MOSTER FET: controladors de llit calefactors amb impressora 3d de 500 volts i 40 volts MOSFET: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Probablement heu fet clic a aquesta vaca santa pensant, 500 AMPS !!!!!. Per ser sincer, la placa MOSFET que he dissenyat no podrà fer 500A amb seguretat. Pot ser per una mica, just abans d’esclatar emocionadament en flames.

Això no va ser dissenyat per ser un truc intel·ligent. NO va ser el meu malvat pla atraure-us al meu instructiu (inseriu un riure científic boig aquí). Volia fer un punt. La publicitat per a impressores 3D i els seus components pot ser molt enganyosa. Especialment al mercat del bricolatge de baix cost.

Vaig a explorar només un cas d'això. Una placa MOSFET comuna que s’utilitza per protegir la placa principal de la impressora 3D contra danys. També s’utilitzen per actualitzar un pinter a un llit amb capçal més potent. Generalment amb més àrea d’impressió.

Hi ha mitja dotzena de dissenys diferents al mercat. La majoria tenen aquests dissipadors de calor gegants i tenen un aspecte molt impressionant. Però la major part d’això és un truc.

Mentre analitzem un d’aquests taulers; Vaig a dissenyar la meva pròpia. Després d’examinar què hi ha al mercat, vaig decidir que podia fer-ho millor. Per tant, vaig a dissenyar un tauler de capacitats obertes i de codi obert que funcioni molt bé.

El disseny al qual em dirigeixo és una placa MOSFET dual de 40v 60Amp. No 1 canal sinó 2. Un per al llit climatitzat i un per al hotend. Hi ha una història darrere del disseny. Per a aquells que no es preocupin per la història del tauler, podeu anar directament als fitxers font del tauler.

Fitxers font de Ki-Cad

Subministraments

Totes les petjades d’aquest disseny de taulers estan soldades a mà.

Eines:

• Pinces
• Soldador
• Soldar
• Talls per a electrònica

Matèria:

Referències	Núm. De part del proveïdor	Proveïdor	Valor	Quantitat
C11, C21	CL21B103KBANNND-ND	Digi-Key	10000 pF	2
R11, R21	311-1.00KFRCT-ND	Digi-Key	1,0 K	2
R15, R25	311-3.60KFRCT-ND	Digi-Key	3,6K	2
R13, R23	RMCF1210JT2K00TR-ND	Digi-Key	1,99 K	2
D11, D21	BZX84C15LT3GOSTR-ND	Digi-Key	15V	2
U11, U21	TLP182 (BL-TPLECT-ND	Digi-Key	TLP182	2
CN11, CN21	277-1667-ND	Digi-Key		2
Q11, Q21	AUIRFSA8409-7P-ND	Digi-Key	AUIRFSA8409-7P	2
J11, J21	PRT-10474	Spark Fun	XT-60-M	2
J12, J22	PRT-10474	Spark Fun	XT-60-F	2
JUMPERS	Fil de nucli sòlid de 10 AWG

Pas 1: Com se us donen els fets, però no representa el que esteu comprant

El tauler MOSFET d’aquesta imatge és molt comú. El podeu trobar a eBay, Ali Express, Amazon i molts altres llocs. També és molt econòmic. Per 2, podríeu pagar tan sols 5,00 USD.

El títol sol ser "MOSFET de 210 Amp". És cert que el MOSFET és un MOSFET de 210 amp. Tot i això, tot el producte només pot fer 25 amperes. El factor limitant és el PCB i el connector.

Com veurem més endavant, el PCB probablement limita encara més el disseny. Les traces de coure no semblen molt gruixudes.

Per tant, us van dir la veritat sobre el MOSFET, però no sobre tot el producte.

