Игрушки на магнитном поле
Обновлено: 03.05.2024
В современном обществе магнитные игрушки стали максимально популярными, и всё чаще и разнообразнее появляются в каждом доме, в котором есть дети. Сегодня родители стараются обучать и посвящать ребёнка уже с самого рождения во всё, что существует вокруг. Именно поэтому знания о магните и магнитном поле известны уже с сада. Опыты и эксперименты, которые связаны с разными явлениями в мире, давно не редкость даже для самых маленьких.
Самые популярные виды магнитных игр могут быть опасны
Магнитные буквы, цифры, фигурки и конструктор – это наиболее популярные и распространённые игры для детей. Однако нельзя забывать о том, что подобные игровые наборы могут быть подвергнуть опасности вашего ребёнка.
Очень часто случается так, что сам небольшой магнитик в составе этих игрушек может выпасть и привести к страшным последствиям. Безусловно, в первую очередь об этом должны думать изготовители, делая игрушки более надежными. Однако, как мы все понимаем, большая часть ответственности ложится на плечи родителей, которые должны выбирать подобные игрушки тщательнее.
В чём опасность?
Некоторые считают, что магниты в играх обладают магнитным полем, отрицательно сказывающимся на здоровье ребенка. Однако это не так. Более того, давно изучено положительное воздействие магнитного поля на состояние человеческого организма. Даже если Вы сторонник другого мнения, разработчики дают гарантию безопасности, согласно следующим доводам:
· Недолгое время игры, чередуя с другими играми.
· Несильное магнитное поле.
· Нет прямого контакта с магнитами.
Итак, если магнитное поле не является опасным, как тогда можно навредить?
Самое опасное – это проглатывание магнита ребёнком. В данном случае реакция может быть совершенно разной и привести к самым страшным последствиям. Важно понимать, что даже в возрасте 3х-4х лет дети могут взять что-то в рот, поэтому не допускайте игры с магнитами без вашего присутствия.
В завершении
Современные игрушки уже далеко не такие, какие были даже 5 лет назад. Каждый день разрабатываются и создаются всё новые их виды для детей всех возрастов, но помимо оригиналов, всегда создаются некачественные копии, которые могут принести вред ребёнку. Идти в ногу со временем определённо нужно, однако подходить к выбору стоит более тщательно. Лучше приобрести одну качественную игру, чем несколько дешёвых китайских подделок.
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.
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.
Как и «летающие» гаджеты, такие, как, допустим, коптеры, левитирующие устройства тоже создаются больше частью для развлечения. Траектория полета не «предусмотрена», и парят такие девайсы строго на одном месте, несильно возвышаясь над какой-либо поверхностью. И так, как «магическая функция» для них — не главная, то чаще всего она добавляется к более понятным характеристикам: так появились летающие лампы, динамики, растения и т. п.
Предлагаем небольшую подборку таких устройств:
Левитирующий глобус
Одно из самых первых устройств, с которым мы познакомились, был бизнес-сувенир в виде глобуса. Миниатюрный шар парил между двумя краями небольшого коромысла, которое в свою очередь подключалось к сети.
Волшебство лучше всего демонстрировать на таких вещах, которые в классическом понимании никак нельзя усовершенствовать. Понятно, что лампа должна вкручиваться в патрон, а вся конструкция — работать от электричества, поэтому левитирующие источники света, никак не связанные «проводами» должны впечатлять.
Ночничок, абажур которого поделен на две части, одна из которых как раз-таки и зависает в воздухе в то время, когда конструкция подключена к сети. Магия создается поэтапно: сперва над основанием как бы «навешивается» небольшая деталь, на которую сверху цепляется оставшаяся часть абажура. В этот момент ночник загорается:
Похожее, но чуть более дорогое устройство продается под названием Eclipse. Всего модельный ряд включает несколько девайсов с разными видами абажуров, а отдельные модули.
