terça-feira, 6 de setembro de 2016

Levitação magnética

Este circuito é muito preciso.

Para quem se interessa pelas maravilhas do Magnetismo e o que se pode concluir com isso tudo isso, esta é a oportunidade.

É uma levitação magnética simples, que suspende objetos a uma distância determinada, segundo parâmetros de um eletroímã.

Praticamente isso é feito por um circuito que reduz a força do eletroímã e aumenta, deixando o objeto suspenso.

Levitador magnético infravermelho

Este circuito funciona por comparação dos sinais a partir dos sensores com o primeiro amplificador operacional e o envio de uma tensão proporcional à diferença ou "erro".

Referências em Bloco 1

O sinal de erro é então enviado através de uma rede de compensação, que age como um filtro passa-alta, permitindo mudanças rápidas do que mudanças lentas.

Isso é necessário para estabilizar a malha de controle, e sem ela seria apenas objetos que vibram perto do eletroímã.



Circuito do Projeto inicial completo

O sinal amplificado tem sua amplitude original, uma vez que a rede de compensação seja atenuada, conduzindo o transistor Darlington TIP122, que controla a corrente do eletroímã.

Os diodos extras em torno do transistor são para evitar danos ao transistor.

O diodo de sinal impede a polarização inversa da base, o que é prejudicial, enquanto que os dois 1N4001 dão caminho para a corrente de magnetização, fluindo quando o eletroímã é desligado.

Referências em Bloco 2

Os componentes óticos utilizados não são muito críticos, enquanto seus comprimentos de onda igualam-se bem, e os ângulos de detecção e emissão não são demasiado estreitos.

Os Leds infravermelhos são TIL38, são de pico 940nm, 15 graus, 35mW e 100mA max.

Os detectores são PT204-6B, que são fototransistores IR.

Detalhes de construção

O detector superior é um detector de referência e o inferior detecta quando um objeto está em posição de levitação.

O detector de objeto deve estar nivelado com o Led IR.

Referências em Bloco 3

O detector de referência deve ver o diodo IR em todos os momentos, mesmo quando levitar um objeto.

Parâmetros do Sensor, Detectores e Objeto Levitado

O eletroímã deve ter no máximo 15Ω de resistência, não mais que isso.

Se houver pouca resistência e o transistor terá problemas de regulação, então o eletroímã também irá dissipar mais calor.

Ao construir um eletroímã há duas coisas para se lembrar.

A força magnética é proporcional ao número de voltas e corrente.

Assim, quando usando fio de cobre a força magnética é aproximadamente proporcional ao quadrado da potência dissipada em qualquer utilização prática.

O ideal é usar 70 metros de fio AWG 0,45 milímetros de cobre esmaltado.

A bobina pode ser enrolada em praticamente qualquer haste de metal ferroso, se você não está preocupado com a eficiência.

Lembrar que mantendo a área da superfície da face pequena livre, irá manter o objeto centrado melhor.

Solução de problemas

Se o levitador não suspender nada, mas os objetos "vibram", vai precisar ajustar a rede de compensação.

Tente alterar valores dos resistores e os valores dos capacitores.

A rede de compensação é dos resistores de 1KΩ e 150KΩ, que poderão ser modificados.

O capacitor de 100nF também pode ser alterado para mais ou menos, diminua o valor do resistor de 150KΩ e aumente o valor do resistor de 1KΩ que está conectado ao capacitor de 100nF e o resistor de 150kΩ, muitas vezes, assim resolvemos os problemas de vibração.

Porque essas alterações?

Os resistores de precisão ou não, assim como os capacitores, não tem sua resistência e nem capacitâncias exatas, também podemos levar em conta a natureza do fio empregado na construção da bobina e o material "ferro-condutor" utilizado em seu projeto.

Enfim, quanto mais qualidade do material utilizado, menas modificações serão feitas nos componentes citados acima.

Componentes eletrônicos de qualidade, boa procedência, um fio condutor de cobre de material excelente, farão deste projeto uma verdadeira obra prima.

Às vezes os problemas de vibração são causados ​​pelo detector de referência, por não estar configurado corretamente.

Se a bobina não se desliga mesmo quando um objeto é colocado no feixe, verifique os detectores de referência e objeto.

Objetos Levitados

Um pequeno ímã de neodímio de uma unidade de CD-ROM, que é bastante poderoso para o seu tamanho pode ser experimentado aqui, junto à bobina, mas somente para experimentação.

Circuito Opcional Modificado

Usando um imã permanente vai aumentar a força que o eletroímã exerce sobre um objeto, e permite a distância maior ou objetos mais pesado ​​a ser levitado usando a mesma quantidade de energia.

Efeito de Levitação Magnética

Outro método para detectar a posição do objeto levitado são os sensores de efeito, que são sensores que detectam a intensidade do campo magnético em que se encontram, e fornecem uma tensão de saída que é proporcional a ele.

Sensores de efeito são muitas vezes utilizados em motores de CC sem escovas para detectar a posição do rotor, e, como tal, pode ser encontrado em unidades de disquetes e de disco.

Detalhes de Modificação

Depois de experimentar com alguns sensores de efeito obtidas de unidades de disquete e de CD-ROM, percebemos que não têm polaridade definida e os pinos diagonais correspondem à entrada e saída e pares de ânodo e cátodo.

