I. INTRODUCCIÓN
Como parte de la
materia de teoría electromagnética, se implementó un proyecto que involucra dos
aplicaciones de la misma. Un levitador magnético, que hace levitar un objeto
metálico con ayuda de una bobina y un circuito de transmisión de energía
eléctrica inalámbrica en el espacio libre.
II. MARCO TEÓRICO
A.
Levitador
magnético
En el estudio de la
levitación se puede encontrar dos principios básicos, principio de levitación
por atracción y principio de levitación por repulsión, donde el primer de estos
principios resulta de muy atractivo en la investigación científica por su no
linealidad e inestabilidad.
En la levitación por
atracción, un cuerpo es atraído por un flujo magnético en contra de la
gravedad. El equilibrio que se produce entre la fuerza de atracción y de la
gravedad es inestable (ver figura 1), por lo que la levitación es prácticamente
imposible sin la ayuda de un sistema de control.
Figura 1.- Principio de levitación por atracción
La motivación
principal para el diseño y la construcción del levitador magnético, es
proporcionar una plataforma científica y educacional para el desarrollo de
nuevas estrategias de control en sistemas magnéticos. La estructura principal
está basada en un soporte rígido, un electroimán y un sensor óptico, que son la
base en todo sistema magnético experimental.
Figura
2.- Esquema experimental de levitación magnética
B.
Witricity
Desde que el científico Nikola Tesla empezó a trabajar en el siglo XIX
en el campo de la transmisión de energía sin cables, esta posibilidad ha sido
uno de los grandes retos de la ciencia. Ahora, la idea, casi mágica, de un
mundo sin cables empieza a hacerse realidad gracias a la tecnología WiTricity®
desarrollada por una spin-off del MIT del mismo nombre.
Hacía
décadas que se utilizaban sistemas de energía inalámbrica basados en la
inducción magnética (por ejemplo, en los cepillos de dientes eléctricos): se
genera un campo magnético alterno en una bobina transmisora y después se
convierte en corriente eléctrica en una bobina receptora. El problema de estos
sistemas tradicionales es su eficacia en la transferencia a grandes distancias.
En 2006, Marin Soljačić y sus colegas demostraron una forma altamente resonante
de inducción magnética que resuelve este punto y que es aplicable a cualquier
situación en la que un dispositivo o una batería necesitan ser cargados. A
partir de entonces, empezaron a trabajar desde la corporación WiTricity para
poder trasladar este avance de la física al sector industrial; un proceso largo
y complejo que ahora ya está dando sus frutos con un gran impacto en muchos
sectores, y que nos sitúa a las puertas de un mundo sin cables.
Figura 3. Aplicación Witricity
III. PROCEDIMIENTOS
Para realizar el levitador magnético se propuso el esquema de la figura
4.
Figura 4. Esquema de levitador
magnético
Está basado en una bobina realizada con 250 metros de cable de cobre
enrollados alrededor de un tornillo de 5/16’ de diámetro, por 2’ de largo. El sensor es un
fototransistor dispuesto justo frente a un led infrarrojo.
Para controlar la corriente de la bobina se diseñó un controlador PID
digital en arduino, el cual toma el valor de voltaje analógico producido por un
divisor de voltaje. Dicho voltaje varía en función de la posición de la moneda
de 1 peso.
Con la función de transferencia del controlador PID, se genera una
salida PWM.
La señal de PWM generada por la plataforma arduino, gobierna el voltaje
promedio que recibe un LED encapsulado en un optoacoplador 4N35. Este
optoacoplador permite aislar la etapa de control de la etapa de potencia.
Para la etapa de potencia se utilizó un transistor NPN de alta potencia
LM395T, gobernado por la señal pwm.
En la figura 5 se muestra el código en Arduino implementado en este
proyecto.
Figura 5. Código en Arduino para el controlador.
Para el circuito de
transmisión de energía inalámbrica se utilizó una bobina como la mostrada en la
figura 6. Esta bobina alimentada con un voltaje de corriente directa que provee
un transistor, aprovecha las características inductivas y genera un campo
magnético resonante que es transmitido en una distancia menor a 10 cm.
Figura 6. Equipo entrenador de
fibras ópticas.
El campo magnético
generado a una frecuencia, se hizo resonar sobre otra bobina dispuesta sobre la
primera, resultando en el encendido de un led.
Así es como se
realizó este proyecto. Los resultados se muestran en la sección homónima.
IV. RESULTADOS
Los resultados obtenidos de cada una de los
experimentos de este proyecto se muestran a continuación
En la figura 7 se puede observar el resultado
de la implementación del levitador magnético.
Figura 7. Circuito levitador en funcionamiento
Figura 8. Funcionamiento del
esquema witricity.
La figura 8 muestra el funcionamiento de la transmisión
inalámbrica de energía.
Si se desea conocer más a fondo este proyecto, puede consultar
el siguiente enlace.
https://youtu.be/l0IMT0OnmEk
CONCLUSIONES
La realización de este
proyecto fue sumamente práctica, puesto que fue posible aplicar la teoría
electromagnétia para generar 2 proyectos que tienen un potencial de
aplicaciones sumamente amplio.
REFERENCIAS.
[2]
http://itzamna.bnct.ipn.mx/dspace/bitstream/123456789/3792/1/CONSTRUCCYCONTROL.pdf
