👐🏼 👨🏼‍🚒 🗺️ Cara merakit levitron analog sendiri ⛄️ 🐧 🤾🏿

0. Kata Pengantar

Saya membaca semua jenis Internet di sini dan memutuskan untuk membangun Levitron saya sendiri, tanpa omong kosong digital. Tidak lebih cepat dikatakan daripada dilakukan. Saya menyebarkan kepedihan kreativitas pada tampilan publik.

1. Deskripsi singkat

Levitron adalah alat yang menjaga benda tetap seimbang dengan gaya gravitasi menggunakan medan magnet. Sudah lama diketahui bahwa tidak mungkin melayang objek menggunakan medan magnet statis. Dalam fisika sekolah, ini disebut keadaan keseimbangan tidak stabil, seingat saya. Namun, setelah menghabiskan sedikit keinginan, pengetahuan, usaha, uang dan waktu, dimungkinkan untuk melayang objek secara dinamis dengan menggunakan elektronik sebagai umpan balik.

Ternyata ini:

2. Sirkuit fungsional

Sensor elektromagnetik yang terletak di ujung koil memancarkan tegangan yang sebanding dengan tingkat induksi magnetik. Dengan tidak adanya medan magnet eksternal, tegangan ini akan sama terlepas dari besarnya arus kumparan.

Jika ada magnet permanen di dekat sensor bawah, unit kontrol akan menghasilkan sinyal yang sebanding dengan medan magnet, menguatkannya ke level yang diinginkan dan mengirimkannya ke PWM untuk mengontrol arus melalui koil. Dengan demikian, umpan balik muncul dan koil akan menghasilkan medan magnet yang akan menjaga magnet tetap seimbang dengan gaya gravitasi.

Sesuatu yang musykil, semuanya berubah, saya akan mencoba berbeda:
- Tidak ada magnet - induksi di ujung koil adalah sama - sinyal dari sensor sama - unit kontrol menghasilkan sinyal minimum - koil bekerja dengan daya penuh;
- Mereka menutup magnet - induksi sangat berbeda - sinyal dari sensor sangat berbeda - unit kontrol memberikan sinyal maksimum - koil mati sepenuhnya - tidak ada yang memegang magnet dan mulai jatuh;
- Beckon jatuh - bergerak menjauh dari koil - perbedaan sinyal dari sensor berkurang - unit kontrol menurunkan sinyal output - arus melalui koil meningkat - induksi kumparan meningkat - magnet mulai menarik;
- Menarik menarik - mendekati kumparan - perbedaan sinyal dari sensor meningkat - unit kontrol meningkatkan sinyal output - arus melalui kumparan berkurang - mengurangi induksi kumparan - magnet mulai turun;
- Keajaiban - magnet tidak jatuh dan tidak tertarik - atau lebih tepatnya, ia jatuh dan tertarik beberapa ribu kali per detik - yaitu, keseimbangan dinamis muncul - magnet hanya menggantung di udara.

3. Konstruksi

Elemen struktural utama adalah kumparan elektromagnetik (solenoid), yang memegang magnet permanen dengan bidangnya.

78 meter kawat tembaga berenamel berdiameter 0,6 mm dililit erat pada bingkai plastik D36x48, ternyata sekitar 600 putaran. Menurut perhitungan, dengan hambatan 4,8 Ohm dan catu daya 12V, arus akan menjadi 2.5A, daya 30W. Ini diperlukan untuk memilih catu daya eksternal. (Faktanya, ternyata 6,0 Ohm, tidak mungkin mereka memotong lebih banyak kabel, tetapi lebih menghemat diameternya.)

Inti baja dari engsel pintu dengan diameter 20 mm dimasukkan ke dalam koil. Pada akhirnya, dengan bantuan perekat lelehan panas, sensor dipasang, yang harus diarahkan ke arah yang sama.

Koil dengan sensor dipasang pada braket strip aluminium, yang, pada gilirannya, melekat pada rumahan, di dalamnya terdapat papan kontrol.

Pada kasing ada LED, sakelar dan soket daya.

