Levitación magnetica
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Después des unos años y varios intentos al final funcionó ayer (31/4/06).

No es complicadísimo pero probé demasiadas cosas inútiles antes de mirar como lo hicieron otros jeje. Y al final el aparato que construí funciona como otros muchos que se explican en Internet y que hay por ahí a vender.

Sorprendentemente, con poca cosa, la primera vez que funcionó resulto ser tan estable que parecía colgar de un hilo. Ni la más mínima oscilación. Eso sí, evidentemente podía girar sobre si mismo y oscilar hacia los lados como un péndulo al tocarlo. En cambio, tiene muy poco margen para actuar y hay que ajustarlo muy bien para cada cosa que se le cuelgue. Observé que cuanto más lejos pudiera levitar, mejor. Parece ser que si está demasiado el sensor de efecto Hall no lo detecta bien si además se mueve hacia los lados pero si está lejos puede moverse bastante sin caer.

El electroimán construido es demasiado poco potente y sólo es capaz de hacer levitar imanes, y no objetos de acero o hierro.

 

Funcionamiento:

Hay unos sensores en el electroimán que miden la distancia de los imanes al electroimán. Si los imanes se alejan demasiado, los sensores lo detectan y hacen que el electroimán tire de ellos hacia arriba.

Esa es la idea aunque realmente la cosa se complica más porque, en cierto modo, el circuito también mide la velocidad de los imanes para intentar oponerse también a esta. Si no se corrige la velocidad del objeto este tenderá a oscilar ya que, al igual que en un péndulo, cada vez que cruza el punto de equilibrio lleva un exceso de velocidad y por su inercia tiende a seguir. Entonces aunque se intente corregir la posición sin intentar frenarlo, en cada ciclo que oscila va aumentando su velocidad y en poco tiempo sale fuera del campo magnético y cae.

Entonces, además de intentar mantenerlo en un punto hay que hacer que su velocidad sea 0.

Ambas cosas se hacen de la misma forma y al mismo tiempo:

  • Corrección de posición: Se compara la señal del sensor de distancia con una tensión fija que se ajusta a mano. La diferencia entre las dos es la llamada señal de error, que es proporcional a la desviación del objeto con respecto al punto donde se quiere que levite. Cuanta mayor distancia, más tensión de error. Si se amplifica esta señal y se conecta al electroimán, este producirá sobre el objeto una fuerza que aumenta cuanto más se aleje el objeto y cesa si se aproxima demasiado para que la gravedad lo desplace hacia abajo. Todo esto debe hacerse de forma más o menos gradual. No se debe conectar y desconectar el electroimán sino alimentarlo con más o menos intensidad.

  • Corrección de velocidad: ¡No hace falta otro sensor para la velocidad!.La señal de velocidad se extrae derivando la de posición. Con un condensador y una resistencia se consigue esto. Una vez que se tiene esta señal, también se compara con una tensión de referencia, aunque esta referencia siempre es 0v, porque 0 es la velocidad que se quiere que tenga el objeto. Por tanto, se aplica esta misma señal( velocidad - 0 = velocidad ) junto con la de posición (velocidad + posición)  al electroimán y entonces éste variará su campo rápidamente siempre en contra de la dirección que lleve el objeto y con una intensidad proporcional a su velocidad. Tiende a frenarlo.

Hice un "diseño" previo a ojo del circuito y después la cosa fue montar parte por parte ajustar y poner, probar y quitar :-). Al final siempre acabo usando el método de prueba-error, que consiste en ir modificando el circuito hasta que funcione sin mucha planificación previa :-). Al final sale si uno no se desespera antes XD. El caso es que la idea la saque de http://www.oz.net/~coilgun/levitation/home.htm aunque modifique casi todo porque el sensor óptico no me daba más que problemas y me metí en los de efecto hall. al final me quedé sólo con la idea de obtener la velocidad derivando la posición, cosa que no se me abría ocurrido nunca aunque ahora pienso que caía de cajón  :-).

No puedo mostrar el circuito completo que construí yo porque no lo anote antes de desmontarlo :-), pero tampoco funcionaba muy bien. Pienso hacer lo mismo pero mejor para que quede bien puesto en la pagina XD. Básicamente la idea esta:

El electroimán tiene dos sensores de efecto Hall, uno encima y otro debajo, que miden la intensidad de campo magnético en el electroimán. Ambos miden el campo que produce el electroimán y como a la tensión que da H1 se le resta la de H2, la "componente de tensión" debida al campo del electroimán se anula y no influye al resto del circuito. Pero además miden el campo del imán que levita, el cual siempre está mas cerca de HALL 2 que de HALL 1, por tanto la componente de tensión debida a este campo en H1 es siempre mayor que en H2. Esto hace que su diferencia no se anule. La tensión de posición es H1-H2, que crece cuando el imán se acerca al electroimán.

Para establecer la distancia a la que va a levitar se añade un potenciómetro que da una tensión ajustable a la que llamo REF. Así la tensión de error es posición - REF. Y esta es igual a 0 cuando el imán esta en posición de equilibrio, a la distancia seleccionada con el potenciómetro. (Si posición = REF ==> error = posición - REF = 0). En este instante el electroimán estaría totalmente apagado.

Para analizar primero la corrección de posición ignorando la de velocidad, se puede considerar que la señal de posición es una tensión continua. De este modo se ignora el condensador y la tensión de posición se divide por un factor determinado por el divisor de tensión. Después se amplifica hasta que la tensión máxima posible y la mínima coincidan con V+ y V- de alimentación (Para obtener un buen margen de actuación). Se modula esta tensión en ancho de pulso, para que el transistor no se caliente, y se aplica al electroimán.

La corrección de velocidad se hace derivando la señal de posición, es decir, obteniendo una señal cuya tensión aumente el proporción a las variaciones de la señal de posición. Las variaciones de posición son una señal alterna superpuesta en la continua de la que hable antes. Por tanto ahora se considera que el condensador es prácticamente un corto y resulta un circuito derivador. (En la resistencia aparece la tensión proporcional a las variaciones.) Esta tensión variable se amplifica junto con la continua y también se modula en PWM y se aplica al electroimán. Un detalle interesante es que si el condensador es casi un corto el amplificador tiene más ganancia para la alterna que para la continua, por tanto las variaciones se amplifican más que la tensión. Esto hace que el imán levite de forma estable porque la mínima perturbación se detecta amplificada y se anula rápidamente.