Amatorska wirówka chemiczna

Na warsztaty potrzebna była… wirówka chemiczna. Niestety, “sklepowe” urządzenia tego typu kosztują małą fortunę. Trzeba więc poradzić sobie w inny sposób… Okazuje się, że taką wirówkę można zbudować samemu – i to naprawdę niewielkim kosztem.

Wirówka to urządzenie służące do oddzielania drobnych osadów od roztworu. Na szybko obracające się probówki działa siła odśrodkowa. Sprawia ona, że osad zostaje na ściankach probówki.

Poniższy tekst jest mojego autorstwa  i oryginalnie ukazał się na moim blogu Elektronika Bez Spięcia (uczymy.edu.pl): Wirówka chemiczna. Niektóre z zagadnień zostały tam opisane w szczegółach – tutaj przytaczam ich skrót.

Instrukcja obsługi

Skrócona instrukcja obsługi:

• Podłącz wirówkę do zasilania 5v,
• Wciśnij przełącznik zasilania umieszczony na bocznym panelu; na górnej pokrywie zapali się czerwona dioda,
  
• Włóż probówki do kielicha,
• Nałóż ochronny klosz,
  
• Wirówka uruchomi się po wciśnięciu zielonego przycisku START.
  
• Wciśnięcie drugiego z przycisków, czerwonego STOP, wyłączy wirówkę,
• Wirówka zatrzyma się automatycznie po 25 sekundach pracy (rodzaj watchdog’a).
• Szybkość, z jaką obraca się wirówka może być sterowana za pomocą potencjometru.

A działa to tak:

Nieśmiertelny NE555

Stając przed zadaniem budowy kolejnego urządzenia zawsze zastanawiam się, w jaki sposób najlepiej zrealizować jego blok sterowania. Najczęściej wybór pada na jakiś mikrokontroler lub całą płytkę z serii Arduino. Łatwo się je programuje, pożądany efekt można uzyskać naprawdę niskimi nakładami finansowymi i czasowymi. Dodatkowo kontroler pozwala na dużą elastyczność. Zmieniamy kilka linijek kodu i nasz układ zachowuje się inaczej (może nie diametralnie, ale jednak). A co wlutowane – dużo ciężej zmienić…

W tym przypadku postanowiłem zaryzykować i podejść do tematu trochę inaczej. Wydawało mi się, że idealnie nada się tu nieśmiertelny układ NE555. O NE555 napisano książki – pierwsze powstały zapewne już w latach 70′. Tutaj dość powiedzieć, że jest to układ umożliwiający generację impulsów o różnej częstotliwości i stopniu wypełnienia. Zobaczymy, czy mi się to opłaci:)

Tutaj wykorzystam dwa NE555:

• Pierwszy NE555 będzie wyzwalany wciśnięciem przycisku START. Przycisk jest podłączony do pinu TRIGGER.
• Wciśnięcie przycisku START wygeneruje na wyjściu OUT pierwszego NE555 sygnał wysoki.
• Pierwszy NE555 będzie skonfigurowany jako monostabilny: sygnał wysoki będzie trwał przez 25 sekund – o ile nie zostanie wciśnięty przycisk STOP.
• Przycisk STOP podłączę do pinu pinu RESET pierwszego NE555. Wciśnięcie przycisku STOP zresetuje układ i na jego wyjściu OUT pojawi się stan niski.
• Wyjście OUT podłączę do pinu RESET drugiego z NE555. W ten sposób będę go uruchamiał lub resetował.
• Drugi NE55 będzie skonfigurowany jak astabilny – wygeneruje sygnał PWM dla silnika (i wentylatora). Za pomocą potencjometru będą zmieniał stopień wypełnienia sygnału przyspieszając lub zwalniając obroty silnika wirówki (i wentylatora).

