👁️ 🧙🏼 📓 So bauen Sie ein analoges Levitron selbst zusammen 💪🏼 🎗️ 🏳️‍🌈

0. Vorwort

Ich habe hier alle Arten von Internet gelesen und beschlossen, mein eigenes Levitron ohne digitalen Unsinn zu bauen. Gesagt, getan. Ich habe die Schmerzen der Kreativität in der Öffentlichkeit verbreitet.

1. Kurze Beschreibung

Levitron ist ein Gerät, das ein Objekt mithilfe eines Magnetfelds im Gleichgewicht mit den Schwerkraftkräften hält. Es ist seit langem bekannt, dass es unmöglich ist, ein Objekt mit statischen Magnetfeldern zu schweben. In der Schulphysik wurde dies, wie ich mich erinnere, als Zustand eines instabilen Gleichgewichts bezeichnet. Mit ein wenig Verlangen, Wissen, Mühe, Geld und Zeit ist es jedoch möglich, ein Objekt dynamisch zu schweben, indem Elektronik als Feedback verwendet wird.

Es stellte sich heraus, dass:

2. Funktionsschaltung

Elektromagnetische Sensoren an den Enden der Spule senden eine Spannung aus, die proportional zum Grad der magnetischen Induktion ist. Wenn kein externes Magnetfeld vorhanden ist, sind diese Spannungen unabhängig von der Größe des Spulenstroms gleich.

Befindet sich in der Nähe des unteren Sensors ein Permanentmagnet, erzeugt die Steuereinheit ein zum Magnetfeld proportionales Signal, verstärkt es auf den gewünschten Pegel und überträgt es an die PWM, um den Strom durch die Spule zu steuern. Somit entsteht eine Rückkopplung und die Spule erzeugt ein solches Magnetfeld, das den Magneten im Gleichgewicht mit den Schwerkraftkräften hält.

Etwas Abstruses, alles stellte sich heraus, ich werde es anders versuchen:
- Es gibt keinen Magneten - die Induktion an den Enden der Spule ist gleich - das Signal von den Sensoren ist das gleiche - die Steuereinheit gibt ein minimales Signal - die Spule arbeitet mit voller Leistung;
- Sie haben den Magneten nahe gebracht - die Induktion ist sehr unterschiedlich - die Signale von den Sensoren sind sehr unterschiedlich - die Steuereinheit gibt das maximale Signal - die Spule schaltet sich vollständig aus - niemand hält den Magneten und er beginnt zu fallen;
- Beckons fällt - bewegt sich von der Spule weg - die Differenz der Signale von den Sensoren nimmt ab - die Steuereinheit verringert das Ausgangssignal - der Strom durch die Spule nimmt zu - die Induktion der Spule nimmt zu - der Magnet beginnt sich anzuziehen;
- zieht an zieht an - nähert sich der Spule - die Differenz der Signale von den Sensoren nimmt zu - die Steuereinheit erhöht das Ausgangssignal - der Strom durch die Spule nimmt ab - verringert die Induktion der Spule - der Magnet beginnt zu fallen;
- Wunder - der Magnet fällt nicht und wird nicht angezogen - oder vielmehr fällt er und wird mehrere tausend Mal pro Sekunde angezogen - das heißt, es entsteht ein dynamisches Gleichgewicht - der Magnet hängt einfach in der Luft.

3. Aufbau

Das Hauptstrukturelement ist eine elektromagnetische Spule (Magnet), die mit ihrem Feld einen Permanentmagneten hält.

78 Meter emaillierter Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,6 mm sind fest auf einen Kunststoffrahmen D36x48 gewickelt, es stellte sich heraus, dass es sich um 600 Windungen handelte. Berechnungen zufolge beträgt der Strom bei einem Widerstand von 4,8 Ohm und einer 12-V-Stromversorgung 2,5 A, die Leistung 30 W. Dies ist erforderlich, um ein externes Netzteil auszuwählen. (Tatsächlich stellte sich heraus, dass 6,0 Ohm, es war unwahrscheinlich, dass sie mehr Drähte durchtrennten, sondern sie sparten den Durchmesser.) Ein

Stahlkern aus einem Türscharnier mit einem Durchmesser von 20 mm wurde in die Spule eingeführt. An seinen Enden werden mit Hilfe von Schmelzklebstoff Sensoren befestigt, die in die gleiche Richtung ausgerichtet sein müssen.

Die Spule mit Sensoren ist auf einer Aluminiumstreifenhalterung montiert, die wiederum am Gehäuse befestigt ist, in dem sich eine Steuerplatine befindet.

