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:

На идею этого урока натолкнул проект краудфандинговой платформы Kickstarter под названием "Air Bonsai", действительно красивый и загадочный, который сделали японцы.

Но любая загадка может быть объяснена, если посмотреть внутрь. Фактически это магнитная левитация, когда есть объект, левитирующий сверху, и электромагнит, контролируемый схемой. Давайте попробуем вместе реализовать этот загадочный проект.

Мы выяснили, что схема устройства на Кикстартере была довольно сложной, без какого-либо микроконтроллера. Не было возможности найти её аналоговую схему. На самом деле, если посмотреть более внимательно, принцип левитации довольно прост. Нужно сделать магнитную деталь, "плавающую" над другой магнитной деталью. Основная дальнейшая работа заключалась в том, чтобы левитирующий магнит не падал.

Было также предположение, что сделать это с Arduino на самом деле намного проще, чем пытаться понять схему японского устройства. На самом деле всё оказалось намного проще.

Магнитная левитация состоит из двух частей: базовой части и плавающей (левитирующей) части.

Основание

Эта часть находится внизу, которая состоит из магнита для создания круглого магнитного поля и электромагнитов для управления этим магнитным полем.

Каждый магнит имеет два полюса: север и юг. Эксперименты показывают, что противоположности притягиваются и одинаковые полюса отталкиваются. Четыре цилиндрических магнита помещаются в квадрат и имеют одинаковую полярность, образуя круглое магнитное поле вверх, чтобы вытолкнуть любой магнит, который имеет один и тот же полюс между ними.

Есть четыре электромагнита вообще, они помещены в квадрат, два симметричных магнита - пара, и их магнитное поле всегда противоположно. Датчик Холла и цепь управляют электромагнитами. Создаем противоположные полюса на электромагнитах током через них.

Плавающая деталь

Деталь включает в себя магнит, плавающий над основанием, который может нести небольшой горшок с растением или другие предметы.

Магнит сверху поднимается магнитным полем нижних магнитов, потому что они с одинаковыми полюсами. Однако, как правило, он склоняется к падению и притягиванию друг к другу. Чтобы предотвратить переворот и падение верхней части магнита, электромагниты создадут магнитные поля, чтобы толкать или тянуть, дабы сбалансировать плавающую часть, благодаря датчику Холла. Электромагниты управляются двумя осями X и Y, в результате чего верхний магнит поддерживается сбалансированным и плавающим.

Контролировать электромагниты нелегко, требуется ПИД-регулятор, который подробно обсуждается на следующем шаге.

Шаг 2: ПИД-регулятор (PID)

Из Википедии: "Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор - устройство в управляющем контуре с обратной связью. Используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе - интеграл сигнала рассогласования, третье - производная сигнала рассогласования."

В простом понимании: «ПИД-регулятор вычисляет значение «ошибки» как разность между измеренным [Входом] и желаемой установкой. Контроллер пытается свести к минимуму ошибку, отрегулировав [выход]».

Итак, вы указываете PID, что измерить (Вход), какое значение вы хотите и переменную, которая поможет иметь это значение на выходе. Далее ПИД-регулятор настраивает выходной сигнал, чтобы сделать вход равным установке.

Для примера : в автомобиле у нас три значения (Вход, Установка, выход) будут - скорость, желаемая скорость и угол педали газа, соответственно.

В данном проекте:

1. Вход представляет собой текущее значение в реальном времени от датчика холла, которое обновляется непрерывно, поскольку положение плавающего магнита будет меняться в реальном времени.
2. Заданное значение - это значение от датчика холла, которое измеряется, когда плавающий магнит находится в положении баланса, в центре основания магнитов. Этот индекс фиксирован и со временем не изменяется.
3. Выходной сигнал - скорость для управления электромагнитами.

Стоит поблагодарить сообщество любителей Arduino, которое написало PID-библиотеку и которая очень проста в использовании. Дополнительная информация об Arduino PID есть на официальном сайте Arduino . Нам нужно использовать пару ПИД-регуляторов под Arduino, один для оси X и другой для оси Y.

Шаг 3: Комплектующие

Список комплектующих для урока получается приличным. Ниже приведен список компонентов, которые вы должны купить для этого проекта, убедитесь, что у вас есть все перед запуском. Некоторые из компонентов очень популярны, и, вероятно, вы найдете их на своем собственном складе или дома.

