Антигравитрон (левитрон)

Антигравитрон (левитрон)

Автор: crocodil, crocodil@mail.ua
Опубликовано 15.01.2014
Создано при помощи КотоРед.

Левитация – одно из воплощений человеческой мечты о полете.

Созерцание парящего кристалла – хороший способ релаксации и пополнения пси-энергии.

Кристаллом мною назван левитирующий неодимовый магнит – он обклеен природными кристаллами пирита и халькопирита и имеет сходство с цельным кристаллом.

Согласно теореме Ирншоу, являющейся следствием закона Гаусса, левитация статических объектов в статическом электромагнитном поле невозможна. Теорема применима не только к точечным зарядам, но и к протяженным упругим телам и говорит, что их свободный подвес в электростатическом, магнитостатическом и (или) гравитационном поле будет всегда неустойчив. Однако существует возможность сделать левитацию реальной, например, используя электронную стабилизацию – электромагниты, управляемые посредством электроники.

Поскольку действительную природу магнетизма и гравитации никто пока не объяснил, то работу левитатора можно описать так:

Суммарная картина магнитных силовых линий неодимовых магнитов, расположенных в основании левитатора представляет собой поле магнитного кольца с прямоугольным поперечным сечением. Видно, что в точках 1 и 2 магнитное поле меняет направление. Если поместить в точку 1 небольшой магнит, то мы почувствуем, что его перемещению по вертикали препятствует магнитное поле кольца и гравитация (вначале он может еще перевернутся). По вертикали он как бы в ловушке. В горизонтальной плоскости наш магнит норовит выскользнуть и притянуться к кольцу. Тут мы ему устраиваем ловушку в горизонтальной плоскости – отслеживаем его положение с помощью датчиков, и далее с помощью 3-х пар электромагнитов A,B,C расположенных в основании левитатора возвращаем его каждый раз в точку 1. Энергия электромагнитов расходуется только на компенсацию небольших смещений левитирующего магнита в горизонтальной плоскости. По сути, энергия только перекачивается из одной пары катушек в другую. Потребление энергии при этом намного меньше, чем в системах, в которых электромагнит сверху – в них он должен еще компенсировать действие на левитирующий предмет силы тяжести.

Картина силовых линий магнитного поля кольца, электромагнита и магнита.

При конструировании левитатора я ознакомился с патентом US20070170798: https://www.freepatentsonline.com/20070170798.pdf Вот некоторые рисунки с этого патента:

Контроль левитирующего магнита осуществляется с помощью оптических датчиков положения и 3-х пар электромагнитов. Смещение магнита влево компенсируется за счет сочетания действия южного полюса электромагнита A1 и северного полюса электромагнита A2. Конденсатор 23 помогает противостоять любым быстрым смещениям магнита.

Также была использована идея Nicanor Apostol: https://www.youtube.com/user/nick500453/videos для контроля положения левитирующего магнита с помощью датчиков магнитного поля – датчиков Холла.

Операционные усилители включены в дифференциальном режиме. Каждый датчик Холла выдает сигнал на два ОУ, на прямой вход одного и инвертирующий другого.

После некоторых раздумий и экспериментов получилась такая схема:

При появлении кристалла в зоне левитации, геркон замыкается и на схему подается питание, она начинает генерировать, возникает самовозбуждение системы – кристалл парит.

Устойчивая левитации кристалла достигается небольшим подгибанием датчиков Холла в вертикальной плоскости. При этом можно ориентироваться на потребление тока левитатором. При точной настройке оно будет менее 100mA, и при попытке сместить левитирующий кристалл по горизонтали в какую-либо сторону будут ощущаться одинаковые усилия. Также при точной настройке практически пропадает шум, связанный с работой электромагнитов. На первом ОУ и TL431 собран супервизор питания. Если при левитации кристалла пропадает синяя подсветка, значит, напряжение батареи менее 3.6V и её следует зарядить.

Кстати, в моем случае наблюдается интересное явление раскручивания кристалла против часовой стрелки. Если его слегка закрутить, то дальше он раскручивается сам – примерно до 50-140 оборотов в минуту, в зависимости от напряжения питания и высоты левитации. Связано это с неоднородностью намагниченности кристалла и с тем, что включенные по схеме звезда электромагниты левитатора в какой-то момент начинают работать подобно трехфазному двигателю.

Катушки электромагнитов использованы с двигателя ведущего вала видеомагнитофона (типа как на фото ниже). Индуктивность каждой 330mkH, сопротивление 2.2 Ohm. Направление намотки этих катушек видно на фото – это важно для правильной работы левитатора. В конструкции использовано шесть неодимовых магнитов 15*5*5мм, шесть 15*6*2мм и один диаметром 20мм, толщиной 5мм в кристалле. ОУ LMV324 можно заменить аналогичным по параметрам “rail to rail op amp”. Вместо IRF7319 подойдёт IRF7389. В качестве ферромагнитного сердечника катушек электромагнитов использованы болты и гайки М4, они же и скрепляют всю конструкцию.

Разводка платы левитатора сделана в одном слое с помощью трассировщика Topo-R: https://eda.eremex.ru/ . На второй стороне платы фольга оставлена, она соединена с “землей” в двух точках. С кромок отверстий под выводы катушек, датчиков, светодиода фольга удалена зенкованием сверлом, диаметр которого в 3. 4 раза больше диаметра отверстий. Стеклотекстолит толщиной 1мм.

Вид собранной платы с двух сторон. Магниты держатся за счет взаимного притяжения , дополнительно они приклеены к плате суперклеем. Между катушками электромагнитов и платой проложена полоска двухстороннего скотча.

Для полной картины отмечу, что возможны варианты магнитной левитации без всякой электроники: https://www.antigravity.net.au/ . Вот некоторые:

1. Если придать магниту в точке 1 быстрое вращение вокруг вертикальной оси (сделать из него волчок), то он там и будет оставаться. Сам по себе волчок стремится сразу перекувыркнуться и упасть. Раскрученный же волчок этого сделать не может – ему приходится противодействовать моменту инерции. Минус такого решения – ограниченное несколькими минутами время левитации.

