⚜️ 👨🏼‍🚀 🚿 Como montar você mesmo um levitron analógico 🤶 🤩 🎁

0. Prefácio

Eu li todos os tipos de Internet aqui e decidi construir meu próprio Levitron, sem nenhum disparate digital. Não antes de dizer que acabou. Espalhei as dores da criatividade em exibição pública.

1. Breve descrição

O Levitron é um dispositivo que mantém um objeto em equilíbrio com as forças da gravidade usando um campo magnético. Sabe-se há muito tempo que é impossível levitar um objeto usando campos magnéticos estáticos. Na física da escola, isso foi chamado de estado de equilíbrio instável, pelo que me lembro. No entanto, tendo gasto um pouco de desejo, conhecimento, esforço, dinheiro e tempo, é possível levitar um objeto dinamicamente usando eletrônicos como feedback.

Aconteceu o seguinte:

2. Circuito funcional

Sensores eletromagnéticos localizados nas extremidades da bobina emitem uma tensão proporcional ao nível de indução magnética. Na ausência de um campo magnético externo, essas tensões serão as mesmas, independentemente da magnitude da corrente da bobina.

Se houver um ímã permanente próximo ao sensor inferior, a unidade de controle gerará um sinal proporcional ao campo do ímã, o amplificará para o nível desejado e o transmitirá ao PWM para controlar a corrente através da bobina. Assim, o feedback surge e a bobina gera um campo magnético que manterá o ímã em equilíbrio com as forças da gravidade.

Algo obscuro, tudo acabou, vou tentar diferente:
- Não há ímã - a indução nas extremidades da bobina é a mesma - o sinal dos sensores é o mesmo - a unidade de controle gera um sinal mínimo - a bobina trabalha com potência máxima;
- Eles aproximaram o ímã - a indução é muito diferente - os sinais dos sensores são muito diferentes - a unidade de controle emite o sinal máximo - a bobina desliga completamente - ninguém segura o ímã e ele começa a cair;
- Beckons cai - se afasta da bobina - a diferença de sinal dos sensores diminui - a unidade de controle diminui o sinal de saída - a corrente através da bobina aumenta - a indução da bobina aumenta - o ímã começa a atrair;
- atrai atrai - se aproxima da bobina - a diferença nos sinais dos sensores aumenta - a unidade de controle aumenta o sinal de saída - a corrente através da bobina diminui - diminui a indução da bobina - o ímã começa a cair;
- Milagre - o ímã não cai e não é atraído - ou melhor, cai e é atraído milhares de vezes por segundo - ou seja, surge um equilíbrio dinâmico - o ímã simplesmente paira no ar.

3. Construção

O principal elemento estrutural é uma bobina eletromagnética (solenóide), que mantém um ímã permanente em seu campo.

78 metros de fio de cobre esmaltado com 0,6 mm de diâmetro são enrolados firmemente em uma armação de plástico D36x48, resultou cerca de 600 voltas. De acordo com os cálculos, com uma resistência de 4,8 Ohms e uma fonte de alimentação de 12V, a corrente será de 2,5A, potência de 30W. Isso é necessário para selecionar uma fonte de alimentação externa. (De fato, resultou em 6,0 Ohms, era improvável que eles cortassem mais fios, mas economizassem no diâmetro.) Um

núcleo de aço da dobradiça da porta com um diâmetro de 20 mm foi inserido dentro da bobina. Nas extremidades, com a ajuda do adesivo hot-melt, os sensores são fixos, os quais devem ser orientados na mesma direção.

A bobina com sensores é montada em um suporte de tira de alumínio, que, por sua vez, é fixado ao alojamento, dentro do qual existe uma placa de controle.

No caso, há um LED, um interruptor e uma tomada.

Uma fonte de alimentação externa (GA-1040U) é tomada com uma reserva de energia e fornece uma corrente de até 3,2A a 12V.

Como objeto levitante, é usado um ímã N35H D15x5 com uma lata de Coca-Cola colada. Devo dizer imediatamente que uma lata cheia não é adequada, então fazemos buracos nas extremidades com uma broca fina, drenamos uma bebida valiosa (você pode beber se não tiver medo de aparas) e cola um ímã no anel superior.

4. O regime básico

Os sinais dos sensores U1 e U2 são alimentados ao amplificador operacional OP1 / 4, incluído no circuito diferencial. O sensor superior U1 é conectado à entrada inversora, o U2 inferior ao não inversor, ou seja, os sinais são subtraídos e, na saída OP1 / 4, obtemos uma tensão proporcional apenas ao nível de indução magnética criada pelo nível de indução magnética criado pelo ímã permanente próximo ao sensor U2 inferior.

A combinação dos elementos C1, R6 e R7 é o destaque deste esquema e permite alcançar o efeito de estabilidade completa; o ímã ficará pendurado como uma bola. Como funciona? O componente constante do sinal passa pelo divisor R6R7 e atenua 11 vezes. O componente variável passa pelo filtro C1R7 sem atenuação. De onde vem o componente variável? A parte constante depende da posição do ímã perto do sensor inferior, a parte variável surge devido a oscilações do ímã em torno do ponto de equilíbrio, ou seja, de uma mudança de posição no tempo, ou seja, da velocidade. Estamos interessados no imã estacionário, ou seja, sua velocidade era 0. Portanto, no sinal de controle, temos dois componentes - a constante é responsável pela posição e a variável é responsável pela estabilidade dessa posição.
Além disso, o sinal preparado é amplificado por OP1 / 3. Usando um resistor variável P2, o ganho necessário é ajustado no estágio de ajuste para alcançar o equilíbrio, dependendo dos parâmetros específicos do ímã e da bobina.

