Wirówka chemiczna

Na kolejne zajęcia w Laboratorium Młodego Technika potrzebna była… wirówka chemiczna. Niestety, „sklepowe” urządzenia tego typu kosztują mała fortunę. Trzeba więc poradzić sobie w inny sposób… Okazuje się, że taką wirówkę można zbudować samemu – i to naprawdę niewielkim kosztem.

wirowka_5c

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.

Instrukcja obsługi

Skrócona instrukcja obsługi:

  • Podłącz wirówkę do zasilania 5v,
  • Wciśnij przełącznik zasilania umieszczony na bocznym panelu; na górnej pokrywie zapali się czerwona dioda,
    wirowka_5a
  • Włóż probówki do kielicha,
  • Nałóż ochronny klosz,
    wirowka_5d
  • Wirówka uruchomi się po wciśnięciu zielonego przycisku START.
    wirowka_5h
  • 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.

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:)

Cykl: zmiana sygnału o charakterze regularnym.

Częstotliwość (f): ilość cykli w ciągu jednej sekundy. Wyrażana jest w hertzach (Hz). Jeden hertz to jeden cykl w ciągu sekundy. 50Hz to 50 cykli w ciągu sekundy. Każdy cykl trwa wtedy 20ms.

Stopień wypełnienia (d): stosunek czasu trwania sygnału wysokiego do czasu trwania całego okresu, wyrażany w %. Przykładowo, przy sygnale o wypełnieniu 50% przez połowę  cyklu stan będzie wysoki, a drugą – niski.

pwm_0

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:

triggerUkład ten gwarantuje, że nieważne jak długo przytrzymacie przycisk – 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.

Impuls na pinie TRIGGER musi być krótszy niż impuls wyjściowy.

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:

monostable

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]

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:

resetDzięki 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. Zmieniając jego stopień wypełnienia (ang. duty), można go użyć do sterowania silnikiem (PWM).

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

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

centrifuga_01 centrifuga_00

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:

motor_00Nie zapomnijcie o diodzie wstawionej zaporowo między styki 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:

wirowka_01

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:

wirowka_02W bocznych panelach wyciąłem otwory na probówki:

wirowka_03Kielich osadziłem na sztycy od akcesoriów do mini-szlifierki. Sztyca ma od góry wkręcaną śrubkę, która pozwoliła na zamocowanie kielicha:

wirowka_03b wirowka_03aRozwierciłem znaleziony w szufladzie trybik i wkleiłem go na sztycę zostawiając ze 3mm od dołu na wał silnika. Do klejenia użyłem distalu. Możecie użyć dowony klej – ważne, żeby był z wypełniaczem i łączył metal z plastikiem. Całość ścisnąłem w imadle i zostawiłem na noc (distal schnie 24 godziny):

wirowka_04Zęby nie były i już potrzebne, więc je zeszlifowałem:

wirowka_05Teraz na wał silnika nałożyłem kolejną zębatkę i skleiłem razem ze sztycą:

wirowka_06wirowka_07

wirowka_06aTeraz mogłem przykręcić kielich:

wirowka_08I szybki test:

Leże dla silnika

Silnik musi być porządnie zamontowany. Zacząłem od wycięcia podstawki:

wirowka_10Tutaj liczy się precyzja. Dokładnie wyznaczyłem położenie silnika. Od razu wyciąłem pokrywkę i zaznaczyłem na niej przewidywane położenie wału silnika.

Teraz przygotowałem leże dla silnika:

wirowka_11Nie zapomniałem o otworach na przewody:

wirowka_12wirowka_12aSilnik „uwięziony”:

wirowka_13Jednym z powodów, dla których wybrałem ten konkretny silnik, były gniazda z gwintami na jego górze. Umożliwiło to pewniejsze osadzenie w leżu:

wirowka_20wirowka_21Przy okazji wymieniłem kabelki od silnika:

wirowka_22

Obudowa

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

wirowka_30Boki i tył:

wirowka_31

wirowka_32

…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.

wirowka_33Zwróćcie uwagę na tylną belkę: od jej spodu wkleiłem nakrętki:

wirowka_34W ten sposób będę mógł zamontować pokrywkę obudowy przykręcając ją przez belki.

