MagicQuartz TechDemo

Magicquartz Demonstração de tecnologia

Introdução

Este repositório contém um design de hardware de código aberto de uma caixa de velocidade de plataforma giratória capaz de executar o firmware proprietário Magicquartz. O design de hardware consiste em duas partes:

• Um modelo OpenSCAD que pode ser usado para gerar um gabinete impressa em 3D.
• Um design de kicad para a placa principal, compreendendo esquema e PCB.

O SpeedBox implementa um inversor de energia CA simples com base em um amplificador de áudio de classe D e um transformador toroidal para intensificar a tensão. A velocidade do recorde é controlada alterando a frequência CA gerada. Isso permite a alternância eletrônica entre as velocidades de registro padrão (16, 33, 45 e 78 rpm) e a correção de velocidade em tempo real usando um sensor óptico. Observe que essa abordagem funciona apenas para plataformas giratórias com motor CA.

O dispositivo suporta os recursos mais importantes do Magicquartz versão 1.0 "Phoenix", incluindo o "Advanced Power Management" (APM). No entanto, não tem espera para a luz de fundo e os fãs do LCD e não implementa a supressão pop do lado de hardware.

Licenciamento

As informações e arquivos neste repositório são fornecidos sob a licença de código aberto CERN-OHL-S V2 (clique aqui para obter detalhes).

Isenção de responsabilidade

O único objetivo deste repositório é fornecer um design de hardware fácil de reproduzir para demonstrar os recursos do firmware MagicQuartz. Até o momento, o projeto não foi avaliado em relação à segurança elétrica, conformidade eletromagnética (EMC) e segurança contra incêndio. Os dispositivos fabricados com base nesse design não são adequados para usuários finais.

Existem vários perigos sérios associados à construção e operação deste dispositivo. Se você não possui conhecimento suficiente, não tente construir ou operar o dispositivo. Observe que as informações neste repositório intencionalmente não constituem instruções de montagem. Também preste muita atenção à seção 6 da licença CERN-OHL-S V2 e às considerações de segurança abaixo.

Design de hardware

Considerações de segurança

• O dispositivo é capaz de gerar alta tensão e pode causar incêndio e/ou ferimentos graves, incluindo a morte.
• O dispositivo troca de altas correntes usando a modulação de largura de pulso (PWM), o que pode causar interferência em outros dispositivos eletrônicos ou equipamentos de rádio.
• O dispositivo cria uma rede de TI (isolé-terre). Isso tem implicações no número de aparelhos (ou seja, motores ou toca -discos) e seu tipo de isolamento a ser conectado com segurança ao dispositivo.
• Tenha muito cuidado ao realizar medições! Não tente medir o lado de alta tensão do transformador usando um osciloscópio! Não há necessidade de fazer isso, pois o sinal pode ser totalmente verificado no lado de baixa tensão. Nesse sentido, observe também que as saídas negativas do amplificador digital não estão conectadas ao solo. Há um risco sério de danificar o osciloscópio e outros equipamentos ao realizar medições enquanto o circuito é aterrado, por exemplo, a porta USB do Arduino e um PC. Use isoladores galvânicos, quando aplicável.
• Existe um risco sério de que o dispositivo danifique os componentes conectados. Exemplos são lâmpadas estroboscópicas, que podem ser danificadas facilmente por picos de tensão ou tensão excessiva, ou motores CA de frequência fixa que dependem dos capacitores de mudança de fase. Há também o risco de o sinal da transportadora PWM passar pelo caminho de áudio de um sistema estéreo e danificar os alto -falantes. Além disso, observe que, embora seja usada a supressão pop do lado do software, um pico de tensão geralmente ocorre quando o dispositivo é ativado. Por esse motivo, o dispositivo deve ser ativado antes que a plataforma giratória seja ativada.
• Os módulos pré-fabricados individuais (especialmente o amplificador, os conversores de redução e a placa de microcontrolador) podem conter componentes eletrônicos de diferentes fabricantes e de qualidade variável (consulte a seção "problemas conhecidos"). No caso de uma falha de hardware, isso pode levar a mais danos conseqüentes inesperados. O dispositivo montado, portanto, nunca deve ser operado sem vigilância.
• Observe que as propriedades mecânicas, elétricas e químicas dos componentes impressos em 3D podem mudar ou se deteriorar ao longo do tempo.