Aquí també hi ha molt de màrqueting. Mireu aquell dissipador de calor gegant. La majoria de la gent pensa que això ha de ser una part força poderosa. La veritat és que si aquesta part NECESSITA un dissipador de calor, el MOSFET està malgastant molta energia. Aquesta energia hauria pogut destinar-se a escalfar el llit imprès. Un gran dissipador de calor no és un bon senyal. Però és el que esperem veure en dispositius d’alta potència. El millor que puc dir d’aquesta part és només per a màrqueting, com a mínim a 25 amperes.

Vull dissenyar un producte que faci la seva feina bé, que sigui de bona qualitat, de baix cost i que sigui molt senzill quant a les seves capacitats.

Pas 2: el nucli del circuit: el MOSFET

Vull que el disseny sigui molt eficient. Això significaria una baixa pèrdua d'energia al dispositiu. Per tant, la resistència és el meu enemic. Els MOSFET actuen com una resistència de tensió controlada. Per tant, quan estan fora, la seva resistència és molt gran. Quan estan en marxa, la seva resistència és molt baixa. De fet, hi ha molt més que això. No obstant això, per a la nostra discussió serà prou bo.

El paràmetre al qual hem de prestar atenció al full de dades de MOSFET és "RDS activat".

El MOSFET que vaig seleccionar va ser el AUIRFSA8409-7P fabricat per Infineon Technologies. El pitjor dels casos és que RDSon és de 690 u Ohms. Sí, era correcte el microohms. Però la peça és cara. Al voltant de 6,00 dòlars. per un. La resta del disseny seran components molt econòmics. Tenir un bon disseny significa triar un bon MOSFET. Per tant, si volem malbaratar aquesta és la zona on ens espantarem.

Aquí teniu un enllaç al full de dades

Tingueu en compte que aquesta part és MOSFET de 523Amp. Tot i això, el corrent d'identificació està limitat a 360 amp. El motiu és doble.

1. El paquet de peces no pot dissipar prou calor per sostenir 523 amperes.
2. No tenen prou cables d’unió a la matriu per a 625 amp. Per tant, "Limitació de la unió"

Limitaré el disseny a 60A. La resistència és baixa, de manera que obtindré una eficiència realment gran en una àrea petita.

La peça es dissiparà al voltant d’1,8 Watts a la intensitat màxima extreta. (R x I ^ 2) La resistència tèrmica d'aquesta peça és de 40 graus C / Watt. (feu clic aquí per entendre quins càlculs s’estan fent). Així doncs, a la tracció de corrent màxima estarem a 72 graus per sobre de l’ambient. El full de dades especifica que la temperatura màxima del dispositiu és de 175 graus C. Estem molt a sota d’aquesta llista. Tot i això, si comptem amb una temperatura ambient de 25 ° C, llavors estem a poc menys de 100 ° C. Necessitarem un petit dissipador de calor i un ventilador a plena càrrega.

Tot això suposa que tenim 15v a la porta. Un cop baixem de 10v, realment comencem a tenir problemes de calefacció.

L'eficiència serà (suposant 40v) 2400 watts lliurats, 1,8 Watts malgastats. Al voltant del 99,92%.

Font d'alimentació	Lliurat	Perdut	Eficiència
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Per tant, el nostre producte d’exemple tenia un MOSFET de 220Amp. Tinc un MOSFET de 523Amp i el ximple encara fa calor. El meu punt aquí és que el corrent especificat no és un gran indicador del rendiment. Una millor especificació seria la resistència total del tauler i del MOSFET. Aquesta especificació us proporciona gairebé tot el que heu de saber.

Pas 3: Altres components clau

Normalment, la placa MOSFET utilitza la sortida de llit escalfat de la impressora com a senyal de control. U11 és un optoacoblador bidireccional. Aquesta part té diversos propòsits.

1) No podeu connectar erròniament l'entrada. Això és una mica de prova falsa. La placa principal enfonsarà corrent o no. Per tant, el disparador d’entrada es basa en si tenim o no flux de corrent entre els passadors del llit escalfats de la placa de control.

