В данной статье рассмотрим электронную начинку подобных устройств, принцип работы и метод настройки. До сих пор мне встречались описания готовых фабричных изделий, очень красивых, и весьма не дешевых. Во всяком случае, при беглом поиске цены начинаются от десяти тысяч рублей. Я предлагаю описание китайского набора для самостоятельной сборки за 1.5 тысячи.


Прежде всего, необходимо уточнить, о чем именно пойдет речь. Существует великое множество магнитных левитаторов, причем разнообразие конкретных реализаций поражает воображение. Такие варианты, когда постоянные магниты в силу особенностей конструкции расположены одноименными полюсами друг к другу, ныне никому не интересны, но есть варианты более хитрые. Например такой:


Принцип работы описан неоднократно, сказать коротко — там постоянный магнит висит в магнитном поле соленоида, напряженность которого зависит от сигнала датчика холла.
Противоположным полюсом магнит не переворачивается благодаря тому, что вмонтирован в муляж глобуса, заметно смещающий центр тяжести вниз. Электронная схема устройства очень проста, и почти не нуждается в настройке.

Встречаются варианты реализации подобных проектов на ардуино, но это из серии «зачем просто, когда можно сложно».

Данная статья посвящена другому варианту, где вместо подвеса используется подставка:


Вместо глобуса возможен цветочек, или что-то другое, как подскажет фантазия. Серийное производство таких игрушек налажено, но цены никого не радуют. На просторах али экспресс мне встретился такой вот набор деталей,


который представляет собой электронную начинку подставки. Цена вопроса — 1,5 тысячи рублей, если выбран «Seller`s metod».

По итогам общения с продавцом, удалось получить схему устройства, и инструкцию по настройке на китайском языке. Что меня особенно умилило, продавец предоставил ссылку на видео, где специалист все подробно рассказывает тоже по китайски. Между тем, собранная конструкция требует грамотной и кропотливой наладки, «с ходу» ее запустить не реально. Вот почему я решил обогатить рунет инструкцией на русском.

Итак, по порядку. Печатную плату делали в очень хорошем месте, как оказалось, она даже четырехслойная, что совершенно излишне. Качество исполнения на высоте и шелкографией все нарисовано толково и подробно. В первую очередь удобнее впаять датчики Холла, причем очень важно расположить их правильно. Фото крупным планом прилагается.



Чувствительная поверхность датчиков должна оказаться на половине высоты соленоидов.
Третий датчик, который изогнут буквой «Г» можно поднять чуть выше. Его положение, кстати, не особо критично — он служит для автоматического включения питания.

Я бы рекомендовал крепить соленоиды так, чтоб выводы от начала обмотки оказались сверху. Так они ровнее встанут, и риск замыкания меньше. Четыре соленоида образуют квадрат, необходимо попарно соединить диагонали. На моей плате одна диагональ была обозначена X1,Y1, а другая — X2,Y2.

Не факт, что вам попадется такая же. Важен принцип: берем диагональ, внутренние выводы катушек соединяем вместе, внешние — в схему. Магнитные поля, создаваемые каждой из пар катушек должны быть противоположными.

Четыре столбика постоянных магнитов необходимо крепить так, чтобы они все смотрели в одну сторону. Не важно, северным или южным полюсом, важно, чтоб не в разнобой.

После этого спокойно разбираемся с детальками и втыкаем их согласно шелкографии. Лужение и металлизация великолепные, паять такую плату — одно удовольствие.

Теперь настало время вникнуть в работу электронной схемы.

Немного отдельно расположен узел J3 — U5A — Q5. Элемент J3 — это тот датчик Холла, который выше всех и на загнутых ногах. Это не что иное, как автомат включения питания устройства. Датчик J3 определяет сам факт наличия поплавка над всей конструкцией. Поставили поплавок — питание включилось. Убрали — выключилось. Это очень логично, поскольку без поплавка работа схемы теряет смысл.

Если не подавать питание, поплавок намертво прилипает к одному из магнитных столбиков. Обращаю внимание: это правильно, так и должно быть. Поплавок должен быть повернут именно этой стороной. Отталкиваться он начинает лишь тогда, когда находится строго по центру конструкции. Но пока электроника не работает, он неизбежно сваливается на одну из вершин квадрата.

