MagicQuartz TechDemo

Demostración tecnológica de magia

Introducción

Este repositorio contiene un diseño de hardware de código abierto de un SpeedBox de plato giratorio que es capaz de ejecutar el firmware propietario de MagicQuartz. El diseño de hardware consta de dos partes:

• Un modelo OpenSCAD que se puede utilizar para generar un recinto impreso en 3D.
• Un diseño de Kicad para la placa base, que comprende esquema y PCB.

El Speedbox implementa un inversor de potencia de CA simple basado en un amplificador de audio de clase D y un transformador toroidal para aumentar el voltaje. La velocidad del reproductor de discos se controla cambiando la frecuencia de CA generada. Esto permite el cambio electrónico entre las velocidades de registro estándar (16, 33, 45 y 78 rpm) y la corrección de velocidad en tiempo real utilizando un sensor óptico. Tenga en cuenta que este enfoque solo funciona para plataformas giratorias con motor de CA.

El dispositivo admite las características más importantes de la versión 1.0 "Phoenix" de Magicquartz, incluida la "Administración de energía avanzada" (APM). Sin embargo, carece de reserva para la luz de fondo y los fanáticos de LCD y no implementa la supresión pop del lado del hardware.

Licencia

La información y los archivos en este repositorio se proporcionan bajo la licencia de código abierto de CERN-OHL-S V2 (haga clic aquí para obtener más detalles).

Descargo de responsabilidad

El único propósito de este repositorio es proporcionar un diseño de hardware fácil de reproducir para demostrar las capacidades del firmware de Magicquartz. Hasta la fecha, el diseño no se ha evaluado con respecto a la seguridad eléctrica, el cumplimiento electromagnético (EMC) y la seguridad contra incendios. Los dispositivos fabricados en función de este diseño no son adecuados para usuarios finales.

Existen varios peligros graves asociados con la construcción y el funcionamiento de este dispositivo. Si no tiene suficiente conocimiento, no intente construir ni operar el dispositivo. Tenga en cuenta que la información en este repositorio intencionalmente no constituye instrucciones de ensamblaje. También preste mucha atención a la Sección 6 de la licencia CERN-OHL-S V2 y las consideraciones de seguridad a continuación.

Diseño de hardware

Consideraciones de seguridad

• El dispositivo es capaz de generar alto voltaje y puede causar fuego y/o lesiones graves, incluida la muerte.
• El dispositivo cambia de altas corrientes utilizando la modulación de ancho de pulso (PWM), lo que puede causar interferencia con otros dispositivos electrónicos o equipos de radio.
• El dispositivo crea una red de TI (Isolé-Terre). Esto tiene implicaciones en el número de electrodomésticos (es decir, motores o plataformas giratorias) y su tipo de aislamiento para conectarse de manera segura al dispositivo.
• ¡Tenga mucho cuidado al realizar medidas! ¡No intente medir el lado de alto voltaje del transformador usando un osciloscopio! No es necesario hacer esto, ya que la señal puede verificarse completamente en el lado de bajo voltaje. En este sentido, tenga en cuenta que las salidas negativas del amplificador digital no están conectadas a tierra. Existe un grave riesgo de dañar el osciloscopio y otros equipos al realizar mediciones mientras el circuito está conectado a tierra, por ejemplo, sobre el puerto USB del Arduino y una PC. Use aisladores galvánicos cuando corresponda.
• Existe un riesgo grave de que el dispositivo dañe los componentes conectados. Los ejemplos son las lámparas estroboscópicas, que pueden dañarse fácilmente por picos de voltaje o voltaje excesivo, o motores de CA de frecuencia fija que dependen de los condensadores de cambio de fase. También existe el riesgo de que la señal portadora de PWM pase a través de la ruta de audio de un sistema estéreo y daña los altavoces. Además, tenga en cuenta que, aunque se utiliza la supresión POP del lado del software, generalmente se produce una pico de voltaje cuando se enciende el dispositivo. Por esta razón, el dispositivo debe activarse antes de encender el plato giratorio.
• Los módulos prefabricados individuales (especialmente el amplificador, los convertidores reductor y la placa de microcontrolador) pueden contener componentes electrónicos de diferentes fabricantes y de calidad variable (ver "problemas conocidos"). En el caso de una falla de hardware, esto puede generar más daños consecuentes inesperados. Por lo tanto, el dispositivo ensamblado nunca debe operarse desatendido.
• Tenga en cuenta que las propiedades mecánicas, eléctricas y químicas de los componentes impresos en 3D pueden cambiar o deteriorarse con el tiempo.