2) Aïlleu el costat d'alta potència de la placa de control de baixa potència. Això us permetrà utilitzar una tensió més alta al llit climatitzat. Per exemple, podeu tenir una placa de control de 12 volts i un llit climatitzat de 24 volts. Els terrenys no necessiten estar connectats (completament aïllats). Teniu una enorme quantitat d’aïllament de 3750 Vrms.

3) Controleu de forma remota el llit climatitzat. La font d'alimentació, el llit escalfat i la placa MOSFET poden estar en una secció completament diferent de la impressora de la placa de control. Les línies de control es basen en el flux de corrent, de manera que el soroll no és un problema. El tauler podria estar a certa distància del tauler de control. Els cables de gran potència són cars. Tenir totes les coses d’alta potència en un sol lloc té molt de sentit.

4) Puc superar la porta del MOSFET i reduir encara més la resistència RDSon. Però no puc superar els 20 volts o el MOSFET mor. Per a això serveix el Ziner (D11); per fixar la porta a 15v.

Un darrer component important és R12. Es tracta d’una resistència de purga. La porta del FET té un condensador. Ho fan tots els MOSFETS. Com més potent sigui el MOSFET, més gran serà la capacitat. Com a regla general. Per tant, quan s’apaga l’U11, hem de descarregar aquest capisistor de la porta. En cas contrari, obtindrem un temps d’apagat molt lent. A més de tot això, U11 té una mica de fuites. Si faltava R12, el límit de la porta es carregaria i la porta superaria Vgsth i el MOSFET s’encendria. Això manté la porta tirada cap avall.

Pas 4: el disseny del tauler: és un dels punts de disseny més importants

D’acord, ara passem al disseny de PCB.

Comencem per algunes de les decisions senzilles. Com anomenar-lo i de quin color hauria de ser. Sí, màrqueting. A la gent li agraden les coses que semblen agradables. Les coses tècniques haurien de tenir línies netes i semblar, bé, tècniques. L’altra cosa és que el color és important. Sembla que la gent associa coses perilloses i poderoses amb el color negre. Penseu que l’equip SWAT versa la policia local. Tots dos tenen autoritat. Però, francament, prefereixo que el meu policia local m’atraqui més que no pas un equip d’esquena. Per tant, el color és negre.

Ara, com anomenar-lo. Com que 60 Amps és un MOSFET monstruosament gran, vaig pensar que en diria MOSTER FET. Ok, sé que és curiós. Però, caram Jim, sóc enginyer i no professional de màrqueting. Fins i tot vaig fer un logotip genial. De nou, no sóc un professional del màrqueting.

La següent decisió més important per a la placa de circuits és el gruix de coure. Les traces de la placa de circuit han de portar la càrrega completa de 60 amperes. Per tant, hi ha diverses coses que podem fer perquè això passi. Traçades curtes, amplades amples i coure gruixut. Totes aquestes coses redueixen la resistència a les traces.

El gruix de coure de la placa de circuit imprès s’especifica en unces. Per tant, 1 unça de coure pesa 1 unça per 1 peu quadrat. Per tant, 4 unces de coure serien 4 vegades més gruixudes. També portaria 4 vegades l’actual. Després de fer algunes anàlisis, vaig descobrir que el cost no augmenta linealment amb el gruix del coure. Utilitzo el pressupost ràpid de PCBWAY (aquí) per determinar el cost del tauler. (aquest és un d'aquests enllaços de retrocés, ajuda a continuar fent taules) Si construís milers de taules, la corba de costos s'aplanaria. Però no sóc.

Gruix de coure	Cost per a 10	Mida de PCB
1 oz	$23.00	50 mm x 60 mm
2 oz	$50.00
3 oz	$205.00
4 oz	$207.00
5 oz	$208.00
6 oz	$306.00
7 oz	$347.00
8 oz	$422.00

També hi ha un problema amb les taules de coure think. Com més gruixut sigui el coure, més tarda a gravar i més detalls perdreu. Bàsicament això vol dir que l’espaiat de traça ha de ser realment ampli. També vol dir que l'amplada mínima del traç és bastant gran. En aquest disseny, m’ho puc permetre. Vull encabir dos canals en el mateix espai que anteriorment en tenia un. Així que 1 oz de coure és.

