Pendul electromagnetic: 8 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

La sfârșitul anilor 1980 am decis că aș vrea să construiesc un ceas din lemn. La vremea respectivă nu exista internet, așa că a fost mult mai dificil să fac cercetări decât astăzi … deși am reușit să strâng împreună o roată foarte brută și o scăpare de pendul. Durata de rulare a fost limitată și a fost destul de dificilă, dar ar face clic câteva minute înainte ca greutatea să atingă podeaua. De asemenea, resursele mele erau limitate … instrumente, bani, abilități de prelucrare a lemnului … ceea ce făcea lucrul la proiect destul de frustrant. Deci, pentru timp, visul ceasului din lemn a fost abandonat. Avans rapid 30 de ani plus. Sunt pensionar acum, am o mulțime de instrumente cu adevărat grozave și abilitățile mele de prelucrare a lemnului s-au îmbunătățit dramatic. De asemenea, am acces la computere, la software-ul uimitor de proiectare asistată de computer (CAD) și la internet. Deci proiectul ceasului este din nou pornit. Am decis să scriu despre acest proces pe măsură ce lucrez în design. Pare doar un lucru distractiv de făcut.

Inițial am vrut să construiesc un ceas care să fie condus de gravitație și reglat de un pendul. Recent, pe măsură ce sapam la întâmplare pe internet, am dat peste un tip de pe insula Kauai care proiectează ceasuri din lemn și alte tipuri de „artă cinetică”. Se numește Clayton Boyer. Descoperirea modelelor de ceas ale domnului Boyer a fost cea care m-a inspirat să continui propriul meu proiect de ceas. Unul dintre desenele sale care m-a fascinat se numea „Toucan”. Ieșirea de mers pe jos folosită pe ceas seamănă cu factura păsării cu același nume. A fost un ceas distractiv de vizionat, iar designul a fost foarte capricios, dar ceea ce în cele din urmă mi-a atras atenția a fost modul în care a fost condus. Nu existau greutăți sau arcuri. Pendulul părea să se balanseze magic încoace și încolo fără pierderi de energie. Secretul era un sistem de acționare electromagnetică ascuns în baza ceasului și un magnet la capătul pendulului. Fiind inginer electric, m-am gândit că este foarte interesant și am decis să-mi dau seama cum funcționează totul și să construiesc propria mea versiune a lui Toucan a domnului Boyer. Pentru a fi sigur … aș fi putut cumpăra abia planurile pentru ceas, deoarece acestea erau disponibile pentru aproximativ 35 USD, dar unde e distracția?

După un pic mai mult săpat pe internet, am constatat că conceptul datează de la începutul anilor 1960 cu ceasurile aniversare Kundo. Acestea erau alimentate de la o baterie cu celulă uscată și aveau să funcționeze timp de un an sau cam așa ceva înainte să trebuiască să schimbați bateria (așadar, numele, presupun). Simplitatea circuitului de acționare m-a intrigat. Erau două bobine (o rană peste alta), un tranzistor de germaniu și o baterie. Asta e tot! Îmi plac lucrurile simple care funcționează și acest lucru nu ar putea deveni mult mai simplu. Una dintre bobine este conectată la intrarea de bază a tranzistorului, iar cealaltă bobină este în partea de ieșire a tranzistorului în serie cu bateria. Cealaltă piesă a puzzle-ului era un magnet montat pe capătul unui pendul. Pe măsură ce pendulul se leagănă de bobine, magnetul induce un curent în bobină care conduce baza tranzistorului. Acest lucru determină pornirea tranzistorului și curentul curge în circuitul de ieșire din baterie prin bobina care este în serie cu acesta. Există, de asemenea, un efect de transformator care face ca mai mult curent să fie indus în bobina de intrare până la punctul în care tranzistorul satura. Cantitatea maximă de curent curge acum pe partea de ieșire a tranzistorului, iar bobina din acel circuit este complet alimentată de baterie, creând astfel un electromagnet cu aceeași polaritate ca și magnetul din pendul. Momentul este astfel încât câmpul magnetic generat de electromagnet respinge magnetul din pendul pe măsură ce trece și îi dă o mică lovitură. Odată ce pendulul se deplasează, bobinele se opresc din curent în baza tranzistorului și se oprește. Acest proces se repetă de fiecare dată când pendulul se leagănă de bobine … furnizând energia suplimentară necesară pentru a depăși pierderile din sistem și menținând totul în mișcare. Neat nu? Ceea ce este cu adevărat minunat în acest sens este că consumă foarte puțină energie și bateria va rezista mult timp. Ceasurile din lemn care sunt acționate de arcuri sau greutăți vor rula doar o zi sau cam așa înainte să fie reînfășurate. Au propriul lor recurs, dar rotirea ceasului în fiecare zi mi s-a părut o durere. S-ar putea să construiesc într-o zi una dintre acestea (îmi plac scăpările Arnfield), dar deocamdată va fi electronică în loc de gravitație.

