Pèndol electromagnètic: 8 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

A finals dels anys vuitanta vaig decidir que m’agradaria construir un rellotge completament de fusta. En aquell moment no hi havia internet, de manera que era molt més difícil investigar que avui … tot i que vaig aconseguir empalmar una roda i un pèndol molt bruts. El temps d'execució era limitat i era força complicat, però es faria clic durant uns minuts abans que el pes toqués el terra. També eren limitats els meus recursos … eines, diners, habilitats per treballar la fusta … cosa que va fer que el treball en el projecte fos força frustrant. Per tant, per aquella època, el somni del rellotge de fusta va ser abandonat. Avanç ràpid de 30 anys més. Ara estic jubilat, tinc moltes eines fantàstiques i les meves habilitats per treballar la fusta han millorat dramàticament. També tinc accés a ordinadors, increïble programari de disseny assistit per ordinador (CAD) i a Internet. Per tant, el projecte del rellotge torna a engegar-se. He decidit escriure sobre el procés mentre treballo en el meu disseny. Sembla una cosa divertida.

Inicialment volia construir un rellotge que fos impulsat per la gravetat i regulat per un pèndol. Recentment, mentre buscava per internet a l’atzar, em vaig trobar amb un company de l’illa de Kauai que dissenya rellotges de fusta i altres tipus d’“art cinètic”. Es diu Clayton Boyer. Va ser el descobriment dels dissenys de rellotges del senyor Boyer el que em va inspirar a continuar el meu propi projecte de rellotge. Un dels seus dissenys que em va fascinar es deia “Tucà”. L’escapament a peu utilitzat al rellotge s’assemblava al bec de l’ocell amb el mateix nom. Va ser un rellotge divertit de veure i el disseny era molt capritxós, però el que finalment em va cridar l’atenció va ser com es conduïa. No hi havia peses ni molls. El pèndol semblava oscil·lar màgicament cap a aquí i cap enrere sense pèrdues d’energia. El secret era un sistema d’acció electromagnètica amagat a la base del rellotge i un imant a l’extrem del pèndol. Com que era enginyer elèctric, vaig pensar que era realment genial i vaig decidir esbrinar com funcionava tot això i construir la meva pròpia versió del tucà del senyor Boyer. Ben segur … podia haver comprat els plans per al rellotge, ja que estaven disponibles per uns 35 dòlars, però, on hi ha la diversió?

Després d’explorar una mica més per internet, vaig trobar que el concepte es remuntava a principis dels anys seixanta amb els rellotges Kundo Anniversary. Estaven alimentats per una bateria de cèl·lula seca i funcionarien durant un any més o menys abans d’haver de canviar la bateria (suposo així el nom). La senzillesa del circuit de transmissió em va fascinar. Hi havia dues bobines (una enrotllada sobre una altra), un transistor de germani i una bateria. Això és tot! M'encanten les coses senzilles que funcionen i això no pot ser molt més senzill. Una de les bobines està connectada a l’entrada base del transistor i l’altra bobina es troba al costat de sortida del transistor en sèrie amb la bateria. L’altra peça del trencaclosques era un imant muntat a l’extrem d’un pèndol. A mesura que el pèndol gira per les bobines, l'imant indueix un corrent dins de la bobina que condueix la base del transistor. Això fa que el transistor s’encengui i el corrent flueixi al circuit de sortida de la bateria a través de la bobina que està en sèrie amb ella. També hi ha un efecte transformador que fa que s’indueixi més corrent a la bobina d’entrada fins al punt en què el transistor es satura. Ara la quantitat màxima de corrent flueix pel costat de sortida del transistor i la bateria d’aquest circuit està totalment energitzada per la bateria, creant així un electroimant amb la mateixa polaritat que l’imant del pèndol. La sincronització és tal que el camp magnètic generat per l’electroimant repel·leix l’imant del pèndol a mesura que gira i li dóna una petita puntada. Una vegada que el pèndol passa més enllà de les bobines, el corrent deixa de fluir a la base del transistor i s'apaga. Aquest procés es repeteix cada vegada que el pèndol gira per les bobines … subministrant l'energia addicional necessària per superar les pèrdues del sistema i mantenint tot en moviment. Neat eh? El que és realment fantàstic és que consumeix molt poca energia i la bateria durarà molt de temps. Els rellotges de fusta accionats per molls o peses només funcionaran durant un dia aproximadament abans que hagin de ser enrotllats. Tenen el seu propi atractiu, però girar el rellotge cada dia em va semblar un dolor. Encara pot ser que en construeixi algun d’aquests (algun dia m’encanten les fugides d’Arnfield), però de moment serà electrònica en lloc de gravetat.

Així doncs, la primera etapa d’aquest viatge consisteix a esbrinar com construir el pèndol impulsat electromagnèticament, ja que això no només regularà el rellotge, sinó que també serà el motor que el condueix. En última instància, a més d’aquest tutorial sobre el pèndol, publicaré una sèrie de tutorials sobre el disseny del rellotge en general, el disseny d’engranatges, la construcció de marcs i, a continuació, reuniré tot per completar un rellotge de treball. A continuació, col·loqueu-vos … aquí anem amb el procés de disseny del pèndol …

Subministraments

El component principal del pèndol impulsat electromagnèticament és el circuit de la bobina. He utilitzat un clau comú de 10 dies (disponible a la ferreteria mitjana) com a nucli de ferrita. El cablejat de les bobines és de fil d’imant de 35 AWG. Es tracta d’un filferro molt fi recobert amb un material prim i no conductor. Un transistor de connexió bipolar NPN 2N4401 s’utilitza per controlar el flux de corrent a través del circuit. La cinta Kapton cobreix l'ungla i el nucli complet, però podeu utilitzar gairebé qualsevol tipus de cinta. Les tapes finals de la bobina són làmines acríliques de 1/16 polzades, així com una peça de roure cilíndrica per allotjar el cablejat del transistor i la bobina. Es van utilitzar diversos trossos de trossos de fusta per a la resta del prototip de muntatge juntament amb varetes de claus en diversos diàmetres. M'encanta treballar amb varetes … em recorda a una de les meves joguines favorites de la infància … Joguines Tinker! Em sembla que es presten força bé al desenvolupament de prototips. La font d'alimentació és un mòdul de paret endollable que converteix AC 110 a 9 volts de corrent continu. En última instància, el rellotge acabarà funcionant amb bateria, però ara per ara el mòdul endoll és molt còmode i constant. Un altre component clau és un imant de neodimi que s’incrusta a l’extrem del pèndol. L’imant que he utilitzat fa 1/2 polzada de diàmetre i un quart de polzada de gruix.

Pas 1: muntatge del nucli de la bobina

Mentre estava investigant la bobina, em vaig trobar amb un fòrum de reparació de rellotges on un dels fils discutia els detalls del disseny de la bobina. Tenien unes imatges fantàstiques que em van donar la idea de com amagar el transistor i el cablejat associat a la base de la bobina. Un altre detall clau va ser que esmentaven les bobines que contenien 4.000 voltes. Vaja, això va semblar molt i va crear una mica de preocupació al darrere de la meva ment del raonable que seria embolicar la bobina, però vaig continuar pressionant.

Vaig pensar en la mida que volia que fos la bobina acabada i em vaig instal·lar en una polzada de diàmetre i una polzada i quart de llarg. Vaig tallar cercles d'1 polzada de diàmetre de full acrílic d'1 / 16 polzades per utilitzar per a les tapes finals i un altre disc de 1 polzada de diàmetre d'un tros de roure de 1/2 polzada de gruix per a la base. He fresat un canal de quart de polzada al disc de roure i he perforat un forat de 3/16 de polzada de diàmetre per acomodar el transistor. També he forat petits forats per poder encaminar el cablejat al canal de la base. Vegeu les imatges per obtenir més informació. Inicialment vaig tallar una secció de la peça acrílica inferior per facilitar el pas dels cables a la base. Retrospectivament, hauria d’haver perforat petits forats perquè coincidissin amb els de la base. Però no és gran cosa. També es foradaven forats a les peces acríliques i la peça de roure per a un ajust perfecte sobre l’ungla. El muntatge va ser el següent: Col·loqueu el disc acrílic sense oscar a l’ungla. Emboliqueu un tros de cinta d’1-1 / 4 polzada al voltant de l’ungla tal com es mostra i, a continuació, afegiu-hi el disc acílic. Vaig aplicar epoxi al disc de roure i després el vaig lliscar sobre l’ungla de manera que s’enganxés al disc d’acrílic.

Abans de passar al procés d'embolcall de bobines, vaig fer alguns càlculs ràpids i bruts per tenir una idea aproximada de la grandària del cablejat acabat i de la resistència elèctrica de les dues bobines. Semblava que seria capaç d’encaixar tot el cable al meu nucli, de manera que estava content.

Pas 2: plantilla de bobina de bobina

Vaig decidir que embolicar el filferro al voltant del nucli totalment a mà seria un dolor enorme, inspirat en la tecnologia Tinker Toy que vaig empalmar una plantilla amb tacs i trossos de fusta contraxapada i MDF. Vaig trobar que havia de posar una mica de cola calenta al disc de roure del nucli de la bobina per mantenir-lo ben ajustat al seu lloc. En cas contrari, hi havia una mica de fricció en el conjunt i el nucli no es mouria quan girés la manovella. Així doncs, amb una mica més de poliment per reduir encara més la fricció i la mica de cola calenta, la plantilla estava operativa.

