Elektromanyetik Sarkaç: 8 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:17

1980'lerin sonlarında tamamen ahşaptan bir saat yapmak istediğime karar verdim. O zamanlar internet yoktu, bu yüzden araştırma yapmak bugün olduğundan çok daha zordu… gerçi çok kaba bir tekerlek ve sarkaç eşapmanını bir araya getirmeyi başardım. Çalışma süresi sınırlıydı ve oldukça zordu, ancak ağırlık yere değmeden önce birkaç dakika boyunca tıkırdadı. Ayrıca kaynaklarım da sınırlıydı… araçlar, para, ahşap işleme becerileri… bu da proje üzerinde çalışmayı oldukça sinir bozucu hale getirdi. Böylece, o zaman için tahta saat rüyası terk edildi. 30 yıldan fazla hızlı ileri sar. Artık emekliyim, gerçekten harika aletlerim var ve ahşap işleme becerilerim çarpıcı biçimde gelişti. Ayrıca bilgisayarlara, harika bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımlarına ve internete erişimim var. Yani saat projesi geri döndü. Tasarım boyunca ilerlerken süreç hakkında yazmaya karar verdim. Sadece yapılacak eğlenceli bir şey gibi görünüyor.

Başlangıçta yerçekimi tarafından yönlendirilen ve bir sarkaç tarafından düzenlenen bir saat yapmak istedim. Geçenlerde internette rastgele dolaşırken, Kauai adasında ahşap saatler ve diğer “kinetik sanat” türlerini tasarlayan bir arkadaşa rastladım. Adı Clayton Boyer. Kendi saat projeme devam etmem için bana ilham veren Bay Boyer'in saat tasarımlarının keşfi oldu. Beni büyüleyen tasarımlarından birinin adı “Toucan”dı. Saatte kullanılan yürüme eşapmanı aynı isimli kuşun gagasını andırıyordu. İzlemesi eğlenceli bir saatti ve tasarımı çok tuhaftı ama nihayetinde dikkatimi çeken şey nasıl kullanıldığı oldu. Ağırlıklar veya yaylar yoktu. Sarkaç hiçbir enerji kaybı olmadan sihirli bir şekilde ileri geri sallanıyor gibiydi. İşin sırrı, saatin tabanına gizlenmiş bir elektromanyetik tahrik sistemi ve sarkacın ucunda bir mıknatıstı. Bir elektrik mühendisi olarak bunun gerçekten harika olduğunu düşündüm ve tüm bunların nasıl çalıştığını anlamaya ve Bay Boyer'in Toucan'ının kendi versiyonumu oluşturmaya karar verdim. Emin olmak için… Saatin planlarını yaklaşık 35 $ karşılığında satın alabilirdim ama bunun eğlencesi nerede?

İnternette biraz daha araştırma yaptıktan sonra, konseptin 1960'lı yılların başına kadar uzanan Kundo Yıldönümü Saatleri olduğunu buldum. Kuru pille çalışıyorlardı ve pili değiştirmeniz gerekmeden önce bir yıl kadar çalışırlardı (sanırım adı bu yüzden). Sürücü devresinin basitliği ilgimi çekti. İki bobin (biri diğerinin üzerine sarılmış), bir germanyum transistör ve bir pil vardı. Bu kadar! İşe yarayan basit şeyleri seviyorum ve bu daha basit olamazdı. Bobinlerden biri transistörün taban girişine, diğeri ise batarya ile seri olarak transistörün çıkış tarafındadır. Yapbozun diğer parçası bir sarkacın ucuna monte edilmiş bir mıknatıstı. Sarkaç bobinler tarafından sallanırken, mıknatıs, transistörün tabanını süren bobin içinde bir akım indükler. Bu, transistörün açılmasına ve çıkış devresindeki akımın aküden onunla seri olan bobin üzerinden akmasına neden olur. Transistörün doyduğu noktaya kadar giriş bobininde daha fazla akımın indüklenmesine neden olan bir transformatör etkisi de vardır. Artık transistörün çıkış tarafında maksimum miktarda akım akmaktadır ve bu devredeki bobine tamamen pil tarafından enerji verilerek sarkaçtaki mıknatısla aynı polariteye sahip bir elektromıknatıs oluşturulur. Zamanlama öyledir ki, elektromıknatıs tarafından üretilen manyetik alan, sallanırken sarkaçtaki mıknatısı iter ve ona küçük bir tekme verir. Sarkaç, bobinleri geçtiğinde, transistörün tabanındaki akım durur ve kapanır. Bu süreç, sarkaç bobinler tarafından her salındığında tekrarlanır… sistemdeki kayıpların üstesinden gelmek için gereken ek enerjiyi sağlar ve her şeyi hareket halinde tutar. Temiz ha? Bununla ilgili gerçekten harika olan şey, çok az güç tüketmesi ve pilin uzun süre dayanmasıdır. Yaylar veya ağırlıklar tarafından çalıştırılan ahşap saatler, geri alınmaları gerekmeden önce yalnızca bir gün kadar çalışır. Kendi çekicilikleri var ama saati her gün kurmak bana acı gibi geldi. Hala bir gün bunlardan birini yapabilirim (Arnfield eşapmanlarını seviyorum) ama şimdilik yerçekimi yerine elektronik olacak.