Așadar, prima etapă a acestei călătorii este să ne dăm seama cum să construim pendulul impulsionat electromagnetic, deoarece acesta nu numai că va regla ceasul, ci va fi și motorul care îl conduce. În cele din urmă, pe lângă acest tutorial de pe pendul, voi publica o serie de tutoriale care acoperă proiectarea ceasurilor în general, proiectarea uneltelor, construcția cadrelor și apoi le voi pune pe toate pentru a finaliza un ceas de lucru. Deci, fixați-vă … aici mergem cu procesul de proiectare a pendulului …

Provizii

Componenta principală a pendulului impulsionat electromagnetic este circuitul bobinei. Am folosit un cui comun 10d (disponibil la magazinul dvs. obișnuit de hardware) ca miez de ferită. Cablajul bobinelor este de sârmă magnetică de 35 AWG. Acesta este un fir foarte fin acoperit cu un material subțire neconductiv. Un tranzistor de joncțiune bipolar NPN 2N4401 este utilizat pentru a controla fluxul de curent prin circuit. Banda Kapton acoperă unghia și miezul complet, dar puteți folosi aproape orice fel de bandă. Capacele finale ale bobinei sunt foi acrilice de 1/16 inch, precum și o bucată cilindrică de stejar pentru a găzdui cablurile tranzistorului și bobinei. Pentru restul ansamblului prototip au fost folosite diverse bucăți și bucăți de resturi de lemn împreună cu tije de dibluri într-un număr de diametre. Îmi place să lucrez cu dibluri … îmi amintește de una dintre jucăriile mele preferate din copilărie … Jucării Tinker! Consider că se împrumută destul de bine dezvoltării prototipurilor. Sursa de alimentare este un modul de perete conectat care convertește AC 110 la 9 volți DC. În cele din urmă, ceasul va ajunge să fie alimentat de la baterie, dar pentru moment modulul de conectare este foarte convenabil și constant. O altă componentă cheie este un magnet de neodim care este încorporat în capătul pendulului. Magnetul pe care l-am folosit are un diametru de 1/2 inch și o grosime de un sfert de inch.

Pasul 1: Asamblarea miezului bobinei

În timp ce îmi făceam cercetările pentru bobină, am dat peste un forum de reparare a ceasului, unde unul dintre fire discuta detaliile proiectării bobinei. Au avut niște imagini grozave care mi-au dat ideea cum să ascund tranzistorul și cablurile asociate în baza bobinei. Un alt detaliu cheie a fost că au menționat bobinele care conțineau 4000 de ture. Uau, asta a sunat mult și mi-a creat un pic de îngrijorare în minte cu privire la cât de rezonabil va fi să înfășor bobina, dar totuși am continuat.