Шаг 4: Инструменты

Вот список инструментов, наиболее часто используемых:

• Паяльник
• Ручная пила
• Мультиметр
• Дрель
• Осциллограф (по желанию, можете использовать мультиметр)
• Настольное сверло
• Горячий клей
• Плоскогубцы

Шаг 5: LM324 Op-amp, L298N драйвер и SS495a

LM324 Op-amp

Операционные усилители (op-amp) являются одними из наиболее важных, широко используемых и универсальных схем, используемых сегодня.

Мы используем операционный усилитель для усиления сигнала от датчика Холла, цель которого - увеличить чувствительность, чтобы ардуино легко распознало изменение магнитного поля. Изменение нескольких мВ на выходе датчика холла, после прохождения усилителя может измениться на несколько сотен единиц в Arduino. Это необходимо для обеспечения плавного и стабильного функционирования ПИД-регулятора.

Обычным операционным усилителем, который мы выбрали, является LM324, это дешево, и вы можете купить его в любом магазине электроники. LM324 имеет 4 внутренних усилителя, которые позволяют гибко его использовать, однако в этом проекте нужны только два усилителя: один для оси X, а другой для оси Y.

Модуль L298N

Двойной H-мост L298N обычно используется для управления скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока или с легкостью управляет одним биполярным шаговым двигателем. L298N может использоваться с двигателями с напряжением от 5 до 35 В постоянного тока.

Существует также встроенный регулятор 5V, поэтому, если напряжение питания до 12 В, вы также можете подключить источник питания 5 В от платы.

В этом проекте использован L298N для управления двумя парами катушек электромагнита и использован выход 5 В для питания Arduino и датчика холла.

Распиновка модулей:

• Out 2: пара электромагнитов X
• Out 3: пара электромагнитов Y
• Входное питание: вход постоянного тока 12 В
• GND: Земля
• Выход 5v: 5v для датчиков Arduino и холла
• EnA: Включает сигнал PWM для выхода 2
• In1: Включить для выхода 2
• In2: Enable for Out 2
• In3: Включить для выхода 3
• In4: Включить для выхода 3
• EnB: Включает PWM-сигнал для Out3

Подключение к Arduino: нам нужно удалить 2 перемычки в контактах EnA и EnB, затем подключить 6 контактов In1, In2, In3, In4, EnA, EnB к Arduino.

SS495a Датчик Холла

SS495a - это линейный датчик Холла с аналоговым выходом. Обратите внимание на разницу между аналоговым выходом и цифровым выходом, вы не можете использовать датчик с цифровым выходом в этом проекте, он имеет только два состояния 1 или 0, поэтому вы не можете измерить выход магнитных полей.

Аналоговый датчик приведет к диапазону напряжений от 250 до Vcc, который вы можете прочитать с помощью аналогового входа Arduino. Для измерения магнитного поля в обеих осях X и Y требуются два датчика холла.

Шаг 6: Неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)

Из Википедии: "Неодим - химический элемент, редкоземельный металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Относится к группе лантаноидов. Легко окисляется на воздухе. Открыт в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Используется как компонент сплавов с алюминием и магнием для самолёто- и ракетостроения."

Неодим - это металл, который является ферромагнитным (в частности, он показывает антиферромагнитные свойства), что означает, что подобно железу его можно намагнитить, чтобы он стал магнитом. Но его температура Кюри составляет 19К (-254 ° С), поэтому в чистом виде его магнетизм проявляется только при чрезвычайно низких температурах. Однако соединения неодима с переходными металлами, такими как железо, могут иметь температуры Кюри значительно выше комнатной температуры, и они используются для изготовления неодимовых магнитов.

Сильный - это слово, которое используют для описания неодимового магнита. Вы не можете использовать ферритовые магниты, потому что их магнетизм слишком слаб. Неодимовые магниты намного дороже ферритовых магнитов. Маленькие магниты используются для основы, большие магниты для плавающей/левитирующей части.

Внимание ! Вам нужно быть осторожным при использовании неодимовых магнитов, так как их сильный магнетизм может навредить вам, или они могут сломать данные вашего жесткого диска или других электронных устройств, на которые влияют магнитные поля.

