lewitator.pdf

(1152 KB) Pobierz
PROJEKTY CZYTELNIKÓW
Lewitator
Dział „Projekty Czytelników” zawiera opisy projektów nadesłanych do redakcji EP przez Czytelników. Redakcja nie bierze
odpowiedzialności za nieprawidłowe działanie opisywanych układów, gdyż nie testujemy ich laboratoryjnie, chociaż
sprawdzamy poprawność konstrukcji.
Prosimy o nadsyłanie własnych projektów z modelami (do zwrotu). Do artykułu należy dołączyć podpisane
oświadczenie,
że artykuł jest własnym opracowaniem autora i nie był dotychczas nigdzie publikowany.
Honorarium za publikację
w tym dziale wynosi 250,– zł (brutto) za 1 stronę w EP. Przysyłanych tekstów nie zwracamy. Redakcja zastrzega sobie
prawo do dokonywania skrótów.
Lewitator
Lewitator, jak sama nazwa
wskazuje, jest urządzeniem
prezentującym zjawisko lewitacji.
Zjawisko to jest bardzo
efektowne, gdyż lewitujący
obiekt z pozoru łamie jedno
z podstawowych praw fizyki,
jakim jest grawitacja.
Rekomendacje:
przedstawiony w niniejszym
artykule projekt doskonale
nadaje się do prezentacji na
wszelkiego rodzaju pokazach
fizycznych, jak również jako
niezwykle ciekawa ozdoba
na biurku. Obserwatorzy na
pewno nie przejdą obok tego
urządzenia obojętnie.
PODSTAWOWE PARAMETRY
• Płytka o wymiarach 53x58 mm
• Zasilanie 12 VAC/1,5 A
• Lewitacja magnesu neodymowego o średni-
cy 15 mm i wysokości 10 mm w odległości
4 cm od elektromagnesu
Aby jakiś przedmiot mógł lewi-
tować, czyli unosić się w powietrzu
bez żadnego mechanicznego połą-
czenia z inną konstrukcją, siła gra-
witacji działająca na ten przedmiot
musi być jakoś zrównoważona.
W prezentowanym urządzeniu jako
siłę przeciwdziałającą grawitacji wy-
korzystano siłę pola magnetycznego.
Takie rozwiązanie jest nazywane po
prostu lewitacją magnetyczną, lub
w skrócie MAGLEV.
Budowa i zasada działania
Projekt
Jest rzeczą oczywistą, że nie moż-
na tak dobrać stałej siły magnetycz-
nej, aby przedmiot lewitował stabil-
nie. Dlatego wykorzystuje się aktyw-
ną regulację pola magnetycznego przy
użyciu elektromagnesu. Ogólnym ce-
lem działania całego urządzenia jest
utrzymywanie lewitującego przedmio-
tu w stałym położeniu w określonej
odległości od elektromagnesu. Aby
było to możliwe, potrzebny jest ja-
kiś pomiar tego położenia. Tutaj
z pomocą przychodzi fotokomórka.
Strumień światła lasera przechodzi
tuż nad przedmiotem tak, że wiąz-
ka światła jest częściowo zasłonięta.
Gdy lewitujący przedmiot przesunie
się za bardzo w dół odsłoni więcej
wiązki padającej na fotorezystor. Sy-
gnał z fotorezystora po wzmocnieniu
przez wzmacniacze operacyjne spo-
woduje zwiększenie przepływu prądu
w uzwojeniu elektromagnesu, a co za
tym idzie zwiększenie siły działają-
cej na przedmiot. Gdy siła ta będzie
zbyt duża i przedmiot znajdzie się
zbyt blisko elektromagnesu, wiązka
światła zostanie zasłonięta i prąd pły-
nący przez uzwojenie się zmniejszy.
Dzięki takiemu sprzężeniu zwrotne-
mu siła działająca na przedmiot jest
cały czas korygowana na podstawie
położenia przedmiotu, co zapewnia
stabilną, nieustanną lewitację.
Schemat ideowy lewitatora został
przedstawiony na
rys. 1.