Pas 3: Bobinar les bobines

El filferro és un tipus especial de filferro anomenat filferro imant. Es tracta d’un fil molt fi d’una sola capa que es recobreix amb un material aïllant prim. He utilitzat 35 AWG. És molt comú i, com gairebé tota la resta, el podeu obtenir d’Amazon. Vaig rescatar la bobina que veieu a la primera imatge de les escombraries a la feina després d’un esdeveniment de neteja de laboratori. No sé ben bé quina edat té, però sembla que s’ha comprat fa moltes dècades. LOL.

Embolicarem dues bobines, una sobre l'altra, sobre l'ungla del conjunt del nucli. És essencial que les dues bobines estiguin embolicades en la mateixa direcció al voltant del conjunt … en cas contrari, no funcionarà. Cada bobina tindrà aproximadament 4000 embolcalls al voltant de l’ungla. Ara no és tan gran si no acabeu amb exactament 4000 voltes a cada bobina, de manera que no cal suar aquest detall, però tenia un bloc de notes que seguia. Vaig trigar unes quantes hores a completar el procés d’embolcall, però només vaig engegar un partit de futbol per veure-ho i no em vaig avorrir. Podria fer unes 50 voltes al voltant de l’ungla cada passada, de manera que faria un parell de passades per aconseguir un centenar d’embolcalls i fer-ne nota al bloc de notes i continuar fins que arribés a 4.000 embolcalls.

Heus aquí el procés per embolicar: Comenceu a embolicar la bobina interior enfilant 2 o 3 polzades de filferro a la peça base de roure. Etiqueu l'extrem d'aquest cable "1". Completeu els 4000 embolcalls i assegureu-vos que torneu a l'extrem base del roure del nucli. Talleu el filferro i deixeu aproximadament 2 o 3 polzades de longitud addicional perquè pugueu enfilar-lo de nou a la base del roure. Etiqueta aquest extrem com a "2". Comenceu la bobina exterior de la mateixa manera enfilant 2 o 3 polzades de filferro a la base de roure. Etiqueta aquest extrem com a "3". Feu 4000 voltes més, talleu el filferro i enfileu l’extrem a la base igual que abans. Etiqueta aquest extrem com a "4". Les imatges 4 i 5 mostren el resultat final del procés d’embolcall. Una vegada més … Assegureu-vos que emboliqueu les bobines interior i exterior en la mateixa direcció.

Pas 4: Completar el circuit

Com podeu veure a l'esquema, el circuit és extremadament senzill, cosa que fa que aquest dispositiu sigui increïblement fresc. He vist projectes similars que feien servir processadors … que per a mi és com fer servir un trineu per matar una mosca. No vull acabar amb aquest tipus de projectes, però sóc un gran fan dels dissenys que fan la feina amb el nivell més baix de complexitat.

A la segona imatge, jugava amb diferents estratègies d’encaminament per al cablejat. Probablement en vaig fer un tracte més gran del que hauria de fer. Només hi ha un parell de punts clau … simplement connecteu-lo com l'esquema, però, ja que la font d'alimentació serà externa al conjunt de la bobina, heu de tenir els cables que es connectaran a la font d'alimentació que sobresurti per la part inferior del conjunt. En altres paraules: el fil V + va al col·lector del transistor i el fil V va al fil etiquetat com a "2" al conjunt de la bobina. Així, doncs, el conjunt de la bobina tindrà un terminal positiu i un terminal negatiu. És una bona idea etiquetar-les com a tals quan hàgiu acabat perquè no oblideu quina és quina. Ah … gairebé m'oblidava. Haureu d’utilitzar un tros de paper de vidre fi per eliminar el revestiment aïllant del fil d’imant abans de soldar-lo. Per obtenir més claredat sobre l'esquema … "Lo" és la bobina exterior i "Li" és la bobina interior i també tingueu en compte que he etiquetat els extrems dels cables de la bobina 1, 2, 3 i 4 perquè coincideixin amb com ho hem fet quan embolicem les bobines.

Vaig provar la bobina abans de posar-la en pot amb epoxi … cosa bona, ja que m'havia equivocat! Ha, em vaig molestar parlant del senzill que era tot. Assegureu-vos, doncs, de provar el muntatge abans d’emmagatzemar-lo.