Совет ! Вы можете отделить два магнита, потянув их в горизонтальное положение, вы не сможете отделить их в противоположном направлении, потому что их магнитное поле слишком сильное. Они также очень хрупкие и легко ломаются.

Шаг 7: Готовим основание

Использовали небольшой терракотовый горшок, который обычно используется для выращивания суккулента или кактуса. Вы также можете использовать керамический горшок или деревянный горшок, если они подходят. Используйте сверло диаметром 8 мм, чтобы создать отверстие в нижней части горшка, которое используется для удерживания гнезда постоянного тока.

Шаг 8: 3D-печать плавающей части

Если у вас есть 3D-принтер - здорово. У вас есть возможность сделать все с помощью него. Если принтера нет - не отчаивайтесь, т.к. вы можете использовать дешевую услугу 3D-печати, которая сейчас очень популярна.

Для лазерной резки файлы также в архиве выше - файл AcrylicLaserCut.dwg (это autocad). Акриловая деталь используется для поддержки магнитов и электромагнитов, остальные - для покрытия поверхности терракотового горшка.

Шаг 9: Подготовка SS495a модуля датчика Холла

Вырежьте макет PCB на две части, одну часть, чтобы прикрепить датчик холла, а другой - к цепи LM324. Прикрепите два магнитных датчика перпендикулярно печатной плате. Используйте тонкие провода для соединения двух штырей датчиков VCC вместе, сделайте то же самое с контактами GND. Выходные контакты отдельно.

Шаг 10: Цепь Op-amp

Припаяйте гнездо и резисторы к печатной плате, следуя схеме, обратив внимание на то, чтобы поместить два потенциометра в одном направлении для более легкой калибровки позже. Присоедините LM324 к гнезду, затем подключите два выхода модуля датчиков холла к цепи op-amp.

Два выходных провода LM324 подключите к Arduino. Вход 12 В с входом 12 В модуля L298N, выход 5 В модуля L298N к 5V потенциометра.

Шаг 11: Сборка электромагнитов

Соберите электромагниты на акриловый лист, они закреплены в четырех отверстиях вблизи центра. Затяните винты, чтобы избежать движения. Поскольку электромагниты симметричны по центру, они всегда находятся на полюсах напротив, так что провода на внутренней стороне электромагнитов соединены вместе, а провода на внешней стороне электромагнитов подключены к L298N.

Протяните провода под акриловым листом через соседние отверстия, чтобы подключиться к L298N. Медный провод покрыт изолированным слоем, поэтому вы должны удалить его ножом, прежде чем вы сможете припаять их вместе.

Шаг 12: Сенсорный модуль и магниты

Используйте горячий клей для фиксации модуля датчика между электромагнитами, обратите внимание, что каждый датчик должен быть квадратным с двумя электромагнитами, один на передней и другой на задней панели. Попробуйте выполнить калибровку двух датчиков как можно более централизованно, чтобы они не перекрывались, что сделает датчик наиболее эффективным.

Следующий шаг - собрать магниты на акриловой основе. Объединяя два магнита D15*4 мм и магнит D15*3 мм вместе, чтобы сформировать цилиндр, это приведет к тому, что магниты и электромагниты будут иметь одинаковую высоту. Соберите магниты между парами электромагнитов, обратите внимание, что полюса восходящих магнитов должны быть одинаковыми.

Шаг 13: Разъем питания постоянного тока и выход L298N 5V

Припаяйте гнездо питания постоянного тока двумя проводами и используйте термоусадочную трубку. Подключенный разъем питания постоянного тока к входу модуля L298N, его выход 5 В будет подавать питание на Arduino.

Шаг 14: L298N и Arduino

Подключите модуль L298N к Arduino, следуя приведенной выше схеме:

L298N → Ардуино
5V → VCC
GND → GND
EnA → 7
В1 → 6
В2 → 5
В3 → 4
В4 → 3
EnB → 2

Шаг 15: Arduino Pro Mini программер

Поскольку у Arduino pro mini нет USB-порта для последовательного порта, вам необходимо подключить внешний программатор. FTDI Basic будет использоваться для программирования (и питания) Pro Mini.

История создания данного устройства началась еще в далеком 2016 году. Тогда автор наткнулся на статью «МозгоЧинов», и всей душой загорелся повторить данное устройство.