Auf dem Gehäuse befinden sich eine LED, ein Schalter und eine Steckdose.

Ein externes Netzteil (GA-1040U) wird mit einer Gangreserve versorgt und liefert einen Strom von bis zu 3,2 A bei 12 V.

Als schwebendes Objekt wird ein N35H-Magnet D15x5 mit einer geklebten Coca-Cola-Dose verwendet. Ich muss sofort sagen, dass eine volle Dose nicht geeignet ist, also bohren wir mit einem dünnen Bohrer Löcher an den Enden, lassen ein wertvolles Getränk ab (Sie können es trinken, wenn Sie keine Angst vor Spänen haben) und kleben einen Magneten auf den oberen Ring.

4. Das Grundschema

Die Signale von den Sensoren U1 und U2 werden dem Operationsverstärker OP1 / 4 zugeführt, der in der Differenzschaltung enthalten ist. Der obere Sensor U1 ist mit dem invertierenden Eingang verbunden, der untere U2 mit dem nichtinvertierenden, dh die Signale werden subtrahiert, und am Ausgang OP1 / 4 erhalten wir eine Spannung, die nur proportional zum Grad der magnetischen Induktion ist, die vom Permanentmagneten in der Nähe des unteren Sensors U2 erzeugt wird.

Die Kombination der Elemente C1, R6 und R7 ist das Highlight dieses Schemas und ermöglicht es Ihnen, den Effekt der vollständigen Stabilität zu erzielen. Der Magnet hängt wie eine Kugel. Wie es funktioniert? Die konstante Komponente des Signals passiert den Teiler R6R7 und wird 11-mal gedämpft. Die variable Komponente durchläuft den C1R7-Filter ohne Dämpfung. Woher kommt die variable Komponente? Der konstante Teil hängt von der Position des Magneten in der Nähe des unteren Sensors ab, der variable Teil entsteht aufgrund von Schwingungen des Magneten um den Gleichgewichtspunkt, d.h. von einer Änderung der Position in der Zeit, d.h. von der Geschwindigkeit. Wir sind daran interessiert, dass der Magnet stationär ist, d.h. seine Geschwindigkeit war 0. Somit haben wir im Steuersignal zwei Komponenten - die Konstante ist für die Position verantwortlich und die Variable ist für die Stabilität dieser Position verantwortlich.
Ferner wird das vorbereitete Signal durch OP1 / 3 verstärkt. Unter Verwendung eines variablen Widerstands P2 wird die notwendige Verstärkung in der Abstimmstufe eingestellt, um ein Gleichgewicht zu erreichen, abhängig von den spezifischen Parametern des Magneten und der Spule.

Am OP1 / 1 ist ein einfacher Komparator montiert, der die PWM und dementsprechend die Spule deaktiviert, wenn sich kein Magnet in der Nähe befindet. Entfernen Sie das Netzteil nicht aus der Steckdose, wenn Sie den Magneten entfernen. Der Antwortpegel wird durch einen variablen Widerstand P1 eingestellt.

Als nächstes wird das Steuersignal einem Impulsbreitenmodulator U3 zugeführt. Der Ausgangsspannungsbereich beträgt 12 V, die Frequenz der Ausgangsimpulse wird durch die Werte C2, R10 und P3 eingestellt und das Tastverhältnis hängt vom Pegel des Eingangssignals am DTC-Eingang ab.
Die PWM steuert das Schalten des Leistungstransistors T1 und steuert wiederum den Strom durch die Spule.

LED1 kann nicht gesetzt werden, aber die SD1-Diode ist erforderlich, um überschüssigen Strom abzuleiten und eine Überspannung zu vermeiden, wenn die Spule aufgrund von Selbstinduktion ausgeschaltet wird.

NL1 - Dies ist unsere hausgemachte Spule, die einem separaten Bereich gewidmet ist.

Im Gleichgewichtsmodus sieht das Bild ungefähr so aus: U1_OUT = 2,9 V, U2_OUT = 3,6 V, OP1 / 4_OUT = 0,7 V, U3_IN = 1,8 V, T1_OPEN = 25%, NL1_CURR = 0,5 A.

Zur Verdeutlichung wende ich die Diagramme der Übertragungscharakteristik, des Frequenzgangs und des Phasengangs sowie die Oszillogramme am Ausgang der PWM und der Spule an.

