Змейка левитрон принцип работы. Аналоговый левитрон на шим. Что такое левитрон

15.01.2018 , 5,316 Просмотры

Данная самоделка представляет собой Левитрон с управляемым подвесом. Конструкция и схема достаточно просты, так что собрать её будет под силам даже не очень опытному радиолюбителю и любителю самоделок. В статье описана пошаговая инструкция сборки левитрона, следуя её, проблем с работоспособностью возникнуть не должно!

Схема левитрона

Что нужно для изготовления левитрона

Транзистор IRF740A [Купить недорого ]
Мультиплексор IN74LS157N
Датчик Холла SS443A [Купить недорого ]
Диод 1N4007 [Купить недорого ]
Светодиод 12V
Резисторы [Купить недорого ]
Переключатель (Не включатель!!)
Монтажная плата [Купить недорого ]
Обмоточный провод ∅ 0.4 мм
Неодимовые магниты разных размеров [Купить недорого ]
Блок питания 5V 3A [Купить недорого ]
Фанера и тонкий пластик

Изготовление Левитрона

Первым делом необходимо собрать корпус куда будет монтироваться вся схема, в том числе и катушка. Корпус можно изготовить по схеме ниже либо придумать свой вариант.

Первым делом из фанеры вырезаем все детали нижнего основания и при помощи клея ПВА собираем его.

Затем выпиливаем элементы стоек и так же с помощью клея склеиваем их.

После того как корпус собран, можно покрасить его в любой цвет, так он станет однотонным и привлекательным на вид, но это не обязательно конечно.

Перед сборкой схемы необходимо установить монтажную плату в корпус используя прокладку. Прокладка нужна для того, что бы обеспечить расстояние между корпусом и платой, что бы ножки деталей полностью заходили в отверстия и не возникало проблем при монтаже.

Затем вырезаем деталь где делаем отверстия для светодиода и переключателя. Эта деталь будет случить креплением для катушки.

При помощи супер клея, устанавливаем эту деталь на стойку.

Теперь необходимо подобрать стержень, его диаметр должен составлять 10 мм.

Затем вырезаем пластиковые стенки диаметром 45 мм.

С помощью супер клея промазываем внешние края стенок и основания для из фиксации.

Аккуратно продеваем провод.

Обрезаем провод с запасом, делаем надрез на стенке, укладываем туда конец провода и термоклеем фиксируем него, для того что бы избежать распускания.

Затем с помощью лезвия убираем все неровности.

Наша катушка готова. Теперь при помощи супер клея устанавливаем её на корпус, как на фото ниже.

Затем устанавливаем на корпус переключатель и светодиод и сразу же их припаиваем к отведенным для них проводам.

Затем припаиваем провода катушки и датчики холла. Длина проводов датчиков холла должна быть достаточной что бы достать до конца катушки.

Затем сгибаем датчики холла областью сенсора наружу.

Теперь при помощь изоленты крепим датчики как показано на рисунке ниже. Такой способ крепления в будущем, позволит без проблем менять расстояние между сенсорами. Дополнительно необходимо зафиксировать датчики с помощью канцелярских резинок.

Затем продеваем датчики в отверстие катушки и центруем их. Для этих целей и надевалась дополнительно канцелярская резинка.

При помощи пластиковых хомутов фиксируем все провода.

Теперь наш левитрон готов к эксплуатации!

Испытание Левитрона

Подключаем блок питания.

Меняя расстояние между датчиками, мы так же меняем длину хода подвеса.

Всё что остаётся сделать, это поместить магнит в зону датчика и наслаждаться чудесами левитации!))

Видео самоделки — Левитрон с управляемым подвесом

Здесь рассказано и показано, как сделать крутой левитрон своими руками!

Эту поделку меня вынудили собрать в универе:)

Делал я её в паре с одногруппником, задачей которого было сделать чумовой корпус, а с меня - электронную начинку.

Насколько всё классно получилось - судите сами, пишите комментарии, интересно будет почитать, обсудить.

Не помню, как именно мы пришли именно к идее сделать левитрон, тема поделки была вольная. Конструкция вроде и простая, но глаз притягивает.

Вообще сам левитрон - устройство, которое поддерживает какой-либо предмет в среде, которая никак не соприкасается с какой-либо поверхностью, кроме как через воздух. В вакууме тоже будет работать.

В данном случае электроника заставляет парить магнит, а магнит уже можно приклеить к, например, банке из-под вкусного недорогого напитка:)

Если хорошенько поискать в интернете, то можно увидеть много разных вариантов электромагнитного левитрона, например:

Их можно условно разделить на подвесной и отталкивающий. Если в первом случае необходимо просто компенсировать силу тяжести, то во втором ещё и смещение в горизонтальной плоскости, так как согласно теореме Ирншоу "всякая равновесная конфигурация точечных зарядов неустойчива, если на них кроме кулоновских сил притяжения и отталкивания ничто не действует." - цитата из вики.