Unit catu daya eksternal (GA-1040U) diambil dengan cadangan daya dan menyediakan arus hingga 3,2A pada 12V.

Sebagai objek melayang, magnet N35H D15x5 dengan kaleng Coca-Cola terpaku digunakan. Saya harus segera mengatakan bahwa kaleng penuh tidak cocok, jadi kami membuat lubang di ujungnya dengan bor tipis, tiriskan minuman yang berharga (Anda dapat meminumnya jika Anda tidak takut dengan serutan) dan menempelkan magnet ke cincin atas.

4. Skema dasar

Sinyal dari sensor U1 dan U2 dimasukkan ke penguat operasional OP1 / 4, termasuk dalam rangkaian diferensial. Sensor atas U1 terhubung ke input pembalik, yang lebih rendah U2 ke yang non-pembalik, yaitu, sinyal dikurangi, dan pada output OP1 / 4 kita memperoleh tegangan proporsional hanya ke tingkat induksi magnetik yang dibuat oleh magnet permanen yang dibuat oleh magnet permanen dekat sensor bawah U2.

Kombinasi elemen C1, R6 dan R7 adalah yang paling penting dari skema ini dan memungkinkan Anda untuk mencapai efek stabilitas lengkap, magnet akan menggantung seperti bola. Bagaimana itu bekerja? Komponen konstan sinyal melewati pembagi R6R7 dan melemahkan 11 kali. Komponen variabel melewati filter C1R7 tanpa atenuasi. Dari mana komponen variabel berasal? Bagian konstan tergantung pada posisi magnet dekat sensor yang lebih rendah, bagian variabel muncul karena osilasi magnet di sekitar titik kesetimbangan, mis. dari perubahan posisi dalam waktu, mis. dari kecepatan. Kami tertarik pada magnet yang tidak bergerak, mis. kecepatannya adalah 0. Dengan demikian, dalam sinyal kontrol kami memiliki dua komponen - konstanta bertanggung jawab untuk posisi, dan variabel bertanggung jawab untuk stabilitas posisi ini.
Selanjutnya, sinyal yang disiapkan diperkuat oleh OP1 / 3. Dengan menggunakan P2 resistor variabel, penguatan yang diperlukan diatur pada tahap penyetelan untuk mencapai keseimbangan, tergantung pada parameter spesifik magnet dan koil.

Sebuah pembanding sederhana dirakit pada OP1 / 1, yang menonaktifkan PWM dan, karenanya, koil ketika tidak ada magnet di dekatnya. Suatu hal yang sangat nyaman, jangan lepaskan catu daya dari stopkontak jika Anda melepas magnet. Tingkat respons diatur oleh resistor variabel P1.

Selanjutnya, sinyal kontrol dipasok ke modulator lebar-pulsa U3. Rentang tegangan output adalah 12V, frekuensi pulsa output diatur oleh nilai C2, R10 dan P3, dan siklus tugas tergantung pada tingkat sinyal input pada input DTC.
PWM mengontrol peralihan transistor daya T1, dan pada gilirannya, mengontrol arus melalui koil.

LED1 tidak dapat diatur, tetapi dioda SD1 diperlukan, untuk mengalirkan kelebihan arus dan menghindari kelebihan tegangan ketika koil dimatikan karena induksi sendiri.

NL1 - ini adalah koil buatan kami, yang didedikasikan untuk bagian terpisah.

Akibatnya, dalam mode kesetimbangan, gambar akan menjadi seperti ini: U1_OUT = 2.9V, U2_OUT = 3.6V, OP1 / 4_OUT = 0.7V, U3_IN = 1.8V, T1_OPEN = 25%, NL1_CURR = 0.5A.

Untuk kejelasan, saya menerapkan grafik dari karakteristik transfer, respon frekuensi dan respon fase, dan osilogram pada output PWM dan koil.

