Elektromagnetyczny kręciołek z fidget spinnera

Fidget Spinner to mała zabawka, popularna kilka lat temu wśród dzieci i młodzieży. Jest ona zbudowana wokół znajdującego się na środku łożyska i trzech ciężkich ramion, które pomagają mu w utrzymaniu wysokiej prędkości obrotowej przez długi czas.

Fidget spinnery to już dawno przebrzmiała moda, jednakże autor poniższej konstrukcji postanowił wykorzystać go w nowej formie i stworzyć prostą elektroniczną zabawkę, która obraca się sama.

"Jakiś czas temu natknąłem się na tani fidget spinner zakopany pod zakurzonym stosem moich starych dokumentów w warsztacie" - pisze autor konstrukcji. Smukłe kontury zabawki przywiodły mu na myśl cewkę stojana w nowoczesnym bezszczotkowym silniku prądu stałego (BLDC) - patrz zdjęcie po prawej stronie.

Korzystając z tej inspiracji, zaczął szukać w Internecie większej ilości pomysłów i realizacji. Okazało się, że istnieje wiele projektów elektroniki dla fidget spinnera (zaskakująco - oparte są one na tym samym pomyśle, ale po prostu różnie się nazywają). Podstawową ideą jest jedynie przyspieszenie zabawki dzięki magii elektromagnetyzmu. Ponieważ jest to sprawdzony pomysł, to nie wymaga on nadmiernego myślenia - można zabrać się od razu do budowy. Autor zastosował tę samą koncepcję i zbudował własny model w oparciu o zabawkę i kilka prostych elementów elektronicznych. W dalszej części artykułu znaleźć można opis - krok po kroku jak to zrobić.



Pierwszym krokiem jest wklejenie magnesów neodymowych w ramiona zabawki. Wykorzystano małe, okrągłe magnesy wykonane z materiałów ziem rzadkich, z uwagi na ich dużą siłę. Magnes taki wklejono w otwór w każdym z ramion. Podczas budowy należy upewnić się, że ten sam biegun skierowany jest w górę na każdym ramieniu. Zdjęcie po lewej stronie pokazuje, jak wyglądać ma tak zmodyfikowana zabawka.

Następnie na środku fidget spinnera należy wykonać otwór o średnicy 3 mm. Otwór ten jest współosiowy otworem w środkowym łożysku zabawki. Przez ten otwór przeprowadzamy następnie śrubę lub gwintowany pręt o odpowiedniej średnicy i zaciskamy go w miejscu z pomocą nakrętek.

Drugi koniec śruby w podobny sposób montujemy na podstawce. Wykonać ją można z kawałka drewna, sklejki lub arkusza pleksi. Materiał jest niemalże dowolny. Śrubę wkręcamy w podstawę i kontrujemy nakrętkami tak, aby nie zmieniała swojej pozycji. Korzystając ze śruby ustalić możemy wysokość fidget spinnera nad podstawką - pod nim zmieścić musi się nasz elektromagnes i sensor.

Następnie domowej roboty elektromagnes przykręcono do podstawy, jak pokazano na zdjęciu po prawej stronie.

Elektromagnes wykonano z cewki zwykłego przekaźnika 12 V o rezystancji stałoprądowej 200 Ω. Wykorzystano jednakże jedynie sam rdzeń, a cewkę nawinięto od nowa drutem 33 AWG. Rezystancja tej cewki wynosi 6 Ω.

Elektromagnes jest jedną z kluczowych części tego projektu, ponieważ sprawia, że zabawka obraca się. Oznacza to, że element ten trzeba każdorazowo, eksperymentalnie dobrać do danej konstrukcji. Elementem, który zmieniamy, jest na ogół rezystancja cewki. Jeśli rezystancja jest zbyt wysoka, wówczas pole magnetyczne nie będzie dostatecznie silne, a z drugiej strony cewka pobierze zbyt duży prąd w przypadku zbyt niskiej rezystancji.

Teraz najtrudniejsza części konstrukcji - umieszczenie drugiego kluczowego elementu - kontaktronu. Jak wspominano wcześniej, magnesy w urządzeniu są zamontowane tak, że wszystkie mają biegun południowy skierowany w dół. Elektromagnes zamontowany pod spodem został podłączony w taki sposób, że górna część elektromagnesu ma biegun południowy podczas zasilania. Gdy magnes neodymowy na jednym ramieniu zabawki mija elektromagnes, przełącznik kontaktronowy pod drugim ramieniem jest uruchamiany przez magnes neodymowy tego ramienia, co powoduje uruchomienie elektromagnesu - otrzymuje on wtedy krótki impuls. Ponieważ zarówno magnes neodymowy, jak i elektromagnes mają skierowane ku sobie te same bieguny, to ramię spinnera zostanie odepchnięte od elektromagnesu. Gdy odsunie się wystarczająco daleko, kontaktron wyłączy elektromagnes. To oczywiście wymaga konfiguracji mechanicznej kontaktronu pod drugim ramieniem metodą prób i błędów.

Obwody elektroniczne są niezbędne do sterowania elektromagnesem. Na schemacie po lewej stronie pokazano układ do sterowania systemem. Minimalne napięcie zasilania obwodu to 5 V. Podstawową częścią jest tutaj MOSFET mocy z kanałem typu P - IRF9540N (T1). Jest on wykorzystany jako sterownik cewki, umieszczony po jej wysokiej stronie. Na poniższym schemacie dioda 1N4007 (D1) jest podłączona do cewki (L1) elektromagnesu, aby zapobiec uszkodzeniu tranzystora MOSFET przez napięcie, które indukuje się na cewce podczas jej odłączania.

Tranzystor MOSFET z kanałem typu P ma przewagę nad tranzystorem z kanałem typu N w tego typu zastosowaniach z uwagi na prostotę sterowania - aby włączać i załączać, wystarczy pojedyncza linia zasilania. Do przełączania tranzystora z kanałem typu N, wymagana jest dodatkowa linia zasilania dodatniego dla bramki elementu.

Pomimo że bardzo łatwo jest połączyć te części "na pająka", autor zestawił wszystko na płytce stykowej, aby sprawdzić działanie układu (patrz film poniżej). Całkowity pobór prądu dla całego układu wyniósł około 110 mA dla zasilania 5 V (i ok 260 mA dla zasilania 12 V).



Źródło: https://www.electroschematics.com/fidget-spinner/