MOSTER FET - duální 500Amp 40voltový ovladač MOSFET 3d tiskárny s vyhřívanou postelí: 7 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Pravděpodobně jste klikli na tuto myslící svatou krávu, 500 AMPS !!!!! Abych byl upřímný, deska MOSFET, kterou jsem navrhl, nebude schopna bezpečně dělat 500Amps. Může to chvíli trvat, těsně předtím, než vzrušeně vzplane.

Toto nebylo navrženo jako chytrý trik. Nebyl to můj zlý plán nalákat vás na můj instruktážní (sem vložte šílený vědecký smích). Chtěl jsem udělat pointu. Reklama na 3D tiskárny a jejich součásti může být velmi zavádějící. Zvláště na nízkonákladovém trhu pro kutily.

Budu zkoumat jen jeden případ tohoto. Běžná deska MOSFET, která slouží k ochraně hlavní desky 3D tiskárny před poškozením. Používají se také k upgradu pinteru na výkonnější záhlaví. Obecně s větší tiskovou plochou.

Na trhu je půl tuctu různých designů. Většina z nich má tyto obří chladiče a vypadá velmi působivě. Ale většina z toho je trik.

Zatímco analyzujeme jednu z těchto desek; Jdu si navrhnout vlastní. Poté, co jsem se podíval na to, co je na trhu, jsem se rozhodl, že bych mohl udělat lépe. Takže se chystám navrhnout desku s otevřeným zdrojovým kódem a otevřenými schopnostmi, která bude tuto práci dělat velmi dobře.

Design, na který se zaměřuji, je duální MOSFET deska 40v 60Amp. Ne 1 kanál, ale 2. Jeden pro vyhřívanou postel a jeden pro hotend. Za designem je příběh. Pro ty z vás, kteří se nestarají o příběh za deskou, můžete přejít přímo ke zdrojovým souborům desky.

Zdrojové soubory Ki-Cad

Zásoby

Všechny stopy tohoto designu desky jsou ručně pájeny.

Nástroje:

• Pinzeta
• Páječka
• Pájka
• Výstřižky pro elektroniku

Kusovník:

Reference	Číslo dílu dodavatele	Dodavatel	Hodnota	Množství
C11, C21	CL21B103KBANNND-ND	Digi-Key	10 000 pF	2
R11, R21	311-1,00KFRCT-ND	Digi-Key	1,0 tis	2
R15, R25	311-3,60KFRCT-ND	Digi-Key	3,6 tis	2
R13, R23	RMCF1210JT2K00TR-ND	Digi-Key	1,99 tis	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
JUMPERY	Pevný vodič 10 AWG

Krok 1: Jak jsou vám poskytována fakta, ale nereprezentuje to, co kupujete

Deska MOSFET na tomto obrázku je velmi běžná. Najdete ho na eBay, Ali Express, Amazon a spoustě dalších míst. Je to také velmi levné. Za 2 byste mohli zaplatit pouhých 5,00 $.

Titulek je obvykle „210 Amp MOSFET“. Je pravda, že MOSFET je 210 A MOSFET. Celý produkt však může dělat pouze 25 ampérů. Limitujícím faktorem je DPS a konektor.

Jak uvidíme později, PCB pravděpodobně ještě více omezuje design. Měděné stopy nevypadají moc hustě.

Řekli vám tedy pravdu o MOSFETU, ale ne o celém produktu.

Také se zde děje spousta marketingu. Podívejte se na ten obří chladič. Většina lidí si myslí, že to musí být docela silná část. Pravdou je, že pokud tato část POTŘEBA, která chladí MOSFET, plýtvá spoustou energie. Ta energie mohla jít do ohřevu tiskového lože. Velký chladič není dobré znamení. Ale to je to, co očekáváme, že uvidíme na zařízeních s vysokým výkonem. To nejlepší, co mohu této části říci, je jen pro marketing, alespoň na 25 ampérech.