M-am gândit la cât de mare doream să fie bobina finită și să mă așez pe un centimetru în diametru și un centimetru și un sfert lung. Am tăiat cercuri de 1 inch diametru dintr-o foaie acrilică de 1/16 inch pentru a le folosi pentru capace de capăt și încă un disc de 1 inch diametru dintr-o bucată de stejar groasă de 1/2 inch pentru bază. Am frezat un canal de un sfert de inch în discul de stejar, precum și forarea unei găuri cu diametrul de 3/16 inch pentru a găzdui tranzistorul. De asemenea, am forat mici găuri pentru a putea direcționa cablajul în canalul din bază. Vedeți imaginile pentru detalii. Inițial am tăiat o secțiune din partea acrilică de jos pentru a face mai ușoară trecerea firelor în bază. Retrospectiv, ar fi trebuit să fac găuri mici pentru a se potrivi cu cele din bază. Dar nu mare lucru. Au fost găurite, de asemenea, găuri în piesele acrilice și bucata de stejar pentru o potrivire confortabilă peste unghie. Asamblarea a fost după cum urmează: Așezați discul acrilic fără crestături pe cui. Înfășurați o bucată de bandă de 1-1 / 4 inch în jurul unghiei așa cum se arată și apoi adăugați discul acilic crestat. Am aplicat epoxidic pe discul de stejar și apoi l-am alunecat pe unghie astfel încât să fie lipit de discul acrilic.

Înainte de a trece la procesul de înfășurare a bobinelor, am făcut câteva calcule rapide și murdare pentru a-mi face o idee aproximativă despre cât de mare ar fi cablajul finit și rezistența electrică a celor două bobine. Se pare că aș putea să încadrez tot firul pe ansamblul meu central, așa că am fost fericit.

Pasul 2: Jig bobinaj bobină

Am decis că înfășurarea firului în jurul miezului total cu mâna ar fi o durere uriașă, așa că, inspirat de tehnologia Tinker Toy, am împodobit o perie din dibluri și bucăți de placaj și MDF. Am constatat că trebuia să pun un pic de adeziv fierbinte pe discul de stejar al miezului bobinei pentru a-l ține bine în poziție. În caz contrar, a existat un pic prea multă frecare în ansamblu și miezul nu s-ar mișca când am rotit manivela. Deci, cu un pic mai mult de șlefuire pentru a reduce și mai mult fricțiunea și pata de adeziv fierbinte, jigul a funcționat.

Pasul 3: Înfășurarea bobinelor

Sârma este un tip special de sârmă numită sârmă magnetică. Este un fir foarte fin cu un singur fir, acoperit cu un material izolator subțire. Am folosit 35 AWG. Este foarte frecvent și la fel ca în orice altceva îl puteți obține de la Amazon. Am salvat bobina pe care o vedeți în prima imagine din coșul de gunoi la locul de muncă după un eveniment de curățare de laborator. Nu știu cât de vechi este, dar se pare că a fost cumpărat cu multe decenii în urmă. LAUGH OUT LOUD.

Vom înfășura două bobine, una peste alta, peste cuiul din ansamblul miezului. Este esențial ca ambele bobine să fie înfășurate în aceeași direcție în jurul ansamblului … altfel nu va funcționa. Fiecare bobină va avea aproximativ 4000 de înfășurări în jurul unghiei. Acum nu este atât de mare o afacere dacă nu ajungeți cu exact 4000 de rotații pe fiecare bobină, așa că nu este nevoie să transpirați acel detaliu, dar am avut un blocnotes pe care l-am folosit pentru a-l urmări. A durat câteva ore pentru a finaliza procesul de împachetare, dar tocmai am pornit un meci de fotbal pentru a-l urmări, astfel încât să nu mă plictisesc. Aș putea face aproximativ 50 de rotații în jurul cuiului la fiecare trecere, așa că aș face câteva treceri pentru a obține o sută de înfășurări și ați nota asta pe blocnotesul meu și am continuat până am ajuns la 4000 de împachetări.

