⚡️ 👨🏼‍💼 🐠 Cómo ensamblar un levitrón analógico usted mismo 🧚🏼 🏫 📜

0. Prólogo

Leí todo tipo de Internet aquí y decidí construir mi propio Levitron, sin ninguna tontería digital. Dicho y hecho. Difundí los dolores de la creatividad en exhibición pública.

1. Breve descripción

Levitron es un dispositivo que mantiene un objeto en equilibrio con las fuerzas de gravedad utilizando un campo magnético. Hace tiempo que se sabe que es imposible levitar un objeto utilizando campos magnéticos estáticos. En física escolar, esto se llama el estado de equilibrio inestable, según recuerdo. Sin embargo, después de haber gastado un poco de deseo, conocimiento, esfuerzo, dinero y tiempo, es posible levitar un objeto dinámicamente utilizando la electrónica como retroalimentación.

Resultó esto:

2. circuito funcional

Los sensores electromagnéticos ubicados en los extremos de la bobina emiten un voltaje proporcional al nivel de inducción magnética. En ausencia de un campo magnético externo, estos voltajes serán los mismos independientemente de la magnitud de la corriente de la bobina.

Si hay un imán permanente cerca del sensor inferior, la unidad de control generará una señal proporcional al campo magnético, la amplificará al nivel deseado y la transmitirá al PWM para controlar la corriente a través de la bobina. Por lo tanto, surge la retroalimentación y la bobina generará un campo magnético que mantendrá el imán en equilibrio con las fuerzas de gravedad.

Algo abstruso, todo resultó, lo intentaré de manera diferente:
- No hay imán - la inducción en los extremos de la bobina es la misma - la señal de los sensores es la misma - la unidad de control genera una señal mínima - la bobina funciona a plena potencia;
- Acercaron el imán - la inducción es muy diferente - las señales de los sensores son muy diferentes - la unidad de control da la señal máxima - la bobina se apaga por completo - nadie sostiene el imán y comienza a caer;
- Beckons cae - se aleja de la bobina - la diferencia de señal de los sensores disminuye - la unidad de control disminuye la señal de salida - la corriente a través de la bobina aumenta - la inducción de la bobina aumenta - el imán comienza a atraer;
- atrae atrae - se acerca a la bobina - la diferencia en las señales de los sensores aumenta - la unidad de control aumenta la señal de salida - la corriente a través de la bobina disminuye - disminuye la inducción de la bobina - el imán comienza a caer;
- Milagro: el imán no cae y no es atraído, o más bien, cae y es atraído varios miles de veces por segundo, es decir, surge un equilibrio dinámico: el imán simplemente cuelga en el aire.

3. construcción

El elemento estructural principal es una bobina electromagnética (solenoide), que sostiene un imán permanente con su campo.

78 metros de alambre de cobre esmaltado de 0.6 mm de diámetro están firmemente enrollados en un marco de plástico D36x48, resultó unas 600 vueltas. Según los cálculos, con una resistencia de 4.8 Ohms y una fuente de alimentación de 12V, la corriente será de 2.5A, 30W de potencia. Esto es necesario para seleccionar una fuente de alimentación externa. (De hecho, resultó 6.0 Ohms, era poco probable que cortaran más cables, más bien ahorraron en el diámetro). Se

insertó un núcleo de acero de la bisagra de la puerta con un diámetro de 20 mm dentro de la bobina. En sus extremos, con la ayuda del adhesivo termofusible, se fijan los sensores, que deben orientarse en la misma dirección.

La bobina con sensores está montada en un soporte de tira de aluminio, que, a su vez, está unido a la carcasa, dentro de la cual hay un tablero de control.

En el caso hay un LED, un interruptor y una toma de corriente.

Se toma una unidad de fuente de alimentación externa (GA-1040U) con una reserva de energía y proporciona una corriente de hasta 3.2A a 12V.

Como objeto levitante, se utiliza un imán N35H D15x5 con una lata de Coca-Cola pegada. Debo decir de inmediato que una lata llena no es adecuada, por lo que hacemos agujeros en los extremos con un taladro delgado, drenamos una bebida valiosa (puedes beberla si no tienes miedo a las virutas) y pegamos un imán en el anillo superior.

4. El esquema básico

Las señales de los sensores U1 y U2 se envían al amplificador operacional OP1 / 4, incluido en el circuito diferencial. El sensor superior U1 está conectado a la entrada inversora, el U2 inferior al no inversor, es decir, las señales se restan, y en la salida OP1 / 4 obtenemos un voltaje proporcional solo al nivel de inducción magnética creada por el imán permanente cerca del sensor inferior U2.

La combinación de los elementos C1, R6 y R7 es lo más destacado de este esquema y le permite lograr el efecto de una estabilidad completa, el imán colgará como una pelota. ¿Cómo funciona? El componente constante de la señal pasa a través del divisor R6R7 y se atenúa 11 veces. El componente variable pasa a través del filtro C1R7 sin atenuación. ¿De dónde viene el componente variable? La parte constante depende de la posición del imán cerca del sensor inferior, la parte variable surge debido a las oscilaciones del imán alrededor del punto de equilibrio, es decir. de un cambio de posición en el tiempo, es decir de la velocidad Estamos interesados en que el imán sea estacionario, es decir su velocidad era 0. Por lo tanto, en la señal de control tenemos dos componentes: la constante es responsable de la posición y la variable es responsable de la estabilidad de esta posición.
Además, la señal preparada es amplificada por OP1 / 3. Usando una resistencia variable P2, la ganancia necesaria se establece en la etapa de sintonización para lograr el equilibrio, dependiendo de los parámetros específicos del imán y la bobina.