Zmontowany przód i pierwsza warstwa lakierobejcy:

wirowka_35Górny 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 zapewnić dodatkowe oparcie dla wału silnika. Zrobiłem ją więc z 2 połówek z linią podziału na wale.

wirowka_34aPrzykleiłem tam również dwa półokrągłe kawałki listewki, które będą trzymały klosz (z okrągłego pudełka na płyty cd).

W przednim panelu wywierciłem otwory na dwa przyciski i potencjometr. Kolejne malowanie:

wirowka_36W 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:

wirowka_40Terminal 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:

wirowka_41A na płytce:

wirowka_42Terminale z prawej strony służą do podłączenia silnika i wentylatora (u góry) oraz potencjometru (u dołu).

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.

wirowka_59wirowka_5aNastępnie zamontowałem wentylator. Użyłem do tego śrubek fi 2mm o długości 16mm z podkładkami:

wirowka_58 wirowka_51Teraz przyszła kolej na silnik:

wirowka_57…i całą resztę – przyciski, potencjometr:

wirowka_55Płytkę sterującą przykręciłem do dna na plastykowych dystansach:

wirowka_53 wirowka_54W ostatnim kroku na górnym deklu zamontowałem świecącą diodę zasilania; użyłem do tego gorący klej:

wirowka_52 wirowka_5bGaleria

wirowka_5e wirowka_5d wirowka_5g wirowka_5f wirowka_5h wirowka_5c wirowka_5b wirowka_5aI demo:

Podsumowanie

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

Zamiast Arduino czy innego kontrolera, użyłem tym razem dwa NE555. Jak widzieliście, wymaga to trochę zachodu. Układ może nie był skomplikowany, ale wymagał kilkunastu różnych dodatkowych elementów. Mając kontroler byłby pewnie mniej skomplikowany. Być może pokusiłbym się o wyświetlacz i kilka innych gadżetów. Czy są one jednak konieczne? W końcu ta wirówka robi dokładnie to co powinna…

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 – trochę taniej ale więcej kombinowania – wybór należy do Was.

Materiały

Do budowy wirówki zużyłem:

  • Silnik DC 5v (z odzysku),
  • Potencjometr 50k,
  • Rezystory 10k, 4k7, 1k, 360Ω,
  • Kondensatory ceramiczne 10nF (103), 100nF (104), 22pF,
  • Kondensatory elektrolityczne: 22uF,
  • Diody 1n4148 oraz większe <>
  • 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.

Galeria

Źródła

5 komentarzy do “Wirówka chemiczna”

      1. Witam
        Dziękuję za ten projekt dzięki niemu można prawie samodzielnie będąc laikiem stworzyć przydatne urządzenie.
        Niestety nie jestem elektronikiem i proszę o pomoc dużym ułatwieniem było by dokładne zdjęcie tyłu i przodu płytki wtedy nawet laik mógłby połączyć wszystkie elementy lub rysunek z opisem elementów całego układu . Zakupiłem na giełdzie wszystkie części wymienione na liście i niestety nie ma tam wszystkich kondensatorów elektrolitycznych wymieniony jest tylko (Kondensatory elektrolityczne: 22uF,) na zdjęciu widać jeszcze 3 inne.
        Proszę też o parametry silnika ( moc obroty) Pan na giełdzie pokazał mi 10 silniczków 5v dobrałem podobny .
        Pozdrawiam

        1. Witam,
          Kondensatory nad NE555 włączone są między zasilanie a masę – dzięki temu likwidowane są wahania napięcia i NE555 pracują spokojniej. Zazwyczaj daję tu elektrolity 4.7-22uF. Trzeci z kondensatorów (znajduje się przy terminalu zasilającym) – spełnia podobną funkcję i ma podobne wartości. Silniczek nie posiadał żadnych oznaczeń (z odzysku) – tutaj jego moc nie miała praktycznie żadnego znaczenia. Pobierał ok. 200 mA podczas pracy.
          W tekście znajdzie Pan link do symulacji układu. Płytkę lutowałem na uniwersalnej, więc z plątaniny kynaru ciężko byłoby Panu coś wyczytać. Zanim weźmie się Pan za lutowanie, proponuję poćwiczyć z płytką stykową – a później przenieść projekt na docelową.
          Jestem bardzo ciekawy Pana pracy:)
          Pozdrawiam,
          Arek

Dodaj komentarz