Магнітний левітатор

Allegro » UGN3503U

Цей одночасно кумедний та повчальний проект демонструє магнітну левітацію.

Магнітна левітація

Одного разу я побачив пристрій, у якому магніт ширяв у повітрі і, поставивши питання, як це зроблено, вирішив перевірити деякі теорії. Після багатьох спроб та помилок мені вдалося отримати те, що ви можете бачити на Малюнку 1.

Малюнок 1.Магнітна левітація у дії.

Основні елементи пристрою – котушка, що створює магнітне поле, та встановлений на її торцевій поверхні лінійний датчик Холла, необхідний виявлення поля постійного магніту. Під контролем цього датчика при наближенні постійного магніту струм котушки вимикається, магніт починає падати, віддаляючись від котушки, і котушка включається знову, ефективно утримуючи магніт підвішеним в повітрі.

Емальованим мідним дротом перерізом 0.45 мм я намотав невелику котушку (Малюнок 2). Її розміри та кількість витків не настільки важливі, як електричний опір, який має бути досить великим, щоб обмежити струм, що забирається від джерела живлення. Я прагнув не вийти за межі 0.5 А при напрузі живлення 5 В, для чого опір мав перебувати в діапазоні від 10 до 15 Ом (5/0.5 А = 10 Ом).

Малюнок 2.	Електромагнітна котушка.

Однак, оскільки схема тепер доопрацьована таким чином, щоб без магніту струм котушки вимикався, її опір можна знизити, але до значення не менше 5 Ом.

Оскільки власної потужності котушки недостатньо, її потрібно доповнити металевою пластиною. Я вирізав сталевий дисктовщиною 5 мм з діаметром, що дорівнює зовнішньому діаметру котушки, хоча діаметр може бути і трохи менше (Малюнок 3).

Малюнок 3.	До нижньої частини котушки має бути прикріплена металева пластина.

Магніт левітує у вузькому інтервалі відстаней, у якому сам не здатний примагнітитися до пластини, і потребує невеликої допомоги поля котушки, що підтримує його у «підвішеному» стані.

До металевого диска кріпиться датчик Холла, плоска сторона якого має бути звернена у бік котушки (Малюнки 4, 5).

Малюнок 4.	Ця сторона датчика повинна бути звернена до котушки.

Малюнок 5.	Ця сторона датчика повинна «дивитися» на магніт.

Для зручності я встановив датчик у пластиковий диск (малюнок 6), який вирізав з акрилового листа, але можна обійтися і просто клеєм або двостороннім скотчем.

Малюнок 6.	Датчик встановлений закругленими гранями у бік магніту.

Дуже важливо встановити датчик по центру котушки та її металевого сердечника.

Спочатку я намагався зчитувати сигнал датчика Холла і керувати котушкою через транзистор за допомогою системи PICAXE, що випускається фірмою Revolution Education на основі мікроконтролера PIC, але PICAXE виявилася надто повільною. Тоді я вирішив скористатися операційним підсилювачем LM358, і це дало бажаний результат.

Конструкція вийшла дуже простою. Я виявив, що коли магніт левітує, схема залежно від ваги об'єкта споживає всього 50...150 мА. Але якщо магніт прибрати, керуючий транзисторповністю відкривається, середній струм збільшується, і стабілізатор 5 починає перегріватися.

Тому схема була перероблена (Малюнок 7). Щоб відключати котушку за відсутності магніту, я використав другий операційний підсилювач мікросхеми LM358.

Малюнок 7.	Принципова схема пристрою.

Вся схема, включаючи котушку, живиться напругою 5, стабілізованим мікросхемою LM7805, максимальний струм якої не повинен перевищувати 0.5 А.

Без зовнішнього поля вихідна напруга лінійного датчика Холла UGN3503U дорівнює приблизно половині напруги живлення 5 В. Якщо до датчика піднести магніт, вихідна напруга збільшується або зменшується, залежно від того, яким полюсом магніт спрямований до датчика (північним або південним). У цій схемі при наближенні магніта напруга має підвищуватися, тому підносити магніт до датчика потрібно південним полюсом.

Вихід датчика підключений до входу, що інвертує, першого операційного підсилювача (ОУ1), на неінвертуючий вхід якого подається напруга з дільника напруги R1/R2. Підстроювальний резистор R2 використовується для врівноваження в точці левітації різних за розмірами та вагою магнітів та об'єктів.

Вихід ОУ1 через резистор 1 ком з'єднаний з базою транзистора BD681, керуючого включенням котушки. Тут підійде практично будь-який транзистор NPN або MOSFET з допустимим струмом не менше 1 А.

Другий операційний підсилювач мікросхеми (ОУ2) використовується для стеження частотою перемикання транзистора Q1. Для цього вихідна напруга ОУ1 ефективно згладжена RC-фільтром R9/С4 (100 кОм/1 мкФ), подається на неінвертуючий вхід ОУ2.