Но не все так легко. Собрать именно такой вариант у автора не было возможности. Тогда он стал искать альтернативу и нашел такую на «РадиоКоте».

Скачал печатку, начал травить, а потом собирать устройство.

Но в конце концов все обломалось. Спустя полгода, может чуть больше, автор стал осваивать Ардуино. И ему в голову пришла идея сделать левитрон на ней. С новыми силами он бросился в бой, но опять разочарование. Много бессонных ночей в написании кода, и сборке прошли зря. Левитирующий магнит все никак не хотел зависать, его дергало из стороны в сторону и все тут.

Спустя еще какое-то время автор наткнулся на очередную статью с полным описанием, заказал комплектующие, начал собирать, намотал новые катушки, запустил все и снова неудача. Автор начал думать, почему же левитрон не запускается и понял в чем проблема. Оказалось, что все намотанные катушки имели внутри металлическое основание, и сила с которой магнит тянулся к сердечнику превышала противодействие. Из-за этого и происходила такая лажа. В итоге автор перемотал катушки и свершилось чудо - магнит полетел.

Радости не было предела. Автор любовался своей самоделкой целый вечер. Ну это была так, предыстория, ну а теперь приступаем непосредственно к сборке. Для начала давайте ознакомимся с устройством.

Итак, в основании у нас лежат постоянные магниты, которые создают магнитное поле в виде купола. На самой его вершине находится точка равновесия, в этой точке магниты основания как бы выталкивают левитирующий магнит вверх, компенсируя силу тяжести. Но есть одно «но», эта точка крайне нестабильна, и левитирующий магнит постоянно слетает с нее.

Тут нам на помощь приходят электромагниты и датчики Холла, которые отслеживают положение магнита и как только он начинает улетать с точки, включается соответствующий электромагнит и подтягивает левитирующий магнит обратно в центр. Таким образом он совершает колебания в разные стороны, но с большой частотой, и глаз этого практически не видит.
Отлично, разобрались с теорией, переходим к практике. Мозгом схемы будет Arduino Uno.

Сперва автор хотел использовать Arduino Nano, но нечаянно спалил ее, подав не то напряжение. Силовая часть схемы - это драйвер шагового двигателя L298N.

Ну и следящая часть - это 2 датчика Холла, расположенных в центре конструкции.

Теперь давайте рассмотрим схему устройства , начнем, пожалуй, с блок схемы.

На схеме видно, что с чем соединено, теперь рассмотрим каждый блок по отдельности. Датчики Холла снабжены дополнительным усилителем на микросхеме LM324. Усиленный сигнал с Холлов поступает на аналоговый вход Ардуинки.

Следующий блок - это драйвер и катушечки. Про их намотку чуть позже, а сейчас чисто схема.

Как видим, подключается все элементарно и без особых проблем.
Теперь переходим к сборке . В качестве основания будем использовать макетную плату. Ее нужно немного уменьшить и просверлить отверстия. Расстояния между отверстиями 40мм.

После подготовки макетки займемся намоткой катушек. Как уже говорилось ранее, именно в катушках и была проблема, так как все они были с металлическим сердечником. В качестве основания возьмем колпачок для иголки шприца. Сами ограничители для катушек сделаны, как и в первых вариантах, из текстолита.

Размер катушек перед вами.

Все они мотаются в одну сторону. Количество витков 350, диаметр провода 0.44 мм. Думаю, если вносить 10, а то и 20 процентные изменение в параметры обмоток, результат не изменится.
Когда катушки готовы, устанавливаем их на плату, как и остальные части. Теперь необходимо соединить катушки по 2 штуки последовательно, таким образом, чтобы при подаче напряжения на пару катушек, одна из них притягивала, а вторая в этот момент отталкивала.

По поводу расположение датчиков Холла. Они должны быть строго на оси своих катушек. То куда они развернуты роли не играет, все будет корректироваться в настройке.

Следующий шаг - соединение всех элементов в одну цепь и прошивка Ардуино. Сам скетч и все картинки со схемами найдете в архиве проекта .

А вот после прошивки начинаются сложности. Для настройки постоянные магниты в основание ставить нельзя. Когда залили скетч в Ардуино, берем магнит, который должен левитировать и располагаем над катушками, водя рукой над тем местом где должна быть точка левитации, мы должны почувствовать сопротивление катушек.

