Levitationsanlage

Inspiriert durch den Artikel “Schwebeteilchen” von Ulrich Schmerold aus der c’t hacks 4/2014 und unzähligen YouTube Videos, haben wir uns daran gewagt eine eigene Levitationsanlage (nach)zubauen.

Im nachfolgenden Artikel möchten wir euch die Vorgehensweise und die Stolpersteine bei der Erstellung der endgültigen Schaltung berichten. Abschließend stellen wir euch den fertigen Schaltplan und eine Nachbauanleitung für eine Lochstreifenplatine vor. Eine Stückliste mit allen von uns verwendeten Bauteilen möchten wir euch nicht vorenthalten.

Idee

Mit Blick auf den diesjährigen Infotag unserer Schule haben wir nach einem “Eyecatcher” für das Foyer gesucht. Dabei stolperten wir eher zufällig auf ein Video mit einem Levitationsgerät. Beeindruckend! DAS brauchen wir auch.

Erste Versuche

Einen Bauplan für eine solche Apparatur hatten wir nach kurzer Recherche in der hacks Ausgabe 4/2014 gefunden. Mit der Teileliste machten wir uns dann auf den Weg zum Elektronik-Händler unseres Vertrauens um, gleich nachdem wir zurück waren, die Schaltung auf dem Breadboard nachzubauen. Die ersten Versuche haben wir mit einem “Kühlschrankmagneten” gemacht; leider ohne Erfolg.

Kurzerhand habe ich mir einen Satz Neodym-Magnete bestellt (10x2mm). Aber auch mit diesen Magneten hatte ich keinen Erfolg. Das Problem bestand darin, dass die Spule scheinbar nie vom Mosfet abgeschaltet wurde. Die Messung des Spulenstromes bestätigte meinen Verdacht. Nach einigen Recherchen im Netz bin ich darauf gekommen, dass der verwendete Operationsverstärker (NE5532) eher ungeeignet für das Vorhaben ist. Daher: Ersatztypen MC34072 und UA741 bestellt und erneut getestet… wieder ein Satz mit “x”. Nach erneuter Analyse der Schaltung war der Fehler schnell gefunden: der invertierende und der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers waren einfach vertauscht. Nachdem das Problem endlich behoben war, konnte mit dem Schwebenlassen von kleineren Objekten begonnen werden.

Optimierung

Schnell stellte sich heraus, dass das verwendete 1kΩ Poti einfach viel zu grob auflöste, um einen stabilen Schwebezustand einzustellen. Ich habe deshalb das Poti durch einen 1kΩ Trimmer ausgetauscht. Mit der eingesteckten Spindel konnte relativ gut ein stabiler zustand (Kompromiss: Anziehungskraft <=> Abstand zum Magneten) gefunden werden.

Für den Infotag sollten aber nicht irgendein Objekt an den “unsichtbaren” Haken gehängt werden, sondern eine (noch zu bemalende) 15cm Styroporkugel. Hierfür waren die kleinen Neodym-Magnete einfach zu schwach. Ich habe deshalb bei eBay sehr, sehr starke (!) 30/5mm Magnete nachbestellt. Und siehe da! Die Kugel schwebt.

Erstaunlicherweise genehmigte sich die Schaltung hierfür lediglich 90mA bei einer angelegten Spannung von 15V DC.

Finalisierung

Nachdem alle Tests erfolgreich abgeschlossen waren, sollte die Schaltung vom Breadboard auf eine Lochstreifenplatine umziehen. Der Plan hierfür war nach ca. 1/2 Stunde fertig am PC entworfen:

Anschließend noch schnell gelötet und der Vollständigkeit halber den Hand-Plan am PC entworfen:

Jetzt, nachdem die Schaltung fertig “gebastelt” war fehlte nur noch ein Gehäuse. Hierfür verwende ich einfach eine Aufputz-Verteilerdose. Da mir jedoch noch einige Teilchen fehlen, konnte ich den Umzug noch nicht fertig abschließen. Die Bilder des fertigen “Levitationsapparates” reiche ich noch nach.

Hinweise/Warnungen

Die vorgestellte Schaltung hat den Experimentier-Status nicht verlassen. Falls du es nachbaust, solltest du das Gerät nicht unbeaufsichtigt betreiben! Ein Herabfallen des Schwebeobjektes kann zu einer Überhitzung der Spule führen. Auch der Mosfet-Transistor kann sich ordentlich überhitzen. Daher habe ich ihn mit einem Kühlkörper ausgestattet. Verwende zur Versorgung unbedingt ein geprüftes 12V/3A Steckernetzteil. Die Schaltung sollte zwar auch problemlos mit Spannungen im Bereich von 20V zurechtkommen, höhere Spannungen hätten jedoch eine Zerstörung der Bauteile zur Folge. Noch ein paar Hinweise zur Spule: im oben dargestellten Bild habe ich eine 0,4mm² Kupferlackspule mit ca. 3600 Windungen bzw. 800m Länge und als Kern eine M12 Gewindestange verwendet. Vorherige Versuche mit 2 in Reihe geschalteten 50m langen 0,3mm² Kupferlackspulen und einer M5er Schraube haben ähnlich gute Resultate geliefert. Viel entscheidender für ein gutes Gelingen als die Spule ist der verwendete Magnet am Schwebeobjekt. Ich habe gute Erfahrungen mit runden 20mm Neodym-Magneten gemacht. die 30mm Variante ist so verflucht stark, dass mir die Verwendung ein mulmiges Gefühl hervorruft.

Stückliste

Bevor die Frage aufkommt: nein, ich werde nicht von den genannten Anbietern gesponsert! Die Stückliste soll nur dazu dienen, dass man schnell und unkompliziert die benötigten Teile findet.

Viel Spaß beim Nachbauen!

Ich würde mich freuen, wenn ihr mir ein Feedback oder Bilder von eurem eigenen Nachbau schicken würdet.