Um comparador simples é montado no OP1 / 1, que desativa o PWM e, consequentemente, a bobina quando não há ímã por perto. Uma coisa muito conveniente, não remova a fonte de alimentação da tomada se você remover o ímã. O nível de resposta é definido por um resistor variável P1.

Em seguida, o sinal de controle é fornecido a um modulador de largura de pulso U3. A faixa de tensão de saída é de 12V, a frequência dos pulsos de saída é definida pelos valores C2, R10 e P3, e o ciclo de serviço depende do nível do sinal de entrada na entrada DTC.
O PWM controla a comutação do transistor de potência T1 e, por sua vez, controla a corrente através da bobina.

O LED1 não pode ser definido, mas o diodo SD1 é necessário para drenar a corrente excessiva e evitar sobretensão quando a bobina é desligada devido à auto-indução.

NL1 - esta é a nossa bobina caseira, dedicada a uma seção separada.

Como resultado, no modo de equilíbrio, a imagem será mais ou menos assim: 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 maior clareza, aplico os gráficos da característica de transferência, resposta de frequência e resposta de fase e oscilogramas na saída do PWM e da bobina.

5. Seleção de componentes

O dispositivo é montado a partir de componentes baratos e acessíveis. O fio de cobre WIK06N acabou por ser o mais caro; por 78 metros, o WIK06N pagou 1.200 rublos; tudo o que foi feito em conjunto custou muito mais barato. Geralmente, existe um amplo campo para experimentos, você pode ficar sem um núcleo, pode usar um fio mais fino. O principal a lembrar é que a indução ao longo do eixo da bobina depende do número de voltas, da corrente ao longo delas e da geometria da bobina.

Os sensores Hall analógicos SS496A com características lineares de até 840Gs são usados como sensores de campo magnético U1 e U2, este é o caso do nosso caso. Ao usar analógicos com uma sensibilidade diferente, você precisa ajustar o ganho em OP1 / 3, bem como verificar o nível máximo de indução nas extremidades da sua bobina (no nosso caso, com um núcleo que atinge 500 G), para que os sensores não entrem em saturação na carga de pico.

OP1 é um amplificador operacional quad LM324N. Quando a bobina está desligada, produz 20mV em vez de zero na 14ª saída, mas isso é bastante aceitável. O principal é não esquecer de escolher entre os resistores de 100K mais próximos do valor nominal real para instalação como R1, R2, R3, R4.

As denominações C1, R6 e R7 foram escolhidas por tentativa e erro como a melhor opção para estabilizar ímãs de diferentes calibres (foram testados os ímãs N35H D27x8, D15x5 e D12x3). A relação R6 / R7 pode ser deixada como está e o valor C1 deve ser aumentado para 2-5 μF, em caso de problemas.

Ao usar ímãs muito pequenos, talvez você não tenha ganho suficiente; nesse caso, reduza a classificação R8 para 500 Ohm.

D1 e D2 são diodos retificadores comuns 1N4001, aqui qualquer ajuste.

Como modulador de largura de pulso U3, é usado o chip TL494CN comum. A frequência de operação é definida pelos elementos C2, R10 e P3 (de acordo com o esquema de 20kHz). A faixa ideal é de 20 a 30 kHz, com uma frequência mais baixa, um apito de bobina aparece. Em vez de R10 e P3, você pode simplesmente colocar um resistor de 5.6K.

T1 é um transistor de efeito de campo IRFZ44N, caberá a qualquer outro da mesma série. Ao escolher outros transistores, pode ser necessário instalar um radiador, focar nos valores mínimos da resistência do canal e da carga do portão.
SD1 é um diodo Schottky VS-25CTQ045, aqui eu peguei com uma grande margem, um diodo regular de alta velocidade servirá, mas provavelmente ficará muito quente.

O LED1 é o LED amarelo L-63YT. Aqui, como eles dizem, para provar e colorir, você pode configurá-los cada vez mais para que tudo brilhe com luzes multicoloridas.

O U4 é um regulador de tensão de 5V L78L05ACZ para alimentar sensores e um amplificador operacional. Ao usar uma fonte de alimentação externa com uma saída adicional de 5V, você pode ficar sem ela, mas é melhor deixar os capacitores.

6. Conclusão

Tudo acabou como planejado. O dispositivo funciona de forma estável o tempo todo, consome apenas 6W. Nem o diodo, nem a bobina, nem o transistor são aquecidos. Coloquei algumas fotos e o vídeo final:

7. Isenção de responsabilidade

Não sou engenheiro eletrônico ou escritor, apenas decidi compartilhar minha experiência. Talvez algo pareça óbvio demais para você, mas algo é muito complicado, mas esqueceu de mencionar alguma coisa. Não hesite em fazer sugestões construtivas, tanto para o texto quanto para melhorar o esquema, para que as pessoas possam repetir isso facilmente, se houver esse desejo.

Como montar você mesmo um levitron analógico