Os sensores que usamos foram tomados a partir de um motor de CD-ROM, porque era o que tínhamos.

Lembre-se de proteger o sensor de objetos a ser atraídos para o eletroímã.

Mantenha bem preso com cobertura de plástico 2mm de espessura para manter a força do impacto, distribuídos por uma área maior.

Melhoria na Oscilação

Inicialmente experimentamos "do nosso jeito", mas descobrimos que não conseguia estabilizar o sistema.

As quantidades desiguais de fluxo através dos dois sensores do electroímã e a sensibilidade reduzida quando em um forte campo magnético, causa forte histerese no sistema.

A tensão entre os pólos + e - de saída do sensor de efeito pode balancear o positivo e o negativo, mas quando referenciado para aterrar, um vai para cima e outro para baixo (ou o contrário, dependendo da polaridade do campo magnético).

Adaptação sugerida

A fim de obter uma saída do sensor, as duas tensões são comparadas e amplificadas por um amplificador diferencial.

Precisa decidir qual pólo magnético que você quer como positivo, isso pode ser alterado, invertendo os terminais do sensor.

Seja qual você escolher, certifique-se que a saída do LM358 sobe positivamente à sua abordagem, ou o levitador irá repelir o objeto.

A saída do sensor é comparado com a referência, a qual é definida para um certo nível de erro.

Opções de Controle

O TL494 irá ajustar o ciclo de serviço do eletroímã, de modo a manter a saída do sensor ao nível correto.

Um sensor de temperatura pode ser colado junto ao eletroímã, monitorando o calor do atual ímã uma vez que fica muito quente.

O sensor de temperatura é desnecessário, uma vez que opera de forma muito eficiente, mas é uma idéia.

Não terá a potência máxima, não podendo ser alcançado com o eletroímã usando este circuito com sensor de temperatura.

Uma boa opção de ajuste

Poderíamos levitar objetos a duas vezes a distância usando outro protótipo, vejam as figuras.

Mas não estabilizava corretamente.

Não estamos certo a respeito, porque limita a força, mas é suficiente para cargas leves.

Alguns detalhes sobre o eletroímã:

Usamos como núcleo, uma broca de 8 mm de diâmetro e um parafuso de cabeça chata.

Retiramos o fio de um indutor que tínhamos na sucata.

Mais uma opção de ajuste

No nosso caso, tínhamos o calibre do fio estimado em 1mm de diâmetro.

Usamos todo o fio disponível, o que conseguimos foram só 50 metros, mas quanto maior os números de espira da bobina, mais eficiente é o eletroímã.

A resistência DC do eletroímã é 2,4Ω.

As dimensões físicas do eletroímã são de 2,5cm de comprimento por 4cm de diâmetro.

Muitas pessoas temos dificuldade de encontrar estes sensores de efeito simétricos pequenos, mas um sensor de efeito padrão de três pinos linear como o SS495 pode ser usado em seu lugar.

Vejam essas alterações

Devido às variações no projeto do sensor de efeito e certos valores de componentes de sensibilidade, tivemos que encontrar através da experimentação.

Temos um esquema alternativo que inclui um sensor de três pinos HE.

Como vemos, esse circuito é totalmente científico e nunca devemos tratá-lo como experimental.

As nossas observações, modificações e tudo o mais foram para um melhor desempenho, pois podemos obter um circuito bem melhor do que o descrito aqui, se forem utilizados componentes de "primeira" e a bobina for confeccionada conforme deve ser feita.

Em relação aos sensores ou sensor, depende do que encontrar, temos que ter o ideal, assim, o projeto se viabiliza de forma simples.

Antes de montar, antes de tudo, consiga todos os elementos para montagem, separe tudo, confeccione a bobina, se achar difícil, peça a um bom profissional de enrolamento de motores para confeccionar para você.

As fotos exibidas aqui não são do projeto que montamos, pois nosso projeto, que funcionou melhor que devia, foi enviado a um núcleo de pesquisas eletromagnéticas aqui mesmo no Brasil, no Paraná.

Pretendemos montar outro em breve, mas esse será nosso, não venderemos e nem emprestamos.

O efeito magnético impressiona a humanidade há séculos.

Eu, em particular, impressionei com o magnetismo quando com cinco ou seis anos de idade, meu Pai trouxe para casa um pequeno imã, e com um prego em cima da mesa de madeira ele colocava o imã por baixo da mesa e o prego se movia.

Aquilo tudo me impressionou.

Desde então, sempre gostei do Magnetismo e Eletro-Magnetismo.

O projeto aqui descrito, como dissemos, não é experimental, embora tenha que ser feitas alterações, e mais alterações, até o desempenho necessário, mas tudo depende de sua paciência e dedicação.

Montamos nosso projeto há mais de dois anos, demoramos seis meses para montar.

Então, o elemento principal aqui é a paciência e dedicação.

Boa Sorte.

Temos abaixo diversas figuras com sugestões e também vídeos, as fotos não são nossas e nem os vídeos, somos humildes demais para ter tanto.


Vídeo 1

Vídeo 2

Revisando algumas figuras:


Infelizmente não dispomos do Lay Out do circuito impresso, mas devido à natureza do circuito e suas possíveis modificações, também não seria viável.

Aconselhamos a quem queira montar este projeto a ter uma protoboard, uma matriz de contatos, para primeiro "laboratoriar" e depois montar em definitivo.