LED levitando: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Mi equipo y yo nos propusimos hacer levitar un LED encendido. Después de un corto tiempo buscando en Google, encontré un video de SparkFun Electronics, que se puede encontrar aquí, en el que basamos nuestro diseño. Nuestra luz levita con un electroimán sobre la luz. Elegimos este diseño porque solo requiere un electroimán para hacer levitar el LED. Para lograr la transferencia de energía inalámbrica usamos una bobina primaria unida a la parte inferior del electroimán de levitación y una bobina secundaria soldada al LED. El módulo LED tiene un LED blanco, una bobina secundaria y un potente imán permanente. Diseñé la estructura e imprimí en 3D todas las piezas.

Paso 1: diseño de la estructura

Usé Solidworks para diseñar la estructura. La base está destinada a albergar una placa de circuito impreso. Hay túneles a través de la base, las patas y las piezas superiores para enrutar los cables. No tuvimos tiempo para imprimir una placa de circuito, por lo que el corte de la placa de circuito no se usó.

Paso 2: bobinado del electroimán

Para enrollar el electroimán, usamos un taladro eléctrico para girar un perno con arandelas como barreras. Fuimos muy lentos para asegurarnos de que el cable no se superpusiera. Hacerlo de esta manera tomó mucho tiempo. Creo que estaría bien ahorrar mucho tiempo y tener menos cuidado con la superposición al enrollar. Estimamos que hay 1500 vueltas en el electroimán.

Paso 3: fuentes de alimentación

Para las pruebas, utilizamos una fuente de alimentación de CC variable. Después de que todo funcionó, utilicé un viejo cargador de computadora portátil de 19 V y un regulador de voltaje de 12 V para suministrar energía al riel de 12 V. Usé un regulador de 5V de la salida del regulador de 12V para suministrar energía al riel de 5V. Es muy importante conectar todos sus terrenos juntos. Tuvimos problemas con nuestros circuitos antes de hacer esto. Usamos condensadores en las fuentes de alimentación de 12 V y 5 V para reducir cualquier ruido en los rieles de alimentación de la placa.

Paso 4: circuito de levitación

El circuito de levitación es la parte más difícil de este proyecto. La levitación magnética se logra usando un sensor de efecto Hall para juzgar la distancia desde el imán permanente al electroimán y un circuito comparador para encender o apagar el electroimán. A medida que el sensor recibe un campo magnético más fuerte, el sensor genera un voltaje más bajo. Este voltaje se compara con un voltaje ajustable proveniente de un potenciómetro. Usamos un amplificador operacional para comparar los dos voltajes. La salida del amplificador operacional enciende o apaga un mosfet de canal N para permitir que la corriente fluya a través del electroimán. Cuando el magnético permanente (unido al LED) está demasiado cerca del electroimán, donde será succionado por el electroimán, el electroimán se apaga, y cuando está demasiado lejos, donde caería de la levitación, el electroimán encender. Cuando se encuentra un equilibrio, el electroimán se enciende y apaga muy rápidamente, atrapando y liberando el imán, lo que le permite levitar. El potenciómetro se puede utilizar para ajustar la distancia en la que se desplazará el imán.

En la imagen de la pantalla del osciloscopio, puede ver la señal de la salida del sensor de efecto Hall y el encendido y apagado del imán. A medida que el LED se acerca al sensor, la línea amarilla aumenta. Cuando el imán está en la línea verde está baja. Cuando está apagado, la línea verde es alta.

Dependiendo del entorno y de lo que utilice como generador de formas de onda, es posible que deba agregar un pequeño condensador desde la salida del sensor a tierra. Esto permitirá que la mayor parte del ruido vaya directamente a tierra y que el amplificador operacional utilice la señal limpia del sensor.

Paso 5: circuito de alimentación inalámbrico

Para manejar la transferencia de energía inalámbrica, envolvimos una bobina primaria de 25 vueltas con un alambre magnético de calibre 24 alrededor del soporte del sensor. Luego hicimos una bobina secundaria envolviendo un alambre magnético de calibre 32 alrededor de un tubo de papel durante 25 vueltas. Una vez envuelto, deslizamos la bobina fuera del papel y la soldamos a un LED. Asegúrese de quitar la capa de esmalte del alambre magnético donde está soldando.

Usamos un generador de onda cuadrada a 1 MHz para encender y apagar un MOSFET que permite que la corriente fluya a través de la bobina primaria de 0 a 12 V a 1 MHz. Para las pruebas, usamos un Analog Discovery para un generador de funciones. La versión final utiliza un circuito generador de onda cuadrada con temporizador 555 para cambiar el MOSFET. Sin embargo, este circuito produjo un montón de ruido que estaba interfiriendo con los rieles de alimentación. Hice una caja forrada con papel de aluminio que tiene un divisor para separar el generador de ondas y el circuito de levitación. Esto redujo significativamente la cantidad de ruido.

Paso 6: Montaje

Usé Chroma Strand Labs ABS para imprimir en 3D la base y las patas. Las patas se deformaron demasiado durante la impresión, así que volví a imprimir con Chroma Strand Labs PETg. El PETg se combó muy poco. Todas las piezas encajan entre sí sin el uso de pegamento. Tuvimos que cortar algunas muescas para agregar espacio adicional para los cables. Es posible que deba lijar las áreas que entran en contacto con otras piezas para permitir un ajuste más holgado.

Estamos planeando imprimir una placa de circuito y soldar los componentes para que quepa dentro del corte de la placa de circuito.