2. Известно, что диамагнетики выталкиваются магнитным полем. Если взять кусок пиролитического графита (диамагнетика) – наш магнитик с удовольствием будет над ним левитировать. Минус – небольшая высота левитации, как следствие отсутствия в природе сильных диамагнетиков. Или сильных магнитов в маленьком объеме.

3. Вариант предыдущего случая – использовать “идеальный” диамагнетик, каковым есть по сути сверхпроводник. Например, высокотемпературный сверхпроводник с Пандоры – анобтаниум. Имеем приличную высоту парения сверхпроводника над магнитной подставкой. Минус решения – дороговизна. Нерафинированный анобтаниум стоит около двадцати миллионов долларов за килограмм, очищенный повышает стоимость вдвое – до сорока миллионов.

Этот серый камушек идет по 20 миллионов за кило.

Предвидя вопросы, отвечу на некоторые из них:

1. Парящий кристалл есть нельзя, он не вкусный и не съедобный.

2. Если ты думаешь, что как магнитный железняк может притягивать железо, ты так же можешь заставить его притянуть куски керамики, то ты заблуждаешься,… магнитный железняк может притягивать железо, но не взаимодействует с медью. Таково движение Дао (из китайского философского трактата Хуайнань-цзы).

3. Именно анобтаниум вызвал появление на Пандоре таких изумительных геологических достопримечательностей, как каменные арки и парящие горы.

Разводку платы прилагаю. 🙂

. И некоторые идеи вдогонку – вариант Levi_2 (разводку платы прилагаю):


Отличие – низ левитатора подсвечивается 2-мя светодиодами, которые вынесены ближе к краям платы. Должно смотреться эффектнее, ярче.
Подсветку внизу можно сделать другим цветом, при разряде батареи будет пропадать только нижняя подсветка.

В качестве левитирующего кристалла заманчиво применить флюорит – флюоресцирующий минерал. Cиний светодиод подсветки поменять на ультрафиолетовый ..

Levitron — антигравитационная игрушка для взрослых

На просьбу подарить вам на Новый год антигравитацию Дед Мороз не должен отвечать «Миссия невыполнима». Услышите такой ответ, знайте — Дед поддельный. Потому что научные игрушки с элементами антигравитации существуют и не первый год продаются по $30-60.

Есть в Сиэтле компания под предобрым названием «Очаровательные игрушки и подарки» (Fascinations Toys and Gifts). Очарование её продукции в том, что поначалу она кажется нереальной. Правда, в отличие от фокусников, создатели необычных сувениров охотно раскрывают свои секреты.

Прежде всего, хочется сказать о «Левитроне» (Levitron) . Перед нами нечто вроде пепельницы (будем называть её основой) над которой висит в воздухе и крутится волчок. Антигравитационный такой приборчик. Развлекает «Левитрон» следующим образом:

Вы берёте в руку идущую в комплекте пластину и держите её над основой. Ставите на пластину сверху волчок и сильно раскручиваете его указательным и большим пальцами.

Затем пластину медленно поднимают, потом опускают и убирают прочь — гироскоп остаётся висеть в воздухе, вращаясь и немного покачиваясь.

Никакого электричества игрушка не требует. Здесь использованы постоянные магниты, размещённые как в основе, так и в гироскопе.

С точки зрения классической физики невозможно добиться устойчивости двух отталкивающихся магнитов, один из которых плавает над другим.

Специалисты же из Fascinations объясняют, что им удалось найти исключение из правил.

Точнее, его нашёл изобретатель Рой Хэрриген (Roy M. Harrigan) и запатентовал в мае 1983 года.

Как вы догадались, вращение удерживает верхний магнит от опрокидывания. Но что мешает ему скользить боком и слететь с магнитной подушки?

Нижний магнит, и его поле соответственно, имеет сложную форму. И при отклонении волчка от центра возникает сила, подталкивающая его обратно в точку равновесия.

Сила эта очень мала и потому запуск «Левитрона» потребует тренировки.

Равновесие в этой системе настолько тонкое, что на него влияют температура в комнате или даже небольшие колебания в земном магнетизме.

В комплект игрушки входит набор из 5 грузиков — весом от 3 до 0,1 грамма. Их комбинацией достигается равновесие.

Регулируемые ножки основы позволяют установить её точно горизонтально, да, к тому же, необходимо соблюдать определённую ориентацию на стороны света.

Наконец сам процесс подъёма и удаления пластины с вращающимся гироскопом требует чрезвычайной осторожности. И, чем быстрее вы сможете закрутить волчок, тем дольше он будет парить.

Если левитирующий волчок вас в должной степени очаровал, новаторы из Сиэтла готовы предложить вам дополнительные аксессуары к «Левитрону».

Например, «Перпетуатор» (Perpetuator), на этот раз уже подключаемый к розетке. В отличие от обычной основы, здесь добавлены электромагнитные поля, которые поддерживают вращение волчка, так что он может висеть над вашим столом неделями.

Другая антигравитационная игрушка называется Art Bank. Эта коробка, внутри которой левитируют теннисный шарик, модель самолёта, монетка или фантик.

Кроме того, имеется «летающий глобус» — Amazing Anti-Gravity Globes.

Ещё одно «физическое» творение Fascinations — легкие и прозрачные водопады (Gosammer Falls). Это целая коллекция водопадиков, так сказать, для дома и офиса.

Упоминания они заслуживают потому, что в отличие от множества аналогов, демонстрируют интересный эффект.

Вода в них льётся широкой и тонкой плёнкой, которая ни разу не разрывается, ни в одном месте. Как это возможно?

Вода, выливаясь даже из тонкой протяжённой щели, стремится собраться в более-менее компактную струю, а если это невозможно — разрывается на отдельные потоки, дробится на капли.

Колдуны из Fascinations охотно объясняют: в этих водопадах поток справа и слева ограничивают тоненькие, почти незаметные, проволочки.

Слабейших сил смачивания достаточно для стабилизации всей гидродинамики водопада.

