Levitationsprojekt: Schwebender Kreisel mit LEDs
Nur eine Handvoll Bauteile ist nötig, um einen Kupferkreisel zum Schweben zu bringen. Der Schwingkreis bringt außerdem die LEDs zum Leuchten.
- Georg Zimmermann
Leuchten, Schweben und Kreiseln – in diesem aus wenigen Bauteilen bestehenden Kreisel-System kommen gleich drei Aspekte zusammen. Es fordert einerseits zum Experimentieren heraus; die Einbettung in ein originelles Design stellt andererseits eine weitere, ebenso reizvolle Aufgabe dar. Auch die professionelle Ausgestaltung mit Platinen/SMD-Technik ist denkbar.
Material
- Blumenkastenhalterung aus Aluminium
- Schrauben als Spulenkern
- 2 Spulen (Kupferlackdraht d = 0,5 mm; l ~100 m)
- Neodym-Magnet rund, Ø 10 mm, Dicke 5 mm
- 2 Neodym-Magnete rund, Ø 5 mm, Dicke 2 mm
- Hall-Sensor SS494
- Kupferlackdraht
- 2 LEDs
- Transistor BC547B
- Transistor BD535
- Kondensatoren
- Widerstände
- Potentiometer
Die Elektronik läuft mit den üblichen 12 Volt. Weitere Bestandteile sind neben der Blumenkastenhalterung die zwei – hier aus Druckern stammenden – Spulen, Neodym-Magnete und der Hall-Sensor. Die oben an der Halterung montierte Spule dient dem Schweben, die untere bewirkt das Kreiseln. Der Kreisel besteht dabei aus einigen Windungen Kupferlackdraht, LEDs und dem im Zentrum orientierten, mit einem Kondensator verklebten Träger-Magneten. Die kleinen Magneten an den LEDs bilden mit der unteren Spule den Kreisel-Motor. Von dem Gewicht und der Geometrie des eigenen Kreisels hängen beim Nachbau viele Werte in den Schaltungen ab.
Oszillator Dreierlei
Schweben: Realisationen magnetischer Lagerungen gibt es zuhauf, aber einfacher als diese Ausführung mit Hall-Sensor geht es kaum. Neben der obligatorischen Spule und dem Neodym-Magneten sind lediglich ein passender Transistor und ein Filter (Hochpass) beteiligt. Mit der Spannung am Ausgang des Sensors lässt sich der Spulenstrom steuern und ein magnetisches Objekt oszillierend in der Schwebe halten. Verlauf von Strom und Spannung entsprechen hier einem Sinus. Der Filter dämpft und verhindert zugleich das Schwingen bei niedrigen Frequenzen.
Leuchten: Durch das Zusammenwirken zweier Spulen wird ein Verbraucher, in diesem Fall unsere LEDs, mit elektrischer Energie versorgt. Diese kabellose Übertragung der Energie findet induktiv statt. Zwei Spulen bilden mit den zugehörigen Kapazitäten Schwingkreise, und – das ist der "Trick" – die beiden Kreise schwingen hochfrequent und resonant. So kann man sich den bei Transformatoren obligatorischen Eisenkern sparen. Aufgrund der geometrischen Verdünnung nimmt allerdings die übertragene Energie mit zunehmender Entfernung der Spulen voneinander stark ab.
Kreiseln: Der Kreisel ist magnetisch gelagert. Einem idealen Kompass entsprechend ist er damit quasi reibungsfrei, und stellt sich mit seinem Drehwinkel zunächst auf die Summe der ihn umgebenden Felder ein, wie etwa das Erdmagnetfeld. Das Feld der Magnetspule drückt den Kreisel dann in eine andere Winkelstellung. Es pulsiert und erfährt in Abhängigkeit vom On-Off-Timing variierende Drehbewegungen: Mal dreht der Kreisel ganz herum, mal nur halb und wieder zurück, mal wird er schneller, mal langsamer, er bremst, stoppt und beschleunigt.
Details zum Bau
Als Kern der oberen Spule dient die Schraube am Ende der Blumenkastenhalterung. An ihr ist der Sensor mit einem Abstand von circa 3 mm befestigt. Der Tragemagnet schwebt dadurch etwas tiefer, was die konstante Anziehung durch das Schraubeneisen verringert. Der Sensor ist so orientiert, dass seine Ausgangsspannung bei einem Näherkommen des Magneten sinkt bzw. andersherum steigt. Sie variiert proportional zur Stärke des Magnetfelds und steuert über einen Transistor (BD 535) den Spulenstrom: Bewegt sich der Magnet nach oben, sinkt der Spulenstrom, bewegt er sich nach unten, steigt er.
Der Hochpass (470 µF, 470 Ohm) dämpft und unterdrückt das mögliche Auf- und Ab bei niedrigen Frequenzen. Die Oszillation findet so nur im gewünschten Bereich von einigen Kilohertz statt (hier: T ~ 160 µs <=> f ~ 6.25 kHz). Falls beim Nachbau sich aufschaukelnde Kippel-Schwingungen auftreten, hilft es, die Geometrie des Kreisels etwas abzuändern und zum Beispiel den Spulenring relativ zum Magneten höher oder niedriger zu befestigen.
Der Sender-Oszillator schwingt bei mehreren 100 kHz (hier: T ~ 1.2 µs <=> f ~ 833 kHz). Die Senderspule (vier Windungen) hat einen Durchmesser von ca. 9 cm. Die optimale Kapazität (>= 4,7 nF) ist experimentell recht leicht zu ermitteln. Der Transistor bedarf einer Kühlung, die für die Fotos allerdings weggelassen wurde.
Die Empfängerspule des Kreisels besteht aus acht Windungen Kupferlackdraht (Durchmesser 4,5 bis 5 cm) und dem Kondensator (4,7 nF, Magnet-Unterseite), mit dem die LEDs antiparallel verbunden sind. Die mittels resonanter, induktiver Kopplung auf den Schwingkreis übertragene Energie reicht bei diesem Abstand (ca. 8 cm) zur Speisung der beiden LEDs. Die Magneten des Kreisels sind in gegenseitiger Abstoßung befestigt. Das Magnetfeld der Spule an der Blumenkastenhalterung ist so gepolt, dass der ihr jeweils näherliegende Magnet abgestoßen wird. Man kann die Spule mit oder ohne Eisenkern betreiben. Im ersteren Fall ist der benötigte Strom geringer, im letzteren dreht der Kreisel in den Off-Zeiten freier, da die konstante Anziehung durch das Eisen wegfällt.
On- und Off-Timing des Rechteckoszillators hängen mit der Größe der Kondensatoren zusammen. Kurze Pulse erfordern eine kleine Kapazität auf der einen Seite (hier links) und eine große auf der anderen (hier rechts => Ausgang). Die durch den Oszillator gesteuerten magnetischen Pulse der unteren Spule treffen auf die verschiedenen Drehwinkel des Kreisels. Wird dieser einem zu abrupten Feldanstieg ausgesetzt, kann das ein mitunter starkes Kippeln zur Folge haben. Hier ist "smoothe" Beschleunigung gefragt. Das dafür erforderte langsame An- und Abschwellen des Spulen-Magnetfeldes bewirkt ein Integrierglied (Impulsformer) aus großem Kondensator, Widerstand und Potentiometer, das dem Oszillator-Ausgang nachgeschaltetet ist. Mit dem Poti lässt sich die Strom- und damit die Feldstärke variieren.
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(hch)
