Lewitujący magnes

To jest kolejny projekt, który zrobiłem. Filmy o lewitujących magnesach oglądałem już od kilku miesięcy. Widziałem różne rozwiązania. Ja zrobiłem swój wykorzystując dwa wzmacniacze operacyjne LM741.

Zasada działania jest następująca - magnes neodymowy jest przyciągany przez cewkę. Przy cewce znajduje się czujnik Halla, który mierzy pole magnetyczne. Gdy magnes neodymowy znajdzie się wystarczająco blisko cewki (wzrośnie pole magnetyczne rejestrowane przez czujnik), wówczas układ sterujący odetnie zasilanie cewki i magnes neodymowy zacznie opadać pod wpływem grawitacji. Wówczas zmniejszy się pole magnetyczne rejestrowane przez czujnik Halla, co spowoduje załączenie napięcia cewki przez układ sterujący. Jak widać cały układ oscyluje w zależności od masy magnesu i  przyłożonego napięcia do cewki.

Poniżej przedstawiam schemat mojego układu:

Schemat

Ja używam dwóch liniowych czujników Halla, tak aby mierzyć różnicę wartości pola magnetycznego u dołu i góry cewki. Jeżeli pole magnetyczne generowane przez cewkę jest symetryczne, to wypadkowa wartość pola magnetycznego mierzonego przez czujniki znajdujące się przy dolnej i górnej powierzchni cewki wynosi zero (napięcia zmierzone przez czujniki zostaną odjęte od siebie przez układ IC4 będący w konfiguracji wzmacniacza różnicowego). Użycie dwóch liniowych czujników Halla miało mnie zabezpieczyć przed wpływem pola magnetycznego generowanego przez cewkę i pokazywać jedynie pole magnetyczne generowane przez magnes neodymowy. Jednak życie pokazało, że cewka nie jest symetryczna i napięcia z czujników Halla (IC1 i IC2) się nie zerują. Różnica na wyjściu IC4 wynosi ok 140 mV przy odłączonej cewce. Przy załączonej cewce różnica wynosi ok. 490 mV.

Drugi układ IC5 steruje pracą tranzystora Q1, który steruje przepływem prądu przez cewkę L1. Układ IC5 pracuje jako komparator. Napięcie na wejściu niedwracającym (ustalane przez dzielnik napięcia reprezentowany przez potencjometr R7) jest porównywane z napięciem na wejściu odwracającym (wychodzącym z układu IC4). Jeżeli napięcie z R7 jest większe niż z IC4 to na wyjściu układu IC5 jest stan wysoki. Gdy napięcie z IC4 przekroczy napięcie z R7, to na wyjściu IC5 pojawi się stan niski. Powoduje to, że tranzystor Q1 cały czas jest wysterowany i cały czas prąd płynie przez cewkę L1 (magnes jest przyciągany). Odłączenie cewki następuje zaś, gdy napięcie z IC4 przekroczy wartość jaką ustala potencjometr R7 (zwiększające się pole magnetyczne powodowane przez zbliżający się magnes neodymowy zwiększy wypadkowe napięcie na czujnikach Halla).

Jak napisałem wcześniej tranzystor Q1 steruje pracą cewki L1. Dioda Schottky'ego D1 zabezpiecza tranzystor przed napięciem wstecznym, jakie powstaje podczas błyskawicznego rozładowania się cewki po odłączeniu napięcia. Jak czytałem, takie napięcie jest kilkaset razy większe niż napięcie zasilania cewki, więc mogłoby spalić tranzystor. Dioda LED służy do wizualizacji pracy cewki. Jest zapalona podczas pracy cewki, a gaśnie po odłączeniu napięcia przez tranzystor. Dzięki niej można zauważyć kiedy układ cewka-magnes wpada w stan równowagi - wówczas dioda LED przygasa (układ oscyluje i dioda miga z wielką prędkością). W moim przypadku układ oscyluje z częstotliwością ok 2 kHz. Częstotliwość drgań zależy od masy elektromagnesu i prądu i napięcie przyłożonego do cewki. Gdy zmniejszyłem masę magnesików, to częstotliwość spadła do 1,3 kHz. Rezystor R9 ogranicza prąd płynący przez cewkę (cewka ma też swoją własną rezystancję wynoszącą około 100 Ohm).

