Pendulum Elektromagnetik: 8 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Kembali pada akhir 1980-an saya memutuskan bahwa saya ingin membuat jam yang seluruhnya terbuat dari kayu. Pada saat itu tidak ada internet sehingga jauh lebih sulit untuk melakukan penelitian daripada sekarang … meskipun saya berhasil membuat roda yang sangat kasar dan pelarian pendulum. Waktu lari terbatas dan agak rumit tetapi akan berbunyi klik selama beberapa menit sebelum beban menyentuh lantai. Sumber daya saya juga terbatas… alat, uang, keterampilan pengerjaan kayu… yang membuat mengerjakan proyek ini agak membuat frustrasi. Jadi, untuk sementara, mimpi jam kayu itu ditinggalkan. Maju cepat 30 tahun lebih. Saya sudah pensiun sekarang, saya memiliki banyak alat yang sangat hebat, dan keterampilan pertukangan kayu saya telah meningkat secara dramatis. Saya juga memiliki akses ke komputer, perangkat lunak Computer Aided Design (CAD) yang luar biasa, dan internet. Jadi proyek jam kembali aktif. Saya telah memutuskan untuk menulis tentang prosesnya saat saya mengerjakan desain. Sepertinya hal yang menyenangkan untuk dilakukan.

Awalnya saya ingin membuat jam yang digerakkan oleh gravitasi dan diatur oleh bandul. Baru-baru ini, ketika saya secara acak menggali di internet, saya menemukan seorang rekan di pulau Kauai yang mendesain jam kayu dan jenis "seni kinetik" lainnya. Namanya Clayton Boyer. Penemuan desain jam Pak Boyer yang menginspirasi saya untuk melanjutkan proyek jam saya sendiri. Salah satu desainnya yang membuat saya terpesona disebut "Toucan". Pelarian berjalan yang digunakan pada jam menyerupai paruh burung dengan nama yang sama. Itu adalah jam yang menyenangkan untuk ditonton dan desainnya sangat aneh tetapi yang akhirnya menarik perhatian saya adalah bagaimana jam itu digerakkan. Tidak ada beban atau pegas. Pendulum itu tampak berayun ke sana kemari secara ajaib tanpa kehilangan energi. Rahasianya adalah sistem penggerak elektromagnetik yang tersembunyi di dasar jam dan magnet di ujung bandul. Menjadi seorang insinyur listrik saya pikir ini benar-benar keren dan saya memutuskan untuk mencari tahu bagaimana semua ini bekerja dan membangun versi saya sendiri dari Mr. Boyer's Toucan. Yang pasti… Saya bisa saja membeli paket untuk jam itu karena tersedia dengan harga sekitar $35 tetapi di mana kesenangannya?

Setelah sedikit menggali di internet, saya menemukan bahwa konsep tersebut berasal dari awal tahun 1960-an dengan Jam Peringatan Kundo. Mereka ditenagai oleh baterai sel kering dan akan berjalan selama satu tahun atau lebih sebelum Anda harus mengganti baterai (seperti namanya, saya kira). Kesederhanaan sirkuit penggerak membuat saya penasaran. Ada dua kumparan (satu luka di atas yang lain), transistor germanium, dan baterai. Itu saja! Saya suka hal-hal sederhana yang berhasil dan ini tidak bisa lebih sederhana. Salah satu kumparan terhubung ke input basis transistor dan kumparan lainnya berada di sisi keluaran transistor secara seri dengan baterai. Bagian lain dari teka-teki itu adalah magnet yang dipasang di ujung pendulum. Saat pendulum berayun oleh kumparan, magnet menginduksi arus di dalam kumparan yang menggerakkan dasar transistor. Hal ini menyebabkan transistor menyala dan arus mengalir pada rangkaian keluaran dari baterai melalui kumparan yang dirangkai seri dengannya. Ada juga efek transformator yang menyebabkan lebih banyak arus diinduksi dalam kumparan input ke titik di mana transistor jenuh. Jumlah maksimum arus sekarang mengalir di sisi keluaran transistor dan koil di sirkuit itu sepenuhnya diberi energi oleh baterai sehingga menciptakan elektromagnet dengan polaritas yang sama dengan magnet di pendulum. Pengaturan waktunya sedemikian rupa sehingga medan magnet yang dihasilkan oleh elektromagnet menolak magnet di pendulum saat berayun dan memberinya sedikit tendangan. Setelah pendulum bergerak melewati kumparan arus berhenti mengalir di dasar transistor dan mati. Proses ini diulang setiap kali pendulum diayunkan oleh kumparan… memasok energi tambahan yang diperlukan untuk mengatasi kerugian di dalam sistem dan menjaga semuanya tetap bergerak. Rapi ya? Apa yang benar-benar hebat tentang ini adalah ia mengkonsumsi daya yang sangat kecil dan baterai akan bertahan lama. Jam kayu yang digerakkan oleh pegas atau pemberat hanya akan bekerja selama sekitar satu hari sebelum harus diputar ulang. Mereka memiliki daya tariknya sendiri, tetapi memutar jam setiap hari terasa menyakitkan bagi saya. Saya masih dapat membangun salah satu dari ini suatu hari nanti (saya suka pelarian Arnfield) tetapi untuk saat ini akan menjadi elektronik, bukan gravitasi.

Jadi langkah pertama dari perjalanan ini adalah mencari cara untuk membangun pendulum yang dirangsang secara elektromagnetik karena ini tidak hanya akan mengatur jam tetapi juga menjadi mesin yang menggerakkannya. Pada akhirnya, selain tutorial tentang pendulum ini, saya akan menerbitkan sejumlah tutorial yang mencakup desain jarum jam secara umum, desain roda gigi, konstruksi rangka, dan kemudian menggabungkan semuanya untuk menyelesaikan jam kerja. Jadi ikat … di sini kita pergi dengan proses desain untuk pendulum …

Perlengkapan

Komponen utama dari pendulum impuls elektromagnetik adalah sirkuit koil. Saya menggunakan paku biasa 10d (tersedia di toko perangkat keras rata-rata Anda) sebagai inti ferit. Kabel untuk kumparan adalah 35 kawat magnet AWG. Ini adalah kawat yang sangat halus yang dilapisi dengan bahan nonkonduktif tipis. Transistor junction bipolar 2N4401 NPN digunakan untuk mengontrol aliran arus melalui rangkaian. Pita kapton menutupi paku dan inti yang telah selesai tetapi Anda dapat menggunakan hampir semua jenis pita. Tutup ujung koil adalah lembaran akrilik 1/16 inci serta sepotong kayu ek berbentuk silinder untuk menampung transistor dan kabel koil. Berbagai potongan dan potongan kayu bekas digunakan untuk sisa perakitan prototipe bersama dengan batang dowel dalam sejumlah diameter. Saya suka bekerja dengan batang dowel… itu mengingatkan saya pada salah satu mainan masa kecil favorit saya… Tinker Toys! Saya menemukan mereka meminjamkan diri mereka cukup baik untuk pengembangan prototipe. Catu daya adalah modul plug in dinding yang mengubah AC 110 menjadi 9 volt DC. Pada akhirnya jam akan berakhir dengan tenaga baterai tetapi untuk saat ini modul plug in sangat nyaman dan konsisten. Komponen kunci lainnya adalah magnet neodymium yang tertanam di ujung bandul. Magnet yang saya gunakan berdiameter 1/2 inci dan tebal seperempat inci.

Langkah 1: Perakitan Inti Coil

Saat saya melakukan penelitian untuk koil, saya menemukan forum perbaikan jam di mana salah satu utas membahas detail desain koil. Mereka memiliki beberapa gambar hebat yang memberi saya ide tentang cara menyembunyikan transistor dan kabel terkait di dalam dasar koil. Detail penting lainnya adalah mereka menyebutkan gulungan yang berisi 4000 putaran. Wow, itu terdengar seperti banyak dan menciptakan sedikit kekhawatiran di benak saya tentang betapa masuk akal untuk membungkus koil tetapi saya tetap menekan.

Saya memikirkan seberapa besar saya ingin gulungan yang sudah jadi dan menetap pada diameter satu inci dan panjang satu inci dan seperempat. Saya memotong lingkaran berdiameter 1 inci dari lembaran akrilik 1/16 inci untuk digunakan untuk tutup ujung dan disk berdiameter 1 inci lainnya dari sepotong kayu ek setebal 1/2 inci untuk alasnya. Saya menggiling saluran seperempat inci di disk kayu ek serta mengebor lubang berdiameter 3/16 inci untuk mengakomodasi transistor. Saya juga mengebor lubang kecil untuk dapat mengarahkan kabel ke saluran di pangkalan. Lihat gambar untuk detailnya. Awalnya saya memotong bagian dari bagian bawah akrilik untuk memudahkan memasukkan kabel ke alasnya. Dalam retrospeksi, saya seharusnya mengebor lubang kecil agar sesuai dengan yang ada di pangkalan. Tapi bukan masalah besar. Lubang juga dibor pada potongan akrilik dan potongan kayu ek agar pas di atas kuku. Perakitan adalah sebagai berikut: Tempatkan disk akrilik yang tidak berlekuk ke kuku. Bungkus selotip berukuran 1-1 / 4 inci di sekitar kuku seperti yang ditunjukkan dan kemudian tambahkan cakram acylic berlekuk. Saya mengoleskan epoksi ke piringan kayu ek dan kemudian menyelipkannya ke paku sedemikian rupa sehingga menempel pada piringan akrilik.

Sebelum saya beralih ke proses pembungkus koil, saya melakukan beberapa perhitungan cepat dan kotor untuk mendapatkan gambaran kasar tentang seberapa besar kabel yang sudah jadi dan hambatan listrik dari dua koil. Tampaknya saya dapat memasukkan semua kabel ke rakitan inti saya, jadi saya senang.

Langkah 2: Coil Winding Jig

Saya memutuskan bahwa membungkus kawat di sekitar inti sepenuhnya dengan tangan akan sangat merepotkan sehingga terinspirasi oleh teknologi Tinker Toy. Saya membuat jig dari pasak dan potongan kayu lapis dan MDF. Saya menemukan bahwa saya harus meletakkan setetes lem panas pada piringan kayu ek dari inti kumparan untuk menahannya dengan pas di tempatnya. Kalau tidak, ada sedikit terlalu banyak gesekan di rakitan dan inti tidak akan bergerak ketika saya memutar engkol. Jadi dengan sedikit lebih banyak pengamplasan untuk mengurangi gesekan dan mengoleskan lem panas, jig dapat dioperasikan.

Langkah 3: Menggulung Kumparan

Kawat adalah jenis kawat khusus yang disebut kawat magnet. Ini adalah kawat untai tunggal yang sangat halus yang dilapisi dengan bahan insulator tipis. Saya menggunakan 35AWG. Ini sangat umum dan sama seperti hampir semua hal lain yang bisa Anda dapatkan dari Amazon. Saya menyelamatkan gulungan yang Anda lihat di gambar pertama dari tempat sampah di tempat kerja setelah acara pembersihan lab. Tidak yakin berapa umurnya tetapi tampaknya telah dibeli beberapa dekade yang lalu. TERTAWA TERBAHAK-BAHAK.

Kami akan membungkus dua gulungan, satu di atas yang lain, di atas paku di rakitan inti. Adalah penting bahwa kedua kumparan dibungkus dengan arah yang sama di sekitar rakitan … jika tidak, itu tidak akan berfungsi. Setiap kumparan akan memiliki sekitar 4000 lilitan di sekitar kuku. Sekarang bukan masalah besar jika Anda tidak berakhir dengan tepat 4000 putaran pada setiap kumparan sehingga Anda tidak perlu memusingkan detail itu, tetapi saya memang memiliki notepad yang biasa saya lacak. Memang butuh beberapa jam untuk menyelesaikan proses pembungkusan tetapi saya baru saja menyalakan pertandingan sepak bola untuk menonton sehingga saya tidak bosan. Saya bisa membuat sekitar 50 putaran di sekitar paku setiap lulus jadi saya akan membuat beberapa operan untuk mendapatkan seratus lilitan dan mencatatnya di buku catatan saya dan terus melakukannya sampai saya mencapai 4000 lilitan.

Inilah proses untuk membungkus: Mulailah membungkus kumparan bagian dalam dengan memasukkan 2 atau 3 inci kawat ke bagian dasar kayu ek. Beri label ujung kabel ini "1". Selesaikan 4000 bungkus Anda dan pastikan Anda kembali ke ujung dasar kayu ek dari inti. Potong kawat dan sisakan sekitar 2 atau 3 inci panjang tambahan sehingga Anda dapat memasangnya kembali ke dasar kayu ek. Beri label akhir ini "2". Mulai gulungan luar dengan cara yang sama dengan memasukkan 2 atau 3 inci kawat ke dasar kayu ek. Beri label akhir ini "3". Buat 4000 putaran lagi, potong kawat, dan masukkan ujungnya ke alas sama seperti sebelumnya. Beri label akhir ini "4". Gambar 4 dan 5 menunjukkan hasil akhir dari proses pembungkusan. Sekali lagi… Pastikan Anda membungkus gulungan dalam dan luar dengan arah yang sama!!!

Langkah 4: Menyelesaikan Sirkuit

Seperti yang Anda lihat dalam skema rangkaiannya sangat sederhana yang membuat perangkat ini sangat keren. Saya telah melihat proyek serupa yang menggunakan prosesor… yang bagi saya seperti menggunakan palu godam untuk membunuh lalat. Saya tidak bermaksud untuk menjatuhkan jenis proyek itu, tetapi saya hanya penggemar berat desain yang menyelesaikan pekerjaan dengan tingkat kerumitan terendah.

Pada gambar kedua saya bermain-main dengan strategi perutean yang berbeda untuk pengkabelan. Saya mungkin membuat kesepakatan yang lebih besar dari yang seharusnya. Hanya ada beberapa poin kunci … hanya kawat seperti skema tapi karena catu daya akan menjadi eksternal ke perakitan kumparan Anda perlu memiliki kabel yang akan terhubung ke sumber listrik mencuat bagian bawah perakitan. Dengan kata lain: Kabel V+ menuju kolektor transistor dan kabel V menuju kabel berlabel "2" pada rakitan kumparan Anda. Jadi intinya rakitan koil Anda akan memiliki terminal positif dan negatif. Sebaiknya beri label seperti itu setelah selesai sehingga Anda tidak lupa yang mana. Ah… aku hampir lupa. Anda perlu menggunakan selembar amplas halus untuk menghilangkan lapisan insulator pada kawat magnet sebelum Anda menyoldernya! Untuk kejelasan pada skema … "Lo" adalah kumparan luar dan "Li" adalah kumparan dalam dan juga perhatikan bahwa saya telah memberi label ujung kabel kumparan 1, 2, 3, dan 4 untuk mencocokkan bagaimana kami melakukannya ketika kita membungkus kumparan.

Saya menguji koil sebelum saya memasangnya dengan epoksi… untungnya karena saya membuat kesalahan! Ha, saya membawa sial dengan berbicara tentang betapa sederhananya semuanya. Jadi, pastikan Anda menguji rakitan Anda sebelum memasangnya.

Untuk menguji perakitan yang telah selesai, saya menempelkan magnet tanah jarang pada seutas benang dan menggantungnya tepat di atas kepala paku di koil. Kemudian hubungkan daya ke koil dan ayunkan magnet melewati kepala paku. Itu harus lepas landas dengan sendirinya. Ada sweet spot untuk jarak antara magnet dan kepala paku. Terlalu dekat dan gerakannya tersentak-sentak … terlalu jauh dan itu tidak akan berhasil.

Gambar terakhir menunjukkan kumparan lengkap serta magnet tanah jarang (neodymium) yang saya gunakan.

Langkah 5: Komponen Pendulum

Setelah saya memiliki desain kerja yang baik untuk perakitan koil, saya perlu membuat pendulum prototipe sehingga saya dapat menilai karakteristik kinerjanya. Saya sangat ingin tahu berapa banyak daya yang digunakan perangkat dan saya juga perlu tahu seberapa besar busur yang akan diayunkan pendulum karena ini akan memengaruhi cara saya melanjutkan desain jam saya.

Saya mengemas rakitan koil saya di dalam kotak kayu kecil dan menambahkan sakelar dan koneksi daya. Kotak pas di dalam potongan di bagian bawah rakitan dasar yang ditunjukkan pada gambar dua. Semuanya cocok untuk gesekan sehingga saya dapat melakukan penyesuaian di sepanjang jalan untuk mendapatkan kinerja yang optimal. Saya menambahkan tabung kuningan ke tegak pada gambar 3 untuk membantu mengurangi gesekan. Saya menggunakan paku 10d untuk pin untuk menghubungkan pendulum ke bagian tegak. Pada gambar 5 Anda dapat melihat magnet tanah jarang di ujung bandul. Saya tidak pernah menemukan apa pun yang mengatakan polaritas magnet itu penting. Sepertinya tidak masalah…. jenis apa yang mengganggu saya karena secara intuitif saya pikir itu seharusnya. Tapi saya tidak pernah memperhatikannya dan sepertinya selalu berhasil jadi saya rasa tidak. Gambar terakhir menunjukkan sumber listrik DC 9 volt. Kapasitas 1 amp saat ini berlebihan… tidak perlu mendekati itu seperti yang saya temukan nanti.

Langkah 6: Merakit Pendulum

Basisnya adalah potongan pinus setebal dua inci. Saya ingin itu berat agar rakitan tidak terbalik saat pendulum berayun. Meskipun ini adalah prototipe, saya masih memutuskan untuk mendandaninya sedikit dan memangkasnya dengan potongan tipis cedar merah. Tidak bisa menahan diri!:)

Modul koil dihubungkan ke sisi bawah alas (gambar 2) dan semuanya terbalik ke kanan (gambar 3). Tegak dimasukkan ke bagian atas alas (gambar 4). Ini cocok untuk gesekan. Masukkan paku melalui tabung kuningan secara tegak (gambar 5). Dan akhirnya tekan pendulum ke paku (gambar terakhir).

Saya menyesuaikan pendulum sehingga ada sedikit celah antara itu dan alasnya.

Langkah 7: Hasil Kinerja Prototipe

Dengan melihat bagan yang saya tempatkan di belakang pendulum yang berfungsi dalam video, Anda dapat melihat bahwa pendulum berayun melewati garis tengah tetapi tidak berhasil melewati garis terakhir. Ini menempatkan seluruh busur yang diayunkan pendulum antara 72 dan 80 derajat… Saya memperkirakan sekitar 75 derajat. Ini adalah informasi berharga ketika tiba waktunya untuk merancang pelarian berjalan untuk jam.

Saya juga menghubungkan probe arus ke saluran listrik dan memantau penarikan arus selama operasi. Saya sangat senang mengetahui bahwa rata-rata penarikan saat ini sedikit di atas 2 mili-amp!!! Apa yang benar-benar keren tentang itu adalah saya akan dapat membuat jam bertenaga baterai. Jika saya menggunakan baterai sel C saya akan mendapatkan lebih dari 5 bulan waktu berjalan sebelum saya harus mengganti baterai. Lumayan!

Alasan mengapa saya senang menggunakan baterai adalah karena saya tidak ingin kabel daya mengalir ke jam yang memberikan rahasia cara pengoperasiannya. Aku akan menyembunyikan baterai di dasar jam. Selain itu, saya bisa meletakkannya di mana saja.

Langkah 8: Selanjutnya…

Seperti yang Anda lihat, saya sibuk dengan langkah selanjutnya dari desain jam saya. Saya benar-benar terbakar saat memotong gigi persneling. Astaga, itu proses yang membosankan. Jika saya memutuskan untuk membuat banyak jam ini, saya percaya bahwa saya akan berinvestasi dalam router CNC yang bagus!!!

Jadi saat istirahat dari menggergaji gigi, saya memotong tangan dan mulai mengerjakan kerangka jam. Sejauh ini baik!

Saat saya memikirkan instruksi berikutnya dalam seri ini, saya yakin saya akan berbicara tentang proses yang saya lalui untuk merancang dan membangun roda gigi jadi bersiaplah untuk itu.

Sampai jumpa!

Willy