Из этого вытекает, что подвесной левитрон проще в изготовлении и настройке, если таковая вообще необходима. Сильно заморачиваться не хотелось, поэтому для универа сделали подвесной левитрон, о котором здесь идёт речь, а отталкивающий уже делал для себя любимого:) О нём в другой статье будет написано. Чуть позднее удалю этот текст и дам тут ссылку на него. Работает великолепно, но минусы свои тоже имеет.

В свою очередь все подвесные левитроны можно так же условно разделить на цифровые и аналоговые по способу удержания предмета на одном расстоянии. А по типу датчиков их можно разделить на оптические, электромагнитные, звуковые и, наверное, всё.

То есть сигнал о расстоянии магнита до левитрона мы получаем аналоговый, а корректируем силу воздействия на магнит уже цифровым способом. Hi-tech, однако.

Сама идея была позаимствована на сайте geektimes, а печатная плата была изготовлена уже персонально под наш набор деталей. Так же в исходном проекте были использованы трёхвыводные датчики SS49 , но сроки были весьма сжатые, у нас они стоили мягко говоря неоправданно дорого ($4 за штуку против $6 за 10 штук в китае - ссылка для примера), поэтому мы использовали четырёхвыводные датчики Холла. Пришлось изменить схему и внести конструктивные дополнения в устройство. Так же для большей понтовости был добавлен блок светодиодов, которые плавно загораются при поднесении магнита, то есть когда левитрон начинает работать и плавно выключаются, когда магнит убирают. Всё это будет отражено на схеме.

Собственно, схема левитрона на четырёхвыводных датчиках:

И схема левитрона на трёхвыводных датчиках и более простой подсветкой:

Принцип действия довольно прост. Катушка, являющаяся электромагнитом при подаче питания притягивает магнит - предмет притягивается. Датчик, прикреплённый между магнитом и катушкой фиксирует увеличение магнитного потока, что означает приближение магнита. Электроника это отслеживает и отключает катушку от источника напряжения. Магнит начинает падать под действием силы тяжести. Датчик фиксирует уменьшение магнитного потока, что сразу же обнаруживается электроникой и на электромагнит подаётся напряжение, магнит притягивается - и так происходит очень часто - около 100 тысяч раз в секунду. Возникает динамическое равновесие. Человеческий глаз не успевает заметить этого. Частота генератора задаётся резистором и конденсатором на выводах 5 и 6 микросхемы TL494.

Второй датчик на другой стороне электромагнита нужен для того, чтобы компенсировать магнитное поле, создаваемое самой катушкой. То есть, если бы не было этого второго датчика - при включении электромагнита система бы не могла отличить интенсивность магнитного поля неодимового магнита от магнитного поля, создаваемого самим электромагнитом.

Итак, мы имеем систему двух датчиков, сигнал с которых поступает на операционный усилитель в дифференциальном включении. Это значит, что на выходе операционного усилителя появляется лишь разность напряжений, получаемых с датчиков.

Для примера. На одном из датчиков на выходе напряжение 2,5 В, а на другом - 2,6 В. На выходе будет 0,1 В. Этот дифференциальный сигнал находится на выводе 14 микросхемы LM324 по схеме.

Далее этот сигнал поступает на два следующих операционных усилителя - OP1.1, OP 1.3, выходные сигналы которых через диодный вентиль идут на 4 вывод микросхемы TL494. Диодный вентиль на диодах D1, D2 пропускает только одно из напряжений - то, которое будет больше по номиналу. Вывод №4 ШИМ контроллера рулит следующим образом - чем выше напряжение на этом выводе - тем меньше скважность импульсов. Резистор R9 предназначен для того, чтобы в ситуации, когда на входах диодного вентиля напряжения меньше 0,6 В - вывод №4 был однозначно притянут к земле - при этом ШИМ будет выдавать максимально большую скважность.

Вернёмся к операционным усилителям OP1.1, OP 1.3. Первый служит для выключения ШИМ контроллера, пока магнит находится на достаточно большом расстоянии от датчика, чтобы катушка не работала на максимуме вхолостую.

С помощью OP 1.3 задаём коэффициент усиления дифференциального сигнала - по сути задаёт глубину обратной связи (ОС). Чем сильнее обратная связь - тем сильнее система будет реагировать на приближение магнита. Если глубина ОС не достаточна - магнит можно будет поднести вплотную, а прибор не начнёт снижать мощность, накачиваемую в электромагнит. А если глубина ОС будет слишком большая - то скважность начнёт падать до того, как сила притяжения магнита сможет его удерживать на этом расстоянии.

Переменный резистор P3 ставить не обязательно - он служит для настройки частоты генератора.

OP1.2 является генератором напряжения 2,5 В, необходимый для четырёхвыводных датчиков. Для трёхвыводных датчиков типа SS49 он не нужен.

