🤜 🤵🏼 🧥 Comment assembler un lévitron analogique vous-même 💜 👰🏼 🤛🏻

0. Avant-propos

J'ai lu toutes sortes d'Internet ici et j'ai décidé de construire mon propre Levitron, sans aucune bêtise numérique. À peine dit que c'était fait. J'ai répandu les affres de la créativité sur l'affichage public.

1. Brève description

Le Levitron est un appareil qui maintient un objet en équilibre avec les forces de gravité à l'aide d'un champ magnétique. On sait depuis longtemps qu'il est impossible de faire léviter un objet à l'aide de champs magnétiques statiques. En physique scolaire, cela a été appelé l'état d'équilibre instable, si je me souviens bien. Cependant, après avoir dépensé un peu de désir, de connaissances, d'efforts, d'argent et de temps, il est possible de faire léviter un objet dynamiquement en utilisant l'électronique comme rétroaction.

Il s'est avéré ceci:

2. Circuit fonctionnel

Les capteurs électromagnétiques situés aux extrémités de la bobine émettent une tension proportionnelle au niveau d'induction magnétique. En l'absence de champ magnétique externe, ces tensions seront les mêmes quelle que soit l'amplitude du courant de bobine.

S'il y a un aimant permanent près du capteur inférieur, l'unité de commande génère un signal proportionnel au champ magnétique, l'amplifie au niveau souhaité et le transmet au PWM pour contrôler le courant à travers la bobine. Ainsi, une rétroaction se produit et la bobine générera un tel champ magnétique qui maintiendra l'aimant en équilibre avec les forces de gravité.

Quelque chose d'abstrus, tout s'est avéré, je vais essayer différemment:
- Il n'y a pas d'aimant - l'induction aux extrémités de la bobine est la même - le signal des capteurs est le même - l'unité de commande donne un signal minimum - la bobine fonctionne à pleine puissance;
- Ils ont rapproché l'aimant - l'induction est très différente - les signaux des capteurs sont très différents - l'unité de contrôle donne le signal maximum - la bobine s'éteint complètement - personne ne tient l'aimant et il commence à tomber;
- Beckons baisse - s'éloigne de la bobine - la différence de signal des capteurs diminue - l'unité de commande diminue le signal de sortie - le courant à travers la bobine augmente - l'induction de la bobine augmente - l'aimant commence à attirer;
- attire attire - s'approche de la bobine - la différence des signaux des capteurs augmente - l'unité de commande augmente le signal de sortie - le courant à travers la bobine diminue - diminue l'induction de la bobine - l'aimant commence à tomber;
- Miracle - l'aimant ne tombe pas et n'est pas attiré - ou plutôt, il tombe et est attiré plusieurs milliers de fois par seconde - c'est-à-dire qu'un équilibre dynamique apparaît - l'aimant se bloque simplement dans l'air.

3. Construction

L'élément structurel principal est une bobine électromagnétique (solénoïde), qui contient un aimant permanent avec son champ.

78 mètres de fil de cuivre émaillé de 0,6 mm de diamètre sont enroulés solidement sur un cadre en plastique D36x48, il s'est avéré quelque 600 tours. Selon les calculs, avec une résistance de 4,8 Ohms et une alimentation 12V, le courant sera de 2,5A, puissance 30W. Cela est nécessaire pour sélectionner une alimentation externe. (En fait, il s'est avéré 6,0 Ohms, il était peu probable qu'ils coupent plus de fils, plutôt qu'ils économisent sur le diamètre.) Un

noyau en acier de la charnière de porte d'un diamètre de 20 mm a été inséré à l'intérieur de la bobine. À ses extrémités, à l'aide d'un adhésif thermofusible, des capteurs sont fixés, qui doivent être orientés dans la même direction.

La bobine avec capteurs est montée sur un support en bande d'aluminium, qui, à son tour, est fixé au boîtier, à l'intérieur duquel se trouve une carte de commande.