Dolayısıyla bu yolculuğun ilk ayağı, elektromanyetik olarak darbeli sarkacın nasıl inşa edileceğini bulmaktır, çünkü bu sadece saati düzenlemekle kalmayacak, aynı zamanda onu çalıştıran motor olacaktır. Nihayetinde sarkaçla ilgili bu eğitime ek olarak, genel olarak saat tasarımı, dişli tasarımı, çerçeve yapımını kapsayan bir dizi öğretici yayınlayacağım ve ardından çalışan bir saati tamamlamak için hepsini bir araya getireceğim. Öyleyse kayışı bağlayın… işte sarkacın tasarım sürecine başlıyoruz…

Gereçler

Elektromanyetik olarak darbeli sarkacın ana bileşeni bobin devresidir. Ferrit çekirdek olarak 10d ortak çivi (ortalama donanım mağazanızda bulunur) kullandım. Bobinler için kablolama 35 AWG mıknatıs telidir. Bu, iletken olmayan ince bir malzeme ile kaplanmış çok ince bir teldir. Devredeki akım akışını kontrol etmek için bir 2N4401 NPN iki kutuplu bağlantı transistörü kullanılır. Kapton bant çiviyi ve tamamlanmış göbeği kaplar, ancak hemen hemen her tür bandı kullanabilirsiniz. Bobinin uç kapakları, transistör ve bobin kablolarını barındırmak için 1/16 inç akrilik levhanın yanı sıra silindirik bir meşe parçasıdır. Prototip düzeneğin geri kalanı için çeşitli çaplarda dübel çubukları ile birlikte çeşitli hurda odun parçaları kullanıldı. Dübellerle çalışmayı seviyorum… bana en sevdiğim çocukluk oyuncaklarından birini hatırlatıyor… Tinker Toys! Prototip geliştirmeye oldukça uygun olduklarını düşünüyorum. Güç kaynağı, AC 110'u 9 volt DC'ye dönüştüren bir fişli duvar modülüdür. Eninde sonunda saat pille çalışır, ancak şimdilik takılabilir modül çok kullanışlı ve tutarlıdır. Diğer bir önemli bileşen, sarkacın ucuna gömülü bir neodimyum mıknatıstır. Kullandığım mıknatıs 1/2 inç çapında ve çeyrek inç kalınlığında.

Adım 1: Bobin Çekirdeği Montajı

Bobin için araştırma yaparken, ipliklerden birinin bobin tasarımının ayrıntılarını tartıştığı bir saat onarım forumuna rastladım. Bobinin tabanındaki transistörü ve ilgili kabloları nasıl gizleyeceğime dair bana fikir veren bazı harika resimleri vardı. Bir diğer önemli detay ise 4000 dönüş içeren bobinlerden bahsetmeleriydi. Vay be, bu kulağa çok gibi geldi ve kafamda bobini sarmanın ne kadar mantıklı olacağı konusunda biraz endişe yarattı ama yine de üzerine bastım.