5. Auswahl der Komponenten

Das Gerät besteht aus kostengünstigen und kostengünstigen Komponenten. Der Kupferdraht WIK06N erwies sich als der teuerste: Für 78 Meter zahlte der WIK06N 1200 Rubel, alles andere zusammen kostete viel billiger. Es gibt im Allgemeinen ein weites Feld für Experimente, Sie können auf einen Kern verzichten, Sie können einen dünneren Draht nehmen. Das Wichtigste ist, dass die Induktion entlang der Spulenachse von der Anzahl der Windungen, dem Strom entlang der Spule und der Geometrie der Spule abhängt.

Die analogen Hallsensoren SS496A mit linearen Eigenschaften bis zu 840 G werden als Magnetfeldsensoren U1 und U2 verwendet. Dies ist in unserem Fall der Fall. Wenn Sie Analoga mit einer anderen Empfindlichkeit verwenden, müssen Sie die Verstärkung bei OP1 / 3 einstellen und den maximalen Induktionspegel an den Enden Ihrer Spule überprüfen (in unserem Fall mit einem Kern von 500 G), damit die Sensoren bei Spitzenlast nicht in die Sättigung eintreten.

OP1 ist ein Quad-Operationsverstärker LM324N. Wenn die Spule ausgeschaltet ist, werden am 14. Ausgang 20 mV anstelle von Null erzeugt, dies ist jedoch durchaus akzeptabel. Die Hauptsache ist, nicht zu vergessen, aus dem Haufen von 100K-Widerständen zu wählen, der dem tatsächlichen Nennwert für die Installation als R1, R2, R3, R4 am nächsten kommt.

Die Bezeichnungen C1, R6 und R7 wurden durch Versuch und Irrtum als die optimalste Option zur Stabilisierung von Magneten verschiedener Kaliber ausgewählt (N35H-Magnete D27x8, D15x5 und D12x3 wurden getestet). Das Verhältnis R6 / R7 kann unverändert bleiben, und der C1-Wert sollte bei Problemen auf 2-5 μF erhöht werden.

Wenn Sie sehr kleine Magnete verwenden, haben Sie möglicherweise nicht genügend Verstärkung. In diesem Fall verringern Sie die R8-Bewertung auf 500 Ohm.

D1 und D2 sind gewöhnliche Gleichrichterdioden 1N4001, hier jede Anpassung.

Als Impulsbreitenmodulator U3 wird der gemeinsame TL494CN-Chip verwendet. Die Betriebsfrequenz wird durch die Elemente C2, R10 und P3 eingestellt (gemäß dem 20-kHz-Schema). Der optimale Bereich liegt bei 20-30 kHz, bei einer niedrigeren Frequenz erscheint eine Spulenpfeife. Anstelle von R10 und P3 können Sie einfach einen 5,6K-Widerstand einsetzen.

T1 ist ein IRFZ44N-Feldeffekttransistor, der für jeden anderen der gleichen Serie geeignet ist. Bei der Auswahl anderer Transistoren müssen Sie möglicherweise einen Kühler installieren und sich auf die Mindestwerte für Kanalwiderstand und Gate-Ladung konzentrieren.
SD1 ist eine Schottky-Diode VS-25CTQ045, hier habe ich mit großem Rand gegriffen, eine normale Hochgeschwindigkeitsdiode reicht aus, aber es wird wahrscheinlich sehr heiß.

LED1 ist die gelbe LED L-63YT. Hier können Sie sie, wie es heißt, nach Geschmack und Farbe immer mehr so einstellen, dass alles mit mehrfarbigen Lichtern leuchtet.

U4 ist ein 5-V-Spannungsregler L78L05ACZ zur Stromversorgung von Sensoren und eines Operationsverstärkers. Wenn Sie ein externes Netzteil mit einem zusätzlichen 5-V-Ausgang verwenden, können Sie darauf verzichten. Es ist jedoch besser, Kondensatoren zu belassen.

6. Fazit

Alles verlief wie geplant. Das Gerät arbeitet rund um die Uhr stabil und verbraucht nur 6W. Weder die Diode noch die Spule noch der Transistor werden erwärmt. Ich habe ein paar Fotos und das letzte Video eingefügt:

7. Haftungsausschluss

Ich bin kein Elektronikingenieur oder Schriftsteller, ich habe nur beschlossen, meine Erfahrungen zu teilen. Vielleicht scheint Ihnen etwas zu offensichtlich, aber etwas ist zu kompliziert, aber Sie haben vergessen, überhaupt etwas zu erwähnen. Zögern Sie nicht, konstruktive Vorschläge sowohl für den Text als auch für die Verbesserung des Schemas zu machen, damit die Leute dies leicht wiederholen können, wenn es einen solchen Wunsch gibt.

So bauen Sie ein analoges Levitron selbst zusammen