Sur le boîtier, il y a une LED, un interrupteur et une prise de courant.

Une unité d'alimentation externe (GA-1040U) est prise avec une réserve de puissance et fournit un courant allant jusqu'à 3,2 A à 12V.

Comme objet en lévitation, un aimant N35H D15x5 avec une boîte de Coca-Cola collée est utilisé. Je dois dire tout de suite qu'une boîte pleine ne convient pas, nous faisons donc des trous aux extrémités avec une perceuse fine, drainons une boisson précieuse (vous pouvez la boire si vous n'avez pas peur des copeaux) et collez un aimant sur l'anneau supérieur.

4. Le schéma de base

Les signaux des capteurs U1 et U2 sont envoyés à l'amplificateur opérationnel OP1 / 4, inclus dans le circuit différentiel. Le capteur supérieur U1 est connecté à l'entrée inverseuse, le capteur inférieur U2 à l'entrée non inverseuse, c'est-à-dire que les signaux sont soustraits, et à la sortie OP1 / 4, nous obtenons une tension proportionnelle uniquement au niveau d'induction magnétique créé par l'aimant permanent près du capteur inférieur U2.

La combinaison des éléments C1, R6 et R7 est le point culminant de ce schéma et vous permet d'obtenir l'effet d'une stabilité totale, l'aimant se suspendra comme une balle. Comment ça fonctionne? La composante constante du signal traverse le diviseur R6R7 et s'atténue 11 fois. La composante variable traverse le filtre C1R7 sans atténuation. D'où vient la composante variable? La partie constante dépend de la position de l'aimant à proximité du capteur inférieur, la partie variable résulte des oscillations de l'aimant autour du point d'équilibre, c'est-à-dire d'un changement de position dans le temps, c'est-à-dire de la vitesse. Nous aimons que l'aimant soit stationnaire, c'est-à-dire sa vitesse était de 0. Ainsi, dans le signal de commande, nous avons deux composantes - la constante est responsable de la position et la variable est responsable de la stabilité de cette position.
De plus, le signal préparé est amplifié par OP1 / 3. En utilisant une résistance variable P2, le gain nécessaire est réglé à l'étape de réglage pour atteindre l'équilibre, en fonction des paramètres spécifiques de l'aimant et de la bobine.

Un comparateur simple est monté sur OP1 / 1, ce qui désactive le PWM et, par conséquent, la bobine lorsqu'il n'y a pas d'aimant à proximité. Une chose très pratique, ne retirez pas l'alimentation de la prise si vous retirez l'aimant. Le niveau de réponse est fixé par une résistance variable P1.

Ensuite, le signal de commande est fourni à un modulateur de largeur d'impulsion U3. La plage de tension de sortie est de 12 V, la fréquence des impulsions de sortie est définie par les valeurs C2, R10 et P3, et le rapport cyclique dépend du niveau du signal d'entrée à l'entrée DTC.
Le PWM contrôle la commutation du transistor de puissance T1, et cela, à son tour, contrôle le courant à travers la bobine.

La LED1 ne peut pas être réglée, mais la diode SD1 est requise pour drainer l'excès de courant et éviter les surtensions lorsque la bobine est éteinte en raison de l'auto-induction.

NL1 - c'est notre bobine maison, qui est dédiée à une section séparée.

Par conséquent, en mode d'équilibre, l'image sera quelque chose comme ceci: 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 = 0,5A.

Pour plus de clarté, j'applique les graphiques de la caractéristique de transfert, la réponse en fréquence et la réponse de phase, et les oscillogrammes à la sortie du PWM et de la bobine.

