Tesina elettronica - Levitazione magnetica

Levitazione magnetica
Istituto Tecnito industriale
Tito Sarrocchi, Siena.
Esami di stato 2013
Bellavista Claudio, Bellavista Leonardo,
Brogi Federico, Diodato Marco
Classe V Elettronica e Telecomunicazioni
Anno scolastico 2012-2013
L’idea
L'idea di realizzare questo progetto è nata casualmente guardando un video
su Youtube.
L'idea di poter progettare una lampadina che levitasse e che si accendesse
senza essere direttamente connessa ad una alimentazione, ci ha subito
incuriosito e consultanto alcune riviste che trattavano l'argomento abbiamo
deciso di realizzare questo progetto.
Un ringraziamento ai professori Donatucci Nicola, Damiani Massimo,
Becherini Fabio e Marchini Luca per l'aiuto ed il sostegno che ci hanno
dato durante la realizzazione del progetto.
Levitazione magnetica
La levitazione magnetica o sospensione magnetica è un metodo con il
quale un oggetto è sospeso su di un altro grazie alla sola forza dei campi
magnetici senza alcun supporto contrastando la forza di gravità.
L’effetto di Hall
L’effetto di Hall (scoperto per la prima volta dal fisico Edwin Hall) è un
fenomeno fisico, che si manifesta come una differenza di potenziale ai
capi di un conduttore elettrico nel momento in cui tale conduttore viene
interessato da un campo magnetico il cui verso sia uguale alla direzione
della corrente che scorre nel conduttore stesso.
Il progetto
Lo scopo del nostro progetto è stato quello di realizzare una lampadina che
fluttuasse in aria e, quindi, ferma, senza alcun contatto materiale.
Per fare questo siamo ricorsi ad un effetto fisico chiamato “levitazione
magnetica”.
In questo caso la levitazione è possibile grazie al campo magnetico
generato dall’elettromagnete attaccanto alla struttura e dai magneti
nascosti nella lampadina.
Ai due capi dell’elettromagnete si trovano due sensori ad effetto di hall:
uno superiore ed uno inferiore. Questi sensori sono fondamentali per la
levitazione: il sensore superiore è studiato per rilevare il campo magnetico
generato dall’elettrocalamita mentre quello inferiore ha la funzione di
rilevare il campo magnetico generato dai magneti contenuti nella
lampadina.
I due sensori inviano il loro segnale al circuito, il quale, con un
differenziale, fa la differenza e regola l’intensità del segnale PWM che
andrà a gestire l’elettromagnete.
Inoltre, il nostro circuito è studiato anche per poter accendere la
lampadina.
Questo è stato possibile attraverso un altro effetto fisico chiamato
induzione elettromagnetica.
Il nostro circuito, tramite un segnale PWM, alimenta la bobina induttrice
creando così un campo magnetico. Posizionando la lampadina sotto
l’elettromagnete, la bobina che è contenuta dentro la lampadina entra nel
campo magnetico generato dalla bobina induttrice facendo si che i led
all’interno della lampadina, si possano accendere.
La levitazione e l’induzione possono essere anche visti come due progetti
separati, infatti, si può anche far accendere la lampadina senza farla
levitare e viceversa.
Il circuito
Il circuito che ci permette di far levitare la lampadina è questo:
Il circuito può essere suddiviso in 5 parti fondamentali.
La prima parte è composta da generatore di tensioni. Qui vengono create le
tensioni 12V e 5V che alimenteranno i componenti del circuito. Gli
elementi fondamentali di questa parte di circuito sono il fusibile che, in
caso di una corrente troppo elevata, si rompe salvando il circuito che
altrimenti si danneggerebbe.
L'altro elemento fondamentale è il led di alimentazione, che ci permette di
capire se il circuito è veramente alimentato oppure c'è qualche guasto.
La seconda parte del circuito consiste nella creazione del segnale PWM e
l'amplificazione dello stesso segnale. Questa parte è legata alla accensione
della lampadina.
La terza parte consiste nell'acquisizione del segnale dei sensori ad effetto
di Hall.
La quarta parte, invece, serve per filtrare il segnale dei sensori ad effetto di
Hall dalle varie interferenze e amplificarlo.
La quinta ed ultima parte del nostro circuito consiste nella generazione e
controllo del segnale PWM che andrà a gestire l'lettromagnete che farà
levitare la lampadina.
Lista componenti
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R1, R2, R4, R8, R11, R17, R18, R19, R20, R21 = 10kΩ
R3 = 4,7kΩ
R5 = 100kΩ
R6 = Ponticello
R7,R9 = Trimmer 220kΩ
R10 = Trimmer 4,7kΩ
R12, R13, R14,R15, R23 = 12kΩ
R16 = 33kΩ
R22 = 330kΩ
C1, C3, C5, C9, C13, C15, C17, C24 = 100nF
C2 = 470uF (multistrato)
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C4, C6 = 220uF 25VL (elettrolitico)
C7, C8, C22, C23, C26 = 10nF 100VL
C10, C25 = 1000uF 16VL (elettrolitico)
C11, C27 = 100pF(ceramico)
C12 = 1uF 63VL
C14, C16, C18, = 100uF 16VL (elettrlitico)
D1, D2, D3 = 1N4007
U1 = 7812
U2, U3 = LMD18201T
U4 = 78L05
U5 = LM358N
U6 = SG3525A
U7 = NE555
U8, U9 = SS495A
T1 = BC547
L’integrato LMD1801T
L' Integrato LMD18201T è formato internamente un ponte ad H utile
soprattutto per il pilotaggio di motori passo-passo, nel nostro caso sono
impiegati per pilotare le bobine che inducono il campo magnetico nei led e
l'elettromagnete che attrae la lampadina.
