di regolare l'angolazione del sensore, sia verso destra che verso sinistra, per ottenere una calibrazione precisa. Con l’albero di rotazione orientato a SUD, il display dovrebbe indicare esattamente 180°. Se la lettura non fosse corretta, sarà necessario ruotare leggermente, verso destra o sinistra, il corpo del sensore fino a ottenere il valore esatto.
Completata la taratura, fissiamo definitivamente il sensore al suo supporto, facendo attenzione a non modificarne l’angolazione. Una verifica finale è consigliata per garantire che sul display LCD venga indicata la corretta direzione e che vi sia una perfetta linearità lungo tutto l’arco di rotazione dell’albero del rotore.
Infine, è importante proteggere il sensore da infiltrazioni di acqua e condensa. Per questo motivo, ho realizzato una copertura in alluminio a forma di bicchiere che avvolge completamente la parte inferiore del rotore (foto n.6 e n.7). Il cavo tripolare collegato al sensore esce lateralmente dalla copertura. Sul fondo della copertura è stato praticato un piccolo foro per evitare la formazione di condensa al suo interno.
Conclusioni
Sono trascorsi diversi mesi dall’installazione del nuovo sensore e posso confermare che il sistema funziona in modo eccellente, dimostrando grande precisione e affidabilità. Le indicazioni sul display LCD risultano sempre molto accurate, senza fluttuazioni o imprecisioni. (foto n.8)
Per chiunque stia valutando di migliorare l’indicazione del proprio rotore, posso garantire che l’intervento di sostituzione del potenziometro con un sensore contactless richiede un impegno di tempo e risorse economiche piuttosto contenuto, ma offre risultati decisamente superiori in termini di prestazioni e durata.
Buon lavoro a chi deciderà di intraprendere questa modifica!
i4civ.onorio@gmail.com
Riferimenti:
(1) Radio
Rivista n.6/2024 pag 23
(2) Radio
Kit Elettronica n.10/2021 pag.10 prima parte
(3) Radio
Kit Elettronica n.11/2021 pag.9 seconda parte
(4) Radio
Kit Elettronica n.12/2021 pag.12 terza parte
(5) https://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_Hall
La presente descrizione è stata pubblicata su RadioKit
Elettronica del mese di febbraio 2025 a pag. 30
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