Забыл упомянуть о элементах C1, R6 и R7. Их фишка в том, что постоянный сигнал здесь урезается в 10 раз за счёт резисторов, а переменный за счёт конденсатора спокойно проходит дальше, тем самым достигается упор работы схемы на резкие изменения расстояния магнита до датчика.

Диод SD1 предназначен для гашения обратных выбросов в момент отключения напряжения на электромагните.

Узел на T2 позволяет плавно включать и выключать светодиодную линейку при появлении импульсов на электромагните.

Перейдём к конструктивному исполнению.

Одним из ключевых моментов в левитроне является электромагнит. Мы делали каркас на основе какого-то строительного болта, на котором были вырезаны круглые бортики из фанеры.

Магнитный поток здесь зависит от нескольких ключевых факторов:

наличие сердечника;
геометрия катушки;
ток в катушке

Если проще, то чем больше катушка и больший ток течёт в ней - тем сильнее она притягивает магнитные материалы.

В качестве обмотки использовали провод ПЭЛ 0,8 мм. Мотали на глаз, пока размеры катушки не показались внушительными. Получилось следующее:

Найти необходимый провод в наших краях может не получиться, однако вполне легко находится в интернет магазинах - провод 0,4 мм для намотки катушки .

А пока моталась катушка была подготовлена и вытравлена плата. Делалась по технологии ЛУТ, рисунок платы был сделан в программе Sprint LayOut. Скачать плату левитрона можно по ссылке .

Травилась плата в остатках аммония персульфата, пустая банка которого была успешно применена далее в этом проекте:)

Хочу отметить, что размещение деталей, а так же разводка дорожек подразумевают очень аккуратную пайку, так как легко наделать соединений там, где их быть не должно. Если таковых навыков нету - вполне дозволительно это сделать компонентами больших размеров на макетной плате, типо такой , а соединения выполнять с помощью проводов с обратной стороны.

По итогу плата получилась такая:

Плата очень эргономично вписалась в габариты катушки и была прикреплена прямо на неё с помощью могучего термоклея, тем самым превращаясь в единый моноблок - подключил питание, настроил и система работает.

Но это всё было до того, как был готов электромагнит. Плата была сделана немного раньше и чтобы хоть как-то протестировать работоспособность устройства была временно подключена менее габаритная катушка. Первый результат порадовал.

Датчики, как уже писалось выше, применены от систем слежения положения BLDC двигателей, четырёхвыводные. Так как не удалось найти на них документацию пришлось опытным путём выяснять, какие выводы за что отвечают. Форм-фактор получился такой:

Тем временем подоспел крупногабаритный электромагнит. Эта штука вселяла большую надежду:)

Первые испытания с большим электромагнитом показали довольно большое рабочее расстояние. Тут есть один нюанс - датчик, который расположен на стороне неодимового магнита должен быть немного дальше от катушки для уверенного срабатывания электроники.

Последнее фото больше напоминает некий космический спутник. Кстати, именно так и можно было бы оформить этот левитрон. И у тех, кто намерен повторить конструкцию - всё впереди:)

В качестве левитирующего предмета было решено использовать банку прохладительного напитка. Лепим на двухсторонний скотч магнит к банке, проверяем.

Работает прекрасно, в целом, устройство можно считать готовым. Осталось внешнее оформление. Из брусков и палок была сделана опорная балка, корпус нашего моноблока был выполнен из той самой пустой пластиковой банки из-под аммония персульфата. Из моноблока выходит всего два провода на питание, как и задумывалось.

К этому моменту уже была напаяна навесным монтажом схема плавного включения линейки светодиодов, сама линейка успешно примонтирована на вездесущий термоклей.

В качестве блока питания выступает позаимствованный у какого-то принтера блок, переделанный с 42 В на 12 В.

Внешний вид блока питания тоже покажу:)

Далее из фанеры была сделана подставка, в котором помещался блок питания и разъём для подключения 220 В. Наверху была наклеена матерчатая ткань для красоты, вся конструкция окрашена в жёлто-чёрный цвет. Банку поменяли, так как в ходе экспериментов она немного помялась.

Из этого всего помимо эффекта левитации получился ещё очень даже замечательный ночник.

Видео добавлю чуть позднее, а пока в довершение всему хочу сказать, что мою конструкцию легко повторил 13-летний учащийся моего радиокружка.

Пока ещё внешний вид до законченного варианта не доведён, но электронная начинка работает как положено. Фото его конструкции:

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.

DIY или Сделай сам

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.

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.

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.

Штука хорошая, но в хозяйстве практически бесполезная (фото hobbytron.net).

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.

Так выглядит «Левитрон», сделанный своими руками (фото hcrs.at).

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 .

Антигравитационный глобус — действительно вещь (фото fascinations.com).

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.