Wyzwolenie pierwszego NE555

Na blogu electrical engineering znalazłem taki oto układ do wyzwalania ne555:

Układ ten gwarantuje, że nieważne jak długo przytrzymacie przycisk START – wygenerowany będzie jedynie krótki impuls ujemny. Jest to ważne, gdyż dla ne555 impuls na pinie TRIGGER musi być krótszy niż impuls wyjściowy. Niski impuls spowodowany przyciśnięciem START podany na pin TRIGGER wyzwoli NE555.

Pierwszy NE555 w układzie monostabilnym

Pierwszy NE555 będzie skonfigurowany w układzie monostabilnym. W tym układzie, po wyzwoleniu, NE555 generuje na wyjściu OUT jeden długi sygnał wysoki – po czym OUT wraca do stanu niskiego.

Czas trwania impulsu zależy od wartości rezystora R i kondensatora C podłączonych do pinów THRESHOLD i DISCHARGE. Rezystor łączymy do zasilania a kondensator do masy. Układ wygląda tak:

Czas trwania impulsu wysokiego obliczamy ze wzoru:

T = 1,1 R C

Dla T = 25 można użyć R = 1MΩ i C = 22uF – co da około 24[s]

Dodatkowo między piny zasilania i masy warto wpiąć duży kondensator, np 22uF. Znacznie poprawi stabilność pracy układu.

RESET pierwszego NE555 – przycisk STOP

W większości zastosowań NE555, pin RESET po prostu podciąga się pod zasilanie. Sprowadzenie RESET do masy zresetuje układ i sprawi, że wyjście OUT przejdzie w stan niski. Pozostanie w nim do momentu, kiedy NE555 zostanie ponownie wyzwolony przez pin TRIGGER (impulsem niskim o wartości niższej niż 2/3 zasilania).

Wpinając w RESET przycisk STOP będę mógł zatrzymać wirówkę.

Układ resetu wziąłem z opracowania na temat mikrokontrolerów. Wygląda on tak:

Dzięki powyższym zabiegom:

• Pierwszy NE555 po wciśnięciu przycisku START wygeneruje na wyjściu OUT impuls wysoki.
• Impuls będzie ten trwał do 25 sekund lub do wciśnięcia przycisku STOP.

Impuls wyjściowy z pierwszego NE555 (pin 3 OUT) wykorzystam do resetowania drugiego NE555. Drugi NE555 będzie działał w układzie astabilnym.

Drugi NE555 w układzie astabilnym

Drugi z NE555 będzie działał w układzie astabilnym. Taki NE555 generuje sygnał prostokątny o pewnej częstotliwości i stopniu wypełnienia. Zmieniając jego stopień wypełnienia (ang. duty), można go użyć do sterowania silnikiem (PWM).

Do zmieniania stopnia wypełnienia posłuży mi potencjometr (na podstawie: 555 Oscilator):

Taki układ umożliwi generację sygnału o częstotliwości około 240Hz i stopniu wypełnienia od 14% to 92% – w zależności od nastawy potencjometru P1.

Silnik

Na koniec pozostało podłączenie silnika. W tym celu wybrałem MOSFET’a IRLZ34N. Oczywiście – tranzystor ten potrafi przenieść znacznie więcej mocy niż jest to wymagane w tym projekcie. Ale takie miałem pod ręką:) Podłączenie jest już proste:

Nie zapomnijcie o diodzie wstawionej zaporowo między styki silnika. Uchroni ona tranzystor przez przeciwnapięciem z silnika.

Dzięki zapasowi mocy tranzystora, podłączyłem do niego sam silnik oraz wentylator!

I jeszcze kilka uwag o sterowaniu…

• Link do symulacji układu,
• Między pinami masy i zasilania NE555 (1 i 8) warto wpiąć duży kondensator elektrolityczny, np 22uF; poprawi to stabilność pracy układu,
• Na wejściu zasilania warto dodać duży kondensator, np. 47uF (elektrolityczny) oraz 100nF ceramiczny – odfiltruje to część zakłóceń,
• Nie zapomnijcie o diodzie wstawionej zaporowo między styki silnika.