5. Pemilihan komponen

Perangkat ini dirakit dari komponen yang murah dan terjangkau. Kawat tembaga WIK06N ternyata menjadi yang paling mahal, untuk 78 meter, WIK06N membayar 1.200 rubel, semua yang diambil secara bersamaan harganya jauh lebih murah. Umumnya ada lapangan luas untuk eksperimen, Anda bisa melakukannya tanpa inti, Anda bisa mengambil kawat yang lebih tipis. Hal utama yang perlu diingat adalah bahwa induksi sepanjang sumbu kumparan tergantung pada jumlah putaran, arus di sepanjang mereka dan geometri kumparan.

Sensor Hall analog SS496A dengan karakteristik linier hingga 840Gs digunakan sebagai sensor medan magnet U1 dan U2, inilah kasus kami. Saat menggunakan analog dengan sensitivitas berbeda, Anda perlu menyesuaikan penguatan pada OP1 / 3, serta memeriksa level induksi maksimum di ujung koil Anda (dalam kasus kami dengan inti mencapai 500 G), sehingga sensor tidak masuk ke saturasi pada beban puncak.

OP1 adalah penguat operasional quad LM324N. Ketika koil mati, ia menghasilkan 20mV bukannya nol pada output ke-14, tetapi ini cukup dapat diterima. Hal utama adalah jangan lupa untuk memilih dari tumpukan resistor 100K yang paling dekat dengan nilai nominal aktual untuk instalasi seperti R1, R2, R3, R4.

Denominasi C1, R6 dan R7 dipilih secara coba-coba sebagai opsi paling optimal untuk menstabilkan magnet dari berbagai kaliber (magnet N35H D27x8, D15x5 dan D12x3 diuji). Rasio R6 / R7 dapat dibiarkan apa adanya, dan nilai C1 harus ditingkatkan menjadi 2-5 μF, jika terjadi masalah.

Saat menggunakan magnet yang sangat kecil, Anda mungkin tidak memiliki cukup gain, dalam hal ini, memotong peringkat R8 menjadi 500 Ohm.

D1 dan D2 adalah dioda penyearah biasa 1N4001, di sini cocok.

Sebagai modulator lebar-pulsa U3, chip TL494CN yang umum digunakan. Frekuensi operasi diatur oleh elemen C2, R10 dan P3 (sesuai dengan skema 20kHz). Kisaran optimal adalah 20-30 kHz, dengan frekuensi yang lebih rendah, peluit kumparan muncul. Alih-alih R10 dan P3, Anda cukup meletakkan resistor 5.6K.

T1 adalah transistor efek medan IRFZ44N, ini akan cocok dengan seri lain yang sama. Saat memilih transistor lain, Anda mungkin perlu memasang radiator, fokus pada nilai minimum hambatan saluran dan biaya gerbang.
SD1 adalah dioda Schottky VS-25CTQ045, di sini saya meraih dengan margin besar, dioda kecepatan tinggi biasa akan dilakukan, tetapi mungkin akan menjadi sangat panas.

LED1 LED kuning L-63YT, di sini, seperti yang mereka katakan, sesuai selera dan warna, Anda dapat mengaturnya lebih dan lebih sehingga semuanya menyala dengan lampu multi-warna.

U4 adalah regulator tegangan 5V L78L05ACZ untuk menyalakan sensor dan penguat operasional. Saat menggunakan catu daya eksternal dengan output 5V tambahan, Anda dapat melakukannya tanpanya, tetapi lebih baik meninggalkan kapasitor.

6. Kesimpulan

Semuanya berubah sesuai rencana. Perangkat bekerja secara stabil sepanjang waktu, hanya mengkonsumsi 6W. Baik dioda, kumparan, maupun transistor tidak dipanaskan. Saya menaruh beberapa foto dan video terakhir:

7. Penafian

Saya bukan insinyur elektronik atau penulis, saya hanya memutuskan untuk berbagi pengalaman. Mungkin sesuatu akan terlihat bagi Anda terlalu jelas, tetapi sesuatu yang terlalu rumit, tetapi lupa menyebutkan sesuatu sama sekali. Jangan ragu untuk membuat saran yang membangun baik untuk teks dan untuk memperbaiki skema, sehingga orang dapat dengan mudah mengulanginya jika ada keinginan seperti itu.

Cara merakit levitron analog sendiri