Отдельные модули, предназначенные для водружения на них разных предметов, тоже сегодня не проблема. Такие можно найти и на Amazon, а на Aliexpress предлагаются вниманию что-то вроде "левитирующих баров", правда, для одной бутылки. Конструкция, возвышающаяся в высоту, включает два магнита, между которым вставляется бутылка:
Возвращаясь к лампам… Нельзя не упомянуть довольно громкий проект с Kickstarter Luna — настольную лампу — где светящийся диск парил на небольшом расстояние от «головы»:
Еще один проект с Kickstarter — Flyte — тоже связан с парящим светом, однако в отличие от предыдущего он не «висит», а «стоит». Лампа на подставке была представлена в прошлом году, и ее стоимость начиналась от $149.
А вот тут показано, как можно сделать что-то подобное своими руками.
Сделать парящую колонку тоже оказалось не так сложно, и многие в этом преуспели. Покажем лишь некоторые:
Чрезвычайно на него похожий, но почему-то известный под другим названием, Fineway.
Music Angel — тоже «игрушка» с Amazon круглой формы и аналогичными предыдущим характристиками:
ASWY — динамик с CES, некруглой формы.
Обзор этой колонки мы, кстати, делали в нашем блоге на Geektimes.
Самым же забавным на общем фоне кажется LittleBigSound — целая коллекция роботов-колонок миниатюрной формы, которые ко всему прочему еще и обладают подсветкой:
Все динамики такого типа обладают довольно сходными конструктивными особенностями: это обязательное наличие базы, подключенной к сети, над которой на небольшом расстоянии и парят звукоизлучатели. В некоторых случаях мы имеем обычный динамик, в некоторых, как в том же ASWY — возможность обратной связи, правда, громкой.
Самым громким проектом оказался Бонсай, о котором многие писали, в том числе и здесь.
На выбор покупателям предлагалось несколько вариантов дизайна, а сама конструкция, как и в других девайсах, состояла из двух основных частей: мощной магнитной базы и мохового шарика, также оснащенного магнитом, что и давало эффект левитации. Основная проблема проекта — доставка такого «гаджета» за пределы Японии, которую планируется реализовать через региональных партнеров.
Правда, это не первое предложение такого рода. Менее заметно прошла другая кампания с левитирующими растениями, хотя отгрузки по ней должны начаться уже в марте, то есть практически на днях. Little green planet позволяет выращивать несколько более понятных и привычных видов растений, вплоть до кактусов:
А вот так выглядит прототип конструкции с недооформленной базой:
Концепт кровати
Идея левитирующих девайсов для жизни, хобби, развлечения волнует дизайнеров, и уже «отрисованные» идеи в течение последних лет десяти появляются на страницах разных изданий в качестве прототипов. Одним из долгожданных устройств можно было бы назвать левитирующую кровать, о которой активно говорили еще лет 7 назад. Она была представлена дизайн-студией KooTouch, однако до сих пор никаких оснований верить в ее серийное производство нет.
Левитрон — приспособление, которое при вращении повисает в воздухе над основной коробкой. В ней, в свою очередь, размещены магниты, создающие встречное магнитное поле, не дающее волчку покинуть локацию этого поля.
Что это такое?
Левитрон формирует отталкивающее волчок магнитное поле, позволяя тому перемещаться лишь в определённой точке. Магнитный поток, создаваемый основной коробкой с магнитами, уравновешивает подвес волчка со всех сторон. Отталкивающее магнитное поле образует в воздухе своеобразную гравитационную подушку, одинаковую по силовым линиям с любой из сторон, если смотреть относительно горизонтальной плоскости, параллельной верхней грани коробки.
Волчку, зависшему над упаковкой с магнитами, обязательно нужно вращательное движение, и должно оно быть с относительно постоянной угловой скоростью. Если этот волчок (парящую болванку) остановить, то он перевернётся и притянется, так как нижний его полюс, обращённый к коробке, сменится на противоположный. Этот принцип работы лежит в основе всех подобных установок, в которых роль упругого материала, не дающего грузу упасть, выполняют силовые линии. Второе обязательное условие, помимо вращения, — магниты в упаковке должны быть развёрнуты одним и тем же полюсом вверх.
