Levitando LED: 6 etapas

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-23 15:03

Eu e minha equipe decidimos fazer levitar um LED aceso. Depois de um pouco de tempo pesquisando, me deparei com um vídeo da SparkFun Electronics, que pode ser encontrado aqui, no qual baseamos nosso design. Nossa luz levita com um eletroímã acima da luz. Escolhemos este projeto porque ele requer apenas um eletroímã para levitar o LED. Para conseguir a transferência de energia sem fio, usamos uma bobina primária conectada à parte inferior do eletroímã de levitação e uma bobina secundária soldada ao LED. O módulo de LED possui um LED branco, uma bobina secundária e um forte ímã permanente. Desenhei a estrutura e imprimi em 3D todas as peças.

Etapa 1: Projetando a Estrutura

Usei Solidworks para projetar a estrutura. A base foi projetada para abrigar uma placa de circuito impresso. Existem túneis através da base, pernas e peças superiores para direcionar os fios. Não tivemos tempo de imprimir uma placa de circuito, então o recorte da placa de circuito não foi usado.

Etapa 2: enrolando o eletroímã

Para enrolar o eletroímã, usamos uma furadeira para girar um parafuso com arruelas como barreiras. Fomos muito devagar para garantir que o fio não se sobrepusesse. Fazer dessa forma demorou muito. Acho que seria bom economizar muito tempo e ser menos cuidadoso com a sobreposição durante o enrolamento. Estimamos que haja 1.500 voltas no eletroímã.

Etapa 3: Fontes de alimentação

Para o teste, usamos uma fonte de alimentação DC variável. Depois que tudo estava funcionando, usei um velho carregador de laptop de 19 V e um regulador de tensão de 12 V para fornecer energia ao barramento de 12 V. Usei um regulador de 5 V da saída do regulador de 12 V para fornecer energia ao trilho de 5 V. É muito importante conectar todos os seus fundamentos. Tínhamos problemas com nossos circuitos antes de fazer isso. Usamos capacitores nas fontes de alimentação de 12 V e 5 V para reduzir qualquer ruído nos barramentos de alimentação da placa.

Etapa 4: Circuito de Levitação

O circuito de levitação é a parte mais difícil deste projeto. A levitação magnética é realizada usando um sensor de efeito Hall para avaliar a distância do ímã permanente ao eletroímã e um circuito comparador para ligar ou desligar o eletroímã. Conforme o sensor recebe um campo magnético mais forte, o sensor emite uma tensão mais baixa. Esta tensão é comparada a uma tensão ajustável proveniente de um potenciômetro. Usamos um op-amp para comparar as duas tensões. A saída do amplificador operacional liga ou desliga um mosfet de canal N para permitir que a corrente flua através do eletroímã. Quando o magnético permanente (ligado ao LED) está muito próximo do eletroímã, onde será sugado para o eletroímã, o eletroímã desliga, e quando está muito longe, onde cairia da levitação, o eletroímã Liga. Quando um equilíbrio é encontrado, o eletroímã liga e desliga muito rapidamente, pegando e liberando o ímã, permitindo que ele levite. O potenciômetro pode ser usado para ajustar a distância que o ímã irá pairar.

Na imagem da tela do osciloscópio, você pode ver o sinal da saída do sensor de efeito Hall e o ímã ligando e desligando. Conforme o LED se aproxima do sensor, a linha amarela aumenta. Quando o ímã está na linha verde, a linha está baixa. Quando está fora da linha, a linha verde é alta.

Dependendo do ambiente e do que você usa como gerador de forma de onda, pode ser necessário adicionar um pequeno capacitor da saída do sensor ao aterramento. Isso permitirá que a maior parte do ruído vá direto para o solo e o sinal limpo do sensor seja usado pelo amplificador operacional.

Etapa 5: circuito de alimentação sem fio

Para lidar com a transferência de energia sem fio, envolvemos uma bobina primária de 25 voltas com fio magnético de calibre 24 ao redor do suporte do sensor. Em seguida, fizemos uma bobina secundária enrolando fio magnético de calibre 32 em torno de um tubo de papel por 25 voltas. Depois de embalado, retiramos a bobina do papel e a soldamos a um LED. Certifique-se de remover o revestimento de esmalte do fio magnético onde você está soldando.

Usamos um gerador de onda quadrada a 1 MHz para ligar e desligar um MOSFET, o que permite que a corrente flua através da bobina primária de 0 a 12 V a 1 MHz. Para teste, usamos um Analog Discovery para um gerador de função. A versão final usa um circuito gerador de onda quadrada com temporizador 555 para ligar o MOSFET. No entanto, este circuito produzia muito ruído que estava interferindo nos barramentos de alimentação. Fiz uma caixa forrada de papel alumínio que tem uma divisória para separar o gerador de ondas e o circuito de levitação. Isso reduziu significativamente a quantidade de ruído.

Etapa 6: Montagem

Usei o Chroma Strand Labs ABS para imprimir em 3D a base e as pernas. As pernas se empenaram muito durante a impressão, então imprimi novamente com Chroma Strand Labs PETg. O PETg se deformou muito pouco. Todas as peças se encaixam sem o uso de cola. Tivemos que cortar alguns entalhes para adicionar folga extra para os fios. Você pode ter que lixar as áreas que entram em contato com outras peças para permitir um ajuste mais folgado.

Estamos planejando imprimir uma placa de circuito e soldar os componentes a ela para que tudo caiba dentro do recorte da placa de circuito.