Остаётся лишь добавить декоративные растения и подсветку. Вот и готово устройство для медитации.

«Конструкция наших игрушек — это иллюстрация многих магических аспектов мира», — заявляет Fascinations.

Читайте также:  Удивительный механический цветок тюльпан - подарок на 8 марта своими руками

Хотя речь идёт не о чудесах, а всего лишь о физических эффектах, тут есть чему удивляться. Весь список этих радостей здесь.

ЛЕВИТРОН САМОДЕЛЬНЫЙ

Левитрон позволяет осуществлять магнитную подвеску объектов с небольшим весом путем управления магнитным полем, создаваемым катушкой L1. Обратная связь происходит с помощью датчика Холла, выпаянного со старого 3,5″ дисковода (от дискет). Под воздействием внешнего магнитного поля на клеммах H+ и H- возникает разность потенциалов в зависимости от направления поля и его положения.

Схема электрическая левитрона с датчиком Холла

Датчики Холла такого типа довольно низкого качества, но их вполне достаточно для этого применения. Некоторые используют дорогие ратиометрические датчики, но они дороги и довольно труднодоступны. Датчик, который использован тут, является линейным устройством, но его легко спутать с цифровыми, что также часто стоят на дисководах. Чтобы избежать ошибки, проверьте его с помощью обычного мультиметра или осциллографа.

Катушка левитрона представляет собой спиральную проволоку диаметром 0,4 мм на сердечнике – винт с поперечным сечением около 1 см кв. и длиной около 5 см. Под ним установлен датчик. Хорошей идеей является защита его пластиком, который не был бы поврежден неодимовым магнитом, если его случайно ударить об сердечник катушки. Объект, подвешенный под катушкой, должен быть снабжен неодимовым магнитом. Например цилиндрический магнит с поперечным сечением 15 мм и длиной 20 мм.

Для правильной работы устройства полярность катушки и магнита должны быть выбраны соответствующим образом. Это легко сделать с помощью простого компаса. Магнит должен быть направлен к Земле полюсом «S». Приведенная в действие катушка также должна смотреть на Землю с южным полюсом. Таким образом, катушка будет тянуть магнит, когда он находится в пределах своего магнитного поля.

Схема также содержит элементы, защищающие катушку и полевой транзистор от сгорания, когда объект прилипает к сердечнику или выпадает из поля. В этом случае схема управления катушкой закрыта, и ток там не течет. Итого:

  1. катушка точно и симметрично намотана,
  2. датчик расположен точно в центре сердечника,
  3. почти весь вес шара находится намного ниже магнита,
  4. катушка ориентирована точно вертикально.

Графики сигналов в контрольных точках

  • Uh+: напряжение на положительном выходе галлотрона,
  • Ua: напряжение на выходе повторителя A,
  • Ub: напряжение на выходе инвертирующего усилителя B,
  • Uc: напряжение на выходе триггера Шмидта C,
  • Ud: напряжение, управляемое полевым транзистором.

Что касается потребления тока, измерения цифровым мультиметром показали значение ниже 100 мА (рост при увеличении веса). Чтобы увеличить грузоподъемность, катушки также должны быть увеличены, как и поперечное сечение сердечника и / или его магнитная проницаемость. Можно попытаться использовать ферритовое, но такие сердечники имеют значение частот выше 100 кГц.

Транзистор имеет постоянный ток 7 А и сопротивление канала 30 мОм. В результате он вообще не нагревается. Однако вы можете поднять напряжение, управляющее затвором транзистора, чтобы уменьшить это сопротивление, что, в свою очередь, уменьшит потери тепла в транзисторе.

На самом деле, расстояние от левитирующего объекта зависит от силы электромагнита. Это означает, что чем больше произведение тока катушки и количества витков катушек, тем больше напряженность магнитного поля, создаваемого катушкой. Но это еще не все. Кроме того, на расстояние также влияет проницаемость и площадь поперечного сечения сердечника, чувствительность и динамический диапазон датчика Холла, размер неодимового магнит (интенсивность магнитного поля).

Левитрон, принцип действия

Как работает Левитрон?

Теперь, когда вы заинтересовались левитацией, создав или купив свой первый Левитрон, вам осталось только освоить искусство запуска, мы поможем вам в этом, рассмотрев принцип действия. И научим вас искусству запуска Левитрона, расскав о секретах и тонкостях этой технологии.

Овладеть искусством запуска волчка и помещения его в позицию стабильной левитации, вы и окружающие, гарантированно ощутите полное изумление. Сегодня левитация волнует многих людей. Мы получаем многочисленные запросы от клиентов, с вопросами по левитации и объяснения того, как работает левитрон.

Многие экспресс озадаченность, что он работает на всех, часто ссылаясь на теорему, принадлежащую Эрншоу (1,2), как доказательство того, что он не должен работать. Интерес к левитрон имеет всегда кипят среди ученых. в последнее время аналогий левитрон ловушкам для микроскопических частиц (например, электронов, нейтронов) были признаны учеными, работающими в увлекательной области исследований, где материя манипулируют и исследуют, одну такую ​​микроскопическую частицу в то время, . Первый признать аналогию, был доктор Майкл В. Берри из университета Бристоля. Д-р Берри, вдохновленный этим признанием, опубликовал подробное изложение физики функционирования левитрон (в 3). бумага доктора Берри является одним из лучших существующих объяснение того, как работает Левитрон и он любезно приготовил для нас краткую инкапсуляцию основных тем, которые мы представляем ниже. Те, кто желает, чтобы прочитать полную экспозицию следует запросить копию бумаги от доктора Берри.

Что его держит?

“Антигравитация”, – это сила, которая отталкивает вершины от основания магнетизм. И верх и тяжелая горбыль внутри базовой коробки намагничиваются, но противоположно. Подумайте основного магнита с его северным полюсом направлен вверх, а сверху, как магнит с его северный полюс направлен вниз (рис.1). Принцип заключается в том, что два одинаковых полюса (например, два Norths) отталкиваются и что два противоположных полюса притягиваются, с силами, которые сильнее, когда полюса ближе. Есть четыре магнитных сил на вершине: на ее северном полюсе, отталкивание с севера в базу и притяжения с юга базу, а также на его южном полюсе, притяжение с севера для базы и отталкивания с юга базы. Из-за способа силы зависят от расстояния, к северо-северо отталкивание доминирует, а верхняя магнитно отталкиваются. Он висит где это вверх отталкивание уравновешивает вниз сила тяжести, то есть в точке равновесия, где суммарная сила равна нулю.