Modelo OpenScad 3D

El archivo OpenSCAD se puede usar para explorar virtualmente el dispositivo y para imprimir 3D un recinto físico.

Nota: Si los símbolos en el frente no se muestran correctamente, la fuente "Simbola" debe instalarse (Nombre del paquete Ubuntu: fonts-symbola ).

Descripción general de las piezas e notas de impresión

La siguiente tabla proporciona una descripción general de todas las piezas impresas en 3D en el modelo 3D junto con algunas notas. Tenga en cuenta que el tiempo de impresión en total es de alrededor de 22 horas (en un Ultimaker 2).

Si bien los archivos STL están disponibles en la carpeta release para su conveniencia, se pueden generar fácilmente en OpenScad. Establezca la variable render_components en false y cambie el valor de la variable generate al número de pieza respectiva. Luego presione F5 para obtener una vista previa de la pieza, F6 para representar la pieza y F7 para exportar el archivo STL. Tenga en cuenta que el proceso de representación puede tomar una cantidad considerable de tiempo, incluso en computadoras rápidas. También tenga en cuenta que los objetos generados ya están orientados correctamente para imprimir.

Tuve algunos problemas de impresión con las versiones de Cura 5.1.1 a 5.3.0, especialmente con la parte "Atrás". La cortadora creó algunos artefactos significativos y no manejó el texto como se esperaba (la última capa debajo del texto no se imprimió como se esperaba). Regresé a 4.13.1.

Además de la tabla a continuación:

• Imprima todas las piezas con soporte de "árbol".
• Imprima todas las piezas utilizando el patrón de relleno de "cuadrícula" (excepto la Parte 3, ver notas).
• Imprima todas las piezas con altura de la capa de 0.2 mm (excepto la Parte 8, ver notas).
• Imprima todas las partes con el tipo de adhesión "borde" (excepto la Parte 8, vea las notas).

Parte nr.	Nombre	Color sugerido	Notas / excepciones
1	Placa inferior	Negro	Puede imprimirse sin soporte de "árbol".
1	Placa inferior (ahorrador de material)	Negro	Ahorra algo de filamento, pero es menos resistente. Puede imprimirse sin soporte de "árbol".
2	Parte inferior delantera	Blanco	Establezca "Soporte X/Y Distancia" a 1.6 mm para evitar que la cortadora cree soporte en la entrada de aire.
3	Parte central delantera	Transparente	Use el patrón de relleno "Lightning" para crear una apariencia agradable "como de cuarzo".
4	Parte superior delantera	Blanco
5	Cubrir	Marrón	Imprima esta variante si no planea aplicar papel decorativo.
5	Cubierta (ahorrador de material)	(Cualquier)	Si el papel decorativo no se adhiere adecuadamente a los bordes, lije ligeramente por las superficies en los bordes.
6	Pie (imprimir 4x)	Plata	Puede imprimirse sin "borde".
7	Cubierta de voltímetro	Como frente
8	Ensamblaje de botones	Plata	Imprima con 0.1 mm o menos para mejorar la resistencia, no use soporte de adhesión (borde). Habilitar planchado en la capa superior.
9	Atrás	Blanco
10	Enchufes	Como retroceder	Imprimir sin "Brim".
11	Estuche del sensor óptico	Negro

Componentes

Los componentes que se utilizarán deben ser fácilmente identificables de los proyectos OpenScad y Kicad. Para componentes donde esto no es inmediatamente obvio, aquí hay algunos detalles:

• Tornillos: todas las piezas se pueden mantener unidas con tornillos de autocomprobación tipo "DIN 7981 CH", 2.9x9.5 mm, excepto la cubierta LCD y el voltímetro, donde se deben usar 2.2x9.5 mm. Los tornillos DIN, por supuesto, también se pueden sustituir con tornillos compatibles similares.
• Atacas de cable: el recinto ha sido diseñado para montar varios componentes con lazos de cable, como el transformador, el ventilador interno (solo utilizado para el amplificador tipo 2), el terminal de tornillo de alto voltaje y asegurar el cable de CA. La barra en el centro del recinto se puede usar para conectar cables con lazos de cable.
• Amplificadores: El diseño de OpenSCAD actualmente admite la alojamiento de dos tipos de tableros de amplificadores de potencia digital basados en los chips TDA7498 y TPA3116d2, respectivamente (ver Renderizaciones a continuación). El primer tipo parece ser muy frágil y requiere aproximadamente 28V. El segundo tipo es más robusto y funciona bien a 24 V, pero tiene más ruido y definitivamente necesita un mejor disipador de calor. Sin embargo, es posible modificar el diseño para acomodar otros tipos. También hay un tercer tipo de "marcador de posición" que puede usarse para desarrollos personalizados.
• Transformador toroidal: tipo "RKT 5012" (50VA, 220V a 2x12V). Para distribuir la carga en ambos canales del amplificador, los dos devanados del transformador de 12 V se pueden conducir en paralelo a través de los dos canales de salida del amplificador. Entonces es importante asegurarse de que los dos devanados realmente sean impulsados en paralelo y no en reversa. Dada una secuencia de conexión de "R+, R-, L+, L-" En el amplificador, una secuencia de cableado de trabajo es "rojo, amarillo, azul, verde" para el RKT 5012. ¡PRECAUCIÓN! Durante la operación, las trinetas de 220V están en vivo.
• Voltímetro de CA: escriba "YB27A", 60-300V CA, retirado de su carcasa original. Tenga en cuenta que el voltímetro está en vivo y existe un riesgo de descarga eléctrica. Si los cables deben extenderse o reemplazarse, asegúrese de tener la clasificación de voltaje adecuada.
• Interruptor de encendido: escriba "KCDI-101".
• Tableros del convertidor DC/DC: placas de regulador de voltaje reductoras basadas en el LM2596S (ver también "problemas conocidos" a continuación).
• Fusos : el fusible 1 cubre todo el circuito y debe ser dimensionado de acuerdo con la calificación de potencia implementada. Por ejemplo, si se usa un transformador de 50VA y una fuente de alimentación de 24 V, puede ser apropiado un fusible 2A. Fuse 2 se usa para proteger los componentes y conectado a la placa "Mega 2560 Pro", que atrae aproximadamente a 100 mA a 7.5 V. Por lo tanto, usar un fusible de acción rápida de 125MA es razonable.

Kicad Schematic y PCB

Este repositorio también contiene un circuito electrónico para una placa base. El PCB fue diseñado para prototipos rápidos y se puede producir con un solo lado de un solo lado, por ejemplo, con un pequeño CNC o grabado. Sin embargo, se puede usar una capa de cobre superior opcional para mejorar el blindaje. Por supuesto, la PCB también puede ser fabricada por cualquier fabricante de PCB.

La placa base se construye alrededor del tablero "Mega 2560 Pro" (denotado U1 en el esquema). Según el conocimiento del autor, esta junta fue desarrollada originalmente por Robotdyn. Desafortunadamente, parece que ya no está disponible, pero las vueltas de otras compañías están ampliamente disponibles. Haga clic aquí para obtener una versión archivada de la página web de Robotdyn.

