Bouwpakket: maglev demo kit 300 gram

(gepubliceerd op 28-06-2022, aangevuld op 11-02-2023)

Maglev staat voor 'magnetische levitatie', het door middel van magnetische velden laten zweven van metalen voorwerpen. Met dit bouwpakketje kunt u dit principe mooi demonstreren en er ervaring mee opdoen. Ons lukte het echter niet!

Kennismaking met dit bouwpakket


Fabrikant, leveranciers, prijzen
Naar slechte Chinese gewoonte is het volstrekt onduidelijk door wie dit bouwpakketje op de markt wordt gebracht. Wél blijkt dat er, alweer slechte Chinese gewoonte, diverse versies van bestaan die allemaal onder dezelfde naam te koop worden aangeboden. Als u googelt op 'magnetic levitation kit' vliegen de diverse uitvoeringen u om de oren. Wij hebben de uitgebreidste versie gekocht, die door het leven gaat met de toevoeging '300 g'. Dat wil zeggen dat dit model in staat is een voorwerp met een maximaal gewicht van 300 gram te laten zweven. Kenmerkend voor dit model zijn de acht permanente magneten die op de bovenste print aanwezig zijn. Dit model is bijvoorbeeld bij Banggood en via AliExpress te koop voor een prijs van ongeveer € 38,00. Wij bestelden ons exemplaar bij Banggood, zie de sponsor advertentie aan het slot van dit artikel.
Er zijn ook iets duurdere versies in de handel waarbij er een aantal blauwe LED's op de rand van de print zijn opgenomen die het kant-en-klare product de schijnbaar door velen als 'magisch' ervaren blauwe uitstraling geven.

Het eindresultaat van dit bouwpakket
In de onderstaande foto ziet u wat u na een paar uurtjes niet al te moeilijk geknutsel, maar zenuwslopende afregeling, kunt verwachten. Een vreemdsoortig apparaatje, opgebouwd op twee ronde printen met een diameter van 90 mm en een totaal gewicht van 250 gram. U moet het apparaat voeden uit een gelijkspanning van 12 V, waarbij u rekening moet houden met een maximale stroom van ongeveer 1,5 A.

Maglev-demo-kit-300-gram-01 (© Banggood)
Het volledig gemonteerde bouwpakket. (© Banggood)

Hoe het werkt
Extra worden vier schijfvormige zeer sterke magneten geleverd, die het 'platform' vormen waarop u dingen kunt laten zweven. Na afregeling van het apparaatje moet u een of meerdere van die schijven boven het apparaatje houden. Die magneet wordt aangetrokken door de acht permanente magneten die op de bovenste print aanwezig zijn. De acht krachten zijn uiteraard niet allemaal even groot. Zonder iets extra zou de ronde magneet iets meer worden aangetrokken door een van de acht en daar met behoorlijk wat kracht naar toe vliegen en eraan blijven plakken. Dat 'extra' zijn vier spoeltjes die ook op de bovenste print aanwezig zijn. Tussen deze vier spoelen zitten drie hall-sensoren, die de sterkte van het magnetisch veld in één richting kunnen meten en omzetten in een gelijkspanning. Die drie gelijkspanningen sturen de elektronica van deze maglev demo kit. Het gevolg is dat er gelijkstromen door de vier spoelen worden gestuurd.


Deze stromen veroorzaken extra magnetische velden rond de spoelen. Deze tegenwerkende velden zorgen ervoor dat het geheel magnetisch in evenwicht blijft en dat de ronde magnetische schijf rustig op ongeveer 2,5 cm boven het apparaat blijft zweven. Indrukwekkend om te zien! U kunt zonder problemen kleine, lichte voorwerpen op de schijf zetten. De drie hall-sensoren merken onmiddellijk dat het evenwicht wordt verbroken en de elektronica stuurt meer of minder stroom door de vier spoelen tot het evenwicht is hersteld.
In het onderstaande video-fragment, overgenomen van een YouTube-filmpje van Titanes, ziet u hoe deze maglev demo kit werkt.