Для предотвращения соскальзывания и переворачивания они вставлены в несквозные отверстия и жёстко зафиксированы, например, при помощи универсального клея.
Виды изделий
Левитирующая фоторамка состоит из внешнего и внутреннего контуров. Во внешнем размещены направляющие и сосредотачивающие своё поле магниты. Во внутреннем — магнит самого волчка. В сам внутренний контур вставляются одна или две фотографии. Вращаясь, контур с волчком демонстрирует лицевую и оборотную стороны вставленных фото. Рамка с таким устройством способна эффектно украсить стол. Например, геймер, увлекающийся популярными онлайн-играми, помещает две направленные в обе стороны фотографии одного или двух любимых персонажей. Внутренний контур такой фоторамки выполнен, например, в виде сердца, символизирующего любовь и симпатию к этим вымышленным героям. А попав во время стриминга в изображение с веб-камеры, геймер выделится этой «фишкой» и привлечёт внимание новых подписчиков его же собственного видеоканала. В иных случаях левитирующая фоторамка становится предметом интерьера комнаты, украшением для дома.
Левитирующая подставка для посуды включает встроенный в дно, например, салатницы или вазы для цветов, магнит волчка. Однако несимметричные ручки у посуды, например, у литровой кастрюли для приготовления первых блюд на одного человека или скоровороды, разбалансируют волчок.
Предмет посуды перевернётся, притянувшись и опрокинув на стол приготовленное блюдо.
Звуковая колонка должна быть круглой, однородной, работать от аккумулятора «на борту», быть беспроводной, например, звуковоспроизводящий динамик с Bluetooth. Все детали тщательно уравновешиваются отбалансированной компоновкой. При работающей на «басах» виброотдаче колонка колеблется, будучи парящей в воздухе.
Прочие подарки и сувениры: часы с видом циферблата сверху, стакан или кружка со смещённым центром тяжести (из-за наличия ручки сбоку), цветочный горшок, маленькая ёлка в виде сувенира, мини-дерево, выполненное как бонсай. А также искусственная луна (желтоватый шар с лунной текстурой поверхности), круглая декоративная мини-полка и другие подарки должны быть тщательно отцентрованы. Малейший дисбаланс центра масс способен превратить левитрон в непонятный с виду предмет, притянувшийся «не той» стороной и стоящий криво.
Это же относится к объёмным предметам, сохранившим лёгкость по общей собственной массе. Например, это может быть декоративное облако с разноцветной светодиодной подсветкой, оригинальная фигурка в виде пенопластового снеговика с нарисованным лицом и многое другое.
Все эти изделия не обходятся без платформы с основным набором магнитов, формирующих магнитное кольцо с гравитационным провалом в центре, в котором и балансирует волчок.
Как сделать своими руками?
В домашних условиях воссоздать левитрон крайне просто. Первым делом необходим подходящий чертёж изделия, без которого изготовление качественной, по-настоящему безотказной левитирующей площадки и подвижного объекта крайне затруднительно.
Подготовка
Подбор инструментария включает в себя: болгарку с набором отрезных дисков по дереву и металлу, лобзик с пильными полотнами по дереву, электродрель с корончатыми, конусными и/или перьевыми свёрлами, строительный маркер, (штанген) циркуль, карандаш, рулетку, линейку-угольник, транспортир.
Из материалов, кроме плоских цилиндрических магнитов, потребуются: доска из натуральной древесины или отрезок бруса, универсальный клей (можно применить «Момент-1» или термоклей в пистолете), а также дополнительные материалы. Нередко вместо набора неодимовых магнитов применяют мощный ферритовый (классический) магнитик, извлечённый из динамика большой мощности и габаритов. В последнем случае это динамические головки сабвуферов, входящих в стационарную электроакустическую установку. Потребуется очень аккуратное извлечение ферритового магнита: несмотря на твёрдость, он очень легко ломается, и собрать его отколовшиеся части окажется весьма трудным делом.
