Аналоговый левитрон на ШИМ

Статья о том, как самому сделать левитрон.

Эту поделку меня вынудили собрать в универе :)

Делал я её в паре с одногруппником, задачей которого было сделать чумовой корпус, а с меня - электронную начинку.

Насколько всё классно получилось - судите сами, пишите комментарии, интересно будет почитать, обсудить.

IMG 20151222 013314

Не помню, как именно мы пришли именно к идее сделать левитрон, тема поделки была вольная. Конструкция вроде и простая, но глаз притягивает.

Вообще сам левитрон - устройство, которое поддерживает какой-либо предмет в среде, которая никак не соприкасается с какой-либо поверхностью, кроме как через воздух. В вакууме тоже будет работать.

В данном случае электроника заставляет парить магнит, а магнит уже можно приклеить к, например, банке из-под вкусного недорогого напитка :)

Если хорошенько поискать в интернете, то можно увидеть много разных вариантов электромагнитного левитрона, например:

Их можно условно разделить на подвесной и отталкивающий. Если в первом случае необходимо просто компенсировать силу тяжести, то во втором ещё и смещение в горизонтальной плоскости, так как согласно теореме Ирншоу "всякая равновесная конфигурация точечных зарядов неустойчива, если на них кроме кулоновских сил притяжения и отталкивания ничто не действует." - цитата из вики. 

Из этого вытекает, что подвесной левитрон проще в изготовлении и настройке, если таковая вообще необходима. Сильно заморачиваться не хотелось, поэтому для универа сделали подвесной левитрон, о котором здесь идёт речь, а отталкивающий уже делал для себя любимого :) О нём в другой статье будет написано. Чуть позднее удалю этот текст и дам тут ссылку на него. Работает великолепно, но минусы свои тоже имеет.

В свою очередь все подвесные левитроны можно так же условно разделить на цифровые и аналоговые по способу удержания предмета на одном расстоянии. А по типу датчиков их можно разделить на оптические, электромагнитные, звуковые и, наверное, всё.

Итого мы представили подвесной левитрон с цифровым регулированием высоты (ШИМ сигнал тут рулит) с электромагнитными датчиками Холла.

То есть сигнал о расстоянии магнита до левитрона мы получаем аналоговый, а корректируем силу воздействия на магнит уже цифровым способом. Hi-tech, однако.

Сама идея была позаимствована на сайте geektimes, а печатная плата была изготовлена уже персонально под наш набор деталей. Так же в исходном проекте были использованы трёхвыводные датчики SS49, но сроки были весьма сжатые, у нас они стоили мягко говоря неоправданно дорого ($4 за штуку против $6 за 10 штук в китае - ссылка для примера), поэтому мы использовали четырёхвыводные датчики Холла. Пришлось изменить схему и внести конструктивные дополнения в устройство. Так же для большей понтовости был добавлен блок светодиодов, которые плавно загораются при поднесении магнита, то есть когда левитрон начинает работать и плавно выключаются, когда магнит убирают. Всё это будет отражено на схеме.

Собственно, схема левитрона на четырёхвыводных датчиках:

Scheme levi redesigned

И схема левитрона на трёхвыводных датчиках и более простой подсветкой:

Simple levitron

Принцип действия довольно прост. Катушка, являющаяся электромагнитом при подаче питания притягивает магнит - предмет притягивается. Датчик, прикреплённый между магнитом и катушкой фиксирует увеличение магнитного потока, что означает приближение магнита. Электроника это отслеживает и отключает катушку от источника напряжения. Магнит начинает падать под действием силы тяжести. Датчик фиксирует уменьшение магнитного потока, что сразу же обнаруживается электроникой и на электромагнит подаётся напряжение, магнит притягивается - и так происходит очень часто - около 100 тысяч раз в секунду. Возникает динамическое равновесие. Человеческий глаз не успевает заметить этого. Частота генератора задаётся резистором и конденсатором на выводах 5 и 6 микросхемы TL494. 