Układ został
zaprojektowany tak, aby mógł być za-
silany bezpośrednio z 12 V transfor-
matora sieciowego podłączonego do
złącza J1. Na płytce został umiesz-
czony mostek prostowniczy razem
z kondensatorami filtrującymi i stabili-
zatorem napięcia. Jako źródło światła
fotokomórki został zastosowany tani
wskaźnik laserowy po odpowiedniej
przeróbce umożliwiającej zasilanie
z innego źródła niż baterie. Wskaźnik
ten po podłączeniu do złącza J2 jest
zasilany z napięcia 5 V przez rezystor
R3, którego wartość należy dobrać
tak, aby natężenie prądu płynącego
przez diodę laserową nie było zbyt
duże. Jeśli użyty wskaźnik laserowy
jest przeznaczony do zasilania trzema
ogniwami pastylkowymi, zamiast rezy-
stora można zamontować diodę pro-
157
Rys. 1. Schemat ideowy lewitatora
104
Elektronika Praktyczna 12/2007
Lewitator
dzięki wykorzysta-
niu wsporników, na
których zawieszony
jest elektromagnes
jako przewodników
dostarczających prąd
do uzwojenia obeszło
się bez potrzeby pro-
wadzenia nieestetycz-
nie wyglądających
przewodów do ele-
mentów fotokomórki
i elektromagnesu. Jest
to dobrze widoczne
na
fot. 2
i
rys. 3.
Kolejną zaletą zasto-
sowania wskaźnika
laserowego zamiast
zwykłej diody LED
jest to, że światło
padające na fotore-
Rys. 2. Lewitacja magnesu neodymowego
zystor jest na tyle
silne, że zakłócenia
stowniczą. Spadek napięcia na diodzie spowodowane przez światło ze-
wynosi około 0,6 V, a to oznacza, że
wnętrzne praktycznie nie stanowią
wskaźnik będzie wówczas zasilany problemu i nie jest potrzebny żaden
napięciem 4,4 V, czyli takim, do ja-
pomiar odniesienia przy pomocy
kiego jest fabrycznie przystosowany
drugiego fotorezystora.
W prezentowanej konstrukcji tor
Sygnał z fotorezystora podłączo-
wiązki światła jest zmieniany za po- nego do złącza J3 zostaje wzmoc-
mocą małych lusterek, dzięki czemu
niony układem U2A, po czym
możliwe było umieszczenie zarów-
przechodzi przez obwód różniczku-
no źródła światła jak i fotorezystora
jący. Dzięki temu obwodowi reakcja
w podstawie lewitatora. Dodatkowo układu jest silniejsza dla szybkich
zmian położenia lewitującego przed-
miotu – gdy przedmiot
się porusza, trzeba nie
tylko zrównoważyć siłę
działającą na niego,
ale również wyhamo-
wać jego ruch na tyle
szybko, żeby nie zdążył
wydostać się z zasięgu
działania elektromagne-
su. Po przejściu przez
obwód sygnał jest prze-
syłany na wejście źród-
ła prądowego sterowa-
nego napięciem, które
zbudowano w oparciu
o układ U2B i tranzy-
stor T1. Wykorzystanie
źródła prądowego za-
miast zwykłego stero-
wania cewki napięciem
(jak jest to rozwiązane
w większości tego typu
układów) ma dwie duże
zalety. Po pierwsze cew-
ka elektromagnesu z cza-
sem działania lewitatora
nagrzewa się, przez co
Rys. 3. Przykładowa konstrukcja mechaniczna
zwiększa się jej rezy-
lewitatora
stancja. Przy sterowaniu
Rys. 4. Schemat montażowy lewita-
tora
napięciowym spowodowałoby to
zmniejszenie natężenia prądu płyną-
cego w uzwojeniu i co za tym idzie
zmniejszenie natężenia pola magne-
tycznego. Dzięki sterowaniu prądem
natężenie pola nie zależy od tem-
peratury elektromagnesu. Po drugie
stabilizacja prądu płynącego przez
cewkę aktywnie tłumi tętnienia za-
silania, co umożliwia zastosowanie
kondensatora filtrującego o znacznie
mniejszej pojemności (czyli również
mniejszych rozmiarów) w stosunku
do układu opartego o sterowanie
napięciowe elektromagnesu.
Wzór płytki drukowanej został
pokazany na
rys. 4.