Кольцевой магнит, получивший сколы, а тем более треснувший насквозь, выдаст неидеальное, разбалансированное магнитное поле, в котором волчок, скорее всего, гарантированно завалится набок.
Схема изготовления
Для изготовления левитрона выполните следующие шаги.
Разметьте отрезок доски, в которой размещаются магниты, по внешней дуге окружности с помощью циркуля. Выпилите с помощью лобзика требуемый кусок.
- Отшлифуйте края, доведя деревянную основу до состояния идеального круга. Это делается при помощи болгарки или точила, но идеальнее всего доводка деревянного круга выполняется всё-таки на токарном или сверлильном станке, в патроне которого зажата ось. В центре просверливается небольшое отверстие для этой оси, а закреплена она может быть при помощи поперечных штифтов.
- Разметьте под магниты глухие отверстия — идеально круглые выемки. С помощью дрели и сверлящей коронки, конусно-ступенчатого сверла, либо фрезы на фрезере подходящего размера высверлите их. Так, 6 магнитов располагаются в виде правильного шестигранника, 13 — в виде 13-угольника, и так далее. Магнитов может быть и больше.
- Запрессуйте эти магниты. Они должны входить плотно — отверстия предварительно высверливаются точь-в-точь по диаметру магнитов. Для большей надёжности посадите их на клей. Опытные мастера разводят эпоксидный клей с образовавшимися при сверлении опилками (деревянной стружкой) и «намертво» заливают магниты, чтобы те не имели никаких шансов выпасть. Шероховатая внутренняя поверхность высверленных под магниты отверстий (выемок) надёжно удерживает эпоксидную заливку — изделие получается практически «вечным».
- Основание с магнитами готово. Они расположены одним и тем же полюсом — например, N — вверх. Этим же полюсом к ним повёрнут магнит волчка. Для изготовления самого волчка сделайте следующее. Отрежьте кусок от цельного карандаша — длина его составит 4 см. Убедитесь, что конец карандаша заострён идеально, лучше это сделать точилкой.
- Накрутите отрезок изоленты или скотча на карандаш. Это понадобится, чтобы кольцевой магнит равномерно, равноудалённо от центра наделся на отрезок карандаша. В данном случае, полюс N кольцевого магнита повернётся вниз — встречно к магнитам в отрезке деревянного основания, изготовленного по предыдущей инструкции.
Поэкспериментируйте с массой и уровнем расположения центра тяжести волчка. Это даст ему возможность вращаться и парить над основой левитатора без перекосов. Продолжайте центровать волчок, при каждой проверке закручивая его вокруг своей оси, пока его не перестанет мотать в разные стороны.
В качестве альтернативы — электромагнитное основание для волчка. Вместо магнитов берутся готовые круглые, или изготавливаются самостоятельно, катушки с железными сердечниками. Требуется предельная точность во всём — от расположения катушек до числа их витков. Расположите их идеально ровно, равноудаленно от волчка. Возможно, потребуется плата с импульсным драйвером — последовательная подача постоянных импульсов тока или синусоиды переменного напряжения превратит левитрон в воздушный безрамный двигатель. Недостаток — такой левитрон работает от батареек. Впрочем, и обычный, механический, на постоянных магнитах, левитирующий сувенир не вращается бесконечно, так как ни одна из магнитных установок не является вечным двигателем. Крутить его хотя бы пальцами всё равно придётся.
В следующем видео инструкция по изготовлению представлена более подробно.
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.
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:
7. Дисклаймер
Я не электронщик и не писатель, просто решил поделиться опытом. Может что-то покажется вам слишком очевидным, а что-то слишком сложным, а о чем-то забыл упомянуть вообще. Не стесняйтесь вносить конструктивные предложения и по тексту и по улучшению схемы, чтобы люди могли запросто это повторить, если будет такое желание.
Читайте также: