Левитирующие предметы всегда выглядят захватывающе, тем более если они ещё и светятся. О таком устройстве и пойдёт речь. Следуя этой инструкции, можно изготовить очень необычный ночник.
Основа устройства – электромагнит и аналоговый датчик холла, расположенный на нижней части сердечника электромагнита. Датчик холла обнаруживает поле постоянного магнита, удерживаемого в воздухе и через операционный усилитель, управляет током катушки электромагнита. При приближении магнита ток в электромагните падает, магнит начинает удаляться от датчика холла и ток начинает течь опять, снова притягивая магнит.
Устройство было бы совсем простым, так что в этом левитаторе организована передача энергии в левитирующую часть. Устройство питается от 12 В, источника питания хватит на 1-2 А. Удерживать в воздухе будем неодимовый магнит, к которому прикреплена полезная нагрузка (плата со светодиодами, вторичная катушка, корпус). В ходе экспериментов было установлено, что чем больше неодимовый магнит, тем меньше необходимо энергии от источника питания для его удержания, так что был выбран магнит 20 на 10 мм. С помощью такого магнита удалось удерживать в воздухе вес до 40 грамм (без учёта веса магнита).
Для начала необходимо изготовить электромагнит, в качестве сердечника которого использован болт 7 на 70 мм, в нижней части обязательно необходимо установить шайбу в идеале диаметром с саму катушку. Катушка намотана эмалированным проводом диаметром 0,35 мм, количество витков не имеет значения, главное набрать необходимое сопротивление 10-15 Ом (в моём случае 13 Ом). Катушку на первых слоях старался наматывать виток к витку, но потом всё пошло не по плану, и намотка велась «в навал», что не сказалось на качестве электромагнита. Под катушкой необходимо закрепить датчик холла точно по центру магнитопровода (в моём случае это центр шляпки болта). Датчик ставится плоской стороной в сторону катушки. Это можно сделать с помошью двустороннего скотча или термоклея (как в моём случае на этапе прототипирования).
Верхняя часть схемы отвечает за левитацию. Схема построена на одном операционном усилителе LM2904 (можно заменить на LM358, они полностью взаимозаменяемы). ОУ и датчик холла запитаны от 5 В, через LDO стабилизатор LP2981. ОУ (OP1.1) сравнивает напряжение с датчика холла с напряжением заданным делителем R1-R2-R3 и как только напряжение на выводе 2 превысит напряжение на выводе 3 (магнит удаляется от катушки) открывает через R5 составной транзистор Т1 (можно поставить практически любой транзистор на ток от 1 А), а при спаде напряжения от датчика холла (магнит достаточно приблизился к катушке), ОУ притягивает вывод 1 к земле и транзистор закрывается, прекращая ток в электромагните (магнит начинает удаляться от катушки). Левитация происходит за счёт постоянного колебания этого процесса.
Вторая часть ОУ (OP1.2) отвечает за отключение электромагнита и схемы передачи энергии при отсутствии удерживаемого в воздухе предмета. Пока неодимовый магнит удерживается в воздухе, на выходе OP1.1 создаются колебания, которые сглаживаются RC-фильтром R8-C3 и приходят на неинвертирующий вход OP1.2 и пока напряжение не превышает напряжение на инвертирующем входе (устанавливается делителем R6-R10) на выходе будет земля. Но как только магнит уберут, колебания прекратятся, транзистор T1 будет открыт на полную и напряжение на неинвертирующем входе возрастёт. ОУ откроет транзисторы T2 (шунтирует базу Т1 на землю) и T3 (отключает TL491) и схема перейдёт в режим ожидания практически не потребляя энергии. Диод D1 использовал SN4007. На транзистор T1 установлен радиатор, так как в ходе настройки он возможно будет греться, но на отлаженной схеме нагрева на нём не должно быть.