Вот допустим, мы ведем влево, значит катушки срабатывают и тянут вправо, если тяга идет не в ту сторону, то нужно поменять местами выводы катушек на драйвере.

Теперь настало время установить магниты на плату. Магниты должны быть неодимовыми.

Вообще можно использовать и прямоугольные магниты в основании, но автор решил взять круглые, так как они дешевле и имеют отверстие для крепления. Магниты устанавливаем в пространства между катушками. Расстояние между ними по диагонали равно 5,5 см.

Теперь берем магнит, который будем подвешивать и пытаемся его расположить в центре левитации. Тут важно угадать с весом магнита. Автор делал так, брал основной магнит и на него вешал мелкие, таким образом нашел равновесие. Но магнит в центре висел не долго, его постоянно сносило в одну сторону. Тут на помощь к нам приходят подстроечные резисторы, вращая их можно смещать точку равновесия. Таким образом мы выравниваем парящий магнит. 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.

Как известно, у Земли, в силу сложившегося миропорядка, существует определенное а мечтой человека всегда было преодоление его любыми способами. Левитация магнитная - термин скорее фантастический, чем относящийся к повседневной реальности.

Изначально под ним подразумевалась гипотетическая способность неведомым образом преодолевать земное притяжение и перемещать людей или предметы по воздуху без вспомогательного оборудования. Однако сейчас понятие «магнитная левитация» является уже вполне научным.

Разрабатывается сразу несколько инновационных идей, в основе которых лежит данное явление. И все они в перспективе обещают великолепные возможности для разностороннего применения. Правда, осуществляться левитация магнитная будет не магическими приемами, а с использованием вполне конкретных достижений физики, а именно раздела, изучающего магнитные поля и все, что с ними связано.

Совсем немного теории

Среди людей, далеких от науки, бытует мнение, что магнитная левитация представляет собой направляемый полет магнита. На деле под этим термином подразумевается преодоление предметом гравитации при помощи магнитного поля. Одной из его характеристик является магнитное давление, оно-то и используется для «борьбы» с земным притяжением.

Проще говоря, когда гравитация притягивает объект вниз, магнитное давление направляется таким образом, чтобы оно отталкивало его в обратном направлении - вверх. Так возникает левитация магнита. Затруднение реализации теории в том, что статическое поле нестабильно и не фокусируется в заданной точке, так что эффективно противостоять притяжению может не вполне. Поэтому требуются вспомогательные элементы, которые придадут магнитному полю динамическую устойчивость, чтоб левитация магнита была явлением регулярным. В качестве стабилизаторов для него используются разные приемы. Чаще всего - электроток через сверхпроводники, но есть и другие наработки в данной области.

Техническая левитация

Собственно, магнитная разновидность относится к более обширному термину преодоления гравитационного притяжения. Итак, техническая левитация: обзор методов (очень краткий).

С магнитной технологией мы вроде бы немного разобрались, но существуют еще электрический метод. В отличие от первого, второй может быть использован для манипуляций с изделиями из разнообразных материалов (в первом случае - только намагниченных), даже диэлектриков. Разделяется также электростатическая и электродинамическая левитация.

Возможность частиц под воздействием света осуществлять движение была предугадана еще Кеплером. А существование доказано Лебедевым. Движение частицы в направлении источника света (оптическая левитация) именуется положительным фотофорезом, а в обратном направлении - отрицательным.

Левитация аэродинамическая, отличаясь от оптической довольно широко применима в технологиях дня нынешнего. Кстати, «подушка» - один из ее разновидностей. Простейшая воздушная подушка получается очень легко - в подложке-носителе сверлятся множество отверстий и через них продувается сжатый воздух. При этом воздушная подъемная сила уравновешивает массу предмета, и тот парит в воздухе.

Последний известный науке на данный момент способ - левитация с использованием акустических волн.

Какие есть примеры магнитной левитации?

Фантасты мечтали о портативных аппаратах размером с рюкзак, которые могли бы «левитировать» человека в нужном ему направлении со значительной скоростью. Наука пока пошла по другому пути, более практичному и осуществимому - был создан поезд, перемещающийся с помощью магнитной левитации.

