Obwód lewitacji magnetycznej dla początkujących z wykorzystaniem tranzystora MOSFET IRFZ44N, czujnik

Witajcie, koledzy inżynierowie! Dzisiaj opowiem o prostym obwodzie lewitacji magnetycznej. Zawsze chciałem spróbować lewitacji magnetycznej, ale niektóre projekty Arduino wymagają pewnej wiedzy programistycznej. Czy istnieje obwód odpowiedni dla początkujących? Dzisiejszy projekt jest właśnie taki. Chociaż efekt nie jest imponujący, myślę, że wystarczy.
Zaczynamy!


Wystarczy spojrzeć na obwód, aby zobaczyć, że nie kłamię. Czyż nie jest super prosty?

Moderowany przez p.kaczmarek2:

Temat automatycznie tłumaczony z języka angielskiego - oryginał znajduje się na Elektroda.com

Materiały są minimalne:
Dowolna dioda LED i rezystor 330 omów (jeśli chcesz, możesz pominąć rezystor)
MOSFET n-kanałowy - użyłem IRFZ44N
HER207 (choć 1N4007 również działa)
Rezystor 1k
Czujnik Halla A3314 (A1104 jest również akceptowalny)
Emaliowany przewód 0,36 mm
Magnes neodymowy (może pochodzić ze słuchawek)
Zasilacz 5V



Najpierw stwórz ramę dla elektromagnesu
Zwiń papier rzemieślniczy ciasno w cylinder o średnicy około 2 cm, upewniając się, że każda warstwa jest ściśle przylegająca. Następnie równomiernie pokryj cylinder białym klejem i pozostaw do naturalnego wyschnięcia w dobrze wentylowanym miejscu (około 24 godzin). Po całkowitym wyschnięciu cylinder będzie wystarczająco sztywny, aby utrzymać uzwojenie cewki. Następnie wytnij dwa twarde papierowe krążki o średnicy dopasowanej do papierowej rurki (zalecana grubość: 0,3 mm lub grubsze). Użyj dziurkacza, aby utworzyć otwór o średnicy 5 mm w środku każdego dysku, upewniając się, że otwór jest wyrównany z centralną osią papierowej rurki. Użyj szybkoschnącego kleju, aby przymocować dyski do obu końców papierowej rurki, tworząc stabilną ramę cewki. Kluczowe jest ścisłe przestrzeganie powyższych wymiarów: wszelkie odchylenia w średnicy papierowej rurki przekraczające 0,5 mm lub niewspółosiowość okrągłych otworów spowodują nierównomierny rozkład pola magnetycznego, bezpośrednio wpływając na stabilność zawieszenia.


Następnie zacznij nawijać cewkę przy użyciu emaliowanego drutu 0,36 mm. Rozpocznij od jednego końca papierowej rurki i nawijaj drut w ciasno upakowany, zachodzący na siebie sposób. Po zakończeniu każdej warstwy zabezpiecz koniec drutu taśmą i kontynuuj nawijanie kolejnej warstwy, aż całkowita liczba zwojów osiągnie 550. Podczas nawijania należy utrzymywać równomierne naprężenie (zaleca się użycie napinacza), aby zapobiec rozciągnięciu lub splątaniu emaliowanego drutu. Po zakończeniu nawijania przeszlifuj emaliowaną powłokę na obu końcach na 5 mm, aby odsłonić miedziany rdzeń do lutowania.


Podczas układania obwodu na płytce perforowanej należy przestrzegać zasady "oddzielania obwodów wysokiego i niskiego napięcia": elementy wysokoprądowe, takie jak tranzystory MOSFET i cewki elektromagnetyczne, powinny być skoncentrowane po jednej stronie. Z kolei komponenty o niskim sygnale, takie jak czujniki Halla i rezystory, powinny być umieszczone po drugiej stronie, z minimalnym odstępem 2 cm między nimi, aby zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne. Podczas lutowania należy używać lutownicy o mocy 30 W. Upewnij się, że połączenia lutowane są kompletne i wolne od zimnego lutu, zwłaszcza na stykach czujnika Halla. Kontroluj czas lutowania do 3 sekund, aby zapobiec uszkodzeniu komponentów przez wysokie temperatury. Po lutowaniu użyj multimetru, aby sprawdzić ciągłość wszystkich połączeń.