Bitmiş bobinin ne kadar büyük olmasını istediğimi düşündüm ve bir inç çapında ve bir inç ve çeyrek uzunluğunda yerleştim. Uç kapaklar için kullanmak üzere 1/16 inç akrilik levhadan 1 inç çapında daireler ve taban için 1/2 inç kalınlığında bir meşe parçasından 1 inç çapında başka bir disk kestim. Meşe diskte çeyrek inçlik bir kanal frezelemenin yanı sıra transistörü yerleştirmek için 3/16 inç çapında bir delik açtım. Ayrıca kabloları tabandaki kanala yönlendirebilmek için küçük delikler açtım. Ayrıntılar için resimlere bakın. Başlangıçta, telleri tabana geçirmeyi kolaylaştırmak için alttaki akrilik parçadan bir bölüm kestim. Geriye dönüp baktığımda, tabandakilere uyması için küçük delikler açmalıydım. Ama önemli değil. Akrilik parçalarda ve meşe parçada çivi üzerine tam oturması için delikler de açılmıştır. Montaj şu şekildeydi: Çentiksiz akrilik diski çivi üzerine yerleştirin. Çivinin etrafına 1-1/4 inçlik bir bant parçası gösterildiği gibi sarın ve ardından çentikli asil diski ekleyin. Meşe diske epoksi sürdüm ve ardından akrilik diske yapışacak şekilde çiviye kaydırdım.

Bobin sarma işlemine geçmeden önce, bitmiş kablolamanın ne kadar büyük olacağı ve iki bobinin elektrik direnci hakkında kabaca bir fikir edinmek için bazı hızlı ve kirli hesaplamalar yaptım. Görünüşe göre tüm teli çekirdek montajıma sığdırabileceğim için mutluydum.

Adım 2: Bobin Sarma Jig

Telin çekirdeğin etrafına tamamen elle sarılmasının çok büyük bir acı olacağına karar verdim, bu yüzden Tinker Toy teknolojisinden esinlenerek dübellerden bir mastar ve kontrplak ve MDF hurda parçalarını bir araya getirdim. Bobin göbeğinin meşe diskine sıkıca yerinde tutmak için sıcak tutkal sürmem gerektiğini buldum. Aksi takdirde, montajda biraz fazla sürtünme vardı ve krankı çevirdiğimde çekirdek hareket etmiyordu. Böylece, sürtünmeyi ve sıcak tutkal damlasını daha da azaltmak için biraz daha fazla zımparalama ile jig çalışır durumdaydı.

Adım 3: Bobinlerin Sarılması

Tel, mıknatıs teli adı verilen özel bir tel türüdür. İnce bir yalıtkan malzeme ile kaplanmış çok ince tek telli bir teldir. 35 AWG kullandım. Çok yaygın ve Amazon'dan alabileceğiniz hemen hemen her şey gibi. İlk resimde gördüğünüz makarayı bir laboratuvar temizleme olayından sonra iş yerindeki çöp kutusundan kurtardım. Kaç yaşında olduğundan emin değilim ama onlarca yıl önce satın alınmış gibi görünüyor. ÇOK KOMİK.

Çekirdek montajında çivi üzerine üst üste iki bobin saracağız. Her iki bobinin de tertibatın etrafına aynı yönde sarılması esastır… aksi halde çalışmayacaktır. Her bir bobin çivi etrafında yaklaşık 4000 sargıya sahip olacaktır. Şimdi her bobinde tam olarak 4000 dönüş yapmazsanız o kadar büyük bir anlaşma değil, bu yüzden bu ayrıntıyı terletmenize gerek yok ama eskiden takip ettiğim bir not defterim vardı. Paketleme işlemini tamamlamak birkaç saatimi aldı ama sıkılmamak için bir futbol maçı açtım. Her geçişte çivi etrafında yaklaşık 50 dönüş yapabilirdim, bu yüzden yüz sarım almak için birkaç geçiş yapardım ve bunu not defterime not eder ve 4000'e ulaşana kadar devam ederdim.