Почему Левитрону нужно вращаться?

Чтобы предотвратить опрокидывание вершины. Помимо обеспечения силы на вершине в целом, магнитное поле базы дает крутящий момент, стремящийся повернуть его ось вращения. Если верхняя не спиннинг, этот магнитный вращающий момент будет перевернуть его. Затем ее южный полюс будет направлена ​​вниз, и сила от основания будет привлекательным, – то есть, в том же направлении, что и силы тяжести – и вершина будет падать. Когда верхний вращается, крутящий момент действует гироскопически и ось не опрокинуть, но вращается вокруг (почти вертикально) направление магнитного поля. Это вращение называется прецессией (рис.2). С Левитроном, ось почти вертикально и прецессии видно, как дрожь, которая получает более произносит как топ замедляется. Эффективность спина в стабилизации магнитно поддерживается вершины, такие как Левитрон был обнаружен Рой М. Harrigan (4).

Почему Левитрон не скользит боком?

Для верхней она остается подвешенной, в одиночку равновесия недостаточно. Равновесие также должна быть стабильной, так что небольшое горизонтальное или вертикальное перемещение производит силой, толкающей вверх назад к точке равновесия. Для Левитрона, стабильности трудно достичь. Это зависит от того факта, что, как вершина перемещается в сторону, в сторону от оси основного магнита, магнитное поле базы, о которой ось волчка прецессировала, слегка отклоняется от вертикали (рис. 2). Если верхний прецессировала о точной вертикали, физика магнитных полей сделало бы равновесие неустойчиво. Поскольку поле настолько близко к вертикали, равновесие устойчиво только в небольшом диапазоне высот – от примерно 1,25 дюйма до 1,75 дюйма выше центра основания. (от 2,5 до 3,0 дюйма для увлечениях ‘нового Супер Левитрон). Теорема Эрншоу не нарушается поведение Левитрон. Эта теорема утверждает, что никакие статические расположения магнитных (или электрических) зарядов не может быть стабильным, в одиночку или под действием силы тяжести. Это не относится к Левитрон, потому что магнит (в верхней части) крутится и так динамически реагирует на поле от основания.

Почему вес Левитрона важен (и почему он должен быть отрегулирован)?

Вес верхней и силы намагничивания базы и верхний определяют высоту равновесия, где магнетизм уравновешивает силу тяжести. Эта высота должна находиться в стабильном диапазоне. Небольшие изменения температуры изменяет намагниченность базы и сверху. (При повышении температуры, направления атомных магнитов рандомизации и поле ослабевает). Если вес не корректируется, чтобы компенсировать, равновесие будет выходить за пределы диапазона стабильной и вершина будет падать. Так как стабильный диапазон настолько мал, эта регулировка деликатная – самый легкий шайба составляет лишь около 0,3% от веса верхней части.

Почему в конце концов Левитрон падает?

Верхний раскручивает стабилен в диапазоне приблизительно от 20 до 35 оборотов в секунду (RPS). Это совершенно неустойчив выше 35-40 RPS и ниже 18 оборотов в секунду. После того, как вершина прядут и левитировать, это замедляет из-за сопротивления воздуха. Через несколько минут она достигнет нижнего предела устойчивости (18 RPS) и падает. Спин время жизни Левитрон может быть расширен путем помещения его в вакууме. В течение нескольких вакуумных экспериментов, которые были сделаны верхней упала примерно через 30 минут. Почему он делает это не ясно; может быть, при изменении температуры, толкая равновесия из стабильного диапазона; может быть, есть некоторые крошечные остаточные долгосрочной нестабильности, потому что вершина не вращается достаточно быстро; или, возможно, вибрации вакуумного оборудования пробежку поле и постепенно привод оси прецессии от направления магнитного поля. Левитации может быть значительно продлен путем продувки воздуха с соответствующим воздушным зубчатый воротник, расположенных вокруг периферии волчка, с тем, чтобы поддерживать частоту спинов в стабильном диапазоне. В последнее время топ Левитрон хранилась вращающаяся в течение нескольких дней таким образом. Но наиболее успешным средством для продления левитации волчка является новым , электромагнитный импульсный прибор, который может держать верхнюю левитировать в течение многих дней или даже недель.

Как используется принцип Левитрона?

В последние десятилетия, микроскопические частицы изучались захвата их с магнитных и / или электрических полей. Есть несколько видов ловушек. Например, нейтроны могут быть проведены в магнитном поле, создаваемом системой катушек. Нейтроны вращающихся магнитных частиц, поэтому аналогия такой нейтронной ловушки с Левитрон близко.

Как самому собрать аналоговый левитрон

0.Предисловие

Начитался тут всяких интернетов и решил сваять свой собственный левитрон, без всяких цифровых глупостей. Сказано – сделано. Выкладываю муки творчества на всеобщее обозрение.

1.Краткое описание

Левитрон – это устройство, удерживающее объект в равновесии с силами гравитации с помощью магнитного поля. Давно известно, что невозможно левитировать объект, используя статичные магнитные поля. В школьной физике это называлось состоянием неустойчивого равновесия, насколько я помню. Однако, затратив немного желания, знаний, усилий, денег и времени, возможно левитировать объект динамически путем использования электроники в качестве обратной связи.

Получилось вот что:

2.Фунциональная схема

Электро-магнитные датчики, расположенные на торцах катушки, выдают напряжение, пропорциональное уровню магнитной индукции. В случае отсутствия внешнего магнитного поля эти напряжения будут одинаковы вне зависимости от величины тока катушки.

Читайте также:  Как подключить светодиодную ленту. Подключение и монтаж светодиодной ленты своими руками

При наличии постоянного магнита вблизи нижнего датчика блок управления будет формировать сигнал, пропорциональный полю магнита, усиливать его до нужного уровня и передавать на ШИМ для управления током через катушку. Таким образом, возникает обратная связь и катушка будет генерировать такое магнитное поле, которое будет удерживать магнит в равновесии с силами гравитации.

Что-то заумно все получилось, попробую по другому:
— Нет никакого магнита — индукция на торцах катушки одинакова — сигнал с датчиков одинаков — блок управления выдает минимальный сигнал — катушка работает на всю мощь;
— Близко поднесли магнит — индукция сильно разная — сигналы от датчиков сильно разные — блок управления выдает максимальный сигнал — катушка отключается совсем — магнит никто не держит и он начинает падать;
— Манит падает — отдаляется от катушки — разница сигналов с датчиков уменьшается — блок управления уменьшает выходной сигнал — ток через катушку увеличивается — увеличивается индукция катушки — магнит начинает притягиваться;
— Манит притягивается — приближается к катушке — разница сигналов с датчиков увеличивается — блок управления увеличивает выходной сигнал — ток через катушку уменьшается — уменьшается индукция катушки — магнит начинает падать;
— Чудо — магнит не падает и не притягивается — вернее, и падает и притягивается несколько тысяч раз в секунду — то есть возникает динамическое равновесие — магнит просто висит в воздухе.

3.Конструкция

Главным элементом конструкции является электро-магнитная катушка (соленоид), которая и удерживает своим полем постоянный магнит.

На пластиковый каркас D36x48 плотно намотано 78 метров медного эмалированного провода диаметром 0.6 мм, получилось где-то 600 витков. По расчетам, при сопротивлении 4.8Ом и питании 12В, ток будет 2.5А, мощность 30Вт. Это необходимо для подбора внешнего блока питания. (По факту получилось 6.0Ом, вряд ли нарезали больше провода, скорее сэкономили на диаметре.)

Внутрь катушки вставлен стальной сердечник от дверной петли диаметром 20мм. На его торцах с помощью термоклея закреплены датчики, которые обязательно должны быть ориентированы в одинаковом направлении.

Катушка с датчиками закреплена на кронштейне из алюминиевой полосы, который, в свою очередь, крепится к корпусу, внутри которого находится плата управления.

На корпусе расположен светодиод, выключатель и гнездо питания.

Внешний блок питания (GA-1040U) взят с запасом по мощности и обеспечивает ток до 3.2А при 12В.

В качестве левтитрующего объекта используется N35H магнит D15x5 с приклеенной банкой из под кока-колы. Сразу скажу, что полная банка не годится, поэтому тонким сверлом делаем отверстия по торцам, сливаем ценный напиток (можно выпить если не боитесь стружки) и к верхнему колечку клеим магнит.

4.Принципиальная схема

Сигналы с датчиков U1 и U2 подаются на операционный усилитель OP1/4, включенный по дифференциальной схеме. Верхний датчик U1 подключен к инвертирующему входу, нижний U2 – к неинвертирующему, то есть сигналы вычитаются, и на выходе OP1/4 получаем напряжение, пропорциональное только уровню магнитной индукции, создаваемому постоянным магнитом вблизи нижнего датчика U2.

Комбинация элементов C1,R6 и R7 является изюминкой данной схемы и позволяет достичь эффекта полной стабильности, магнит будет висеть как вкопанный. Как это работает? Постоянная составляющая сигнала проходит через делитель R6R7 и ослабляется в 11 раз. Переменная составляющая проходит через фильтр C1R7 без ослабления. Откуда вообще берется переменная составляющая? Постоянная часть зависит от положения магнита вблизи нижнего датчика, переменная часть возникает из-за колебаний магнита вокруг точки равновесия, т.е. от изменения положения во времени, т.е. от скорости. Нам интересно, чтобы магнит был неподвижен, т.е. его скорость была равна 0. Таким образом, в управляющем сигнале мы имеем две составляющих – постоянная отвечает за положение, а переменная – за стабильность этого положения.
Далее, подготовленный сигнал усиливается на OP1/3. С помощью переменного резистора P2 устанавливается необходимый коэффициент усиления на этапе настройки для достижения равновесия в зависимости от конкретных параметров магнита и катушки.

На OP1/1 собран простой компаратор, который отключает ШИМ и, соответственно, катушку, когда рядом нет магнита. Очень удобная вещь, не надо вынимать блок питания из розетки если убрали магнит. Уровень срабатывания задается переменным резистором P1.

Далее, управляющий сигнал подается на широтно-импульсный модулятор U3. Размах выходного напряжения 12В, частота выходных импульсов задается номиналами C2,R10 и P3, а скважность зависит от уровня входного сигнала на входе DTC.
ШИМ управляет переключением силового транзистора T1, а тот, в свою очередь, током через катушку.

Светодиод LED1 можно и не ставить, а вот диод SD1 нужен обязятельно, для слива лишнего тока и избежания перенапряжения в моменты выключения катушки из-за явления самоиндукции.

NL1 – это наша самодельная катушка, коей посвящен отдельный раздел.

В результате, в режиме равновесия, картина будет примерно такая: U1_OUT=2.9V, U2_OUT=3.6V, OP1/4_OUT=0.7V, U3_IN=1.8V, T1_OPEN=25%, NL1_CURR=0.5A.

Для наглядности прикладываю графики передаточной характеристики, АЧХ и ФЧХ, и осциллогаммы на выходе ШИМ и катушки.



5.Выбор компонентов

Устройство собрано из недорогих и доступных компонентов. Самой дорогой оказалась медная проволока WIK06N, за 78 метров WIK06N заплатил 1200 руб, все остальное, вместе взятое, обошлось значительно дешевле. Тут вообще широкое поле для экспериментов, можно обойтись без сердечника, можно взять проволоку потоньше. Главное не забывать, что индукция по оси катушки зависит от количества витков, тока по ним и геометрии катушки.