Se monta un comparador simple en OP1 / 1, que desactiva el PWM y, en consecuencia, la bobina cuando no hay un imán cerca. Una cosa muy conveniente, no retire la fuente de alimentación del tomacorriente si retira el imán. El nivel de respuesta se establece mediante una resistencia variable P1.

A continuación, la señal de control se suministra a un modulador de ancho de pulso U3. El rango de voltaje de salida es de 12 V, la frecuencia de los pulsos de salida se establece mediante los valores C2, R10 y P3, y el ciclo de trabajo depende del nivel de la señal de entrada en la entrada DTC.
El PWM controla la conmutación del transistor de potencia T1 y, a su vez, controla la corriente a través de la bobina.

El LED1 no se puede configurar, pero se requiere el diodo SD1 para drenar el exceso de corriente y evitar la sobretensión cuando la bobina se apaga debido a la autoinducción.

NL1: esta es nuestra bobina casera, que está dedicada a una sección separada.

Como resultado, en modo de equilibrio, la imagen será algo como esto: U1_OUT = 2.9V, U2_OUT = 3.6V, OP1 / 4_OUT = 0.7V, U3_IN = 1.8V, T1_OPEN = 25%, NL1_CURR = 0.5A.

Para mayor claridad, aplico los gráficos de la característica de transferencia, la respuesta de frecuencia y la respuesta de fase, y los oscilogramas a la salida del PWM y la bobina.

5. Selección de componentes

El dispositivo se ensambla a partir de componentes económicos y asequibles. El cable de cobre WIK06N resultó ser el más caro, por 78 metros WIK06N pagó 1200 rublos, todo lo demás en conjunto cuesta mucho más barato. En general, hay un amplio campo para los experimentos, puede prescindir de un núcleo, puede tomar un cable más delgado. Lo principal a recordar es que la inducción a lo largo del eje de la bobina depende del número de vueltas, la corriente a lo largo de ellas y la geometría de la bobina.

Los sensores Hall analógicos SS496A con características lineales de hasta 840G se utilizan como sensores de campo magnético U1 y U2, este es el caso de nuestro caso. Cuando use análogos con una sensibilidad diferente, debe ajustar la ganancia en OP1 / 3, así como verificar el nivel máximo de inducción en los extremos de su bobina (en nuestro caso con un núcleo que alcanza los 500 G), para que los sensores no entren en saturación en la carga máxima.

OP1 es un amplificador operacional cuádruple LM324N. Cuando la bobina está apagada, produce 20 mV en lugar de cero en la salida 14, pero esto es bastante aceptable. Lo principal es no olvidar elegir entre el montón de resistencias de 100K más cercanas al valor nominal real para la instalación como R1, R2, R3, R4.

Las denominaciones C1, R6 y R7 se seleccionaron por ensayo y error como la opción más óptima para estabilizar imanes de diferentes calibres (se probaron los imanes N35H D27x8, D15x5 y D12x3). La relación R6 / R7 se puede dejar como está, y el valor de C1 se debe aumentar a 2-5 μF, en caso de problemas.

Cuando use imanes muy pequeños, es posible que no tenga suficiente ganancia, en este caso, reduzca la clasificación R8 a 500 ohmios.

D1 y D2 son diodos rectificadores ordinarios 1N4001, aquí cualquier ajuste.

Como modulador de ancho de pulso U3, se usa el chip TL494CN común. La frecuencia de operación se establece mediante los elementos C2, R10 y P3 (según el esquema de 20 kHz). El rango óptimo es de 20-30 kHz, con una frecuencia más baja, aparece un silbato de bobina. En lugar de R10 y P3, simplemente puede colocar una resistencia de 5.6K.

T1 es un transistor de efecto de campo IRFZ44N, se ajustará a cualquier otro de la misma serie. Al elegir otros transistores, es posible que deba instalar un radiador, centrarse en los valores mínimos de la resistencia del canal y la carga de la puerta.
SD1 es un diodo Schottky VS-25CTQ045, aquí lo agarré con un gran margen, un diodo de alta velocidad regular funcionará, pero probablemente se pondrá muy caliente.

LED1 es el LED amarillo L-63YT, aquí, como dicen, para saborear y colorear, puede configurarlos cada vez más para que todo brille con luces multicolores.

U4 es un regulador de voltaje de 5V L78L05ACZ para alimentar sensores y un amplificador operacional. Cuando use una fuente de alimentación externa con una salida adicional de 5V, puede prescindir de ella, pero es mejor dejar condensadores.

6. Conclusión

Todo salió según lo planeado. El dispositivo funciona de forma estable durante todo el día, consume solo 6W. Ni el diodo, ni la bobina, ni el transistor se calientan. Puse un par de fotos y el video final:

7. Descargo de responsabilidad

No soy ingeniero electrónico o escritor, simplemente decidí compartir mi experiencia. Tal vez algo te parece demasiado obvio, pero algo es demasiado complicado, pero olvidé mencionar algo. No dude en hacer sugerencias constructivas tanto para el texto como para mejorar el esquema, de modo que las personas puedan repetir esto fácilmente si existe tal deseo.

Cómo ensamblar un levitrón analógico usted mismo