Регулятор устроен так: две симметричные половины, два дифференциальных усилителя, каждый получает сигнал от своего датчика Холла и управляет H — мостом, нагрузкой которому служит пара соленоидов.

Один из усилителей LM324, например, U1D — принимает сигнал датчика J1, два других — U1B и U1C служат драйверами H-моста, образованного транзисторами Q1, Q2, Q3, Q4. Пока поплавок находится в центре квадрата, усилитель U1D должен быть в балансе, и оба плеча H-моста закрыты. Едва поплавок смещается в сторону одного из соленоидов, изменяется сигнал с датчика J1, какая-то половинка H-моста открывается, и соленоиды индуцируют противоположные магнитные поля. Тот, который к поплавку ближе, должен его отталкивать. а который дальше — наоборот, притягивать. В результате поплавок уходит туда, откуда пришел. Если поплавок улетит обратно слишком сильно, будет открыто другое плечо H-моста, полярность питания пары соленоидов изменится, и поплавок опять пойдет к центру.

Вторая диагональ на транзисторах Q6, Q7, Q8, Q9 Работает точно так же. Разумеется, если напутать фазировку катушек или монтаж датчиков, все будет совсем не так, и устройство работать не будет.

Но кто вам мешает собрать все правильно?

Теперь, когда мы разобрались в электронной схеме, вопрос с настройкой прояснился.
Надо закрепить поплавок в центре, и установить движки потенциометров R10 и R22 таким образом, чтобы оба плеча обоих H-мостов были закрыты. Ну, скажем, «закрепить» — это я погорячился, наверное можно подержать поплавок руками, точнее, одной рукой, а второй рукой крутить поочередно два многооборотных резистора. Как выяснилось, эти резисторы неспроста многооборотные — буквально пол оборота на одном из них, и настройка слетает. Откуда растут мои руки — секрет, но на ощупь я не смог уловить изменений поведения поплавка в зависимости от положения движка потенциометра. Осмелюсь предположить, что разработчик испытывал такие же трудности, а потому предусмотрел на плате две такие перемычки.



Видите вверху слева и справа два джампера? Они разрывают цепь между парой соленоидов и H-мостом. Польза от них двоякая: убрав одну из перемычек, можно напрочь отключить одну из диагоналей, а включив вместо другой амперметр, можно видеть, в каком состоянии находится H-мост другой диагонали.

В качестве лирического отступления замечу, что если на обоих диагоналях H-мосты окажутся полностью открытыми — потребляемый ток может достигать трех ампер. В таких условиях транзистору Q5 будет очень непросто остаться в живых. К счастью, кратковременно он такую нагрузку выдерживает, но вам ведь надо крутить два многооборотных резистора, причем заранее неизвестно, куда.



Так что для предварительной настройки я настоятельно рекомендую возиться с каждой диагональю отдельно: вторую выключать джампером, чтобы Q5 не дымил.

Поскольку ток, проходящий через соленоиды может менять направление, китайцы имеют в хозяйстве такие амперметры, у которых стрелка стоит вертикально посредине шкалы. А потому им хорошо и комфортно: выдергивают джамперы, втыкают амперметры в разрывы, и спокойно крутят резисторы до тех пор, пока стрелки не уйдут в нули.

Мне пришлось одну перемычку оставлять открытой, а в разрыв другой включать старый советский тестер в режиме амперметра с пределом измерения на 10 ампер. Если ток оказывался обратным, тестер глухо зашкаливал влево, и я терпеливо крутил винтик, пока тестер не возвращался к нулю. Только так и удалось сделать предварительную настройку. Далее можно было включить обе диагонали, и подгонять регулировку, добиваясь максимальной устойчивости поплавка. Также можно контролировать общий ток, потребляемый устройством: чем он меньше. тем точней настройка.

По привычке, корпус левитрона я напечатал на 3D принтере. Получилось не настолько красиво, как в готовой игрушке за десять тысяч, но меня интересовал технический принцип, а не эстетика.