Per quanto riguarda il funzionamento si puo dire che nel piedino 3 viene
scelta la polarità degli impulsi della corrente che cè fra il PIN2 e il PIN10
(rispettivamente OUT1 e OUT2).
Nell'integrato è predisposta anche una protezione termica che quando
vengono raggiunti i 170 gradi blocca il ponte a MOSFET e manda un
segnale verso l'esterno col piedino 9, tale piedino si porta comunque a
livello logico basso gia quando la temperatura raggiunge i 145 gradi.
I sensori ad effetto di Hall
Il sensore ad effetto Hall è un componente a 3 terminali, due utilizzati per
l’alimentazione, mentre il terzo è l’uscita, per l’alimentazione sono
necessari (5V e 7mA), normalmente un sensore di Hall è formato da una
barretta di silicio ai cui capi sono posizionati gli elettrodi dell’
alimentazione, fornendo tensione a tali elettrodi si forma una corrente, che
quando entra in contatto con un campo magnetico le cui linee di forza sono
perpendicolari al flusso della corrente stessa, fa deviare gli elettroni che si
posizioneranno perpendicolarmente alle linee del campo magnetico, quindi
posizionando due ulteriori elettrodi perpendicolari a quelli
dell’alimentazione del sensore, otterremo una tensione tanto più grande a
seconda dell’ intensità del campo magnetico.
Da quanto è possibile vedere nel grafico della caratteristica di un SS495A
(I sensori di Hall da noi usati), otteniamo che l’intensità del campo
magnetico rilevabile varia da -800 a +800 Gauss, otteniamo dunque che a
tali valori di intensità del campo magnetico avremo una tensione ai capi
degli elettrodi di 0,5V nel caso di -800 Gauss e di 4,5V nel caso in cui
l’intensità sia 800 Gauss.
L’Integrato SG3525
L'SG3525 è un integrato che viene comunemente utilizzato per la
realizzazione degli alimentatori switching, oltre ad essere un
modulatore PWM puo essere impiegato come oscillatore e stadio
pilota per due terminali a transistor.
Noi lo impiegheremo temporizzando l'oscillatore a onda
triangolare mediante C11, R7 e R8.
Per quanto riguarda il funzionamento l'SG3525 genera due
tensioni rettangolari opposte di fase perchè possano pilotareuno
stadio di push-pull, ma dato che a noi serve un intera onda e non
duemezze componenti sommiamo le due semionde tramite D2 e
D3, ottenendo il segnale intero con il quale possiamo pilotare la
base del transistor T1.
Per far illuminare la lampadina abbiamo deciso di creare un campo
elettromagnetico grazie all'avvolgimento composto da 10 spire, grazie al
quale inserendo al suo interno la lampadina modificata con all'interno una
bobina possiamo produrre una tensione di sufficiente intensità a far
accendere i led all'interno della lampadina stessa.
Nel nostro caso abbiamo generato la corrente variabile che alimenta la
bobina che genera il campo elettromagnetico tramite un NE555 in
configurazione multivibratore astabile e un LMD18201T (ponte H).
L' NE555 genera un segnale dalla frequenza pari a circa 300Khz che viene
amplificata dal ponte H, tale segnale alimenta la bobina è rettangolare,
quindi pulsante e alternato, cosa che permette ai led inseriti all'interno
della lampadina di accendersi in quanto sono disposti in un verso in un
bipolo e nell'altro nel verso opposto, so quindi collegati alla bobina posta
all'interno della lampadina che viene quindi interessata dal campo
elettromagnetico.
Realizzazione pratica
Le bobine
Per realizzare la bobina grande, che andrà a condurre l'elettricità alla
lampadina, sono sufficienti un cavo di rame da 1,1mm e un cilindro con
diametro di 180mm che verrà usato per creare le spire. Per questa bobina
sono necessarie 10 spire.
Per la realizzazione della bobina da inserire dentro la lampadina abbiamo
avvolto in aria 25 spire di filo di rame da 0.90mm e collegato due led in
parallelo. Per diffondere meglio la luce generata dai led, li abbiamo inseriti
in un tubetto di colla a caldo creando così l'effetto "neon”.
L'elettromagnete che ha la funzione di far levitare la lampadina è stato
realizzato con un tubo di plastica dal diametro di 20mm e alto 53mm per
un totale di 868 spire. Il filo utilizzato per questa bobina è del diametro di
85mm.
La struttura
La struttura è stata realizzata con del normale legno diviso in 4 pezzi dallo
spessore di 1cm: 2 pezzi lunghi 40cm (superiore ed inferiore) e 2 da 60cm
(quelli laterali). Per tenere stabile la stuttura abbiamo deciso di mettere due
piedi da 20 cm che danno più solidità alla struttura.
Alla struttura abbiamo poi aggiunto un ulteriore asse di legno. Al suo
centro abbiamo poi praticato un piccolo foro: qui abbiamo messo il
sensore ad effetto di Hall superiore.
La bobina è stata fissata al legno creando una sorta di scatola aperta con 4
pezzi di barra filettata e 2 di vetronite.
La lampadina
Per creare la lampadina magnetica abbiamo preso una comune lampadina
con vetro opaco bianco e successivamente aperto la parte bassa. Una volta
estratto l'interno, abbiamo messo dentro la bobina e i magneti.
Collaudo
Il collaudo è consistito nel sistemare alla stessa distanza
dall'elettromagnete i sensori ad effetto di Hall.
Una volta fatto questo, abbiamo sistemato i trimmer affinché la lampadina
levitasse e rimanesse sempre nella sua esatta posizione.
Una volta che ci siamo accertati del completo funzionamento di tutto,
abbiamo preso le misure dei segnali PWM in ingresso sull'elettromagnete e
sulla bobina induttrice.