Obraz z oscyloskopu przedstawia poziomy napięć na poszczególnych stopniach układu w momencie, gdy magnes jest utrzymywany w powietrzu przez cewkę. Kolor żółty to napięcie referencyjne z potencjometru R7. Linia fioletowa to wyjście z układu IC3 (napięcie różnicowe czujników Halla IC1 i IC2). Linia niebieska to wyjście układu IC4 (napięcie bazy tranzystora Q1). Analizując linię fioletową (wypadkowe pole magnetyczne mierzone przez czujniki Halla => pozycja magnesu) widzimy, że wypadkowe pole magnetyczne (napięcie z IC3) układu cewka-magnes oscyluje w pobliżu napięcia ustalonego przez potencjometr R7 (linia żółta). Patrząc na poziom linii fioletowej nad linią żółtą i pod nią można powiedzieć, że czas kiedy cewka jest wyłączona i magnes opada (poziom nad linią żółtą) jest dłuższy niż, gdy magnes jest przyciągany.

Analizując linię niebieską (napięcie na bazie tranzystora) widzimy, że częściej jest on odłączony niż załączony => Siła pola magnetycznego cewki jest dużo większa niż siła opadania magnesu 😃😃😃.

W tym projekcie musiałem także zmierzyć się z tematem zasilania symetrycznego V+, V-. Wynikało to z faktu, że przy zasilaniu układ IC4 napięciem niesymetrycznym Vcc (nóżka V+ układu IC4 podłączona do Vcc, nóżka V- podłączona do masy) na wyjściu IC4 uzyskiwałem napięcie ok 1,9 V (przy podaniu na oba wejścia odwracające i nieodwracające masy, bądź Vcc). Powinno być zero, a było 1,9 V. Jak poczytałem na forach, przyczyną tego było zasilanie napięciem niesymetrycznym. Dlatego musiałem wykorzystać układ do zamiany napięcia niesymetrycznego Vcc, na napięcie symetryczne +Vcc/2, -Vcc/2. Tworzy się tam wirtualną masę na poziomie Vcc/2. Wówczas różnica się zerowała.

Wyliczenia:

• Dlaczego tranzystor BC338 ? (maksymalny prąd kolektora Ic = 0,5 A): Prąd płynący przez cewkę to: I=U/R=(12 V (zasilanie) - 2 V (dioda LED) ) /(100 Ohm (cewka L1) +20 Ohm (rezystor R9)) = 0,083 A => Czyli BC338 wystarczy => Napięcie na cewce L1 to: U=R*I=100*0,083=8,3V. Napięcie na rezystorze R9 to: 20*0,083=1,66V. (Pomiary w przybliżeniu. Oczywiście wyliczenia dotyczą przypadku, gdy układ nie oscyluje, tzn. magnes jest oddalony od cewki->dioda świeci ciągle mocnym światłem).
• Moc wydzielana na rezystorze R9: P=I*U=I*I*R= 0,083*0,083*20 = 0,14W

Co jeszcze można ulepszyć?:

• można dodać kondensatory odszumiające napięcia przy układach LM741,
• może jakiś kondensator wyrównujący spadki napięć przy cewce L1 (ale to wszystko trzeba pomierzyć na oscyloskopie, ale tego już mi się nie chciało robić),
• cewka też mogłaby być większa - wtedy można zobaczyć jak zmienia się wysokość lewitacji podczas zmiany napięcia na potencjometrze R7 (mój przekaźnik jest za słaby na takie zmiany - zmany wysokości są niewidoczne),

W poniższym filmie omawiam wszystko i przedstawiam to na oscyloskopie.

Film jest do poprawienia, bo widzę, że mówiąc popełniłem wiele błędów :).


Części:

• IC1, IC4, IC5: wzmacniacz operacyjny LM741
• IC2, IC3: liniowy czujnik Halla A1302
• R1 - R6: rezystor 10 kOhm
• R7: potencjometr 10 kOhm (wieloobrotowy Helitrim, może mieć inną wartość)
• R8: rezystor 2,2 kOhm
• R9: rezystor 20 Ohm
• Q1: tranzystor NPN BC338
• D1: dioda Schottky'ego 1N5819 (dowolna dioda pracująca z częstotliwością nie mniejszą niż 5 kHz)
• L1: cewka (ja użyłem przekaźnika samochodowego)
• magnes neodymowy (ja użyłem kilku magnesów 5x2mm)
• LED1: dioda LED