В качестве датчиков магнитного поля U1 и U2 используются аналоговые датчики Холла SS496A с линейной характеристикой вплоть до 840Гс, это самое то для нашего случая. При использовании аналогов с другой чувствительностью потребуется корректировка коэффициента усиления на OP1/3, а также проверка на уровень максимальной индукции на торцах вашей катушки (в нашем случае с сердечником она достигает 500Гс), чтобы датчики не входили в насыщение при пиковой нагрузке.

OP1 -это счетверенный операционный усилитель LM324N. При выключенной катушке выдает 20мВ вместо нуля на 14 выходе, но это вполне приемлемо. Главное не забыть выбрать из кучки 100К резисторов наиболее близкие по фактическому номиналу для установки в качестве R1,R2,R3,R4.

Номиналы C1,R6 и R7 выбраны путем проб и ошибок как самый оптимальный вариант для стабилизации магнитов разных калибров (тестировались N35H магниты D27x8, D15x5 и D12x3). Соотношение R6/R7 можно оставить как есть, а номинал C1 увеличивать до 2-5мкФ, в случае возникновения проблем.

При использовании очень маленьких магнитов, вам возможно будет не хватать коэффициента усиления, в этом случае урежьте номинал R8 до 500Ом.

D1 и D2 это обычные выпрямительные диоды 1N4001, тут подойдут любые.

В качестве широтно-импульсного модулятора U3 используется распространенная микросхема TL494CN. Частота работы задается элементами C2, R10 и P3 (по схеме 20кГц). Оптимальный диапазон 20-30кГц, при меньшей частоте появляется свист катушки. Вместо R10 и P3 можно просто поставить резистор 5.6K.

T1 это полевой транзистор IRFZ44N, подойдет и любой другой из этой же серии. При выборе других транзисторов может потребоваться установка радиатора, ориентируйтесь на минимальные значения сопротивления канала и заряда затвора.
SD1 это диод шоттки VS-25CTQ045, тут я хватанул с большим запасом, подойдет и обычный быстродействующий диод, но, возможно, будет сильно греться.

LED1 желтый светодиод L-63YT, здесь, как говорится, на вкус и цвет, можно их и побольше наставить, чтобы все светилось разноцветными огнями.

U4 это стабилизатор напряжения 5В L78L05ACZ для питания датчиков и операционного усилителя. При использовании внешнего блока питания с дополнительным выходом 5В, можно обойись и без него, но конденсаторы лучше оставить.

6.Заключение

Все получилось как задумано. Устройство стабильно работает круглые сутки, потребляет всего 6Вт. Ни диод, ни катушка, ни транзистор не греются. Прикладываю еще пару фоток и финальное видео:

Самодельный Левитрон

Когда-то из каких-то хороших, но разрушенных компьютерных колонок ко мне попала микросхема TDA1552Q. Ознакомившись с даташитом (http://www.nxp.com/documents/data_sheet/TDA1552Q_CNV.pdf), я отложил ее «до лучших времен». Но недавно в Интернете мне случайно попалось слово «Левитрон» и множество изображений рекламного характера. Мозг быстро отбросил простые «волчки» и подвесные конструкции, остались «платформы» и вопрос: а получится ли у меня сделать нечто похожее, да еще и из хлама? Скажу сразу – получилось. Предлагаемая статья не только о том, как сделан левитрон (в Интернете хватает примеров), но и о том, как его настроить (чего я не нашел вовсе).

Сразу хочется поблагодарить участников форума РадиоКот, наполнивших сообщениями длинную ветку о левитроне, а также неизвестного автора схемы и чертежа. Особая благодарность – Barry Hansen за статью, которая для моего мозга стала мощным катализатором в работе над левитроном, хотя она посвящена подвесной, а не платформенной конструкции. Статья написана простым английским языком, с легким юмором и объяснениями, доступными даже школьнику.
Ссылки в благодарностях приведены не случайно, а рекомендованы для ознакомления всем желающим попробовать свои силы в конструировании левитронов.

Коротенькое видео:

Немного теории

Начнем, пожалуй, с механической схемы платформенного левитрона, сложившейся в моем понимании. Магнит, который парит над платформой, я буду здесь для краткости называть словом «фишка».
Эскиз платформы левитрона (сверху) изображен на рис. 1.

Рис. 1

На рис. 2 – силовая схема вертикального разреза по центральной оси платформы (как я ее себе представляю) в состоянии покоя и без тока в катушках. Все хорошо, кроме того, что состояние покоя в такой системе нестабильно. Фишка стремится сместиться с вертикальной оси системы и с силой шлепнуться на один из магнитов. При «ощупывании» фишкой пространства над магнитами ощущается силовой «горб» над центром платформы с вершиной, лежащей на центральной оси.

Рис. 2

mg – вес фишки,
F1 и F2 – силы взаимодействия фишки с магнитами платформы,
Fmag – суммарное воздействие, уравновешивающее вес фишки,
ДХ – датчики Холла.

На рис. 3. изображено взаимодействие фишки с катушками (опять же, по моему понятию), а остальные силы – опущены.

Рис. 3.

Из рисунка 3 видно, что цель управления катушками – создать горизонтальную силу Fss, направленную всегда к оси равновесия при возникновении смещения Х. Для этого достаточно включить катушки так, чтобы одинаковый ток в них создавал магнитное поле противоположного направления. Остался пустяк: измерить смещение фишки от оси (величину Х) и определить направление этого смещения с помошью датчиков Холла, а потом пропустить в катушках подходящей силы токи.

Простой повтор электронных схем – не в наших традициях, тем более, что:
— нет в наличии двух TDA2030A, а есть TDA1552Q;
— нет датчиков Холла SS496 (доступны примерно по $2 за штуку), а есть датчики, похожие на HW101, по 3 шт даром в каждом двигателе диска CD- или DVD-драйва;
— лень возиться с двуполярным питанием.
Даташиты:
SS496 — http://sccatalog.honeywell.com/pdbdownload/images/ss496.series.chart.1.pdf
HW101- http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/143838/ETC1/HW101A.html

Читайте также:  Антенна - Bi-Quad W-LAN Wi-Fi 2,4 ГГц. Сделай сам

Схема представляет собой два идентичных усилительных канала с дифференциальными входами и мостовыми выходами. На рис. 4 приведена полностью схема только одного канала усиления. Использованы микросхемы LM358 (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm158-n.pdf) и TDA1552Q (http://www.nxp.com/documents/data_sheet/TDA1552Q_CNV.pdf).