История суперпоездов

Впервые идею состава, использующего линейный двигатель, подал (и даже запатентовал) немецкий инженер-изобретатель Альфред Зейн. И было это в 1902 году. После этого разработки электромагнитного подвеса и поезда, оснащенного им, появлялись с завидной регулярностью: в 1906 г. Франклин Скотт Смит предложил еще один прототип, между 1937 и 1941 гг. ряд патентов по этой же теме получил Герман Кемпер, а чуть позже британец Эрик Лэйзвейт создал работающий прототип двигателя в натуральную величину. В 60-х он же участвовал в разработке Tracked Hovercraft, который должен был стать самым но так и не стал, поскольку из-за недостаточного финансирования в 1973-м проект был закрыт.

Только шесть лет спустя, причем снова в Германии, был построен поезд на магнитной подушке, получивший лицензию на пассажирские перевозки. Испытательный трек, проложенный в Гамбурге, имел длину меньше километра, но сама идея так вдохновила общество, что поезд функционировал и после закрытия выставки, успев за три месяца перевезти 50 тысяч людей. Скорость его, по современным меркам, была не так уж велика - всего 75 км/ч.

Не выставочный, а коммерческий маглев (так нарекли поезд, использующий магнит), курсировал между аэропортом Бирмингема и железнодорожной станцией с 1984 г., и продержался на своем посту 11 лет. Длина пути была еще меньше, всего 600 м, а над полотном поезд поднимался на 1,5 см.

Японский вариант

В дальнейшем ажиотаж по поводу поездов на магнитной подушке в Европе поутих. Зато к концу 90-х ими активно заинтересовалась такая страна высоких технологий как Япония. На ее территории уже проложены несколько довольно протяженных трасс, по которым летают маглевы, использующие такое явление как левитация магнитная. Этой же стране принадлежат и скоростные рекорды, поставленные данными поездами. Последний из них показал скоростной режим более 550 км/ч.

Дальнейшие перспективы использования

С одной стороны, маглевы привлекательны своими возможностями быстрого перемещения: по расчетам теоретиков, их можно будет в ближайшем будущем разогнать вплоть до 1 000 километров в час. Ведь их приводит в действие левитация магнитная, а тормозит только сопротивление воздуха. Поэтому придание максимально аэродинамических абрисов составу сильно снижает и его воздействие. К тому же, из-за того, что рельсов они не касаются, износ у таких поездов крайне медленный, что экономически весьма выгодно.

Еще один плюс - снижение шумового эффекта: маглевы передвигаются почти бесшумно по сравнению с обычными поездами. Бонусом также идет использование в них электроэнергии, что позволяет снизить вредное воздействие на природу и атмосферу. Кроме того, способен преодолевать более крутые склоны, а это исключает необходимость прокладки железнодорожного полотна в обход холмов и спусков.

Применение в энергетике

Не менее интересным практическим направлением можно считать широкое применение магнитных подшипников в ключевых узлах механизмов. Их установка решает серьезную проблему износа исходного материала.

Как известно, классические подшипники истираются довольно быстро - они постоянно испытывают высокие механические нагрузки. В некоторых областях необходимость замены этих деталей обозначает не только дополнительные расходы, но и высокий риск для людей, которые обслуживают механизм. сохраняют работоспособность во много раз дольше, так что их применение весьма целесообразно для любых экстремальных условий. В частности, в атомной энергетике, ветровых технологиях либо отраслях, сопровождаемых чрезвычайно низкими/высокими температурами.

Летательные аппараты

В проблеме, как осуществить магнитную левитацию, напрашивается резонный вопрос: когда же, наконец, будет изготовлен и представлен прогрессивному человечеству полноценный летательный аппарат, в котором будет использована левитация магнитная? Ведь косвенные свидетельства, что подобные «НЛО» существовали, имеются. Взять, к примеру, индийские «виманы» древнейшей эпохи или уже более близкие к нам во временном соотношении гитлеровские «дисколеты», использующие, в том числе и электромагнитные способы организации подъемной силы. Сохранились примерные чертежи и даже фото действующих моделей. Вопрос остается открытым: как воплотить все эти идеи в жизнь? Но дальше не слишком жизнеспособных опытных образцов у современных изобретателей дело пока не идет. А может, это еще слишком секретная информация?