Levitující LED: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Já a můj tým jsme se rozhodli vytvořit rozsvícenou LED. Po krátké době googlování jsem narazil na video od SparkFun Electronics, které najdete zde, ve kterém jsme založili náš design. Naše světlo levituje jedním elektromagnetem nad světlem. Vybrali jsme si tento design, protože k levitaci LED vyžaduje pouze jeden elektromagnet. K dosažení bezdrátového přenosu energie jsme použili primární cívku připevněnou ke spodní části levitačního elektromagnetu a sekundární cívku připájenou k LED. LED modul má bílou LED, sekundární cívku a silný permanentní magnet. Navrhl jsem strukturu a 3D díly vytiskl všechny části.

Krok 1: Navrhování struktury

K návrhu struktury jsem použil Solidworks. Základna je určena k umístění desky s plošnými spoji. Základnou, nohama a horními kusy vedou tunely pro vedení drátů. Neměli jsme čas na vytištění desky plošných spojů, takže výřez desky plošných spojů zůstal nevyužit.

Krok 2: Navíjení elektromagnetu

K navíjení elektromagnetu jsme pomocí vrtačky otočili šroub s podložkami jako zábranami. Šli jsme velmi pomalu, abychom se ujistili, že se drát nepřekrývá. Udělat to tímto způsobem trvalo dlouho. Myslím, že by bylo v pořádku ušetřit spoustu času a být méně opatrní s překrytím při navíjení. Odhadli jsme, že v elektromagnetu je 1500 závitů.

Krok 3: Napájecí zdroje

Pro testování jsme použili variabilní stejnosměrné napájení. Poté, co vše fungovalo, jsem použil starou 19V nabíječku notebooku a regulátor napětí 12 V k napájení 12 V kolejnice. K napájení 5V kolejnice jsem použil 5V regulátor z výstupu regulátoru 12V. Je velmi důležité propojit všechny vaše pozemky dohromady. Než jsme to udělali, měli jsme problémy s našimi obvody. Použili jsme kondenzátory napříč napájecími zdroji 12V a 5V, abychom snížili jakýkoli hluk v napájecích lištách na desce.

Krok 4: Levitační obvod

Levitační obvod je nejtěžší částí tohoto projektu. Magnetická levitace se provádí pomocí senzoru s Hallovým efektem pro posouzení vzdálenosti od permanentního magnetu k elektromagnetu a komparačního obvodu pro zapnutí nebo vypnutí elektromagnetu. Jak snímač přijímá silnější magnetické pole, senzor vydává nižší napětí. Toto napětí je porovnáno s nastavitelným napětím přicházejícím z potenciometru. K porovnání obou napětí jsme použili operační zesilovač. Výstup operačního zesilovače zapíná nebo vypíná N-kanálový mosfet, aby proud mohl proudit elektromagnetem. Když je permanentní magnet (připojený k LED) příliš blízko elektromagnetu, kde bude nasáván k elektromagnetu, elektromagnet se vypne a když je příliš daleko, kde by vypadl z levitace, elektromagnet zapnuto. Když je nalezena rovnováha, elektromagnet se velmi rychle zapíná a vypíná, zachycuje a uvolňuje magnet, což mu umožňuje levitovat. Potenciometrem lze nastavit vzdálenost, nad kterou se bude magnet vznášet.

Na obrazovce osciloskopu vidíte signál z výstupu snímače Hallova efektu a zapínání a vypínání magnetu. Jak se LED blíží senzoru, žlutá čára se zvětšuje. Když je magnet na zelené čáře, je nízko. Když je vypnutý, je zelená čára vysoká.

V závislosti na prostředí a tom, co používáte jako generátor průběhů, bude možná nutné přidat malý kondenzátor z výstupu snímače na zem. To umožní, aby většina šumu šla přímo na zem a čistý signál ze senzoru byl použit operačním zesilovačem.

Krok 5: Bezdrátový napájecí obvod

Abychom zvládli bezdrátový přenos energie, omotali jsme primární cívku o 25 otáčkách magnetickým drátem o průměru 24 kolem držáku snímače. Potom jsme vyrobili sekundární cívku obalením magnetického drátu 32 měřicího kroužku kolem trubice papíru na 25 otáček. Jakmile byla zabalena, stáhli jsme cívku z papíru a připájili ji k LED. Ujistěte se, že jste odstranili smaltovaný povlak magnetického drátu v místě, kde pájíte.

K zapnutí a vypnutí MOSFETu jsme použili generátor čtvercových vln na 1 MHz, který umožňuje proud protékat primární cívkou od 0 do 12 při 1 MHz. Pro testování jsme použili Analog Discovery pro generátor funkcí. Konečná verze používá pro spínání MOSFETu obvod generátoru čtvercových vln s časovačem 555. Tento obvod však produkoval spoustu hluku, který rušil napájecí kolejnice. Vyrobil jsem krabici s hliníkovou fólií, která má dělič pro oddělení vlnového generátoru a levitačního obvodu. Tím se výrazně snížilo množství hluku.

Krok 6: Sestavení

Na 3D tisk základny a nohou jsem použil ABS Chroma Strand Labs ABS. Nohy se při tisku příliš deformovaly, a tak jsem znovu vytiskl pomocí Chroma Strand Labs PETg. PETg se zdeformoval velmi málo. Všechny části do sebe zapadají bez použití lepidla. Museli jsme v něm uříznout několik zářezů, abychom přidali větší vůli pro dráty. Možná budete muset zbrousit oblasti, které se dotýkají jiných kusů, aby bylo možné volnější uložení.

Plánujeme nechat vytisknout desku plošných spojů a připájet na ni součásti, aby se vše vešlo do výřezu desky plošných spojů.