Tanmateix, això provocarà un altre problema. 1 unça de coure no carregarà la càrrega. El meu tauler serà un fusible espectacularment car.

Només hi ha tres traces per canal que necessiten tenir una càrrega de corrent elevada. Com podeu veure a la imatge, he tret la màscara de soldadura de sis traces. El meu pla és soldar un filferro de nucli sòlid de 12AWG massa en aquestes traces. Normalment no seria un gran pla. Tanmateix, el cost de la placa està pesant el cost dels components addicionals. Per no mencionar que el fil de coure haurà de ser tallat i format a mida; dificultant la fabricació de la producció en massa. En resum, ni em convertiré en famós ni ric.

Aquí és on el nostre tauler d’exemple pot tenir un altre problema. El gruix de coure d’aquesta placa és molt prim. Les traces són àmplies. Però en algun moment això ja no ajuda. Tot el corrent prové d’un sol pin a un pin únic. Les traces més amples permeten un millor refredament, però encara tindreu alguns punts calents.

El meu pla és utilitzar totes les parts de muntatge superficial, excepte els connectors. Els connectors de muntatge superficial s’arrencen de la placa amb massa facilitat. També utilitzaré connectors TX60 per alimentar i el llit escalfat. S’utilitzen al món RC. Són econòmics i carreguen la càrrega. No obstant això, són connectors de soldadura. Les tasses s’hauran d’omplir de soldadura per complir les especificacions. Les impressores de la sèrie Ender utilitzen aquests connectors per als seus llits climatitzats. Per tant, és una bona opció.

Els altres connectors que utilitzaré són terminals de cargol de 5 mm. Són econòmics i funcionen bé en aquest tipus d’aplicacions.

El petit dissipador de calor necessari per al MOSFET està integrat a la placa de circuit. Aquesta és una bona i una mala idea. És bo pel seu cost; tanmateix, si la peça s’escalfa massa, el tauler es plastificarà. Realment cal estar molt calent durant molt de temps perquè això passi. Per a temperatures extremes, un dissipador d’alumini seria molt millor. Molt probablement, si la placa funciona amb 60 Amperis, caldrà utilitzar un ventilador. Per això, els forats del dissipador de calor són una mica més grans. Per deixar passar l’aire pel tauler. Ja ho he fet abans i funciona increïblement bé. Però és que augmenta els costos de la taula. Però encara costa menys que un dissipador de calor d’alumini.

Per últim, cada canal és independent. Els terrenys i les línies elèctriques no estan connectats, tot i que a l’esquema tenen el mateix nom net. D'aquesta manera, la vostra placa de control podria estar a 12v, el llit climatitzat a 24v i el hotend a 12v. Et dóna opcions.

Pas 5: construir el consell

Estic fent servir KiCad. Hi ha un connector que crea una llista de materials interactiva. Només cal ressaltar la línia a la llista de material i il·lumina els llocs on va. És el meu complement preferit per a KiCad. El connector genera un fitxer HTML autònom. (AQUÍ). Per tant, el fitxer és portàtil. L’utilitzo al dispositiu de la tauleta (o al telèfon) quan estic construint taules.

Vaig aconseguir els taulers fa poc temps. Com podeu veure, aquesta versió es veu una mica diferent de la resta de seccions. Els taulers que vaig construir on hi havia prototips (a la imatge següent). Tots els comentaris sobre el disseny que he rebut en proves van tornar al disseny. Si també observeu que falten R12 i R22. He oblidat afegir una resistència de purga. Gran error. Vaig tenir alguna operació estranya una mica fins que vaig veure el que faltava. Aleshores els vaig haver de "deixar mort".

El fitxer de disseny del tauler del repositori git és la versió més recent i té totes les correccions d'errors.