Рис. 4.

На вход каждого канала подключена пара датчиков Холла так, чтобы подать на усилитель разностный сигнал. Выходы датчиков включены встречно. Это значит, что, когда пара датчиков находится в магнитном поле с одинаковой напряженностью, с нее на вход усилителя поступает нулевое разностное напряжение.
Балансировочные резисторы R10 взяты многооборотные, старые, советские.
В попытках выжать из усилителя достаточно высокий коэффициент усиления, я получил банальное самовозбуждение, предположительно, из-за бардака на монтажной плате. Вместо «уборки» в схему введены частотнозависимые RС-цепочки R15C2; они не обязательны. Если все же пришлось их установить, то сопротивление R15 нужно подобрать наибольшим, при котором самовозбуждение гаснет.
Питание всего устройства — адаптер (импульсный) на 12В 1,2А, перенастроенный на 15В. Энергопотребление в нормальном состоянии (с выключенным вентилятором) в итоге оказалось вполне скромным: 210-220 мА.

Конструкция
В качестве корпуса выбран кожух дисковода 3,5”, что приблизительно соответствует габаритам прототипов. Для горизонтирования платформы
ножки сделаны из винтов М3.
В верхней части корпуса вырезано фигурное отверстие, хорошо видимое на рис.5. Впоследствии оно закрыто декоративной зеркальной пластиной из хромированной латуни, закрепленной винтиками от винчестеров.

Рис. 5.

1 – места установки магнитов (снизу) и индикаторов баланса (опционально)
2 – «полюсные наконечники» катушек
3 – датчики Холла
4 – светодиоды подсветки (опционально)

Датчики Холла расположены в отверстиях стеклотекстолитового основания платформы и распаяны на разогнутых ножках разъемов (не знаю типа). Разъемы выглядели как на рис.6.

Рис. 6.

Датчики выпаяны из двигателей CD- или DVD-привода. Там они расположены под краем ротора и хорошо видны на рис.7. На один канал нужно брать пару датчиков из одного двигателя – так они будут наиболее одинаковыми. Выпаянные датчики – на рис.8.

Рис. 7. Рис. 8.

Для катушек были куплены пластмассовые шпули для швейных машинок, но на них оказалось мало места для обмотки. Тогда от шпуль были отрезаны щечки и приклеены на отрезки тонкостенной латунной трубки наружным диаметром 6мм и длиной 14мм. Трубка раньше была сегментом телескопической стержневой антенны. На четырех таких каркасах проводом 0,3 мм намотаны обмотки «почти послойно» (без фанатизма!) до заполнения. Сопротивление выровнено на 13 Ом.

Магниты – прямоугольные 20х10х5 мм и дисковые диаметром 25 и 30 мм толщиной 4 мм (рис.9) – пришлось все-таки купить… Прямоугольные магниты установлены под основанием платформы, а из дисковых сделаны фишки.

Рис. 9.

Вид устройства снизу и сзади (вверх дном) – на рис. 10 и 11 (легенда одна на оба рисунка). Бардак, конечно, живописный…
Микросхема U2 TDA1552Q (3) размещена на теплоотводе (9), который раньше работал на видеокарте. Сам радиатор закреплен винтами на отогнутых частях верхней крышки корпуса. На радиаторе (9) закреплены также гнездо питания (1), контрольные гнезда (2) и узел терморегулирования (5).
Кусок стеклотекстолита, который раньше был клавиатурой, служит основанием платформы. Катушки (7) закреплены на основании винтами М4 и гайками. На нем же с помощью хомутов и саморезов укреплены магниты (6).
Контрольные гнезда (2) сделаны из компьютерного разъема питания и закреплены сзади устройства вблизи балансировочных резисторов (10) так, что легко доступны без разборки. Подключены гнезда, естественно, к выходам обоих каналов усилителя.
Схема предусилителя и его стабилизатора питания, включая балансировочные резисторы (10), смонтирована на макетной плате и в результате наладки превратилась в живописный свинарничек, от макрофотографирования которого пришлось воздержаться.

Рис.10. Рис.11.

1 – крепление гнезда питания
2 – контрольные гнезда
3 – TDA1552Q
4 – выключатель питания
5 – узел терморегулирования
6 – магниты под хомутиками
7 – катушки
8 – магнитные шунты
9 – теплоотвод
10 – балансировочные резисторы

Наладка

Выставление нулей на выходах обоих каналов при каждом отладочном включении – обязательно. Можно без фанатизма: +–20 мВ – вполне приемлемая точность. Возможно некоторое взаимовлияние между каналами, так что при значительном начальном отклонении (больше 1-1.5 вольт по выходу канала) выставление нулей лучше сделать дважды. Стоит помнить, что при железном корпусе баланс разобранного и собранного устройства – это две большие разницы.

Проверка фазировки каналов

Фишку нужно взять в руку и поместить над центром платформы включенного левитрона на высоте примерно 10-12мм. Каналы проверяются поочередно и раздельно. При смещении фишки рукой вдоль линии, соединяющей противоположные от центра датчики, рука должна чувствовать заметное сопротивление, создаваемое магнитным полем катушек. Если сопротивления не чувствуется, а руку с фишкой «сносит» от оси, нужно поменять местами провода с выхода проверяемого канала.