De geleverde onderdelen
In de onderstaande foto zijn alle onderdelen weergegeven die in het bouwpakket zitten. De kwaliteit is uitstekend, maar hetzelfde kan helaas niet worden geschreven over de verpakking. De elektronische onderdelen zitten op elkaar gepropt in een veel te klein plastic zakje, met als gevolg dat wij een aantal IC's kregen met nogal verbogen pootjes. Alweer een zeer slechte Chinese gewoonte! Gelukkig niet zo erg dat zij niet rechtgebogen konden worden, maar zoiets hoort niet en is gemakkelijk te voorkomen.
De twee printen zijn dubbelzijdig, doorgemetaliseerd en voorzien van componentenopdruk en soldeermasker.
Het pakket wordt standaard geleverd met een netstekkervoeding die 12 Vdc en maximaal 2 A levert, helaas met een Amerikaanse netstekker.

Maglev-demo-kit-300-gram-02 (© 2022 Jos Verstraten)
De geleverde onderdelen. (© 2022 Jos Verstraten)

Geen handleiding!
Alweer naar slechte Chinese gewoonte wordt dit bouwpakket geleverd zonder bouwbeschrijving. Voor sommige bouwpakketten is dit te overzien omdat de nabouwer aan de hand van de componentenopstelling op de print de bouw tot een goed einde kan brengen. Bij dit bouwpakket is dit echter onvergeeflijk omdat er twee instelpotentiometers op de print aanwezig zijn en u zonder goede handleiding niet weet hoe die afgeregeld moeten worden. Na wat speurwerk op internet konden wij twee bouwbeschrijvingen vinden, een korte Engelstalige en een veel uitgebreidere in het Chinees. Deze laatste gaat over een iets afwijkende versie van de maglev kit, maar is wel bruikbaar als documentatie. Naar onze goede gewoonte hebben wij deze twee PDF's bewaard in onze cloud op Google Drive, zodat u beide met één muisklik kunt bekijken en eventueel downloaden. De Chinese tekst is gemakkelijk te vertalen met Google Translate. Selecteer de tekst met de muis en kopieer deze naar het venster van Google Translate. U krijgt een begrijpelijke Nederlandse of Engelse vertaling.
Aanklikbare link ➡ Maglev_Demo_Kit_Manual_English.pdf
Aanklikbare link ➡ Maglev_Demo_Kit_Manual_Chinese.pdf

De elektronica in de maglev demo kit 300 gram


Inleiding
Omdat er diverse licht afwijkende versies van dit bouwpakket in omloop zijn is weinig exacte informatie te vinden over de toegepaste schakelingen. Wat in deze paragraaf wordt beschreven kan dus niet helemaal van toepassing zijn op de door u gekochte versie.

De voeding
Uit de 12 V van de netstekker voeding wordt door middel van een 78L05 een stabiele 5 V gemaakt waarmee een deel van de elektronica wordt gevoed. Daarnaast is nog een TL431 temperatuur gecompenseerde regelbare zenerdiode aanwezig. Deze wordt waarschijnlijk gebruikt voor het voeden van de drie hall-sensoren.

Het regelsysteem
In de onderstaande figuur is in grote lijnen getekend hoe het regelsysteem met als ingang de drie hall-sensoren SEN-X, SEN-Y en SEN-Z en als uitgang de vier spoelen Lx1, Lx2, Ly1 en Ly2 werkt. De twee spoelen in de x-richting Lx1 en Lx2 staan in serie, net zoals de twee spoelen Ly1 en Ly2 in de y-richting. Tussen beide spoelen staan de jumpers J1 en J2. Dat is van belang bij het afregelen van het apparaat.
De spoelen worden gestuurd uit brugschakelingen, samengesteld uit vier transistoren en twee operationele versterkers. Die brugschakelingen worden weer gestuurd uit verschilversterkers IC3 en IC4. Deze vergelijken de sensorspanningen SEN-X en SEN-Y met afregelspanningen die met de twee tientoeren instelpotentiometers Rtrim worden ingesteld.

Maglev-demo-kit-300-gram-03 (© 2022 Jos Verstraten)
De principiële werking van het regelsysteem. (© 2022 Jos Verstraten)

De eindtrappen die de spoelen van stroom voorzien worden niet gevoed uit de +12 V, maar uit een spanning +Ur. Die spanning wordt gegenereerd door de schakeling rond IC7 en IC8. De derde hall-sensor SEN-Z staat loodrecht op de twee overige en detecteert de aanwezigheid van de schijfvormige magneet boven de spoelen. Is die niet aanwezig, dan wordt de transistor T9 gesperd en is er geen +Ur. De eindtrappen worden niet gevoed en de spoelen zijn stroomloos. Als u de schijfvormige magneet boven de spoelen houdt merkt u dat bij een bepaalde afstand de LED gaat branden. Op dat moment heeft de sensor SEN-Z de aanwezigheid van de magneet gedetecteerd en wordt de transistor T9 in verzadiging gestuurd. De +12 V wordt doorverbonden met +Ur en de spoelen worden van stroom voorzien. Het regelsysteem werkt (of zou moeten werken, lees verder)!