Chci navrhnout produkt, který bude dobře fungovat, bude kvalitní, bude mít nízké náklady a bude o svých schopnostech velmi otevřený.

Krok 2: Jádro obvodu: MOSFET

Chci, aby byl design velmi účinný. To by znamenalo nízkou ztrátu energie napříč zařízením. Takže odpor je můj nepřítel. MOSFETy fungují jako napěťově řízený odpor. Když jsou tedy vypnuti, jejich odpor je velmi velký. Když jsou zapnuté, jejich odpor je velmi nízký. Ve skutečnosti se toho děje mnohem víc. Pro naši diskusi to však bude dost dobré.

Parametr, kterému bychom měli v datovém listu MOSFET věnovat pozornost, je „RDS on“.

MOSFET, který jsem vybral, byl AUIRFSA8409-7P vyrobený společností Infineon Technologies. V nejhorším případě je RDSon 690u Ohmů. Ano, to bylo správné mikro ohmy. Ale ta část je drahá. Kolem 6,00 $. pro jednoho. Zbytek designu budou velmi levné komponenty. Mít dobrý design znamená vybrat si dobrý MOSFET. Pokud se tedy chystáme mrzout, toto je oblast, ve které se budeme hýbat.

Zde je odkaz na datový list

Všimněte si, že tato část je 523Amp MOSFET. Id proud je však omezen na 360Amps. Důvod je dvojnásobný.

1. Balíček dílů nedokáže dostatečně rozptýlit teplo, aby udržel 523 ampérů.
2. Nemají dostatek spojovacích drátů na matrici pro 625A. Tedy „Lepení omezené“

Omezím design na 60 Amp. Odpor je nízký, takže na malé ploše získám opravdu velkou účinnost.

Část bude rozptylovat asi 1,8 W při maximálním odebíraném proudu. (R x I^2) Tepelný odpor pro tuto část je 40 stupňů C/Watt. (kliknutím sem pochopíte, jaké výpočty se provádějí). Takže při maximálním odběru proudu budeme na 72 stupních nad okolní teplotou. Datový list uvádí, že maximální teplota zařízení je 175 ° C. Jsme pod tímto seznamem. Pokud však počítáme s okolní teplotou 25 ° C, pak jsme těsně pod 100 ° C. Budeme potřebovat malý chladič a ventilátor při plném zatížení.

To vše předpokládá, že máme na bráně 15 V. Jakmile klesneme pod 10 V, začneme mít opravdu problémy s topením.

Účinnost bude (za předpokladu 40 V) dodaných 2400 W, 1,8 W zbytečně. Asi 99,92%.

Zdroj napájení	Doručeno	Ztracený	Účinnost
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Náš ukázkový produkt tedy měl 220Amp MOSFET. Mám 523Amp MOSFET a ta hloupost je stále horká. Jde mi o to, že uvedený proud není skvělým ukazatelem výkonu. Lepší specifikací by byl celkový odpor desky a MOSFETu. Tato jedna specifikace vám poskytne téměř vše, co potřebujete vědět.

Krok 3: Další klíčové součásti

Deska MOSFET obvykle používá jako řídicí signál výstup vyhřívaného lože tiskárny. U11 je obousměrný optočlen. Tato část má několik účelů.

1) Vstup nemůžete špatně zapojit. Toto je trochu fiktivní důkaz. Hlavní deska buď potopí proud, nebo ne. Vstupní spoušť je tedy založena na tom, zda máme nebo nemáme proudový tok mezi kolíky vyhřívané desky řídicí desky.

2) Izolujte stranu s vysokým výkonem od řídicí desky s nízkým výkonem. To vám umožní použít na vyhřívané posteli vyšší napětí. Můžete mít například 12voltovou ovládací desku a 24voltovou vyhřívanou postel. Důvody nemusí být připojeny (zcela izolované). Máte neuvěřitelných 3750 Vrms izolace.