Настройка положения парящей фишки

На видеороликах о самодельных платформенных левитронах нередко можно видеть, что фишка парит в наклонном положении, даже если сделана на базе дисковых магнитов, то есть, достаточно хорошо симметрирована. Не обошлось без перекоса и в описываемой конструкции. Возможно, в этом виноват металлический корпус…
Первая мысль: сместить вниз магниты с той стороны, где фишку излишне «подпирает».
Вторая мысль: сместить дальше от центра магниты с той стороны, где фишку излишне «подпирает».
Третья мысль: если магниты смещать, то магнитной ось системы постоянных магнитов платформы перекосится относительно магнитной оси системы катушек, из-за чего поведение фишки станет непредсказуемым (особенно при разном ее весе).
Четвертая мысль: сделать сильнее магниты с той стороны, куда наклонена фишка – была отброшена как несбыточная, потому что широкого ассортимента магнитов для подгонки негде было взять.
Пятая мысль: сделать слабее магниты с той стороны, где фишку излишне «подпирает» – оказалась удачной. Более того, достаточно простой в реализации. Магнит, как источник магнитного поля, можно шунтировать, то есть, закоротить часть магнитного потока, так что в окружающем пространстве магнитное поле станет немного слабее. В качестве магнитных шунтов были применены маленькие ферритовые кольца (10х6х3, 8х4х2 и т.д.), бесплатно выковырянные из дохлых ламп-экономок (8 на рис.10). Эти кольца нужно просто примагнитить к слишком сильному магниту (или двум-трем) с той их стороны, что дальше от центра платформы. Оказалось, что подбирая количество и размеры шунтов для каждого «слишком сильного» магнита, можно достаточно точно отгоризонтировать положение парящей симметричной фишки. Не забывайте выполнить электрическую балансировку после каждого изменения в магнитной системе!

Опции

К опциям относятся: индикаторы разбаланса усилителя, узел терморегулирования, подсветка и регулируемые ножки платформы.
Индикаторы разбаланса усилителя – две пары светодиодов, расположенные на тех же радиусах, что и датчики, в толще стеклотекстолитового основания платформы (1 на рис. 5). Светодиоды, очень маленькие и плоские, раньше работали в каком-то модеме, но подойдут и от старой мобилки (в SMD исполнении). Светодиоды утоплены в отверстиях, так как фишка, срываясь из центра, шлепается на ближайший магнит и вполне способна разрушить светодиод.
Схема индикатора для одного канала – на рис. 12. Светодиоды должны быть с рабочим напряжением 1,1-1,2 В, т.е. простенькие красные, оранжевые, желтые. При более высоких напряжениях LED-ов (2,9-3,3 В для сверхъярких) следует пересчитать количество диодов в цепочке D3-D6 для сведения к минимуму «мертвой зоны» – минимального напряжения на выходе канала, при котором ни один из светодиодов не светится.

Рис. 12.

Я расположил индикаторы так, чтобы светился тот, в сторону которого фишка смещена от центра. Индикаторы помогают легко повесить фишку над левитроном, а также горизонтировать платформу. В нормальном состоянии все они погашены.

Схема узла терморегулирования – на рис. 13. Его назначение – не дать оконечному усилителю перегреться. На выходе термоузла включен вентилятор 50х50 мм 12В 0,13А от компьютера.

Рис. 13.

В схеме термоузла легко узнать немного измененный триггер Шмитта. Вместо первого транзистора использована микросхема TL431. Тип транзистора Q1 указан условно – я воткнул первый попавшийся NPN, способный выдержать рабочий ток вентилятора. В качестве термодатчика использован терморезистор, найденный на старой материнской плате в процессорном сокете. Термодатчик приклеен на радиатор оконечного усилителя. Подбором резистора R1 можно отрегулировать термоузел на срабатывание при температуре 50-60С. Резистор R5 совместно с коллекторным током Q1 определяет величину гистерезиса схемы относительно напряжения на управляющем входе U1.
В схеме на рис. 13 резистор R7 введен для снижения напряжения на вентиляторе и, соответственно, шума от него.
На рис. 14 видно, как вентилятор врезан в нижнюю крышку корпуса.

Рис. 14.

Другой способ применения термоузла – подключение к управляющему выводу MUTE микросхемы оконечного усилителя (рис. 15). Величина указанного на схеме номинала R5 предполагает подключение MUTE (вывода 11 микросхемы U2 по рис. 4) к питанию через резистор 1кОм (НЕ напрямую, как в даташите!). Вентилятор в таком случае не нужен. Правда, при подаче сигнала MUTE на усилитель фишка падает, и после снятия сигнала MUTE сама (почему-то?) не взлетает.

Рис. 15.

Подсветка – 4 ярких светодиода диаметром 3мм, расположенные наклонно к центру в отверстиях основания платформы и декоративной пластины в тех местах, куда фишка не падает. Они включены последовательно и через резистор 150 Ом – к цепи общего питания устройства 15В.

Заключение

Грузоподъемность

Чтоб «добить» тему, сняты «грузовые характеристики» левитрона с фишками 25 и 30 мм диаметром. Грузовыми характеристиками я тут назвал зависимость высоты парения фишки над платформой (от декоративной пластины) от суммарного веса фишки.
Для фишки с магнитом 25 мм и общим весом 19г максимальная высота составила 16мм, а минимальная – 8 мм при весе 38г. Между этими точками характеристика практически линейная. Для фишки с магнитом 30 мм грузовая характеристика оказалась между точками 16 мм при 24г и 8 мм при 48г.
С высоты ниже 8 мм от платформы фишка падает, притягиваясь к железным сердечникам катушек.

НЕ делай, как я!

Во-первых, не стоит экономить на датчиках. «Голые» датчики Холла, вынутые попарно для каждого канала из двух двигателей (то есть, практически одинаковые!) – все равно проявляют свой безобразно большой температурный коэффициент сопротивления. Даже при одинаковых цепях питания и встречно-разностном включении выходов датчиков, можно получить заметное смещение нуля на выходе канала при изменении температуры. Интегральные датчики SS496 (SS495) имеют не только встроенный усилитель, но и термостабилизацию. Внутренний усилитель датчиков позволит сделать существенно выше общий коэффициент усиления каналов, да и схема их питания выходит попроще.
Во-вторых, следует, по возможности, воздержаться от размещения левитрона в железном корпусе.
В-третьих, двуполярное питание все-таки предпочтительнее, потому что управление коэффициентом усиления и юстировкой нулей получаются проще.

Ссылка на основную публикацию