Następnie przystąp do montażu
Aby zapobiec zwarciom między pinami czujnika Halla a ramą żelazka elektromagnetycznego, zaizoluj piny rurką termokurczliwą (wybierz średnicę 1 mm; podczas podgrzewania użyj opalarki na małym ogniu, aby równomiernie przedmuchać). Chociaż ten krok wydaje się żmudny, ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa obwodu i jest przykładem dbałości o szczegóły.


Włóż czujnik Halla pionowo do centralnego otworu przelotowego ramki elektromagnesu, upewniając się, że powierzchnia czujnika jest wyrównana z centralną osią cewki. Włóż go na taką głębokość, aby korpus czujnika znajdował się całkowicie wewnątrz ramki, a następnie zabezpiecz ogon czujnika niewielką ilością kleju topliwego, aby zapobiec jego przesuwaniu się podczas pracy.


Jednak test włączenia zasilania nie powiódł się.
Umieść magnes neodymowy (średnica 8 mm, grubość 3 mm) 3 cm bezpośrednio pod elektromagnesem. Po włączeniu zasilania można wyczuć zauważalną siłę elektromagnetyczną skierowaną w górę. Jednak po zwolnieniu magnesu obraca się on o 180 stopni w ciągu 0,5 sekundy, a następnie opada z powodu odpychania się podobnych biegunów magnetycznych. Analiza wskazuje, że zjawisko to jest spowodowane tym, że magnetyczny środek ciężkości nie jest wyrównany z punktem przyłożenia siły elektromagnetycznej, co powoduje nierównowagę momentu obrotowego.


Próba zainstalowania czujnika Halla z oznaczoną stroną skierowaną w dół (zmieniając kierunek wykrywania) i ponowne podłączenie zasilania do testów wykazało, że szybkość reakcji siły elektromagnetycznej nieznacznie się poprawiła. Nadal jednak problem odwracania magnesu pozostał nierozwiązany, co wskazuje, że samo dostosowanie kierunku czujnika nie może wyeliminować zakłóceń momentu obrotowego.


Wyniki były jednak nadal niezadowalające.
Wreszcie, dzięki analizie symulacyjnej ANSYS stwierdzono, że przymocowanie kawałka lekkiego kartonu (wykonanego z papieru siarkowego) o średnicy 15 mm i grubości 0,5 mm do dolnej części magnesu może obniżyć ogólny środek ciężkości o 0,5 mm..8 mm, precyzyjnie wyrównując go z punktem przyłożenia siły elektromagnetycznej. Po wyregulowaniu zgodnie z tym rozwiązaniem i ponownym przetestowaniu, magnes z powodzeniem osiągnął stabilne zawieszenie, z przerwą w zawieszeniu utrzymywaną na poziomie 2-3 mm i bez żadnych nieprawidłowości przez ponad 10 minut.


Uwagi końcowe:
To rozwiązanie może nie być zbyt stabilne i może obsługiwać tylko małe magnesy. Liniowe rozwiązanie Halla może być bardziej odpowiednie. Jeśli zostanie przyjęte liniowe rozwiązanie Halla, można je zoptymalizować, dodając diodę lawinową . Na przykład, dodanie diody lawinowej do sekcji wejścia zasilania może zapewnić ochronę przed przepięciami podczas anomalii napięcia, zapobiegając skokom napięcia przed uszkodzeniem liniowego czujnika Halla i innych elementów obwodu. Liniowy czujnik Halla może dokładniej wykrywać zmiany pola magnetycznego. W połączeniu z regulacją obwodu poprawia stabilność lewitacji magnetycznej. Dzięki dodatkowej ochronie w postaci diody lawinowej, cały obwód lewitacji magnetycznej staje się bardziej niezawodny w złożonych warunkach.