Sarma işlemi şu şekildedir: Meşe taban parçasına 2 veya 3 inç tel geçirerek iç bobini sarmaya başlayın. Bu telin ucunu "1" olarak etiketleyin. 4000 sargınızı tamamlayın ve çekirdeğin meşe taban ucuna geri döndüğünüzden emin olun. Teli kesin ve meşe tabanına geri geçirebilmeniz için yaklaşık 2 veya 3 inç ek uzunluk bırakın. Bu ucu "2" olarak etiketleyin. Meşe tabanına 2 veya 3 inç tel geçirerek dış bobini aynı şekilde başlatın. Bu ucu "3" olarak etiketleyin. 4000 tur daha yapın, teli kesin ve ucunu tabana daha önce olduğu gibi geçirin. Bu ucu "4" olarak etiketleyin. Resim 4 ve 5, sarma işleminin nihai sonucunu göstermektedir. Tekrar… Hem iç hem de dış bobinleri aynı yönde sardığınızdan emin olun!!!

Adım 4: Devrenin Tamamlanması

Şematikte görebileceğiniz gibi, devre son derece basittir, bu da bu cihazı inanılmaz derecede havalı yapar. Bunun yerine işlemci kullanan benzer projeler gördüm… ki bu benim için bir sineği öldürmek için balyoz kullanmak gibi. Bu tür projeleri kırmak istemem ama işi en düşük düzeyde karmaşıklıkla yapan tasarımların gerçek bir hayranıyım.

İkinci resimde kablolama için farklı yönlendirme stratejileriyle oynuyordum. Muhtemelen yapmam gerekenden daha büyük bir anlaşma yaptım. Sadece birkaç önemli nokta var… sadece şematik gibi kablolayın, ancak güç kaynağı bobin tertibatının dışında olacağından, güç kaynağına bağlanacak kabloların tertibatın altından dışarı çıkması gerekir. Başka bir deyişle: V+ teli transistörün kolektörüne gider ve V- teli bobin düzeneğinizdeki "2" etiketli tele gider. Sonuç olarak, bobin düzeneğinizin bir pozitif ve bir negatif terminali olacaktır. Hangisinin hangisi olduğunu unutmamak için işiniz bittiğinde bunları bu şekilde etiketlemek iyi bir fikirdir. Ah… Neredeyse unutuyordum. Lehimlemeden önce mıknatıs teli üzerindeki yalıtkan kaplamayı çıkarmak için bir parça ince zımpara kağıdı kullanmanız gerekecek! Şematikte netlik sağlamak için… "Lo" dış bobin ve "Li" iç bobindir ve ayrıca, nasıl yaptığımıza uyması için bobin tellerinin 1, 2, 3 ve 4 uçlarını etiketlediğime dikkat edin. bobinleri sardığımızda.

Bobini epoksi ile doldurmadan önce test ettim… iyi ki bir hata yapmışım! Ha, her şeyin ne kadar basit olduğundan bahsederek kendime uğursuzluk getirdim. Bu nedenle, montajınızı saklamadan önce test ettiğinizden emin olun.

Tamamlanan montajı test etmek için bir nadir toprak mıknatısını bir iplik uzunluğuna bantladım ve bobindeki çivinin hemen üzerinden sarkıttım. Ardından bobine güç verin ve mıknatısı çivi başının üzerinden geçirin. Kendi başına kalkmalıdır. Mıknatıs ve çivi başı arasındaki mesafe için tatlı bir nokta var. Çok yakın ve hareket sarsıntılı… çok uzak ve işe yaramayacak.

Son resim, tamamlanmış bobinin yanı sıra kullandığım nadir toprak (neodim) mıknatısını göstermektedir.

Adım 5: Sarkaç Bileşenleri

Bobin tertibatı için iyi bir çalışma tasarımına sahip olduğumda, performans özelliklerini değerlendirebilmek için bir prototip sarkaç oluşturmam gerekiyordu. En çok cihazın ne kadar güç kullandığını merak ediyordum ve sarkacın ne kadar büyük bir yay salacağını da bilmem gerekiyordu, çünkü bu saat tasarımımda nasıl ilerlediğimi etkileyecekti.