3) Dálkově ovládejte vyhřívané lůžko. Napájecí zdroj, vyhřívaná postel a deska MOSFET mohou být ve zcela jiné části tiskárny než na řídicí desce. Řídicí linky jsou založeny na aktuálním toku, takže hluk není problém. Deska by mohla být docela daleko od řídicí desky. Těžké napájecí vodiče jsou drahé. Mít všechny věci s vysokým výkonem na jednom místě dává velký smysl.

4) Mohu přejíždět branou MOSFETu a ještě více snížit odpor RDSon. Ale nemohu překročit 20 voltů nebo MOSFET zemře. K tomu slouží Ziner (D11); k upnutí brány na 15v.

Poslední důležitou součástí je R12. Toto je odpouštěcí odpor. Brána FET má na sobě kondenzátor. Všechny MOSFETY ano. Čím výkonnější je MOSFET, tím větší je kapacita. Jako pravidlo palce. Takže když se U11 vypne, musíme vybít tento kaspisistor brány. Jinak dostaneme velmi pomalý čas vypnutí. Kromě toho všeho má U11 také malý únik. Pokud by R12 chyběl, krytka brány by se nabila a brána by překročila Vgsth a MOSFET by se zapnul. Tím se brána stáhne dolů.

Krok 4: Návrh desky - je to jeden z nejdůležitějších bodů návrhu

Dobře, nyní k návrhu DPS.

Začněme některými jednoduchými rozhodnutími. Jak tomu říkat a jakou barvu by to mělo mít. Ano, marketing. Lidé mají rádi věci, které vypadají hezky. Technické věci by měly mít čisté linie a měly by vypadat dobře. Další věc je, že barva je důležitá. Zdá se, že lidé spojují silné nebezpečné věci s černou barvou. Think swat team versus místní policie. Oba mají autoritu. Ale upřímně řečeno, raději bych byl přitahován svým místním policistou než týmem swatů. Takže barva je černá.

Teď jak to nazvat. Protože 60 Amps je monstrózně velký MOSFET, řekl jsem si, že bych tomu říkal MOSTER FET. Dobře, vím, že je to banální. Ale sakra Jime, jsem inženýr, ne marketingový profesionál. Dokonce jsem vytvořil skvělé logo. Opět nejsem marketingový profesionál.

Dalším nejdůležitějším rozhodnutím pro obvodovou desku je tloušťka mědi. Stopy obvodové desky musí nést plné zatížení 60 ampérů. Existuje tedy několik věcí, které můžeme udělat, aby se to stalo. Krátké stopové délky, široké šířky a silná měď. Všechny tyto věci snižují stopovou odolnost.

Tloušťka mědi na desce s plošnými spoji je uvedena v uncích. Takže 1 unce mědi váží 1 unci na 1 čtvereční stopu. Takže 4 unce mědi by byly 4krát silnější. Také by unesl 4násobek proudu. Po provedení nějaké analýzy jsem zjistil, že náklady se s tloušťkou mědi lineárně nezvyšují. K určení ceny desky používám (zde) rychlou nabídku PCBWAY. (to je jeden z těch zpětných odkazů, pomáhá při výrobě desek) Kdybych stavěl tisíce desek, křivka nákladů by se srovnala. Ale já nejsem.

Tloušťka mědi	Cena za 10	Velikost DPS
1 oz	$23.00	50 mm x 60 mm
2 oz	$50.00
3 oz	$205.00
4 unce	$207.00
5 oz	$208.00
6 oz	$306.00
7 oz	$347.00
8 uncí	$422.00

Problém je také s měděnými deskami Think. Čím silnější je měď, tím déle trvá leptání a tím více detailů ztrácíte. V zásadě to znamená, že rozteč stop musí být opravdu široký. To také znamená, že šířka stopy minia je poměrně velká. V tomto designu si to mohu dovolit. Chci vejít dva kanály do stejného prostoru, který dříve držel jeden. Je to tedy 1 oz mědi.

To však způsobí další problém. 1 unce mědi neunese zátěž. Moje deska bude působivě drahou pojistkou.

Na kanál jsou pouze tři stopy, které musí mít velkou proudovou zátěž. Jak vidíte na obrázku, odstranil jsem masku pájky na šesti stopách. Můj plán je na tyto stopy příliš připájet drát 12AWG s plným jádrem. Normálně by to nebyl skvělý plán. Náklady na desku však převyšují náklady na další součásti. Nemluvě o tom, že měděný drát bude muset být řezán a tvarován na míru; ztěžování hromadné výroby. Stručně řečeno, nestanu se slavným ani bohatým.

Zde může mít náš příklad deska další problém. Tloušťka mědi na této desce je velmi tenká. Stopy jsou široké. Ale v určitém okamžiku to již nepomůže. Veškerý proud pochází z jednoho pinu do jednoho pinu. Širší stopy umožňují lepší chlazení, ale stále budete mít nějaká horká místa.

Můj plán je použít všechny díly pro povrchovou montáž kromě konektorů. Konektory pro povrchovou montáž se z desky odtrhnou příliš snadno. Budu také používat konektory TX60 pro napájení a vyhřívané lůžko. Používají se ve světě RC. Jsou levné a nesou náklad. Jsou to však pájecí miskové konektory. Šálky budou muset být naplněny pájkou, aby splňovaly specifikace. Tiskárny řady ender používají tyto konektory pro své vyhřívané postele. Takže toto je opravdu dobrá volba.

Další konektory, které budu používat, jsou 5mm šroubové svorky. Jsou levné a dobře fungují v tomto druhu aplikace.

Malý chladič potřebný pro MOSFET je integrován do desky plošných spojů. To je dobrý i špatný nápad. Je to dobré z hlediska nákladů; pokud se však součást příliš zahřeje, deska se laminuje. Aby se to stalo, musíte být opravdu velmi horko. Pro extrémní teploty by byl hliníkový chladič mnohem lepší. S největší pravděpodobností, pokud deska běží na 60 A, bude nutné použít ventilátor. Proto jsou otvory chladiče o něco větší. Nechat vzduch projít deskou. Už jsem to udělal a funguje to neuvěřitelně dobře. Ale to trochu zvyšuje náklady na desku. Ale stále je to méně nákladné než hliníkový chladič.

A konečně, každý kanál je nezávislý. Uzemnění a elektrické vedení nejsou propojeny, i když ve schématu mají stejný síťový název. Tímto způsobem může být vaše řídicí deska na 12 V, vyhřívaná postel na 24 V a hotend na 12 V. To vám dává možnosti.

Krok 5: Sestavení rady

Používám KiCad. Existuje pro něj plugin, který vytváří interaktivní kusovník. Stačí zvýraznit čáru v kusovníku a ona rozsvítí místa, kam jde. Je to můj oblíbený modul plug-in pro KiCad Plugin generuje samostatný soubor HTML. (TADY). Soubor je tedy přenosný. Používám to na svém tabletu (nebo telefonu), když stavím desky.

Desky jsem dostal jen před chvílí. Jak vidíte, tato verze vypadá trochu jinak než ostatní části. Desky, které jsem postavil, byly prototypy (na obrázku níže). Veškerá zpětná vazba na design, kterou jsem dostal při testování, se vrátila do designu. Pokud si také všimnete, chybí R12 a R22. Zapomněl jsem přidat odvzdušňovací odpor. Velký omyl. Chvíli jsem měl nějakou zvláštní operaci, dokud jsem neviděl, co chybí. Pak jsem je musel „mrtvě broukat“.

Soubor návrhu desky v úložišti git je nejnovější verzí a obsahuje všechny opravy chyb.

Ale tady to je; v celé své slávě. (vložte zvukový efekt Zpívající andělé)

Krok 6: V provozu - Důkaz pudinku je v jídle

Začal jsem testovat desky. První věc, které jsem si všiml, je, že LED svítí jako slunce. Ano, chápu, že LED nemusí být tak jasná. Ale když je hluboko uvnitř vaší tiskárny, poděkujete mi. Pokud samozřejmě nemáte Anet A8. Pokud tomu tak je, nasaďte si sluneční brýle jako já.

