Les pionniers - Bob Leser

( document Jean François Chevalier )

 

LEVITATION MAGNETIQUE POUR SUSPENDRE DES PETITS OBJETS

Voici un très intéressant montage opto-magnéto-électronique, sortant de l'ordinaire et susceptible de nombreuses applications. L'appareil est proposé par Bob Leser dans Electronics, vol. 53, n° 2.

À la figure 1 on donne le schéma de la partie électronique et à la figure 2, celui de la partie optique et magnétique.

Le principe de fonctionnement est basé sur la rétroaction qui s'exerce entre l'action de la bobine d'électroaimant L1 qui tend à attirer l'objet à suspendre et l'action d'interception du faisceau lumineux par l'aimant AM, qui diminue cette attraction.

Le fonctionnement de lévitation ne peut être couronné de succès que si un équilibre est réalisé entre ces deux actions, de plus l'équilibre devra être stable, autrement dit, l'objet suspendu en l'air ne devra pas être sujet à des oscillations ou vibrations mécaniques.

On peut voir que la lampe PR9 est alimentée en courant par l'intermédiaire de R2 en 100 ohms 2 W fixe et R1 variable de 120 ohms, 2 W, également, constituant un diviseur de tension. R1 permettra de régler l'intensité lumineuse de la lampe.

Nous n'avons pas les caractéristiques de la PR9 mais une lampe de 6 V 1 A devrait convenir. Cette lampe éclaire la cellule solaire D1. Celle-ci est un modèle de petite dimension, carrée, de 2 fois 2 = 4 cm2. À la figure 2 on voit le détail du système optique de transmission de la lumière entre la lampe et la cellule. Les deux lentilles ont un diamètre de 2,6 cm et une distance locale f = 4,5 cm. La cellule est enfermée dans un « blindage » optique, qui est une boîte entièrement fermée sauf une ouverture de 3 mm de diamètre. Cette disposition permet d'éviter que des lumières parasites agissent sur la cellule.

Revenons au schéma de l'appareil. La cellule est montée avec le + à la masse et le - à l'entrée non inverseuse 3 de l'amplificateur opérationnel A1, réalisé avec un 741.

Cet Aop est soumis à la contre-réaction par la boucle reliant le point commun de R3 et R4 à l'entrée inverseuse 2.

Le point 7 est connecté à la ligne positive tandis que le point 4 est relié à la ligne négative. À noter que l'appareil est alimenté par deux sources de 15 V (± 15 V) montées en série et dont le point commun est la masse.

D'autre part, la charge de sortie de A1 est constituée par R6 et R4, toutes deux de 47 kohms et R3 de 27 kohms. Le signal amplifié par A1 est transmis par R6 de 10 kohms, à l'entrée inverseuse 2 de A2, le deuxième amplificateur, réalisé également avec un 741. Grâce à R7 de 100 kohms, il y a contre-réaction mais entre la sortie 6 et l'entrée non inverseuse 3, on a produit une réaction positive, évidemment, par C1 de 0,22 µF et R8 de 43 kohms.

Cette réaction est d'autant plus intense que la fréquence est élevée, en raison de la présence de C1. De ce fait, le gain augmente pour les signaux de fréquence élevée. Ce dispositif permet de supprimer les oscillations parasites et assure la stabilité de la position de l'objet suspendu dans l'espace. À la suite de A2 on trouve un étage Darlington, constitué par Q1, un NPN du type 2N3711 et Q2, un NPN de puissance type 2N3055, bien connu des techniciens qui s'intéressent aux alimentations régulées. Ce transistor doit être muni de son radiateur dissipateur de chaleur. Dans le circuit d'émetteur du 2N3055 on trouve R11 de 5 ohms et 2 W, donc, tout comme R1 et R2, des résistances de puissance, bobinées, dans un montage professionnel.

Le circuit des collecteurs de Q2 et Q1 est constitué par la bobine L1, dont le détail est donné à la figure 2. L'enroulement S de la bobine est à couches de spires jointives, permettant d'obtenir un coefficient de self-induction élevé. Pratiquement la bobine L1 sera réalisée avec un enroulement de 1300 spires environ, de fil n° 28 (0,32 mm de diamètre). Avec le noyau, la valeur de L1 sera de 47 mH environ. Sa résistance sera de 30 ohms environ en continu. Le noyau B est un cylindre d'acier de 6,99 cm (pratiquement 7 cm) de longueur et de 1,11 cm de diamètre. Ce noyau sera aimanté par un ensemble de dix aimants permanents de ferrite APF. Il en résulte une aimantation de B due à la fois aux aimants permanents et au champ magnétique créé parle courant traversant la bobine S. La partie mobile AM est représentée au dessous du barreau B. C'est un aimant permanent ALNICO.

En ce qui concerne le système optique, il est spécifié que les deux lentilles doivent être disposées de manière à ce que le corps AM soit distant de f de chacune d'elles, ce qui revient à faire en sorte que la distance entre les deux lentilles soit 2 f = 9 cm environ, AM se situant au milieu.

L'ouverture de la « chambre » contenant la cellule solaire D1 sera disposée vers le foyer de M2. La lentille devra être éclairée sur toute sa surface, en l'absence de toute obturation due à l'objet suspendu.

On pourra aussi suspendre des petites sphères de 2,5 cm de diamètre, à 2,5 mm au-dessus de la surface de référence. Voici encore quelques détails sur les composants de la figure 2.

Les aimants permanents sont de faibles dimensions, comme des jetons ou des pièces de monnaie (de 1 F par exemple). Il est nécessaire que l'enroulement S de la bobine L1, soit entouré d'un blindage efficace afin de réduire tout couplage avec les entrées des amplificateurs opérationnels. On recommande de régler la position de l'objet suspendu de manière à ce que la tension de collecteur du Darlington, soit de 7 V par rapport à la masse. A noter que les deux transistors Q1 et Q2 ne sont alimentés que par la source positive d'alimentation, donc entre + 15 V et la masse. Il est donc obligatoire que la source positive donne un courant plus élevé que la source négative.

L'appareil proposé par Bob Leser est ingénieux, spectaculaire et les expérimentateurs peuvent être tentés de le réaliser. Nous devons les prévenir qu'ils devront procéder à des essais de mise au point de longue durée, surtout en ce qui concerne la partie de la figure 2. La partie électronique, toutefois, à deux 741 et le Darlington constitué par Q1 et Q2 ne doit pas donner lieu à des difficultés. Le courant de court-circuit de D1 sera de 4 à 25 µA lorsque l'alignement optique sera correct.

Nous avons donné, dans le présent texte, toutes les indications d'ordre pratique contenues dans l'étude originale publiée dans Electronics.

Bob Leser dans Electronics volume 53 N°2

Radio plans - Avril 1980