На інвертуючий вхід ОУ2 надходить напруга з дільника R7/R8, одне плече якоговключений підстроювальний резистор. Поки струм котушки, керований виходом ОУ1, пульсує, прагнучи утримувати магніт у підвішеному стані, аналогова напруга на вході, що не інвертує, ОУ2 нижче встановленого дільником на вході, що інвертує. Але якщо прибрати магніт, напруга на цьому вході збільшиться, оскільки ОУ1 намагатиметься повернути магніт на місце, безперервно відкриваючи транзистор управління струмом котушки, коливання припиняться, і вихідна напруга ОУ1 стане постійно високою. В результаті напруга на вході, що не інвертує, ОУ2 перевищить напруга на інвертуючому, і рівень вихідного сигналу переключиться на високий. До виходу ОУ2 через резистор 5.1 ком підключена база NPN транзистора BC337, колектор якого з'єднаний з базою транзистора BD681, керуючого струмом котушки. Шунтуючи базовий резистор 1 ком (R3) на землю, Q2 відключає котушку.

Другий транзистор BC337 (Q3), також підключений до виходу ОУ2, керує світлодіодами, закорочуючи на землю струмообмежувальний резистор R12, коли їх треба погасити.

Встановлення точки відключення котушки легко виконується обертанням движка резистора підлаштування R8 до положення, в якому світлодіоди згаснуть. Якщо внести магніт в зону чутливості датчика, світлодіоди запаляться знову, струм котушки почне пульсувати, і далі залишиться за допомогою підстроювального резистора R2 знайти точку рівноваги магніту.

Тепер, після того, як усі помилки схеми були усунені, маючи кілька простих компонентів, її дуже легко повторити.

Малюнок 8.	Вигляд друкованої плати з боку елементів.

Конструкція друкованої плати представлена ​​на рис.штирі для підключення приладів. При повторенні схеми їх можна встановлювати.

Малюнок 9.	Малюнок друкованої плати з сторони провідників.

Кілька порад та зауважень

Виводи котушки мають бути підключені так, щоб створювати магнітне поле потрібного напрямку. Перевірити правильність їхнього приєднання дуже просто: якщо схема не працює, поміняйте місцями дроти.

Розміри магніту не надто важливі, але він має бути досить сильним. Добре підійде рідкісноземельний магніт, наприклад, неодимовий.

Щоб уникнути перегріву стабілізатора напруги, обов'язково встановіть його на радіатор. Виберіть джерело живлення з напругою 7 … 12 В, оскільки чим вище вхідна напруга, тим більше стабілізатор напруги 5 В нагрівається.

Максимально допустима вхідна напруга датчика Холла дорівнює 6, тому для живлення схеми обрано напруга 5 В.

Якщо ваш магніт сильно вібрує, або взагалі не хоче левітувати, це може бути спричинене кількома причинами, головною з яких є недостатня товщина металевої пластини на котушці. Спробуйте додати ще кілька шайб. Можливо також, що датчик Холла зміщений щодо центру котушки, або зазор, встановлений між котушкою і магнітом, занадто малий, і магніт потрібно трохи опустити регулюванням підстроювального резистора R2. (Це дуже тонке налаштування). А може, котушка перекошена і встановлена ​​не вертикально.

Додавання миготливих RGB світлодіодів зверху та знизу магніту створить приємний ефект, якщо ви змусите левітувати будь-який блискучий об'єкт, такий, наприклад, як кулька з алюмінієвої фольги (Малюнки 10 та 11). Оскільки верхній світлодіод знаходиться ближче до об'єкта,бажано розширити кут його випромінювання, спилявши лінзу напилком.

Малюнок 10.	Встановлення миготливих кольорових світлодіодів створить приємний ефект.

Малюнок 11.	Цікавим левітуючим об'єктом може стати стати невеликий пропелер з магнітом, прикріпленим у його центрі.

Зовсім інший ефект можна отримати, виготовивши невеликий пропелер із прикріпленим у його центрі магнітом. Я вирізав його з банки від Кока-Коли. Потім помістіть під пропелером плоску свічку-таблетку або ароматичний масляний пальник, і потік теплого повітря, що піднімається, змусить левітуючий пропелер обертатися. Для обертання пропелера потрібна зовсім невелика різниця температур, і якщо повітря в приміщенні холодне, буде достатньо тепла, що виділяється котушкою. Звичайно, якщо повітря тепле, це працювати не буде.

У пристрої можна використовувати котушку від непотрібного соленоїда, але попередньо необхідно переконатися в тому, що струм, що споживається нею, не перевантажить схему, оскільки багато соленоїдів дуже ненажерливі.

---