Iată procesul de înfășurare: începeți să înfășurați bobina interioară prin filetarea a 2 sau 3 inci de sârmă în piesa de bază din stejar. Etichetați capătul acestui fir „1”. Completați cele 4000 de împachetări și asigurați-vă că ajungeți la capătul de bază din stejar al miezului. Tăiați firul și lăsați o lungime suplimentară de aproximativ 2 sau 3 inci, astfel încât să puteți fileta înapoi în baza de stejar. Etichetați acest capăt „2”. Porniți bobina exterioară în același mod prin filetarea a 2 sau 3 inci de sârmă în baza de stejar. Etichetați acest capăt „3”. Faceți încă 4000 de ture, tăiați firul și filetați capătul în bază la fel ca înainte. Etichetați acest capăt „4”. Imaginile 4 și 5 arată rezultatul final al procesului de împachetare. Din nou … Asigurați-vă că vă înfășurați atât bobinele interioare cât și cele exterioare în aceeași direcție !!!

Pasul 4: Finalizarea circuitului

După cum puteți vedea în schemă, circuitul este extrem de simplu, ceea ce face acest dispozitiv atât de incredibil de cool. Am văzut proiecte similare care foloseau procesoare în schimb … ceea ce pentru mine este ca și cum ai folosi un ciocan pentru a ucide o muscă. Nu vreau să bat acele tipuri de proiecte, dar sunt doar un mare fan al design-urilor care fac treaba cu cel mai scăzut nivel de complexitate.

În a doua imagine mă jucam cu diferite strategii de rutare pentru cablare. Probabil că am făcut o afacere mai mare decât ar trebui. Există doar câteva puncte cheie … doar conectați-o ca la schemă, dar din moment ce sursa de alimentare va fi externă ansamblului bobinei, trebuie să aveți firele care se vor conecta la sursa de alimentare care iese în partea de jos a ansamblului. Cu alte cuvinte: firul V + se îndreaptă către colectorul tranzistorului, iar firul V se îndreaptă către firul etichetat „2” de pe ansamblul bobinei. Deci linia de jos ansamblul bobinei dvs. va avea un terminal pozitiv și unul negativ. Este o idee bună să le etichetați ca atare atunci când ați terminat, astfel încât să nu uitați care este care. Ah … aproape că am uitat. Va trebui să utilizați o bucată de hârtie de șlefuit fină pentru a îndepărta învelișul izolator de pe firul magnetic înainte de a-l lipi! Pentru claritate asupra schemei … „Lo” este bobina exterioară și „Li” este bobina interioară și, de asemenea, luați notă că am etichetat capetele firelor bobinei 1, 2, 3 și 4 pentru a se potrivi cu modul în care am făcut-o când am înfășurat bobinele.

Am testat bobina înainte de a o potrivi cu epoxidic … lucru bun, deoarece am greșit! Ha, m-am jignit vorbind despre cât de simplu a fost totul. Așadar, asigurați-vă că vă testați ansamblul înainte de al îngloba.

Pentru a testa ansamblul finalizat, am lipit un magnet de pământ rar pe o lungime de fir și l-am atârnat chiar peste capul cuiului din bobină. Apoi conectați puterea la bobină și rotiți magnetul peste capul unghiei. Ar trebui să decoleze de la sine. Există un punct dulce pentru distanța dintre magnet și capul unghiei. Prea aproape și mișcarea este sacadată … prea departe și nu va funcționa.

Ultima imagine arată bobina finalizată, precum și magnetul de pământ rar (neodim) pe care l-am folosit.

Pasul 5: Componentele pendulului

Odată ce am avut un design bun de lucru pentru ansamblul bobinei, am avut nevoie să construiesc un prototip de pendul, astfel încât să îi pot evalua caracteristicile de performanță. Am fost foarte curios să aflu câtă putere utilizează dispozitivul și, de asemenea, trebuia să știu cât de mare ar fi pendulul pendulului, deoarece acest lucru ar afecta modul în care am procedat la proiectarea ceasului meu.