Budowa

Kielich

Budowę zacząłem od kielicha trzymającego probówki. Z grubego kawałka plastiku wyciąłem formatki:

Pamiętajcie o precyzyjnym wyznaczeniu środka dolnego elementu.

Do klejenia tego typu  plastiku najlepszy jest klej modelarski revella. Po przyłożeniu, części można jeszcze chwilę dopasować – co praktycznie nie jest możliwe w przypadku cyjanoakrylu:

W bocznych panelach wyciąłem otwory na probówki:

Kielich osadziłem na sztycy od akcesoriów do mini-szlifierki. Sztyca ma od góry wkręcaną śrubkę, która pozwoliła na zamocowanie kielicha:

Rozwierciłem znaleziony w szufladzie trybik i wkleiłem go na sztycę zostawiając ze 3mm od dołu na wał silnika. Do klejenia użyłem distalu. Możecie użyć dowolny klej – ważne, żeby był z wypełniaczem i łączył metal z plastikiem. Całość ścisnąłem w imadle i zostawiłem na noc (distal schnie 24 godziny):

Zęby nie były i już potrzebne, więc je zeszlifowałem:

Teraz na wał silnika nałożyłem kolejną zębatkę i skleiłem razem ze sztycą:

W tym momencie mogłem już przykręcić kielich:

I szybki test:

Leże dla silnika

Silnik musi być porządnie zamontowany. Zacząłem od wycięcia podstawki:

Tutaj liczy się precyzja. Dokładnie wyznaczyłem położenie silnika. Od razu wyciąłem pokrywkę i zaznaczyłem na niej przewidywane położenie wału silnika.

Teraz przygotowałem leże dla silnika:

Nie zapomniałem o otworach na przewody:

Silnik “uwięziony”:

Jednym z powodów, dla których wybrałem ten konkretny silnik, były gniazda z gwintami na jego górze. Umożliwiło to pewniejsze osadzenie w leżu:

Przy okazji wymieniłem kabelki od silnika:

Obudowa

Teraz przystąpiłem do złożenia obudowy. Dodatkowe wzmocnienia umożliwią przymocowanie boków. Wywierciłem też przelotki na kable zasilające i od silnika:

Boki i tył:

…było z nimi trochę zabawy. Przede wszystkim trzeba zapewnić trochę przewiewu. Przygotowałem miejsce na niewielki wentylatorek, który powinien usuwać nadmiar ciepła.

Z tyłu obudowy wywierciłem otwory na wyłącznik i gniazdo zasilające.

Zwróćcie uwagę na tylną belkę: od jej spodu wkleiłem nakrętki:

W ten sposób będę mógł zamontować pokrywkę obudowy przykręcając ją przez belki.

Zmontowany przód i pierwsza warstwa lakierobejcy:

Górny dekiel wymagał trochę więcej zabiegów. Dzięki wstawieniu nakrętek w belkach go podtrzymujących, będę go mógł demontować – przyda się, gdy kiedyś będę coś musiał zmienić w środku.

Pokrywka miała też zapewniać dodatkowe oparcie dla wału silnika. Zrobiłem ją więc z 2 połówek z linią podziału na wale.

Na deklu przykleiłem tam również dwa półokrągłe kawałki listewki, które będą trzymać klosz (z okrągłego pudełka na płyty cd). W przednim panelu wywierciłem otwory na dwa przyciski i potencjometr.

Kolejne malowanie:

W rezultacie malowałem 3 razy – przecierając powierzchnię papierem ściernym za każdym razem (oprócz ostatniego oczywiście).

Układ sterujący

Układ sterujący zlutowałem na płytce jednostronnej 5×9 cm. Cóż, tych elementów wcale nie było tak mało. Tutaj: zasilanie i “sekcja” monostabilna:

Terminal u góry służy do podłączenia zasilania. Terminale na dole – do przycisków START i STOP. Zworki i piny używam przy testowaniu układu – łatwiej wpinać się w sekcje oscyloskopem.