OpenScad 3D Model

O arquivo OpenSCAD pode ser usado para explorar virtualmente o dispositivo e a impressão 3D de um gabinete físico.

NOTA: Se os símbolos na frente não forem exibidos corretamente, a fonte "símbola" precisará ser instalada (nome do pacote do Ubuntu: fonts-symbola ).

Visão geral das peças e notas de impressão

A tabela abaixo fornece uma visão geral de todas as peças impressas em 3D no modelo 3D junto com algumas notas. Esteja ciente de que o tempo de impressão no total é de cerca de 22 horas (em um Ultimaker 2).

Embora os arquivos STL estejam disponíveis na pasta release para sua conveniência, eles podem ser gerados facilmente no OpenSCAD. Defina a variável render_components como false e altere o valor da variável generate para o respectivo número de peça. Em seguida, pressione F5 para visualizar a peça, F6 para renderizar a peça e F7 para exportar o arquivo STL. Observe que o processo de renderização pode levar uma quantidade considerável de tempo, mesmo em computadores rápidos. Observe também que os objetos gerados já estão devidamente orientados para impressão.

Tive alguns problemas para imprimir com as versões Cura 5.1.1 a 5.3.0, especialmente com a parte "traseira". O fatador criou alguns artefatos significativos e não lidou com o texto conforme o esperado (a última camada sob o texto não foi impressa como esperado). Voltei para 4.13.1.

Além da tabela abaixo:

• Imprima todas as peças usando o suporte "árvore".
• Imprima todas as peças usando o padrão de preenchimento "grade" (exceto a Parte 3, consulte as notas).
• Imprima todas as peças com altura da camada de 0,2 mm (exceto a Parte 8, veja as notas).
• Imprima todas as peças com o tipo de adesão "Brim" (exceto a Parte 8, veja as notas).

Parte nr.	Nome	Cor sugerida	Notas / exceções
1	Placa inferior	Preto	Pode ser impresso sem suporte "árvore".
1	Placa inferior (economizador de material)	Preto	Salva algum filamento, mas é menos resistente. Pode ser impresso sem suporte "árvore".
2	Parte inferior frontal	Branco	Defina "Distância X/Y de Suporte" para 1,6 mm para impedir que o fatador crie suporte na entrada de ar.
3	Parte central frontal	Transparente	Use o padrão de preenchimento "Lightning" para criar uma aparência agradável de "quartzo".
4	Parte superior da frente	Branco
5	Cobrir	Marrom	Imprima esta variante se você não planeja aplicar papel decorativo.
5	Capa (economizador de material)	(Qualquer)	Se a folha decorativa não aderir adequadamente às bordas, lixem levemente as superfícies nas bordas.
6	Pé (imprimir 4x)	Prata	Pode ser impresso sem "borda".
7	Tampa de voltímetro	Como frente
8	Conjunto do botão	Prata	Imprima com 0,1 mm ou menos para melhorar a força, não use suporte de adesão (Brim). Habilite a ferro na camada superior.
9	Voltar	Branco
10	Soquetes fictícios	Como de volta	Imprima sem "Brim".
11	Caso do sensor óptico	Preto

Componentes

Os componentes a serem usados devem ser facilmente identificáveis nos projetos OpenScad e Kicad. Para componentes onde isso não é imediatamente óbvio, aqui estão alguns detalhes:

• Parafusos: Todas as peças podem ser mantidas juntamente com os parafusos auto-tocantes tipo "DIN 7981 CH", 2,9x9,5 mm, exceto a tampa LCD e Voltmeter, onde 2,2x9,5 mm devem ser usados. Os parafusos DIN, obviamente, também podem ser substituídos por parafusos compatíveis semelhantes.
• Chaves de cabo: o gabinete foi projetado para montar vários componentes com abraçadeiras, como o transformador, o ventilador interno (usado apenas para o amplificador tipo 2), o terminal de parafuso de alta tensão e para proteger o cabo CA out. A barra no centro do gabinete pode ser usada para conectar os fios com abraçadeiras.
• Amplificadores: o design do OpenSCAD atualmente suporta a acomodação de dois tipos de placas de amplificador de energia digital com base nos chips TDA7498 e TPA3116D2, respectivamente (consulte renderizações abaixo). O primeiro tipo parece ser muito frágil e requer cerca de 28V. O segundo tipo é mais robusto e funciona bem a 24V, mas tem mais ruído e definitivamente precisa de um dissipador de calor melhor. No entanto, é possível modificar o design para acomodar outros tipos. Há também um terceiro tipo de "espaço reservado" que pode ser usado para desenvolvimentos personalizados.
• Transformador toroidal: tipo "RKT 5012" (50VA, 220V a 2x12V). Para distribuir a carga nos dois canais do amplificador, os dois enrolamentos do transformador de 12V podem ser acionados em paralelo através dos dois canais de saída do amplificador. É então importante garantir que os dois enrolamentos sejam realmente acionados em paralelo e não ao contrário. Dada uma sequência de conexão de "R+, R-, L+, L-" no amplificador, uma sequência de fiação em funcionamento é "vermelho, amarelo, azul, verde" para o RKT 5012. Cuidado! Durante a operação, os tocamentos de 220V estão ativos.
• Voltímetro CA: Tipo "YB27A", 60-300V AC, removido de sua caixa original. Observe que o voltímetro está ativo e há um risco de choque elétrico. Se os fios precisarem ser estendidos ou substituídos, verifique se eles têm a classificação de tensão adequada.
• Power Switch: digite "KCDI-101".
• Placas de conversor CC/DC: placas reguladoras de tensão de redução com base nos LM2596s (consulte também "questões conhecidas" abaixo).
• Os fusíveis : o fusível 1 cobre o circuito inteiro e devem ser dimensionados de acordo com a classificação de energia implementada. Por exemplo, se um transformador 50VA e uma fonte de alimentação de 24V forem usados, um fusível 2A poderá ser apropriado. O fusível 2 é usado para proteger os componentes ligados e conectados à placa "Mega 2560 Pro", que atrai aproximadamente 100mA a 7,5V. O uso de um fusível de ação rápido de 125ma é, portanto, razoável.

Kicad Schematic e PCB

Este repositório também contém um circuito eletrônico para uma placa principal. O PCB foi projetado para prototipagem rápida e pode ser produzido de lado único, por exemplo, com um pequeno CNC ou gravura. No entanto, uma camada de cobre superior opcional pode ser usada para melhorar a blindagem. Obviamente, o PCB também pode ser fabricado por qualquer fabricante de PCB.

A placa principal é construída em torno da placa "Mega 2560 Pro" (denotado U1 no esquema). Para o conhecimento do autor, este conselho foi originalmente desenvolvido por Robotdyn. Infelizmente, parece não estar mais disponível, mas re-maques de outras empresas estão amplamente disponíveis. Clique aqui para uma versão arquivada da página da web de Robotdyn.

O circuito eletrônico é muito simples e deve ser auto-explicativo. No entanto, os seguintes pontos explicam alguns aspectos especiais:

• Fonte de alimentação: o conector J2 ("Power") é usado para alimentar a placa principal de uma fonte de energia externa via pinos 2 e 3 (normalmente 24-32V, dependendo dos requisitos de tensão do amplificador, rotulado como "+24V" no esquema). O conector J2 também é usado para alimentar a placa do amplificador através dos pinos 1 e 4. Observe que o pino 1 de J2 está conectado a um segundo solo (GND1), que é usado para medir a corrente do amplificador (veja abaixo).
• Placas de conversor CC/DC: Como descrito acima, a placa principal é fornecida com 24-32V (rotulada "+24V"). A placa U1, no entanto, requer uma tensão entre 7V e 12V (rotulada "+7,5V"). Porque não é prático superar a grande diferença de tensão com um regulador linear, o conector J3 ("DC/DC") pode ser usado para conectar uma placa de conversor de desinteressamento DC/DC externa (consulte o OpenSCAD Design). O U1 então usa seu regulador de tensão linear a bordo (AMS1117) para criar o 5V. O gabinete pode acomodar uma segunda placa de conversor DC/DC especificamente para alimentar os ventiladores; No entanto, se os fãs correrem bem com a tensão da primeira placa, eles também poderão ser conectados a esta primeira placa de conversor.
• Jumper "Ativar APM": o pino digital D27 de U1 pode ser puxado para GND (Jumper J1 "Ativar APM" está fechado) para dizer ao firmware que o circuito de detecção atual está disponível, o que permite ao firmware detectar se o motor da plataforma giratória está atualmente alimentado ou não.
• Medição atual: A medição atual funciona da seguinte forma: A corrente da seção de potência (a placa do amplificador digital) é medida através da queda de tensão no resistor R4 (0,15 ohm, 3W). A tensão medida é filtrada por passa-baixa via C7 e R5 e trazida via U2A para um nível de tensão que pode ser facilmente medido pelo ADC do microcontoller.
• Filtro passa-baixo: a seção de filtro passa-baixa PWM converte os sinais PWM do microcontrolador em uma ou duas ondas senoidales analógicas usando filtros RC simples. Os filtros foram projetados para ter uma frequência de corte de cerca de 200 Hz, que é alta o suficiente para passar por qualquer uma das frequências CA possíveis, mas bloquear o sinal da transportadora PWM. O filtro é implementado duas vezes, caso um inversor de fase dupla seja implementada (que requer um transformador adicional e um gabinete diferente). Para configurações monofásicas, é recomendável equipar apenas uma seção de filtro e preencher os dois canais na entrada do amplificador. Isso elimina o risco de danificar o amplificador se o usuário alterar acidentalmente a mudança de fase no firmware.

Diagrama de blocos

Aqui está um diagrama de blocos que fornece uma visão geral de todas as conexões internas:

Questões conhecidas

Regulador de tensão AMS1117

A placa "Mega 2560 Pro" pode usar um regulador de tensão de 5V "AMS1117" de qualidade questionável (veja esta postagem interessante do blog). O regulador pode falhar com um curto interno completo ou parcial e passar a tensão de entrada (7.5V) para o restante do circuito. Isso pode não apenas danificar os outros componentes (incluindo o ATMEGA2560), como também pode aumentar o nível do sinal sinusoidal gerado. Como resultado, o inversor pode gerar tensão excessiva e danificar a plataforma giratória.

O problema pode ser superado substituindo o regulador AMS1117 por outro tipo "1117" de um fabricante de renome, como o LM1117 pela Texas Instruments ou o TS1117 pelo semicondutor de Taiwan. Obviamente, a peça deve ser comprada de um distribuidor eletrônico respeitável. O antigo regulador pode ser desolado facilmente aplicando o excesso de solda fresca aos seus três pinos, aquecendo tudo e depois limpando -o com o ferro de solda.

Dependendo do regulador, podem precisar ser adicionados capacitores adicionais de 10uf tantalum à entrada e saída do regulador (consulte a folha de dados). Essa modificação baseada em um TS1117 é mostrada nesta imagem: imagens/ts1117-modification.jpg. Observe os dois novos capacitores amarelos de tântalo e o fusível adicional (veja abaixo). Observe cuidadosamente a polaridade dos capacitores!

Uma solução mais sofisticada (e provavelmente exagerada) está adicionando um circuito de cabine de cabana e um fusível ao design. O circuito de cabine de cabana pode ser fornecido como uma pequena placa de porquinho para o "Mega 2560 Pro". Esse complemento está disponível aqui: https://github.com/sebmate/littlejimmy. Aqui está uma foto montada no Speedbox: Images/Littlejimmy.jpg.