Если требуется собрать простой магнитный левитатор, то нижняя часть схемы не нужна, за исключением входного конденсатора C4. Для настройки необходимо заменить резистор R1 на 1 кОм, а резисторы R2 и R3 на многооборотный переменный резистор на 5 кОм. Резистор R9 выкрутить в положение, чтобы транзистор T1 открылся (на его базе должно быть напряжение). Затем поднести неодимовый магнит на 1-1,5 см к электромагниту и начать вращать переменный резистор R2-R3. В определённый момент рукой почувствуете вибрации в магните, значит успех уже близок! Можно пробовать отпускать магнит, резистором очень аккуратно изменяя расстояние левитирующего магнита от электромагнита. Если магнит отталкивается или левитация не начинается, то необходимо перевернуть магнит или подключить катушку электромагнита наоборот. После успешной настройки, можно измерить сопротивление подстроечного резистора и переделать делитель с двух резисторов на три, как в моём случае. Резистор R2 я вынес на корпус и всегда можно аккуратно настроить расстояние от левитирующей части до электромагнита. В процессе настройки магнит будет не редко примагничиваться к сердечнику катушки с большой силой, так что необходимо защитить датчик холла на сердечнике, например залить его термоклеем или прикрепить к магниту мягкую прослойку. В моём случае на 3-4 раз такого примагничивания датчик холла раскололся на части от очередного удара.
Для передачи энергии в левитирующую часть использован простой Push-pull на TL494. Катушки L2, L3 по 23 витка эмалированным проводом 0,4 мм. Для удобства катушки я намотал на предварительный каркас и залил лаком, получилась бескаркасная катушка, которая при сборке опускается в корпус электромагнита.
Транзисторы T6, T7 выбраны для поверхностного монтажа, их можно заменить, например на IRFZ44n. Обвязка TL494 стандартная, конденсатор C6 и резисторы R22, R23 отвечают за частоту (в схеме указаны номиналы на частоту 100 кГц для управления двумя транзисторами, если не требуется менять частоту, то вместо R22 можно поставить перемычку), переменный резистор R20 отвечает за коэффициент заполнения. Им можно регулировать сколько энергии передастся в левитирующую часть. В моём случае коэффициент заполнения установлен максимальный, немного больше 0,4. Выводы 1 и 2 это выводы усилителя ошибки TL494, они использованы для прекращения генерации, когда под электромагнитом нечего удерживать. При открытии транзистора T3 напряжение на выводе 1 перевешивает напряжение на выводе 2 и генерация прекращается. Транзисторы T6, T7 поочерёдно открываются по цепочке R16-R13-D2 и R16-R21-D3, а закрываются через T4-R19 и T5-R24 соответственно. Диоды D2, D3 это диоды шоттки, которые оказались под рукой (маркировка 1M). На стоках транзисторов T6, T7 присутствуют выбросы напряжения, но так как транзисторы справляются, я не стал добавлять элементы для ограничения выбросов.
Плата магнитного левитатора и блок питания размещены в нижней части корпуса. На всякий случай в корпусе есть отверстия для охлаждения элементов, но в итоге ничего существенно не нагревается.
Левитирующий блок состоит из неодимого магнита, вторичной катушки и простенькой схемы со светодиодами.
Катушка L1 намотана эмалированным проводом 0,3 мм на 200 витков. Далее напряжение выпрямляется диодным мостом и через резистор поступает на три светодиода. Светятся они не сильно ярко, но для ночника самое то.
Если нижняя часть примагнитится к корпусу электромагнита ничего страшного не случится, электромагнит отключится, а схема передачи энергии продолжит работать, разве что светиться будет ярче.
В итоге получился необычный светильник, который вызывает удивление у окружающих, а также открывает простор для творчества в подвешиваемой части.
В следующей части статьи речь пойдёт о подвешиваемом светильнике, который переливается всеми цветами.
Комментарии (36)
Ivnika
17.08.2023 19:26+8В качестве развития идеи - добавить в "летающую" часть маленький аккумулятор чтобы можно было использовать как фонарик, взял, посветил в шкаф и назад повесил :)
Dr_Faksov
17.08.2023 19:26В шкаф лучше постоянный фонарик, на аккумуляторе, с датчиком движения и освещённости. Повесил такие во всех тёмных местах мебели несколько лет назад. Не нарадуюсь.