Pravděpodobně bych mohl změnit pouze R15 a R25. Ale široký rozsah napájecího napětí (10v-40v) mě přiměl váhat.

Mám napájení 29V 25A. Upravil jsem svůj 24v zdroj Meanwell na 29v. Mám také 400 mm kulatou vyhřívanou postel, která je 400 W při 24 V. Při 29 voltech nakreslíme přesně 20 AMPS. Takže 20 ampérů je to nejlepší, co dostanu.

Měření bylo provedeno z negativní strany J11 a J12. V podstatě napříč MOSFETEM. Ale bylo to provedeno na konektorech. Kde se zapojují vodiče. Deska klesla o 23 mVoltů při 20 A. To by znamenalo celkový odpor zařízení na 1,15 mOhms. To je MOSFET, deska a konektory. To je opravdu dobré, když to sám řeknu. (a mnoho radosti)

Krok 7: Vedle sebe

Dobře, na konci bych chtěl říci, že moje rada vítězí. Má vše, co byste mohli chtít. Zde je srovnání. Náklady na stavbu tohoto chlapa jsou však příliš vysoké.

Spec	Společný MOSFET	MOSTER FET
Maximální napětí	Neznámý	40V
Maximální proud	25 ampérů	60 ampérů
Reverzibilní spoušť	Ano	Ano
Opto izolované	Možná	Ano
Cena (2 kanály)	$12.99	$14.99
Kanály	1	2

Budu předstírat, že jich dokážu postavit tisíce.

Pokud se chystáte podnikat s prodejem dílů pro 3D tiskárny, musíte mít ziskové rozpětí 40% a více. Bylo by lepší, kdyby byla mnohem vyšší, ale to je minimum, které potřebujete, abyste se udrželi nad vodou. Předpokládal jsem náklady na kusovník 3,50 USD a náklady na výrobu 3,76 USD. Desku jsem nechal citovat na několika místních místech. Pokud prodáváte na Amazonu nebo E-bay, pak vám poskytnou 30% poplatky za kreditní kartu, poplatky za PayPal a prodejní poplatky. Věřte mi, funguje to na 30%. Řeknou vám to jinak, ale všechno bylo řečeno a hotovo, dostanu 70% všeho, co bylo prodáno.

Aby tato deska byla skutečně životaschopná, musí mít 15,99 $. Trh DIY je však velmi citlivý na cenu. Nastavte jej tedy na 14,99 $. Vždy můžete prodávat na montážních držácích nebo elektroinstalačních sadách.

Další věc, kterou zde vidíte, je, že společná deska je silně prodávána. Spousta DIY videí, která můžete najít kdekoli. Trh s kutily chce vědět, jak funguje a jak jej používat. Jen asi 10% tohoto trhu zkouší něco nového nebo jsou prvními osvojiteli. Pouze asi 3% z nich zveřejní jakákoli data nebo natočí video „JAK NA TO“. Stručně řečeno, pravděpodobnost prodeje 10 000 kusů za rok je velmi malá.

Nejvíce by se to prodalo asi 100 za rok, pokud jste v tom dobří. Cenový bod na této úrovni je 24,99. Samotný kusovník stojí 13,00 $.

Stručně řečeno, není to životaschopný produkt. Pokud bych mohl dostat MOSFET dolů v cenovém rozpětí 0,75 - 1,00 USD, mohlo by to fungovat.

Ale byla to zábava. Myslím, že je to lepší design, ale pak jsem to udělal znovu.

Užijte si desku !!! (TADY)

Aktualizace:

Našel jsem MOSFET, který je schopen za méně než 1,00 $ Pokud chcete plně konstruovanou desku, mám je na e-bay. (ZDE) nebo verze kanálu Sigle (ZDE)