Però aquí està; en tot, és glòria. (inseriu efecte de so Angels cantant)

Pas 6: en funcionament: la prova del budí és al menjar

Vaig començar a provar els taulers. Així que el primer que vaig notar és que el LED brilla com el sol. Ja ho entenc, el LED no necessita ser tan brillant. Però quan estigui a l'interior de la impressora, m'ho agraireu. A menys que tingueu un Anet A8. Si és així, guardeu unes ulleres de sol com jo.

Probablement només podria canviar R15 i R25. Però l’ampli ventall de tensions de subministrament (10v-40v) em fa dubtar.

Tinc un subministrament de 29V 25Amp. Vaig ajustar la font d'alimentació Meanwell de 24v a 29v. També tinc un llit rodó de 400 mm escalfat que fa 400 watts a 24 v. A 29 volts dibuixarem exactament 20 AMPS. Així que 20 amperes és el millor que obtindré.

La mesura es va prendre des del costat negatiu de J11 i J12. Bàsicament a través del MOSFET. Però es va fer als connectors. On es connecten els cables. La placa va caure 23 mVolts a 20A. Això situaria la resistència total del dispositiu a 1,15 mOhms. Aquest és el MOSFET, la placa i els connectors. Això és realment bo si ho dic jo mateix. (i hi va haver molta alegria)

Pas 7: el costat a costat

D'acord, al final voldria dir que el meu consell guanya. Té tot el que es pot desitjar. Aquí hi ha la comparació. No obstant això, el cost per construir aquest noi és massa alt.

Espec	MOSFET comú	MOSTER FET
Voltatge màxim	Desconegut	40V
Max Curent	25 amperes	60 amperes
Disparador reversible	Sí	Sí
Opto aïllat	Pot ser	Sí
Cost (2 canals)	$12.99	$14.99
Canals	1	2

Vaig a pretendre que en puc construir milers.

Si voleu fer un negoci de venda de peces per a impressores 3D, haureu de tenir un marge de benefici del 40% o més. Seria millor que fos molt més alt, però aquest és el mínim que necessiteu per mantenir-se a la superfície. Vaig suposar un cost de la BOM de 3,50 $ i un cost de fabricació de 3,76 $. Vaig fer citar la junta en alguns llocs locals. Si veneu a Amazon o a E-bay, us despertaran un 30% en les comissions de la targeta de crèdit, les despeses de PayPal i les despeses de venda. Confieu en mi, funciona fins al 30%. Ells us diran diferents però tot dit, aconseguit el 70% del que es va vendre.

Aquest tauler ha de ser de 15,99 dòlars per ser realment viable. No obstant això, el mercat del bricolatge és molt sensible al preu. Per tant, fixeu-lo en 14,99 dòlars. Sempre es pot augmentar en suports de muntatge o kits de cablejat.

L'altra cosa que veieu aquí és que el tauler comú està molt comercialitzat. Un munt de vídeos de bricolatge que podeu trobar a qualsevol lloc. El mercat del bricolatge vol saber que funciona i com utilitzar-lo. Només aproximadament el 10% d’aquest mercat prova alguna cosa nova o és el primer adoptant. Només al voltant del 3% dels que publiquen dades o fan un vídeo "COM FER". En resum, la probabilitat de vendre 10.000 peces en un any és molt petita.

El màxim que es vendria és d’uns 100 per any, si és bo. El preu en aquest nivell és de 24,99. La BOM només costa 13,00 $.

En resum, no és un producte viable. Si pogués baixar el MOSFET en un rang de preus de 0,75 a 1,00 dòlars, podria funcionar.

Però va ser divertit de fer. Crec que és un disseny millor, però de nou ho vaig fer.

Gaudiu de la pissarra !!! (AQUÍ)

Actualització:

Vaig trobar un MOSFET capaç de baix de $ 1,00. Si voleu un tauler completament construït, els tinc a e-bay. (AQUÍ) o la versió del canal Sigle (AQUÍ)