Per provar el conjunt complet, vaig enganxar un imant de terra rara a una longitud de fil i el vaig penjar just sobre el cap de l’ungla de la bobina. A continuació, connecteu l’energia a la bobina i gireu l’imant més enllà del cap de l’ungla. Hauria d’enlairar-se tot sol. Hi ha un punt dolç per a la distància entre l’imant i el cap de les ungles. Massa a prop i el moviment és sacsejat … massa lluny i no funcionarà.

La darrera imatge mostra la bobina completa i l’imant de terra rara (neodimi) que he utilitzat.

Pas 5: components del pèndol

Un cop vaig tenir un bon disseny de funcionament per al conjunt de la bobina, necessitava construir un prototip de pèndol per poder avaluar les seves prestacions. Tenia curiositat per saber quanta potència feia servir el dispositiu i també necessitava saber quina magnitud d’arc oscil·laria el pèndol, ja que això afectaria la manera de procedir amb el disseny del meu rellotge.

Vaig empaquetar el conjunt de la bobina dins d’una petita caixa de fusta i vaig afegir un interruptor i una connexió d’alimentació. La caixa s’adapta dins d’un retall a la part inferior del conjunt de la base que es mostra a la imatge dos. Tot era un ajust de fricció per poder fer ajustos al llarg del camí per obtenir un rendiment òptim. Vaig afegir un tub de llautó al muntant de la imatge 3 per ajudar a reduir la fricció. Vaig utilitzar un clau de 10d per al passador per connectar el pèndol a la peça vertical. A la imatge 5 podeu veure l’imant de la terra rara a l’extrem del pèndol. Mai no vaig trobar res que digués que la polaritat de l’imant fos important. Sembla que no importa … quin tipus d'errors m'intueix perquè d'alguna manera intuïtivament crec que hauria de ser així. Però mai no hi he fet cas i sembla que sempre funciona, així que suposo que no. L'última foto mostra la font d'alimentació de 9 volts de CC. La capacitat de corrent d'1 amperi és excessiva … no cal que sigui a prop d'això, tal com vaig descobrir més endavant.

Pas 6: Muntatge del pèndol

La base és un tros de pi de dues polzades de gruix. Volia que fos pesat per evitar que el conjunt es bolqués quan el pèndol es balancejava. Tot i que aquest era un prototip, vaig decidir vestir-lo una mica i retallar-lo amb trossos prims de cedre vermell. No em podia ajudar!:)

El mòdul de bobina es connecta a la part inferior de la base (imatge 2) i tot es gira cap a la dreta (imatge 3). El muntant s'insereix a la part superior de la base (imatge 4). És un ajust de fricció. Introduïu l'ungla a través del tub de llautó a la posició vertical (imatge 5). I finalment premeu el pèndol sobre l’ungla (foto final).

Vaig ajustar el pèndol perquè hi hagués una lleugera bretxa entre ell i la base.

Pas 7: Resultats del rendiment del prototip

En fer una ullada al gràfic que vaig col·locar darrere del pèndol de treball del vídeo, podeu veure que el pèndol passa per sobre de la línia central, però no l’acaba de passar per sobre de l’última. Això situa l’arc sencer que el pèndol gira entre 72 i 80 graus … Estimo aproximadament 75 graus. Aquesta és una informació valuosa quan és hora de dissenyar l’escapament a peu per al rellotge.

També vaig connectar una sonda de corrent a la línia elèctrica i vaig controlar el consum de corrent durant el funcionament. Em va complaure molt comprovar que la mitjana actual de corrent era de poc més de 2 mili-amperes !!! El realment interessant d’això és que seré capaç d’alimentar el rellotge. Si faig servir bateries de cèl·lules C, obtindré més de 5 mesos de temps abans d’haver de canviar-les. No tant malament!

El motiu pel qual estic emocionat d’utilitzar piles és que no vull que hi hagi un cable d’alimentació rellotge cap al rellotge que doni el secret de com funciona. Amagaré les piles a la base del rellotge. A més, ho podré posar a qualsevol lloc.

Pas 8: Properament …

Com podeu veure, he estat ocupat amb els següents passos del disseny del meu rellotge. Em vaig cremar tallant les dents de l’engranatge. Vaja, és un procés tediós. Si alguna vegada decideixo construir un munt d’aquests rellotges, crec que invertiré en un bon encaminador CNC !!!

Així, mentre feia un descans per serrar les dents de l’engranatge, vaig tallar les mans i vaig començar a treballar al marc del rellotge. Fins ara, tot bé!

A mesura que penso en la següent instrucció d’aquesta sèrie, crec que parlaré del procés que he dut a terme per dissenyar i construir els engranatges, de manera que estigueu a punt en aquell.

Ens veiem llavors!

Willy