Polecam Wam również testowanie na płytce stykowej – można uniknąć kłopotów. Tutaj: “sekcja” astabilna:

A na płytce:

Terminale z prawej strony służą do podłączenia silnika i wentylatora (u góry) oraz potencjometru (u dołu).

Podpowiedź: Lubię oznaczać, które terminale są zasilaniem. Pod ręką mam farbkę akrylową i w ramach przerwy w pracy – maluję na czerwono te, które będą “+”. Nie chodzi o “efekty specjalne” – w ten sposób od razu widzę, gdzie należy podłączyć napięcie.

Test sterowania:

Montaż w obudowie

Montaż rozpocząłem od zasilania. Przełącznik wszedł “na wcisk (miał plastikowe zapadki), gniazdo zakręcane jest od frontu.

Następnie zamontowałem wentylator. Użyłem do tego śrubek fi 2mm o długości 16mm z podkładkami:

Teraz przyszła kolej na silnik:

…i całą resztę – przyciski, potencjometr:

Płytkę sterującą przykręciłem do dna na plastykowych dystansach:

 W ostatnim kroku na górnym deklu zamontowałem świecącą diodę zasilania; użyłem do tego gorący klej:

Galeria

Podsumowanie

Profesjonalna wirówka chemiczna to całkiem drogi sprzęt. Ale – do amatorskich zastosowań, niewiele potrzeba, żeby taką sobie zbudować samemu.

Zamiast Arduino czy jakiegoś minikontrolera, użyłem tym razem dwa NE555. Jak widzieliście, wymaga to trochę zachodu. Układ może nie był skomplikowany, ale potrzebował kilkunastu różnych dodatkowych elementów. Mając kontroler byłby pewnie prostszy. Być może pokusiłbym się o wyświetlacz i kilka innych gadżetów – użycie mikrokonotrolera pozwala na większą elastyczność i umożliwia łatwiejsze rozwijanie projektów. Z drugiej strony – nawet tak podstawowe sterowanie – spełnia postawione przed nim zadania.

Za AtTiny85 trzeba dać z 8 złotych. Żeby go zaprogramować, potrzebne będzie Arduino lub specjalny programator – jeżeli tego nie macie, powiększy to koszty projektu. A dwa ne555 kosztują… złotówkę. Dodatkowe rezystory, kondensatory i diody to nie więcej niż 2-3 złote (tranzystor i terminale użyłbym również z kontrolerem). Tak więc – taniej i więcej kombinowania, albo trochę drożej i pewnie szybciej – wybór należy do Was.

Materiały

Do budowy wirówki użyłem:

• Silnik DC 5v,
• Potencjometr 50k,
• Rezystory 10k, 4k7, 1k, 360Ω,
• Kondensatory ceramiczne 10nF (103), 100nF (104), 22pF,
• Kondensatory elektrolityczne: 22uF,
• Diody 1n4148 oraz większa 1n4007
• Tranzystor IRLZ34N – czy inny MOSFET (ja trochę z mocą przesadziłem),
• Terminale podwójne (4x), potrójny,
• Śrubki fi 2mm/16mm,
• Płytka uniwersalna 5×9 cm,
• Wentylator 5v,
• Gniazdo dc 2.1mm (albo inne, pasujące do zasilacza),
• Wyłącznik główny,
• Przyciski start/stop (np. takie),
• Pudełko typu cake na 100 sztuk cd,
• Zasilacz 5v,
• Kable połączeniowe
• Płyta plastikowa 3mm,
• Sklejka 4mm,
• Listwa 5x5mm, ze 2m,
• Wkręty 3x12mm,
• Klej wikol, distal, kropelka

Z narzędzi – przyda się mini-szlifierka, wkrętarko-wiertarka.

Źródła

• 555 oscilator
• Układ wyzwalania
• Reset dla mikrokontrolerów