El circuito electrónico es muy simple y debería explicarse por sí mismo. Sin embargo, los siguientes puntos explican algunos aspectos especiales:

• Fuente de alimentación: el conector J2 ("potencia") se utiliza para alimentar la placa base desde una fuente de alimentación externa a través de los pines 2 y 3 (típicamente 24-32V, dependiendo de los requisitos de voltaje del amplificador, etiquetado como "+24V" en el esquema). El conector J2 también se usa para alimentar la placa del amplificador a través de los pines 1 y 4. Observe que el pin 1 de J2 está conectado a un segundo terreno (GND1), que se utiliza para medir la corriente del amplificador (ver más abajo).
• Tableros del convertidor DC/DC: como se describió anteriormente, la placa base se suministra con 24-32V (etiquetado "+24V"). Sin embargo, la placa U1 requiere un voltaje entre 7V y 12V (etiquetado "+7.5V"). Debido a que no es práctico superar la gran diferencia de voltaje con un regulador lineal, el conector J3 ("DC/DC") puede usarse para conectar una placa de convertidor de baja DC/CC DC (ver OpenScad Design). U1 luego usa su regulador de voltaje lineal a bordo (AMS1117) para crear el 5V. El recinto puede acomodar una segunda placa convertidor DC/DC específicamente para alimentar a los ventiladores; Sin embargo, si los fanáticos funcionan bien con el voltaje desde la primera placa, también se pueden conectar a esta primera placa convertidor.
• JUMPER "Enable APM": el PIN Digital D27 de U1 se puede llevar a GND (JUMPER J1 "Enable APM" está cerrado) para decirle al firmware que el circuito de detección actual está disponible, lo que permite que el firmware detecte si el motor giratorio está actualmente alimentado o no.
• Medición de corriente: la medición de corriente funciona de la siguiente manera: la corriente de la sección de potencia (la placa del amplificador digital) se mide a través de la caída de voltaje a través de la resistencia R4 (0.15 ohm, 3W). El voltaje medido se filtra de paso bajo a través de C7 y R5 y se lleva a través de U2A a un nivel de voltaje que puede medir fácilmente mediante el ADC del microcontoleta.
• Filtro de paso bajo: la sección de filtro de paso bajo PWM convierte las señales PWM del microcontrolador en una o dos ondas sinusoidales analógicas utilizando filtros RC simples. Los filtros están diseñados para tener una frecuencia de corte de aproximadamente 200 Hz, que es lo suficientemente alta como para pasar cualquiera de las frecuencias de CA posibles, pero bloquea la señal portadora PWM. El filtro se implementa dos veces en caso de que se implemente un inversor de doble fase (que requiere un transformador adicional y un recinto diferente). Para configuraciones monofásicas, se recomienda equipar solo una sección de filtro y cerrar los dos canales en la entrada del amplificador. Esto elimina el riesgo de dañar el amplificador si el usuario cambia accidentalmente el cambio de fase en el firmware.

Diagrama de bloques

Aquí hay un diagrama de bloques que proporciona una visión general de todas las conexiones internas:

Problemas conocidos

Regulador de voltaje de AMS1117

La placa "Mega 2560 Pro" puede usar un regulador de voltaje de 5 V "AMS1117" de calidad cuestionable (ver esta interesante publicación de blog). El regulador puede fallar con un corto interno completo o parcial y pasar el voltaje de entrada (7.5V) al resto del circuito. Esto no solo puede dañar los otros componentes (incluido el ATMEGA2560), sino que también puede aumentar el nivel de la señal sinusoidal generada. Como resultado, el inversor puede generar un voltaje excesivo y dañar el plato giratorio.

El problema se puede superar reemplazando el AMS1117 por otro regulador de tipo "1117" de un fabricante de renombre, como el LM1117 por los instrumentos de Texas o el TS1117 por el semiconductor de Taiwán. Por supuesto, la pieza debe comprarse a un distribuidor electrónico de buena reputación. El antiguo regulador se puede desolder fácilmente aplicando un exceso de soldadura fresca a sus tres alfileres, calentando todo y luego limpiándolo con el soldador.

Dependiendo del regulador, es posible que se necesiten agregar condensadores adicionales de 10UF tantalum a la entrada y salida del regulador (ver Hoja de datos). Tal modificación basada en un TS1117 se muestra en esta imagen: Images/TS1117-Modification.jpg. Observe los dos nuevos condensadores de tantalio amarillo y el fusible adicional (ver más abajo). ¡Observe cuidadosamente la polaridad de los condensadores!