Второй датчик на другой стороне электромагнита нужен для того, чтобы компенсировать магнитное поле, создаваемое самой катушкой. То есть, если бы не было этого второго датчика - при включении электромагнита система бы не могла отличить интенсивность магнитного поля неодимового магнита от магнитного поля, создаваемого самим электромагнитом.

Итак, мы имеем систему двух датчиков, сигнал с которых поступает на операционный усилитель в дифференциальном включении. Это значит, что на выходе операционного усилителя появляется лишь разность напряжений, получаемых с датчиков.

Для примера. На одном из датчиков на выходе напряжение 2,5 В, а на другом - 2,6 В. На выходе будет 0,1 В. Этот дифференциальный сигнал находится на выводе 14 микросхемы LM324 по схеме.

Далее этот сигнал поступает на два следующих операционных усилителя - OP1.1, OP 1.3, выходные сигналы которых через диодный вентиль идут на 4 вывод микросхемы TL494. Диодный вентиль на диодах D1, D2 пропускает только одно из напряжений - то, которое будет больше по номиналу. Вывод №4 ШИМ контроллера рулит следующим образом - чем выше напряжение на этом выводе - тем меньше скважность импульсов. Резистор R9 предназначен для того, чтобы в ситуации, когда на входах диодного вентиля напряжения меньше 0,6 В - вывод №4 был однозначно притянут к земле - при этом ШИМ будет выдавать максимально большую скважность.

Вернёмся к операционным усилителям OP1.1, OP 1.3. Первый служит для выключения ШИМ контроллера, пока магнит находится на достаточно большом расстоянии от датчика, чтобы катушка не работала на максимуме вхолостую.

С помощью OP 1.3 задаём коэффициент усиления дифференциального сигнала - по сути задаёт глубину обратной связи (ОС). Чем сильнее обратная связь - тем сильнее система будет реагировать на приближение магнита. Если глубина ОС не достаточна - магнит можно будет поднести вплотную, а прибор не начнёт снижать мощность, накачиваемую в электромагнит. А если глубина ОС будет слишком большая - то скважность начнёт падать до того, как сила притяжения магнита сможет его удерживать на этом расстоянии.

Переменный резистор P3 ставить не обязательно - он служит для настройки частоты генератора. 

OP1.2 является генератором напряжения 2,5 В, необходимый для четырёхвыводных датчиков. Для трёхвыводных датчиков типа SS49 он не нужен.

Забыл упомянуть о элементах C1, R6 и R7. Их фишка в том, что постоянный сигнал здесь урезается в 10 раз за счёт резисторов, а переменный за счёт конденсатора спокойно проходит дальше, тем самым достигается упор работы схемы на резкие изменения расстояния магнита до датчика.

Диод SD1 предназначен для гашения обратных выбросов в момент отключения напряжения на электромагните.

Узел на T2 позволяет плавно включать и выключать светодиодную линейку при появлении импульсов на электромагните. 

Перейдём к конструктивному исполнению.

Одним из ключевых моментов в левитроне является электромагнит. Мы делали каркас на основе какого-то строительного болта, на котором были вырезаны круглые бортики из фанеры. 

IMG 20151022 093234

 

Магнитный поток здесь зависит от нескольких ключевых факторов:

  • наличие сердечника;
  • геометрия катушки;
  • ток в катушке.

Если проще, то чем больше катушка и больший ток течёт в ней - тем сильнее она притягивает магнитные материалы.

В качестве обмотки использовали провод ПЭЛ 0,8 мм. Мотали на глаз, пока размеры катушки не показались внушительными. Получилось следующее:

IMG 20151105 165115

IMG 20151114 221447

 

Найти необходимый провод в наших краях может не получиться, однако вполне легко находится в интернет магазинах - провод 0,4 мм для намотки катушки.

Далее был отрезан болт, чтобы он не выступал за пределы бортика, чтобы было удобно крепить датчик.

IMG 20151114 221429

 

А пока моталась катушка была подготовлена и вытравлена плата. Делалась по технологии ЛУТ, рисунок платы был сделан в программе Sprint LayOut. 