Didimus
17.08.2023 19:26И пропеллеры. Повисел, зарядился, а утром вместо будильника давай летать по комнате. Заряд иссяк - падает на лоб. Надо встать и успеть инициировать возврат на базу
REPISOT
17.08.2023 19:26Может это из-за качества фото, но мне кажется, форма и электромагнита, и левитатора — неудачная. Пропадает ощущение "левитации". Даже не сразу видно, что есть зазор.
Может, в верхнюю часть тоже надо было добавить подсветку… Или сделать левитатор в виде шара. И чтобы светился и вверх тоже...
Aspos
17.08.2023 19:26В форме делориана. И чтобы левитировал не под электромагнитом а над, чтобы при пропадании электричества мягко садился на площадку.
aumi13
17.08.2023 19:26культовая вещица получица. но видимо верхняя левитация несколько сложнее, поскольку магнитное поле должно образовывать удержывающую воронку
grey_rat
17.08.2023 19:26Вот если бы без электричества, да с комнатной температурой
wormball
17.08.2023 19:26Интересно, нельзя ли обойтись только одной катушкой? Вон даже на графике нарисовано, что ток там скачет, по идее можно эти колебания ловить.
Dr_Faksov
17.08.2023 19:26+1По идее- можно. Надо только количество витков катушки подобрать. И взять его потоньше. А то проводом с фото можно дуговую лампу питать:) И тут как раз мост и накопительный конденсатор могут понадобится.
А никого не смущает датчик Холла, лежащий на магните и улавливающий магнитный поток?
Alex_GESUE Автор
17.08.2023 19:26+1Основной поток от неодимового магнита исходит, он перебивает поток от электромагнита. Я больше переживал, что высокочастотная передача энергии будет мешать, но всё работает)
Dr_Faksov
17.08.2023 19:26+3Смотрю и думаю - зачем светодиодам диодный мост? Или вы 100 кГц видите?
И еще совет - уменьшите минимум на порядок в своём CAD параметр "Максимальное отклонение мозаики от реальной поверхности". У вас цилиндр на цилиндр будет похож, а не на отёсанное топором бревно.
le2
17.08.2023 19:26+2Мост, думаю что все же оправдан. Вероятно КПД будет выше. (здесь не тот случай, что ставим один диод и КПД тот же.)
А вот светодиоды так не подключают. Их следует подключать последовательно либо каждый через резистор. Но это подходит только очень далеко от паспортного максимума по току. Если нужно давать 80-90% от паспортного тока, то нужен источник тока. Потому что светодиоды очень плавают по параметрам в зависимости от температуры.Dr_Faksov
17.08.2023 19:26А вот светодиоды так не подключают.
Рискну предположить, что вы китайские фонарики не разбирали. Там они только так и подключены. Резисторы денег стоят.
le2
17.08.2023 19:26возможно вы путаете. Без резистора иногда подключают к мелкому шим-контроллеру с обратной связью по току. Либо в китайских фанариках все компенсируется большим эквивалентным сопротивлением мелких батареек-аккумуляторов.
wormball
17.08.2023 19:26зачем светодиодам диодный мост?
Я не настоящий сварщик, но где-то встречал (помнится, как раз в книжке про сварочные аппараты), что ежели снимать с катушки ток только в одном направлении, то сердечник насыщается и работает в неоптимальном режиме. А то, что светодиоды так работают в неоптимальном режиме — это к гадалке не ходи. К тому же хотя бы один обычный диод там надо будет поставить, ибо максимальное обратное напряжение у светодиода в районе 5 вольт, а это чревато пробоем.
У вас цилиндр на цилиндр будет похож, а не на отёсанное топором бревно.
Ну или можно экспортировать не в stl, а в step. По крайней мере prusa slicer его понимает.
Dr_Faksov
17.08.2023 19:26+1снимать с катушки ток только в одном направлении,
Кто мешает поставить светодиоды встречно - параллельно?
Параметр в CAD и за вид на экране отвечает.
