Левитирующий светодиод: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Я и моя команда решили заставить левитировать горящий светодиод. После недолгого поиска в Google я наткнулся на видео от SparkFun Electronics, которое можно найти здесь, на котором мы основали наш дизайн. Наш свет левитирует с помощью одного электромагнита над светом. Мы выбрали эту конструкцию, потому что для левитации светодиода требуется только один электромагнит. Для беспроводной передачи энергии мы использовали первичную катушку, прикрепленную к нижней части электромагнита левитации, и вторичную катушку, припаянную к светодиоду. Светодиодный модуль имеет белый светодиод, вторичную катушку и сильный постоянный магнит. Я спроектировал структуру и распечатал все детали на 3D-принтере.

Шаг 1: проектирование конструкции

Я использовал Solidworks для проектирования конструкции. База предназначена для размещения печатной платы. Через основание, опоры и верхние части есть туннели для прокладки проводов. У нас не было времени напечатать печатную плату, поэтому вырез на плате не использовался.

Шаг 2: Намотка электромагнита

Для намотки электромагнита мы использовали электродрель, чтобы повернуть болт с шайбами в качестве преград. Мы пошли очень медленно, чтобы убедиться, что провод не перекрывает сам себя. Это заняло много времени. Думаю, было бы неплохо сэкономить много времени и менее осторожно относиться к перекрытию при намотке. По нашим оценкам, в электромагните 1500 витков.

Шаг 3: Источники питания

Для тестирования мы использовали переменный источник питания постоянного тока. После того, как все заработало, я использовал старое зарядное устройство для ноутбука на 19 В и регулятор напряжения на 12 В для подачи питания на шину 12 В. Я использовал регулятор 5V с выхода регулятора 12V для подачи питания на шину 5V. Очень важно соединить все ваши площадки вместе. До того, как мы это сделали, у нас были проблемы с нашими схемами. Мы использовали конденсаторы в источниках питания 12 В и 5 В, чтобы уменьшить шум в шинах питания на плате.

Шаг 4: Схема левитации

Схема левитации - самая сложная часть этого проекта. Магнитная левитация осуществляется с помощью датчика Холла для определения расстояния от постоянного магнита до электромагнита и схемы компаратора для включения или выключения электромагнита. Поскольку датчик получает более сильное магнитное поле, датчик выдает более низкое напряжение. Это напряжение сравнивается с регулируемым напряжением, поступающим от потенциометра. Мы использовали операционный усилитель для сравнения двух напряжений. Выход операционного усилителя включает или выключает N-канальный МОП-транзистор, позволяя току течь через электромагнит. Когда постоянный магнит (прикрепленный к светодиоду) находится слишком близко к электромагниту, где он будет всасываться к электромагниту, электромагнит отключается, а когда он находится слишком далеко, где он мог бы выпасть из-под левитации, электромагнит включается. Когда баланс найден, электромагнит очень быстро включается и выключается, захватывая и освобождая магнит, позволяя ему левитировать. Потенциометр можно использовать для регулировки расстояния, на котором будет зависать магнит.

На изображении экрана осциллографа вы можете видеть сигнал с выхода датчика Холла, а также включение и выключение магнита. По мере приближения светодиода к датчику желтая линия увеличивается. Когда магнит находится на зеленой линии, низкий уровень. Когда он выключен, зеленая линия находится в высоком положении.

В зависимости от окружающей среды и того, что вы используете в качестве генератора сигналов, вам может потребоваться добавить небольшой конденсатор от выхода датчика к земле. Это позволит большей части шума идти прямо на землю, а чистый сигнал от датчика будет использоваться операционным усилителем.

Шаг 5: Беспроводная цепь питания

Чтобы обеспечить беспроводную передачу энергии, мы обернули первичную катушку на 25 витков с магнитным проводом 24 калибра вокруг держателя датчика. Затем мы сделали вторичную катушку, намотав магнитный провод 32 калибра вокруг бумажной трубки на 25 витков. После того, как он был завернут, мы сняли катушку с бумаги и припаяли ее к светодиоду. Обязательно удалите эмалевое покрытие с магнитного провода, на котором вы паяете.

Мы использовали генератор прямоугольных импульсов на частоте 1 МГц для включения и выключения полевого МОП-транзистора, который позволяет току проходить через первичную катушку от 0 до 12 В на частоте 1 МГц. Для тестирования мы использовали Analog Discovery для генератора функций. В последней версии для переключения полевого МОП-транзистора используется схема генератора прямоугольных импульсов с таймером 555. Однако эта схема создавала множество шумов, которые мешали шинам питания. Я сделал коробку, облицованную алюминиевой фольгой, в которой есть разделитель для разделения генератора волн и цепи левитации. Это значительно уменьшило количество шума.

Шаг 6: Сборка

Я использовал Chroma Strand Labs ABS для 3D-печати основы и ножек. Ножки слишком сильно деформировались во время печати, поэтому я перепечатал их с помощью Chroma Strand Labs PETg. PETg очень мало деформировался. Все детали соединяются без использования клея. Нам пришлось сделать в нем несколько выемок, чтобы добавить дополнительный зазор для проводов. Возможно, вам придется отшлифовать участки, которые соприкасаются с другими деталями, чтобы облегчить посадку.

Мы планируем распечатать печатную плату и припаять к ней компоненты, чтобы все они поместились в вырез на плате.