Una solución más sofisticada (y probablemente exagerada) es agregar un circuito de palanca y un fusible al diseño. El circuito de la palanca se puede suministrar como una pequeña placa de backback para el "Mega 2560 Pro". Tal complemento está disponible aquí: https://github.com/sebmate/littlejimmy. Aquí hay una imagen montada en Speedbox: Images/LittleJimmy.jpg.

El fusible en realidad solo se necesita para el circuito de palanca, pero no hay nada de malo en agregarlo en general. El diagrama de bloques anterior y el panel trasero del recinto ya se han extendido para incorporar este fusible. Como se describió anteriormente, como el circuito se basa alrededor de 100 mA a 7.5 V, es razonable usar un fusible de acción rápida de 125 mA.

LM2596S DC/DC BOLDS

Estas tablas de bajadas de bajo costo probablemente no usen ICS LM2596s originales (consulte este enlace para obtener más información). Hasta ahora, sin embargo, no he tenido problemas con estos. El circuito de palanca descrito anteriormente, cuando se instala en la placa "Mega 2560 Pro", también proporciona cierta protección contra una posible falla de dicha placa de convertidor LM2596S DC/DC.

Listas de piezas

Las listas de piezas están disponibles en las parts-lists del directorio.

Una de las listas es para el distribuidor de electrónica alemán Reichelt. También se puede acceder a esta lista directamente a través de este enlace: https://www.reichelt.de/my/2038407. Esta lista también contiene piezas alternativas que no son esenciales. Por lo tanto, la lista no debe ordenarse a ciegas. Tenga en cuenta que no estoy afiliado a Reichelt y solo proporciono esta lista para su conveniencia. Las piezas pueden estar disponibles en otros proveedores a un precio más bajo.

Notas de ensamblaje

• Suponga que el ensamblaje tomará alrededor de dos noches, una vez que tenga todas las partes en su lugar.
• La combinación de placa principal y pantalla se puede probar completamente sin que se conecte nada más (como el cableado al panel trasero, el amplificador, el convertidor DC/DC). Esto funciona alimentando el tablero "Mega 2560 Pro" a través de USB.
• El cableado manual de la pantalla lleva mucho tiempo. Es posible que prefiera usar una solución basada en conector. Tenga en cuenta que no se requieren todas las 16 líneas de pantalla.
• Antes de conectar y alimentar la placa base y los ventiladores a través de los convertidores DC/DC, es esencial establecer los voltajes de antemano (por ejemplo, a 7.5V, como se describió anteriormente).
• El tornillo especificado para el soporte del fusible puede ser demasiado largo y puede romper el panel trasero. Tenga cuidado al montar el soporte del fusible y considere usar un tornillo más corto.
• Las imágenes de un dispositivo ensamblado están disponibles en la carpeta images . Tenga en cuenta que todavía no muestran la última revisión con el Circuito LittleJimmy y el segundo fusible.

Procedimiento de inicialización

Los siguientes pasos describen cómo configurar inicialmente el dispositivo:

• Antes de encender la potencia por primera vez, gire el control de volumen de la placa del amplificador hasta el fondo.
• Siga las instrucciones en la Sección 4, "Comenzando", de la documentación de Magicquartz para flashear el firmware y ejecutar la configuración del motor.
• Cuando la rutina de "Configuración del motor" le pregunta sobre la forma de onda ( WaveForm de parámetros), configure esto en 2.
• Cuando se trata de configurar el voltaje (parámetro VoltageMtOn ), la documentación dice que los pasos dependen de si el inversor instalado en el speedbox tiene un control de nivel o no. Tiene: es el control de volumen del amplificador. Continúe como se describe en la documentación: establezca VoltageMtOn en 1, luego aumente lenta y cuidadosamente el control de volumen del amplificador hasta alcanzar el voltaje deseado (p. Ej., 220V). Si el amplificador cambia al estado de protección, intente nuevamente.
• La detección de apagado del inversor se puede probar como se describe en la Sección 4.3 de la documentación del software estableciendo un valor de RampingSpeed demasiado bajo y luego reiniciando el inversor. Si no funciona y si los valores de corriente medidos en el firmware están en el extremo inferior del rango de medición (que es de 0 a 1023), puede reemplazar R7 con una resistencia de valor más alta, como 470 kohm.