De bouw van de Maglev demo kit 300 gram


Het solderen van de regelprint
De componentenzijde van de regelprint is voorgesteld in de onderstaande figuur. U kunt deze foto printen en gebruiken om de reeds gesoldeerde onderdelen af te strepen.

Maglev-demo-kit-300-gram-04 (© 2022 Jos Verstraten)
De kale regelprint. (© 2022 Jos Verstraten)

De beste soldeervolgorde is:
  1. De 8 1N4148 dioden, let op de kathode-streep.
  2. De 31 weerstandjes.
  3. De 4 transistoren B882, u moet met een tangetje de aansluitdraadjes 90° buigen.
  4. De 5 transistoren B772, idem.
  5. De 2 IC's van het type LM324.
  6. Het IC van het type LM393.
  7. De TIL431 en de 78L05.
  8. De 2 condensatoren 104 en de twee condensatoren 105.
  9. De 2 instelpotentiometers van 10 kΩ, u moet met een tangetje de aansluitdraadjes 90° buigen.
  10. De LED, de kortste draad is de kathode.
  11. De 4 elco's, let op de polariteit.
  12. De 4 vrouwelijke printconnectoren met 1 x 5, 1 x 4 en 2 x 2 contacten.
  13. De voedingsconnector.
  14. De 4 messing afstandsbusjes op de andere zijde van de print.

Maglev-demo-kit-300-gram-05 (© 2022 Jos Verstraten)
De compleet gesoldeerde regelprint. (© 2022 Jos Verstraten)

De magneten print
De montage van de tweede print is iets ingewikkelder. Begin met het monteren van twee van de vier spoeltjes. Let op dat u deze met de aansluitdraadjes naar boven vast schroeft. Doe dit met de nodige voorzichtigheid, want de dunne wikkeldraadjes zijn vrij kwetsbaar en als u wat wild te werk gaat breekt er eentje af. Dat is ons overkomen, maar gelukkig konden wij de breuk weer herstellen.

Share

Soldeer vervolgens de drie hall-sensoren van het type 503-918 op de print en wel zo dat de onderdelen op de halve hoogte van de spoelen zitten. De draadjes van een van de drie sensoren moet u eerst 90° buigen met het opschrift op de sensor naar boven. Deze montagestap is toegelicht in de onderstaande foto. Soldeer de sensoren met de allergrootste nauwkeurigheid! De twee sensoren SEN-X en SEN-Y moeten écht loodrecht op de print staan en écht onder een hoek van 90° ten opzichte van elkaar. 

Maglev-demo-kit-300-gram-06 (© 2022 Jos Verstraten)
De montage van de drie hall-sensoren. (© 2022 Jos Verstraten)

Monteer nu de twee overige spoelen. Soldeer de draadjes die uit de kern van de spoelen komen in de pad's A1, B1, C1 en D1. Soldeer de draadjes die uit de buitenzijde komen in de pad's A2, B2, C2 en D2.
Schroef vervolgens de acht permanente magneten op de print. Monteer de vier mannelijke printconnectoren (1 x 5, 1 x 4, 2 x 2 contacten) met de lange stiften op de andere zijde van de print en soldeer de korte stiften vast op de kant waar de onderdelen zitten.
Soldeer tot slot de twee haakse printconnectoren (2 x 2 contacten) op de print, maakt niet uit aan welke zijde.
Op de rand van de print, vóór de magneten, zitten nu nog twee maal acht pad's die nog vrij zijn. Bij sommige bouwpakketten moeten hierop acht blauwe SMD-LED's worden gesoldeerd, die het apparaatje verlichten. Bij de door ons bestelde uitvoering zijn deze LED's echter niet aanwezig. 