Mi-am împachetat ansamblul bobinei într-o cutie mică din lemn și am adăugat un comutator și o conexiune de alimentare. Cutia se potrivește într-un decupaj de pe partea inferioară a ansamblului de bază prezentat în imaginea a doua. Totul se potrivea prin frecare, astfel încât să pot face ajustări pe parcurs pentru a obține performanțe optime. Am adăugat un tub de alamă la montant în imaginea 3 pentru a ajuta la reducerea fricțiunii. Am folosit un cui 10d pentru știft pentru a conecta pendulul la piesa verticală. În imaginea 5 puteți vedea magnetul de pământ rar din capătul pendulului. Nu am găsit niciodată nimic care să spună că polaritatea magnetului este importantă. Se pare că nu contează … ce fel de bug-uri mă întrucât intuitiv cumva cred că ar trebui. Dar nu i-am acordat niciodată atenție și pare să funcționeze întotdeauna, așa că cred că nu. Ultima imagine arată sursa de alimentare de 9 volți DC. Capacitatea de curent de 1 amperi este suprasolicitată … nu trebuie să fie nicăieri aproape de asta așa cum am aflat mai târziu.

Pasul 6: Asamblarea pendulului

Baza este o bucată de pin de două inci. Am vrut să fie greu pentru a împiedica răsturnarea ansamblului când pendulul se balansa. Chiar dacă acesta a fost un prototip, am decis totuși să-l îmbrac puțin și l-am tăiat cu bucăți subțiri de cedru roșu. Nu m-am putut abține!:)

Modulul bobinei se conectează în partea inferioară a bazei (imaginea 2) și totul este răsturnat cu partea dreaptă în sus (imaginea 3). Montantul este introdus în partea superioară a bazei (imaginea 4). Este o potrivire prin frecare. Introduceți cuiul prin tubul de alamă în poziție verticală (imaginea 5). Și, în cele din urmă, apăsați pendulul pe unghie (imaginea finală).

Am ajustat pendulul astfel încât să existe un ușor decalaj între acesta și bază.

Pasul 7: Rezultate de performanță ale prototipului

Aruncând o privire la graficul pe care l-am așezat în spatele pendulului de lucru din videoclip, puteți vedea că pendulul trece peste linia de mijloc, dar nu prea trece de ultima linie. Aceasta plasează întregul arc pe care pendulul îl leagănă între 72 și 80 de grade … Estimez în jur de 75 de grade. Acestea sunt informații valoroase atunci când este timpul să proiectați scăpa de mers pe jos pentru ceas.

De asemenea, am conectat o sondă de curent la linia de alimentare și am monitorizat consumul de curent în timpul funcționării. Am fost extrem de încântat să aflu că extragerea medie curentă a fost puțin peste 2 miliamperi !!! Ce este foarte interesant în acest sens este că voi putea alimenta bateria ceasului. Dacă folosesc baterii cu celule C, voi obține peste 5 luni de timp înainte de a trebui să schimb bateriile. Nu prea rau!

Motivul pentru care sunt entuziasmat de utilizarea bateriilor este că nu vreau să am un cablu de alimentare care să ruleze la ceas, oferind secretul modului în care funcționează. Voi ascunde bateriile în baza ceasului. În plus, voi putea să-l pun oriunde.

Pasul 8: Urmează …

După cum puteți vedea, am fost ocupat cu următorii pași ai proiectării ceasului meu. M-am ars la tăierea dinților dinților. Doamne, este un proces plictisitor. Dacă voi decide vreodată să construiesc o grămadă de ceasuri, cred că voi investi într-un router CNC drăguț !!!

Așadar, în timp ce făceam o pauză de la tăierea dinților dințate, am decupat mâinile și am început să lucrez la rama ceasului. Până acum, bine!

În timp ce mă gândesc la următorul instructabil din această serie, cred că voi vorbi despre procesul pe care l-am parcurs pentru a proiecta și construi uneltele, așa că așteptați pe acela.

Ne vedem atunci!

Willy