STEP может помочь. Но не все прусой пользуются.
le2
17.08.2023 19:26"встречно - параллельно" это радиолюбительство, так нельзя - обратный ток на светодиоды недопустим. Лично я подобное применял в оснастках для производства, но не для продакшена.
Сам был однажды шокирован что мультиметр показывает полное напряжение на обычном диоде в обратной полярности. То есть в случае высокого выходного сопротивления (как у мультиметра) там будет все напряжение, что может быть неприемлимо для схемы. Особенно сильно протекают диоды Шоттки.
Dr_Faksov
17.08.2023 19:26+1Возможно я не правильно выразился. Имел ввиду что анод одного светодиода подключается к катоду другого светодиода и наоборот. В этой паре при любой полярности подключения один светодиод будет светится. Или оба при переменном напряжении. Что не правильно?
le2
17.08.2023 19:26пишу по-памяти, читал что обратный ток приводит к ускоренной деградации светодиодов. В даташитах обычно указывают про слишком малое обратное допустимое напряжение.
Светодиоды делают из разных химических соединений и возможно мое утверждение справедливо не для всех типов.
В случае возможного обратного напряжения светодиоды защищают обычным диодом, но не светодиодом.
SuperTEHb
17.08.2023 19:26+1Обратного тока там не будет сколь-нибудь заметного, потому что обратное напряжение на этом диоде будет равно прямому напряжению на его "партнёре", и это обратное напряжение (вольта 4, если не меньше) вполне безопасно для подавляющего большинства светодиодов.
strvv
17.08.2023 19:26+1что обратный ток приводит к ускоренной деградации — не встречал. а так — если 2 встречно-параллельно диода включить — у них будет обратное напряжение=прямому, и ниже 5 вольт обычного пробивного.
т.е. на красных диодах будет 1.4-1.8 вольт, зелёных 2-2.4 вольта, и 2.8-3.2 на уф и всех типа "белых".не видел, например https://portal.tpu.ru/SHARED/e/ELP/teaching/Tab1/2011_5_16(%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%20%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE.pdf — чтобы время жизни могло быть зависеть от обратного напряжения до пробоя.
MaxxONE
17.08.2023 19:26На секундочку, что вы имели в виду под полным напряжением на диоде в обратной полярности? На идеальном диоде при обратном включении и так высадится все питающее напряжение, т.к. в таком виде этот диод эквивалентен разрыву цепи.
AKudinov
17.08.2023 19:26Рискну предположить, что речь шла о схеме, где от обратной полярности защищаются, включая последовательно между источником питания и схемой диод. И, если поменять полярность источника питания, диод-то будет смещён в обратном направлении, но, при достаточно большом входном сопротивлении схемы, на ней появится-таки напряжение обратной полярности, т.к. через обратносмещённый диод всё-таки протекает ток утечки, хоть и небольшой.
le2
17.08.2023 19:26верно.
Ещё оказалось что ВАХ диода в большинстве книжек не верна. У диода около нуля излом (наберите поиск по картинке "ВАХ диода" в гугле). Практически это означает что при прямых околонулевых токах на диоде падение 0 вольт (а не 0,6 или 0,3 вольта).
Всё это становится иногда крайне важным, например при проектировании устройств с аккумуляторным питанием.
VBDUnit
Отличная штука, целое поле прям для экспериментов :)
Интересно насколько можно увеличить расстояние, если засунуть туда поисковый неодимовый магнит на 400 кг:) Понятно, что не на много, ибо поле ослабевает быстро + это просто опасно, если такой магнит улетит куда‑нибудь. Но с сильным магнитом расстояние больше, и тогда можно покрыть левитирующую часть оптопушистой пушистостью, смотрелось бы весьма годно. Особенно, если бы это был просто светящийся короткошерстный симметричный шар, но тут с центром тяжести нужно угадать. Ещё можно делать эту штуку умной, чтобы она уведомляла о каких‑нибудь событиях, типа сообщений, двигаясь как‑нибудь вверх‑вниз и меняя цвет, и даже поворачиваться, но здесь нужно будет усложнить конструкцию.