ridolfa.eu

Stückliste

Ich gehe davon aus, dass eine gut bestückte Ersatzteilkiste vorhanden ist. Die Liste zeigt einige Beispiele für benötigte Bauteile. Die Schaltpläne enthalten weitere Teile.

• 1 KY024-Board
• 5 m Kupferlackdraht, CU 0,22 [zum Wickeln der Magnetspule]
• 1 Transistor TIPP 122 (oder ähnlich) [Elektromagnet-Treiber]
• 3 Widerstände (100k, 50k, 20k)
• 2 Kondensatoren (2 µF, 1 nF)
• 1 Diode 1N3008 oder ähnlich [Freilaufdiode]
• 2 Permanentmagnete 5 mm × 3 mm N45 [ähnliche Magnete funktionieren wahrscheinlich ebenfalls]

Schaltpläne und Platine

Die Schaltpläne wurden mit KiCad erstellt und können als PDF-Dateien heruntergeladen werden.

Schaltplan-Downloads:

• Schematic1 Levitation und Spulentreiber
• Schematic2 Energiesender/Oszillator
• Schematic3 Spannungsregler

Elektronik 1

Elektronik 2

Magnetische Levitation

Um das Objekt schweben zu lassen, wird ein definiertes Magnetfeld benötigt, das von einem Elektromagneten und mehreren Permanentmagneten erzeugt wird. Ein Hall-Sensor misst das induzierte Feld. Das Ausgangssignal ist eine Spannung, die der Feldstärke entspricht. Je nach Abweichung vom Arbeitspunkt schaltet der Elektromagnet mit einer Frequenz von ca. 9 kHz ein und aus. Das KY024-Board besitzt einen Hall-Sensor (Typ 49E) und erfüllt diese Aufgabe. Später stellte ich fest, dass eine Modifikation des Boards erforderlich war, damit es korrekt funktioniert. Da der KY024 nicht in der Lage ist, den Strom des Elektromagneten von ca. 300 mA zu schalten, wird ein zusätzlicher Treibertransistor benötigt.

Der Elektromagnet

Möglicherweise ist ein geeigneter Elektromagnet vorhanden. Versuchen Sie es. Leider war das bei mir nicht der Fall, und so entstand ein neues Projekt: eine einfache Spulenwickelmaschine (coil-winding). Das ist aber eine andere Geschichte. Mein Elektromagnet hat folgende Kenngrößen:

• 1500 Windungen
• CU 0,22
• 26 Ohm
• D = 15 mm
• d = 7 mm
• l = 22 mm
• M6-Schraube

Elektromagnet

Hall-Sensor

Schaltfrequenz des Elektromagneten

Modifikation des KY024-Boards

Zuerst den Hall-Sensor auslöten oder abschneiden. Die 3 Pins mit flexiblen Leitungen verlängern und den Sensor dann wieder anlöten. Die Leitungslänge hängt vom endgültigen Aufbau ab; 15 cm sollten genügen. Nun zum schwierigeren Teil. Leider ist die Referenzspannung des Komparators LM393 (Pin3+) fest auf die Hälfte (2,5 V) der 5-V-Versorgungsspannung eingestellt (R1, R2). Dadurch kann der volle Spannungsbereich des Hall-Sensor-Ausgangssignals zur Bestimmung des korrekten Arbeitspunkts nicht genutzt werden. Um die Referenzspannung zwischen 0 V und 5 V einstellbar zu machen, muss das Board modifiziert werden. Leichter gesagt als getan.

Schaltplan-Downloads:

• Schematic11 KY024-Originalschaltplan
• Schematic12 KY024-modifizierter Schaltplan

Das Potenziometer muss ausgelötet und zwei Leiterbahnen müssen durchtrennt werden. Zu beachten ist, dass das Board auf beiden Seiten Leiterbahnen besitzt. Anschließend werden das Potenziometer, zwei neue Leitungen und ein zusätzlicher Widerstand auf dem Board angelötet. Alternativ kann auch eine neue Schaltung von Grund auf, z.B. auf einem Steckbrett nach dem Schaltplan, aufgebaut werden. Die folgenden Bilder und Hinweise helfen bei der Modifikation des KY024-Boards.

KY024-Originalplatine

KY024-modifizierte Platine

KY024-modifizierte Platine

Der Spulentreiber

Wie erwähnt, kann der KY024-Ausgang den Spulenstrom nicht schalten. Daher wird ein Treiber benötigt. Die Datei schematic-new.pdf zeigt einen einfachen Transistorschalter. Zu beachten ist, dass diese einfache Schaltung den KY024-Ausgang invertiert.

Drahtlose Energieübertragung

Ein Kondensator und eine Induktivität bilden einen Schwingkreis und erzeugen ein wechselndes Magnetfeld (Sender). Dieses Feld induziert einen Strom in einer zweiten Induktivität (Empfänger) und kann so z.B. eine LED versorgen. Genau das wird benötigt. Das Stichwort zum Verständnis der drahtlosen Energieübertragung ist Hartley-Oszillator. Meine Senderspule hat insgesamt 110 Windungen mit einer Mittelanzapfung bei 55 Windungen und einem Durchmesser von ca. 80 mm. Die Spule wurde um eine Flasche gewickelt. Die Empfängerspule hat 30 Windungen, keine Mittelanzapfung, 50 mm Durchmesser.

Senderspule

Holzkörper mit Spule

Sensor- und Magnetfeldausrichtung

Um die korrekte Sensor- und Magnetfeldausrichtung zu ermitteln, lohnt es sich, einen Versuchsaufbau zu erstellen.

Versuchsaufbau

Holzbefestigung

Permanentmagnete und Elektromagnet müssen alle die gleiche magnetische Ausrichtung haben. Um dies sicherzustellen, wird ein Magnetstapel aufgebaut, bei dem jeder Magnet den anderen anzieht, und beide Seiten werden z.B. mit Blau und Rot markiert, wie im folgenden Bild gezeigt.

Magnetischer Fluss

Falls nötig, kann die Elektromagnetpolarität durch Vertauschen der Anschlussdrähte geändert werden.

Der Hall-Sensor sollte ca. 3…5 mm unterhalb des Elektromagneten (Schraube) montiert werden. Dazu eignen sich Papierstreifen gut. Die empfindlichere Seite des Sensors muss zum schwebenden Objekt zeigen, nicht zur Schraube. Den „Hilfsmagneten” nicht vergessen.