PCB levi tokes

 

Травилась плата в остатках аммония персульфата, пустая банка которого была успешно применена далее в этом проекте :)

IMG 20151029 213051

 

Хочу отметить, что размещение деталей, а так же разводка дорожек подразумевают очень аккуратную пайку, так как легко наделать соединений там, где их быть не должно. Если таковых навыков нету - вполне дозволительно это сделать компонентами больших размеров на макетной плате, типо такой, а соединения выполнять с помощью проводов с обратной стороны.

По итогу плата получилась такая:

IMG 20151031 134649

 IMG 20151105 210105

 

Плата очень эргономично вписалась в габариты катушки и была прикреплена прямо на неё с помощью могучего термоклея, тем самым превращаясь в единый моноблок - подключил питание, настроил и система работает.

IMG 20151201 210315 

 

Но это всё было до того, как был готов электромагнит. Плата была сделана немного раньше и чтобы хоть как-то протестировать работоспособность устройства была временно подключена менее габаритная катушка. Первый результат порадовал.

IMG 20151101 213714

 IMG 20151101 214540

 

Датчики, как уже писалось выше, применены от систем слежения положения BLDC двигателей, четырёхвыводные. Так как не удалось найти на них документацию пришлось опытным путём выяснять, какие выводы за что отвечают. Форм-фактор получился такой:

IMG 20151031 141046

 

Тем временем подоспел крупногабаритный электромагнит. Эта штука вселяла большую надежду :)

IMG 20151101 214026

 

Первые испытания с большим электромагнитом показали довольно большое рабочее расстояние. Тут есть один нюанс - датчик, который расположен на стороне неодимового магнита должен быть немного дальше от катушки для уверенного срабатывания электроники.

IMG 20151105 170941

IMG 20151105 175239

 

Последнее фото больше напоминает некий космический спутник. Кстати, именно так и можно было бы оформить этот левитрон. И у тех, кто намерен повторить конструкцию - всё впереди :)

Неодимовые магниты были заказаны в Минске, разных форм и размеров. Опять же, из-за спешки. А так, у китайцев тоже можно легко найтираз, дватри.

 IMG 20151105 155410

 

В качестве левитирующего предмета было решено использовать банку прохладительного напитка. Лепим на двухсторонний скотч магнит к банке, проверяем.

IMG 20151126 014948

 

Работает прекрасно, в целом, устройство можно считать готовым. Осталось внешнее оформление. Из брусков и палок была сделана опорная балка, корпус нашего моноблока был выполнен из той самой пустой пластиковой банки из-под аммония персульфата. Из моноблока выходит всего два провода на питание, как и задумывалось. 

IMG 20151202 180452

 

К этому моменту уже была напаяна навесным монтажом схема плавного включения линейки светодиодов, сама линейка успешно примонтирована на вездесущий термоклей. 

В качестве блока питания выступает позаимствованный у какого-то принтера блок, переделанный с 42 В на 12 В.

Внешний вид блока питания тоже покажу, я не жадный :)

IMG 20151119 151827

 

Похожий по характеристикам блок питания в интернете.

Далее из фанеры была сделана подставка, в котором помещался блок питания и разъём для подключения 220 В. Наверху была наклеена матерчатая ткань для красоты, вся конструкция окрашена в жёлто-чёрный цвет. Банку поменяли, так как в ходе экспериментов она немного помялась.

IMG 20151217 175913

 IMG 20151217 182920

 IMG 20151217 190730

 IMG 20151217 190838

 IMG 20151217 191133

 

Из этого всего помимо эффекта левитации получился ещё очень даже замечательный ночник.

IMG 20151222 013001

 IMG 20151222 013235

 IMG 20151222 013314

 

Видео добавлю чуть позднее, а пока в довершение всему хочу сказать, что мою конструкцию легко повторил 13-летний учащийся моего радиокружка.

Пока ещё внешний вид до законченного варианта не доведён, но электронная начинка работает как положено. Фото его конструкции:

IMG 20170415 135041

 IMG 20170415 135112

 IMG 20170415 135120

 


Напоминаем, что нас можно найти также в группе Вконтакте, где на каждый вопрос обязательно будет дан ответ!

Добавить комментарий

Вы можете зарегистрироваться, чтобы не вводить символы с картинки.


Защитный код
Обновить