Na verdade, o fusível é necessário apenas para o circuito de cabra, mas não há nada de errado em adicioná -lo em geral. O diagrama de blocos acima e o painel traseiro do gabinete já foram estendidos para incorporar esse fusível. Conforme descrito acima, como o circuito está desenhando cerca de 100mA a 7,5V, o uso de um fusível de ação rápido de 125ma é razoável.

Placas de conversor LM2596S DC/DC

Essas placas de redução baratas provavelmente não usam ICs LM2596S originais (consulte este link para obter mais informações). Até agora, no entanto, não tive problemas com isso. O circuito Crowbar descrito acima, quando instalado na placa "Mega 2560 Pro", também fornece alguma proteção contra uma possível falha de uma placa de conversor LM2596S DC/DC.

Listas de peças

As listas de peças estão disponíveis nas parts-lists do diretório.

Uma das listas é para o distribuidor de eletrônicos alemães Reichelt. Esta lista também pode ser acessada diretamente através deste link: https://www.reichelt.de/my/2038407. Esta lista também contém peças alternativas que não são essenciais. A lista não deve, portanto, não ser ordenada cegamente. Observe que não sou afiliado ao Reichelt e estou apenas fornecendo esta lista para sua conveniência. As peças podem estar disponíveis em outros fornecedores a um preço mais baixo.

Notas de montagem

• Suponha que a assembléia levará cerca de duas noites, depois de ter todas as peças no lugar.
• A combinação de placa principal e exibição pode ser totalmente testada sem que qualquer outra coisa esteja conectada a ela (como o cabeamento no painel traseiro, o amplificador, o conversor DC/DC). Isso funciona alimentando a placa "Mega 2560 Pro" via USB.
• A fiação manual da tela é muito demorada. Você pode preferir usar uma solução baseada em conector. Observe que nem todas as 16 linhas de exibição são necessárias.
• Antes de conectar e ligar a placa principal e os ventiladores através dos conversores DC/DC, é essencial definir as tensões neles antes (por exemplo, para 7,5V, conforme descrito acima).
• O parafuso especificado para o suporte do fusível pode ser muito longo e pode romper o painel traseiro. Tenha cuidado ao montar o porta -fusíveis e considere usar um parafuso mais curto.
• As imagens de um dispositivo montado estão disponíveis na pasta images . Observe que eles ainda não mostram a revisão mais recente com o circuito Littlejimmy e o segundo fusível.

Procedimento de inicialização

As etapas a seguir descrevem como configurar inicialmente o dispositivo:

• Antes de ativar a energia pela primeira vez, gire o controle de volume da placa do amplificador.
• Siga as instruções na Seção 4, "Introdução", da documentação Magicquartz para exibir o firmware e executar a configuração do motor.
• Quando a rotina "Configuração do motor" perguntar sobre o formulário de onda ( WaveForm do parâmetro), defina -o como 2.
• Quando se trata de definir a tensão (parâmetro VoltageMtOn ), a documentação diz que as etapas dependem se o inversor instalado no SpeedBox tem um controle de nível ou não. Tem: é o controle de volume do amplificador. Prossiga conforme descrito na documentação: defina VoltageMtOn como 1 e, em seguida, aumente lenta e cuidadosamente o controle de volume do amplificador até que a tensão desejada (por exemplo, 220V) seja atingida. Se o amplificador mudar para o estado de proteção, tente novamente.
• A detecção de desligamento do inversor pode ser testada conforme descrito na Seção 4.3 da documentação do software, definindo um valor muito baixo RampingSpeed e reiniciando o inversor. Se não funcionar e se os valores de corrente medidos no firmware estiverem na extremidade inferior da faixa de medição (que é de 0 a 1023), você poderá substituir R7 por um resistor de valor mais alto, como 470 kohm.