Bobin tertibatımı küçük bir tahta kutunun içine paketledim ve bir anahtar ve güç bağlantısı ekledim. Kutu, ikinci resimde gösterilen taban tertibatının altındaki bir oyuğun içine sığar. Optimum performansı elde etmek için yol boyunca ayarlamalar yapabilmem için her şey bir sürtünme uyumuydu. Sürtünmeyi azaltmak için resim 3'teki direğe pirinç boru ekledim. Sarkacı dik parçaya bağlamak için pim için 10d çivi kullandım. Resim 5'te sarkacın ucundaki nadir toprak mıknatısını görebilirsiniz. Mıknatıs polaritesinin önemli olduğunu söyleyen hiçbir şey bulamadım. Önemli değil gibi görünüyor…. bu beni rahatsız ediyor çünkü sezgisel olarak bir şekilde olması gerektiğini düşünüyorum. Ama buna hiç dikkat etmedim ve her zaman işe yarıyor gibi görünüyor, bu yüzden sanırım değil. Son resim 9 volt DC güç kaynağını göstermektedir. 1 amperlik akım kapasitesi abartılı… sonradan öğrendiğim gibi buna yakın bir yerde olması gerekmiyor.

Adım 6: Sarkacın Montajı

Taban, iki inç kalınlığında bir çam yığınıdır. Sarkaç sallanırken tertibatın devrilmemesi için ağır olmasını istedim. Bu bir prototip olmasına rağmen, onu biraz süslemeye karar verdim ve ince kırmızı sedir parçalarıyla süsledim. Kendime yardım edemedim!:)

Bobin modülü, tabanın alt tarafına takılır (resim 2) ve her şey sağa doğru çevrilir (resim 3). Dikme, tabanın üstüne yerleştirilir (resim 4). Sürtünme uyumudur. Çiviyi dikey olarak pirinç borudan geçirin (resim 5). Ve son olarak sarkacı tırnağa bastırın (son resim).

Sarkaç ile taban arasında hafif bir boşluk olacak şekilde ayarladım.

7. Adım: Prototip Performans Sonuçları

Videoda çalışan sarkacın arkasına yerleştirdiğim tabloya bakarak sarkacın orta çizgiyi geçtiğini ancak son çizgiyi tam olarak aşamadığını görebilirsiniz. Bu, sarkacın salladığı tüm yayı 72 ile 80 derece arasına yerleştiriyor… 75 derece civarında tahmin ediyorum. Bu, saat için yürüme eşapmanı tasarlama zamanı geldiğinde değerli bir bilgidir.

Ayrıca güç hattına bir akım probu bağladım ve çalışma sırasında akım çekişini izledim. Ortalama akım çekişinin 2 mili-amperin biraz üzerinde olduğunu öğrenmekten son derece memnun oldum!!! Bu konuda gerçekten harika olan şey, saati pille çalıştırabileceğim. C hücreli piller kullanırsam, pilleri değiştirmem gerekmeden önce 5 aydan fazla çalışma süresi elde ederim. Fena değil!

Pil kullanmaktan heyecan duymamın nedeni, nasıl çalıştığının sırrını açığa çıkaran, saate giden bir güç kablosunun olmasını istememem. Pilleri saatin alt kısmına saklayacağım. Ayrıca onu her yere koyabileceğim.

Adım 8: Sıra Sırada…

Gördüğünüz gibi saat tasarımımın sonraki adımlarıyla meşgulüm. Dişli dişleri keserken canım yandı. Aman tanrım bu sıkıcı bir süreç. Bu saatlerden bir demet yapmaya karar verirsem, güzel bir CNC router'a yatırım yapacağıma inanıyorum!!!

Dişli dişlerini kesmeye ara verirken kolları kestim ve saat çerçevesi üzerinde çalışmaya başladım. Çok uzak çok iyi!

Bu serideki bir sonraki öğreticiyi düşünürken, dişlileri tasarlamak ve inşa etmek için geçirdiğim süreç hakkında konuşacağıma inanıyorum, o yüzden buna hazır olun.

Sonra görüşürüz!

Willy