5. Sélection des composants

L'appareil est assemblé à partir de composants peu coûteux et abordables. Le fil de cuivre WIK06N s'est avéré être le plus cher, pour 78 mètres WIK06N a payé 1200 roubles, tout le reste ensemble coûte beaucoup moins cher. Il y a généralement un large champ d'expériences, vous pouvez vous passer d'un noyau, vous pouvez prendre un fil plus fin. La principale chose à retenir est que l'induction le long de l'axe de la bobine dépend du nombre de spires, du courant le long de celles-ci et de la géométrie de la bobine.

Les capteurs analogiques à effet Hall SS496A avec des caractéristiques linéaires jusqu'à 840G sont utilisés comme capteurs de champ magnétique U1 et U2, c'est le cas pour notre cas. Lorsque vous utilisez des analogues avec une sensibilité différente, vous devez régler le gain à OP1 / 3, ainsi que vérifier le niveau d'induction maximal aux extrémités de votre bobine (dans notre cas avec un noyau, il atteint 500 G), afin que les capteurs n'entrent pas en saturation à la charge de pointe.

OP1 est un amplificateur opérationnel quadruple LM324N. Lorsque la bobine est éteinte, elle produit 20 mV au lieu de zéro à la 14e sortie, mais cela est tout à fait acceptable. L'essentiel est de ne pas oublier de choisir parmi le tas de résistances 100K les plus proches de la valeur nominale réelle pour l'installation comme R1, R2, R3, R4.

Les dénominations C1, R6 et R7 ont été sélectionnées par essais et erreurs comme l'option la plus optimale pour stabiliser les aimants de différents calibres (les aimants N35H D27x8, D15x5 et D12x3 ont été testés). Le rapport R6 / R7 peut être laissé tel quel et la valeur C1 doit être augmentée à 2-5 μF, en cas de problème.

Lorsque vous utilisez de très petits aimants, il se peut que vous n'ayez pas assez de gain, dans ce cas, coupez le R8 à 500 Ohm.

D1 et D2 sont des diodes de redressement ordinaires 1N4001, ici qui conviennent.

En tant que modulateur de largeur d'impulsion U3, la puce TL494CN commune est utilisée. La fréquence de fonctionnement est fixée par les éléments C2, R10 et P3 (selon le schéma 20 kHz). La plage optimale est de 20-30 kHz, avec une fréquence plus basse, un sifflement de bobine apparaît. Au lieu de R10 et P3, vous pouvez simplement mettre une résistance 5,6K.

T1 est un transistor à effet de champ IRFZ44N, il s'adaptera à tout autre de la même série. Lors du choix d'autres transistors, vous devrez peut-être installer un radiateur, vous concentrer sur les valeurs minimales de la résistance de canal et de la charge de la grille.
SD1 est une diode Schottky VS-25CTQ045, ici je l'ai saisie avec une grande marge, une diode à haute vitesse régulière fera l'affaire, mais elle deviendra probablement très chaude.

LED1 LED jaune L-63YT, ici, comme on dit, au goût et à la couleur, vous pouvez les régler de plus en plus pour que tout brille de lumières multicolores.

U4 est un régulateur de tension 5V L78L05ACZ pour alimenter des capteurs et un amplificateur opérationnel. Lorsque vous utilisez une alimentation externe avec une sortie 5V supplémentaire, vous pouvez vous en passer, mais il est préférable de laisser des condensateurs.

6. Conclusion

Tout s'est déroulé comme prévu. L'appareil fonctionne de manière stable 24h / 24, ne consomme que 6W. Ni la diode, ni la bobine, ni le transistor ne sont chauffés. J'ai mis quelques photos et la vidéo finale:

7. Avertissement

Je ne suis ni ingénieur électronique ni écrivain, j'ai juste décidé de partager mon expérience. Peut-être que quelque chose vous semble trop évident, mais quelque chose est trop compliqué, mais j'ai oublié de mentionner quelque chose du tout. N'hésitez pas à faire des suggestions constructives à la fois pour le texte et pour améliorer le schéma, afin que les gens puissent facilement répéter cela s'il y a un tel désir.

Comment assembler un lévitron analogique vous-même