Maglev-demo-kit-300-gram-07 (© 2022 Jos Verstraten)
De compleet gemonteerde magneten print. (© 2022 Jos Verstraten)

Het afregelen van de Maglev demo kit 300 gram


Voorbereiding
Monteer de twee printen op elkaar door de vier mannelijke printconnectoren op de magneten print in de vier vrouwelijke connectoren op de regelprint te duwen. Overbrug een van de haakje printconnectoren met de meegeleverde jumper. Op de twee pennetjes van de tweede haakse connector sluit u een gelijkstroommeter aan, geschakeld op de stand 1 A. Als u nog een ouderwetse analoge multimeter hebt kunt u deze hiervoor gebruiken, omdat u de stroom op de minimale waarde moet afregelen en dat het beste kan met een naaldmeter.
Sluit het apparaat aan op een goed gestabiliseerde gelijkspanning van 12 V. Als alles gaat zoals het moet gaan zal de stroommeter hooguit een twintigtal mA aanduiden.

Maglev-demo-kit-300-gram-08 (© 2022 Jos Verstraten)
Het meten van de stroom door de magneten.
(© 2022 Jos Verstraten)

Het afregelen
Het is nu de bedoeling dat u met één hand de schijfvormige magneet op ongeveer 2,5 cm afstand boven de vier spoeltjes houdt en dat zo centraal mogelijk. De stroom stijgt tot ongeveer 0,5 A. Met de andere hand moet u nu met een schroevendraaiertje de betreffende instelpotentiometer zo afregelen dat de door de spoelen opgenomen stroom minimaal is.
Nadien moet u deze procedure herhalen voor de andere spoelen. Dus: de jumper verplaatsen van de eerste haakse printconnector naar de tweede en de ampèremeter verplaatsen van de tweede naar de eerste connector. Nadien moet u de magneet weer in dezelfde positie boven de spoelen houden en de tweede instelpotentiometer afregelen op minimale stroom.
Zo staat het beschreven, maar zo lukte het óns in ieder geval niet. Na een heleboel mislukte pogingen hebben wij een hulpconstructie verzonnen om de magneet op een vaste plaats boven de spoelen te houden. Met een gatenzaag hebben wij een cirkel gezaagd uit een 2,5 cm dik stuk MDF waarop wij de magneet hebben geplakt. Op deze manier is het mogelijk de magneet bij beide afregelingen op een identieke manier boven de spoelen te fixeren en verloopt het afregelen veel soepeler.

Hall-sensoren verbuigen
Zelfs na het diverse keren herhalen van deze procedure lukte het ons niet het systeem stabiel te krijgen. De schijfmagneet bleef niet stabiel zweven en belandde op een van de acht permanente magneten.
Ook het opnemen van twee ampèremeters in beide uitgangskringen, zodat beide potentiometers in één keer op minimale stroom konden worden afgeregeld hielp niet.
Op advies van internet hebben wij nog wat verbogen aan de hall-sensoren om deze beter te positioneren. Echter.... dit alles had geen resultaat!

Onze conclusie over dit bouwpakket


Er zijn op internet voldoende foto's en video's te vinden van mensen die dit bouwpakket met goed resultaat hebben nagebouwd en blijkbaar geen enkele moeite hebben gehad met de afregeling ervan. Kijk maar naar de video in het begin van dit artikel!
Óns is het echter niet gelukt de schijfvormige magneet in een stabiele positie boven de spoelen te laten zweven. De magneet belandde steeds met een klap op een van de acht permanente magneten.
Zorgvuldige controle van de bouw, van de geplaatste componenten en van onze solderingen kon geen fout aan het licht brengen. Na uren experimenteren met de afregeling hebben wij dit project helaas laten rusten. Wij zijn benieuwd of er lezers zijn die deze uitdaging aandurven en als beloning een zwevende magneet op hun werktafel mogen aanschouwen. Houd ons op de hoogte van uw ervaringen!

Reactie van Lucas Volwater
Ik heb een dergelijk bouwpakketje gebouwd en de magneet aan het zweven gekregen. De moeite zat hem voor mij in het juist aansluiten van de spoeltjes. Afregelen lukt pas als die aansluitingen kloppen. Beide spoelen van één richting staan in (anti)serie. Ik kan dat het duidelijkst uitleggen met een illustratie:

Maglev demo kit - response

Uiteraard moet dan de stroomrichting door het spoelpaar ook nog dusdanig zijn dat de magneet de goede kant op wordt getrokken door de regeling. Al bij al heb ik er ook best even mee zitten puzzelen. De handleiding (welke handleiding?) vermeldt er niks over.



(Banggood sponsor advertentie)
Maglev demo kit