Montaż elemen-
tów na płytce przebiega standardo-
wo i nie wymaga chyba szczegóło-
wego komentarza. Zaczynamy od
WYKAZ ELEMENTÓW:
Rezystory
R1, R2: potencjometr montażowy
47 kV
R3*: patrz tekst
R4, R5, R7: 10 kV
R6: 180 kV
R8, R9: 1 kV
R10, R11: 1
V
1/2 W
Kondensatory
C1: 4700
mF/16
V
C2, C3: 100 nF
C4: 150 nF
C5: 100
mF/10
V
Półprzewodniki
D1...D5: 1N4007
T1: TIP122
U1: 78L05 w obudowie TO-220
U2: LM358
Montaż i uruchomienie
Elektronika Praktyczna 12/2007
105
Lewitator
wzmacniacza operacyj-
nego (czyli na nóżce
1 układu U2) obra-
camy potencjometrem
powoli w lewo aż do
momentu, gdy napię-
cie zacznie maleć. Po
tej operacji powinni-
śmy uzyskać sytuację,
w której podczas za-
słaniania i odsłaniania
fotokomórki ampli-
tuda zmian napięcia
w punkcie pomiaro-
wym jest zbliżona do
napięcia zasilania. Po-
dobnie wygląda sprawa
regulacji potencjometru
R2. Mierząc napięcie
na emiterze tranzysto-
ra przekręcamy poten-
cjometr R2 do oporu
w prawo, a następnie
obracamy go powoli
w lewo, aż do momen-
tu, w którym napięcie
Rys. 5. Lewitacja figurki origami z ukrytym w jej wnę-
zacznie spadać. Na-
trzu magnesem
stępnie należy ustawić
fotokomórkę w odpo-
rezystorów, następnie montujemy wiedniej odległości od elektromagne-
coraz większe elementy kończąc
su (takiej, aby elektromagnes zdołał
na kondensatorach elektrolitycznych utrzymać swoją siłą dany obiekt le-
i złączach. Układ scalony warto za- witujący) i delikatnie umieścić obiekt
montować w podstawce. Jako złącza tuż pod wiązką światła fotokomórki.
wskaźnika laserowego i fotorezystora Jeśli wszystko przebiegło pomyślnie,
(J2 i J3) zastosowałem tzw. goldpiny.
po puszczeniu obiektu powinien on
Przewód łączący fotorezystor z płytką zacząć lewitować.
powinien być możliwie krótki, aby
Konstrukcję mechaniczną lewita-
nie pojawiły się zbyt duże zakłóce- tora można wykonać wzorując się
nia sygnału.
na schemacie z rys. 3, bądź też wy-
W prezentowanym modelu mak- korzystać swoje pomysły i wprowa-
symalny prąd płynący przez cewkę dzić różne modyfikacje. Jako lewi-
wynosi około 1,5 A. Prąd pobierany tujący obiekt można zastosować do-
wolny, lekki przedmiot stalowy, jak
przez pozostałą część układu jest
znacznie mniejszy, oznacza to, że również magnes. Przy zastosowaniu
do zasilania jest potrzebny transfor- okrągłego magnesu neodymowego
mator o mocy 20 VA. Absolutnie ko- o średnicy 15 mm i wysokości około
nieczne jest zamocowanie radiatora
10 mm udało mi się uzyskać dosyć
do tranzystora T1. Moc wydzielana stabilny efekt lewitacji w odległości
na tym elemencie może wynosić aż 4 cm od elektromagnesu! Jest to
nawet kilka watów, dlatego radia- naprawdę duża odległość – pomię-
tor ten powinien mieć odpowiednio dzy magnes a cewkę można swobod-
nie wsunąć palce, jak to widać na
duże rozmiary.
fot. 2 i upewnić się, że nie ma tam
Regulacji dokonujemy najlepiej
przy pomocy oscyloskopu, gdyż po- żadnej ukrytej nitki.
może to wykryć ewentualne zakłóce-
Obiektem lewitującym może być
nia i tętnienia. Można jednak obejść praktycznie dowolny, lekki przed-
się bez niego i posłużyć się tylko miot żelazny lub z przymocowanym
woltomierzem. Po włączeniu zasila- magnesem. Na
fot. 5
widoczna jest
nia urządzenia, podczas gdy fotoko- lewitująca figurka origami z magne-
mórka jest maksymalnie odsłonięta, sem neodymowym zamocowanym
przekręcamy potencjometr R1 mak- wewnątrz górnego wierzchołka.
symalnie w prawo. Następnie, mie-
Karol Łuszcz
rząc napięcie na wyjściu pierwszego
106
Elektronika Praktyczna 12/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin