MOSTER FET - Podwójna 500Amp 40 V MOSFET 3d Sterowniki podgrzewanego łóżka: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Pewnie kliknąłeś tę myślącą świętą krowę, 500 AMPS!!!!!. Szczerze mówiąc, zaprojektowana przeze mnie płytka MOSFET nie będzie w stanie bezpiecznie robić 500Amps. Może przez chwilę, tuż przed tym, jak podekscytowany stanie w płomieniach.

To nie miało być sprytną sztuczką. To NIE był mój zły plan, aby zwabić cię w mój instruktaż (tu wstawiam śmiech szalonego naukowca). Chciałem zwrócić uwagę. Reklama drukarek 3D i ich podzespołów może być bardzo myląca. Zwłaszcza na tanim rynku DIY.

Zamierzam zbadać tylko jeden przypadek tego. Wspólna płyta MOSFET, która służy do ochrony płyty głównej drukarki 3d przed uszkodzeniem. Są one również używane do ulepszenia pintera do mocniejszego łóżka z zagłówkiem. Generalnie z większą powierzchnią nadruku.

Na rynku dostępnych jest pół tuzina różnych wzorów. Większość ma te gigantyczne radiatory i wygląda bardzo imponująco. Ale większość z tego to chwyt.

Podczas gdy analizujemy jedną z tych tablic; Zamierzam zaprojektować własny. Po przyjrzeniu się temu, co jest na rynku, zdecydowałem, że mogę zrobić lepiej. Zamierzam więc zaprojektować płytę Open Source, Open Capabilities, która wykonuje swoją pracę wyjątkowo dobrze.

Projekt, na który celuję, to podwójna płyta MOSFET 40V 60Amp. Nie 1 kanał, ale 2. Jeden dla podgrzewanego łóżka i jeden dla hotendu. Za projektem kryje się historia. Dla tych z was, którzy nie dbają o historię za tablicą, mogą przejść bezpośrednio do plików źródłowych tablicy.

Pliki źródłowe Ki-Cad

Kieszonkowe dzieci

Wszystkie ślady dla tego projektu płyty są ręcznie lutowane.

Narzędzia:

• Pinceta
• Lutownica
• Lutować
• Nożyce do elektroniki

BOM:

Bibliografia	Numer części dostawcy	Dostawca	Wartość	Ilość
C11, C21	CL21B103KBANNND-ND	Digi-Key	10000pF	2
R11, R21	311-1,00KFRCT-ND	Digi-Key	1.0K	2
R15, R25	311-3,60 KFRCT-ND	Digi-Key	3,6K	2
R13, R23	RMCF1210JT2K00TR-ND	Digi-Key	1.99K	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	Iskra zabawy	XT-60-M	2
J12, J22	PRT-10474	Iskra zabawy	XT-60-F	2
ZWORKI	Drut z rdzeniem stałym 10 AWG

Krok 1: W jaki sposób otrzymujesz fakty, ale nie odzwierciedla tego, co kupujesz

Płytka MOSFET na tym zdjęciu jest bardzo powszechna. Możesz go znaleźć w serwisie eBay, Ali Express, Amazon i wielu innych miejscach. Jest też bardzo tani. Za 2 możesz zapłacić zaledwie 5,00 USD.

Nagłówek zwykle brzmi „210 Amp MOSFET”. Prawdą jest, że MOSFET to 210-amperowy MOSFET. Jednak cały produkt może mieć tylko 25 Amperów. Czynnikiem ograniczającym jest płytka drukowana i złącze.

Jak zobaczymy później, PCB prawdopodobnie jeszcze bardziej ogranicza projekt. Ślady miedzi nie wyglądają na bardzo grube.

Powiedzieli więc prawdę o MOSFET, ale nie o całym produkcie.

Jest tu też dużo marketingu. Zobacz ten gigantyczny radiator. Większość ludzi myśli, że to musi być całkiem potężna część. Prawda jest taka, że jeśli ta część POTRZEBUJE radiatora, MOSFET marnuje dużo energii. Ta energia mogła zostać wykorzystana na ogrzewanie stołu. Duży radiator nie jest dobrym znakiem. Ale właśnie tego oczekujemy od urządzeń o dużej mocy. Najlepsze, co mogę powiedzieć, ta część jest przeznaczona tylko do marketingu, przynajmniej przy 25 Amperach.

Chcę zaprojektować produkt, który dobrze wykonuje swoją pracę, jest dobrej jakości, tani i bardzo jasno określa swoje możliwości.

Krok 2: Rdzeń obwodu: MOSFET

Chcę, aby projekt był bardzo wydajny. Oznaczałoby to niską utratę mocy w całym urządzeniu. Więc opór jest moim wrogiem. MOSFETy działają jak rezystor sterowany napięciem. Więc kiedy są wyłączone, ich opór jest bardzo duży. Kiedy są włączone, ich opór jest bardzo niski. W rzeczywistości dzieje się o wiele więcej. Jednak do naszej dyskusji to wystarczy.

Parametrem, na który powinniśmy zwrócić uwagę na karcie danych MOSFET jest „RDS on”.

Wybrany przeze mnie MOSFET to AUIRFSA8409-7P firmy Infineon Technologies. W najgorszym przypadku RDSon to 690u Ohm. Tak, to było prawidłowe mikro omów. Ale część jest droga. Około 6,00 dolarów. dla jednego. Reszta projektu będzie bardzo niedrogimi komponentami. Dobry projekt oznacza wybór dobrego MOSFET-u. Tak więc, jeśli mamy zamiar zaszaleć, jest to obszar, w którym można się zaszaleć.

Oto link do arkusza danych

Zauważ, że ta część to MOSFET 523Amp. Jednak prąd Id jest ograniczony do 360Amps. Powód jest dwojaki.

1. Pakiet części nie może rozproszyć wystarczającej ilości ciepła, aby wytrzymać 523 ampery.
2. Nie mają wystarczającej liczby przewodów łączących na matrycy na 625A. W ten sposób „Więź ograniczona”

Ograniczę projekt do 60Amps. Opór jest niski, więc uzyskam naprawdę świetną wydajność na małym obszarze.

Część będzie rozpraszać około 1,8 W przy maksymalnym poborze prądu. (R x I^2) Opór cieplny tej części wynosi 40 st. C/Wat. (kliknij tutaj, aby zrozumieć, jakie obliczenia są wykonywane). Tak więc przy maksymalnym poborze prądu będziemy w temperaturze 72 stopni powyżej temperatury otoczenia. Karta katalogowa podaje, że maksymalna temperatura urządzenia to 175 st. C. Jesteśmy dobrze pod tą listą. Jeśli jednak uwzględnimy temperaturę otoczenia 25 st. C. Wtedy mamy nieco poniżej 100 st. C. Będziemy potrzebować małego radiatora i wentylatora przy pełnym obciążeniu.

Wszystko to zakłada, że na bramce mamy 15v. Gdy spadniemy poniżej 10 V, naprawdę zaczynamy mieć problemy z ogrzewaniem.

Wydajność wyniesie (przy założeniu 40 V) 2400 watów dostarczonych, 1,8 watów zmarnowanych. Około 99,92%.

Zasilacz	Dostarczony	Zaginiony	Efektywność
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Tak więc nasz przykładowy produkt miał MOSFET 220Amp. Mam MOSFET 523Amp i ta głupia rzecz wciąż się nagrzewa. Chodzi mi o to, że określony prąd nie jest świetnym wskaźnikiem wydajności. Lepszą specyfikacją byłby całkowity opór płytki i tranzystora MOSFET. Ta jedna specyfikacja daje prawie wszystko, co musisz wiedzieć.

Krok 3: Inne kluczowe elementy

Zazwyczaj płyta MOSFET wykorzystuje wyjście podgrzewanego stołu drukarki jako sygnał sterujący. U11 to dwukierunkowy transoptor. Ta część ma kilka celów.

1) Nie możesz błędnie okablować wejścia. To jest trochę fikcyjnej korekty. Płyta główna albo będzie tonąć, albo nie. Tak więc wyzwalacz wejściowy jest oparty na tym, czy mamy przepływ prądu między pinami podgrzewanego łóżka płyty sterującej.

2) Odizoluj stronę dużej mocy od płyty sterującej małej mocy. Umożliwi to użycie wyższego napięcia na podgrzewanym łóżku. Na przykład możesz mieć 12-woltową tablicę kontrolną i 24-woltowe podgrzewane łóżko. Uziemienia nie muszą być połączone (całkowicie izolowane). Masz aż 3750 Vrms izolacji.

3) Zdalnie steruj podgrzewanym łóżkiem. Zasilacz, podgrzewany stół i płytka MOSFET mogą znajdować się w zupełnie innej sekcji drukarki niż tablica sterownicza. Linie sterujące opierają się na przepływie prądu, więc hałas nie stanowi problemu. Tablica może znajdować się w pewnej odległości od tablicy kontrolnej. Ciężkie przewody zasilające są drogie. Posiadanie wszystkich elementów o dużej mocy w jednym miejscu ma sens.

4) Mogę przesterować bramkę MOSFET i jeszcze bardziej obniżyć rezystancję RDSon. Ale nie mogę przekroczyć 20 woltów, bo MOSFET zgaśnie. Po to jest Ziner (D11); zacisnąć bramę na 15v.

Ostatnim ważnym składnikiem jest R12. To jest rezystor upustowy. Bramka FET ma na sobie kondensator. Wszystkie MOSFET-y to robią. Im mocniejszy MOSFET, tym większa pojemność. Jako zasada. Więc kiedy U11 się wyłączy, musimy rozładować ten kapistor bramkowy. W przeciwnym razie dostaniemy bardzo powolny czas wyłączenia. Poza tym U11 ma niewielki wyciek. Jeśli brakowało R12, nasadka bramki ładowałaby się, a bramka przekroczyłaby Vgsth, a MOSFET włączyłby się. To utrzymuje bramę opuszczoną.

Krok 4: Projekt płytki - to jeden z najważniejszych punktów projektowych

Ok, teraz przejdźmy do projektowania PCB.

Zacznijmy od kilku prostych decyzji. Jak to nazwać i jaki powinien być kolor. Tak, marketing. Ludzie lubią rzeczy, które ładnie wyglądają. Sprzęt techniczny powinien mieć czyste linie i wyglądać, no cóż, techniczny. Inną rzeczą jest to, że kolor jest ważny. Ludzie wydają się kojarzyć potężne, niebezpieczne rzeczy z kolorem czarnym. Pomyśl, że drużyna swat w porównaniu z lokalną policją. Obaj mają autorytet. Ale szczerze mówiąc, wolałbym zostać zatrzymany przez mojego lokalnego glinę niż zespół swatów. Więc kolor jest czarny.

Teraz jak to nazwać. Ponieważ 60 Amps to potwornie duży MOSFET, pomyślałem, że nazwałbym go MOSTER FET. Ok, wiem, że to banalne. Ale, do cholery Jim, jestem inżynierem, a nie specjalistą od marketingu. Zrobiłem nawet fajne logo. Znowu nie jestem specjalistą od marketingu.

Kolejną najważniejszą decyzją dotyczącą płytki drukowanej jest grubość miedzi. Ścieżki na płytce drukowanej muszą przenosić pełne obciążenie 60 amperów. Jest więc kilka rzeczy, które możemy zrobić, aby tak się stało. Krótkie długości śladów, szerokie szerokości i gruba miedź. Wszystkie te rzeczy zmniejszają odporność na ślady.

Grubość miedzi na płytce drukowanej jest podana w uncjach. Tak więc 1 uncja miedzi waży 1 uncję na 1 stopę kwadratową. Tak więc 4 uncje miedzi byłyby 4 razy grubsze. Przenosiłby również 4 razy więcej prądu. Po przeprowadzeniu analizy odkryłem, że koszt nie rośnie liniowo wraz z grubością miedzi. Korzystam z szybkiej wyceny PCBWAY (tutaj) w celu określenia kosztu płyty. (to jest jedno z tych linków, które pomagają w tworzeniu desek) Gdybym budował tysiące desek, krzywa kosztów by się spłaszczyła. Ale nie jestem.

Grubość miedzi	Koszt za 10	Rozmiar PCB
1 uncja	$23.00	50mm x 60mm
2 uncje	$50.00
3 uncje	$205.00
4 uncje	$207.00
5 uncji	$208.00
6 oz	$306.00
7 uncji	$347.00
8 uncji	$422.00

Jest też problem z płytami think miedzi. Im grubsza miedź, tym dłużej trwa trawienie i tym więcej szczegółów tracisz. Zasadniczo oznacza to, że odstępy między śladami muszą być naprawdę szerokie. Oznacza to również, że minimalna szerokość śladu jest dość duża. W tym projekcie mnie na to stać. Chcę zmieścić dwa kanały w tej samej przestrzeni, w której wcześniej znajdował się jeden. Więc to jest 1 uncja miedzi.

Jednak spowoduje to kolejny problem. 1 uncja miedzi nie przeniesie obciążenia. Moja deska będzie spektakularnie drogim bezpiecznikiem.

Istnieją tylko trzy ślady na kanał, które wymagają dużego obciążenia prądowego. Jak widać na zdjęciu usunęłam soldermaskę na sześciu śladach. Mój plan to zbyt lutowanie drutu stałego 12AWG na tych śladach. Normalnie nie byłby to świetny plan. Jednak koszt płyty przewyższa koszt dodatkowych komponentów. Nie wspominając o tym, że drut miedziany będzie musiał być przycięty i uformowany na zamówienie; utrudniając produkcję masową. Krótko mówiąc, nie stanę się ani sławny, ani bogaty.

W tym miejscu nasza przykładowa tablica może mieć inny problem. Grubość miedzi na tej płycie jest bardzo cienka. Ślady są szerokie. Ale w pewnym momencie to już nie pomaga. Cały prąd płynie z jednego pinu do jednego pinu. Szersze ślady pozwalają na lepsze chłodzenie, ale nadal będziesz mieć kilka gorących punktów.

Planuję wykorzystać wszystkie części do montażu powierzchniowego z wyjątkiem złączy. Złącza do montażu powierzchniowego zbyt łatwo odrywają się od płyty. Wykorzystam również złącza TX60 do zasilania i podgrzewanego łóżka. Są używane w świecie RC. Są niedrogie i przenoszą ładunek. Są to jednak złącza lutownicze. Kubki będą musiały być wypełnione lutowiem, aby spełnić specyfikację. Drukarki z serii ender wykorzystują te złącza do podgrzewanych stołów. To naprawdę dobry wybór.

Pozostałe złącza, których zamierzam użyć, to zaciski śrubowe 5 mm. Są niedrogie i dobrze sprawdzają się w tego typu aplikacjach.

Niewielki radiator potrzebny do MOSFET-u jest zintegrowany z płytką drukowaną. To dobry i zły pomysł. To jest dobre dla kosztów; jeśli jednak część stanie się zbyt gorąca, płyta ulegnie rozwarstwieniu. Naprawdę musisz być bardzo gorący przez długi czas, aby tak się stało. W ekstremalnych temperaturach znacznie lepszy byłby aluminiowy radiator. Najprawdopodobniej, jeśli płyta ma prąd 60 A, konieczne będzie użycie wentylatora. Dlatego otwory radiatora są nieco większe. Przepuszczanie powietrza przez deskę. Robiłem to już wcześniej i działa to niesamowicie dobrze. Ale to trochę podnosi koszty zarządu. Ale i tak jest mniej kosztowny niż aluminiowy radiator.

Wreszcie każdy kanał jest niezależny. Masy i linie energetyczne nie są połączone, mimo że na schemacie mają tę samą nazwę sieciową. W ten sposób tablica kontrolna może być na 12 V, podgrzewane łóżko na 24 V, a hotend na 12 V. Daje ci opcje.

Krok 5: Budowanie tablicy

Używam programu KiCad. Jest do niego wtyczka, która tworzy interaktywny BOM. Po prostu zaznacz linię w BOM i podświetla miejsca, w których się znajduje. To moja ulubiona wtyczka do programu KiCad. Wtyczka generuje samodzielny plik HTML. (TUTAJ). Więc plik jest przenośny. Używam go na moim tablecie (lub telefonie), kiedy buduję tablice.

Deski dostałem niedawno. Jak widać, ta wersja wygląda nieco inaczej niż pozostałe sekcje. Płyty, które zbudowałem, były prototypami (na zdjęciu poniżej). Wszystkie opinie projektowe, które otrzymałem podczas testów, wróciły do projektu. Jeśli zauważysz również brak R12 i R22. Zapomniałem dodać rezystor upustowy. Duży błąd. Miałem jakąś dziwną operację, dopóki nie zobaczyłem, czego brakuje. Potem musiałem je "dead bug".

Plik projektu tablicy w repozytorium git to najnowsza wersja i zawiera wszystkie poprawki błędów.

Ale oto jest; w całej okazałości. (wstaw efekt dźwiękowy śpiewu aniołów)

Krok 6: W działaniu - dowód na to, że pudding jest w jedzeniu

Zacząłem testować deski. Pierwszą rzeczą, jaką zauważyłem, jest to, że dioda LED świeci jak słońce. Rozumiem, że dioda LED nie musi być tak jasna. Ale kiedy będzie głęboko w twojej drukarce, podziękujesz mi. O ile oczywiście nie masz Anet A8. Jeśli tak jest, po prostu załóż okulary przeciwsłoneczne, tak jak ja.

Prawdopodobnie mógłbym po prostu zmienić R15 i R25. Ale szeroki zakres napięć zasilania (10 V-40 V) sprawia, że waham się.

Mam zasilacz 29V 25Amp. Wyregulowałem mój zasilacz 24v Meanwell na 29v. Mam również podgrzewany stół okrągły 400 mm, który ma moc 400 W przy 24 V. Przy 29 Voltach narysujemy dokładnie 20 APS. Więc 20 Amps to najlepsze, co dostanę.

Pomiar wykonano od strony ujemnej J11 i J12. Zasadniczo przez MOSFET. Ale zrobiono to na złączach. Tam, gdzie podłącza się przewody. Płyta spadła o 23 mV przy 20 amperach. To oznaczałoby całkowitą rezystancję urządzenia na poziomie 1,15 mOhm. To jest MOSFET, płytka i złącza. To naprawdę dobrze, jeśli sam tak mówię. (i było dużo radości)

Krok 7: Obok siebie

OK, na koniec chciałbym powiedzieć, że mój zarząd wygrywa. Ma wszystko, czego możesz chcieć. Oto porównanie. Jednak koszt budowy tego faceta jest zbyt wysoki.

Specyfikacja	Wspólny MOSFET	NAJLEPSZY FET
Maksymalne napięcie	Nieznany	40V
Maksymalny prąd	25 amperów	60 amperów
Odwracalny wyzwalacz	tak	tak
Opto izolowane	Być może	tak
Koszt (2 kanały)	$12.99	$14.99
Kanały	1	2

Będę udawać, że potrafię zbudować ich tysiące.

Jeśli zamierzasz prowadzić działalność polegającą na sprzedaży części do drukarek 3D, musisz mieć marżę zysku w wysokości 40% lub więcej. Byłoby lepiej, gdyby była znacznie wyższa, ale to minimum potrzebne do utrzymania się na powierzchni. Założyłem koszt BOM 3,50 USD i koszt produkcji 3,76 USD. Tablica była cytowana w kilku lokalnych miejscach. Jeśli sprzedajesz na Amazon lub E-bay, obstawiają 30% opłat za karty kredytowe, opłaty PayPal i opłaty za sprzedaż. Zaufaj mi, działa do 30%. Powiedzą ci inaczej, ale wszystko powiedziane i zrobione dostaję 70% tego, co zostało sprzedane.

Ta tablica musi kosztować 15,99 USD, aby była naprawdę opłacalna. Rynek DIY jest jednak bardzo wrażliwy na cenę. Więc ustaw go na 14,99 USD. Zawsze możesz sprzedawać na wspornikach montażowych lub zestawach okablowania.

Inną rzeczą, którą tutaj widzisz, jest to, że wspólna płyta jest mocno reklamowana. Wiele filmów DIY, które można znaleźć wszędzie. Rynek DIY chce wiedzieć, jak to działa i jak z niego korzystać. Tylko około 10% tego rynku próbuje czegoś nowego lub jest pierwszymi użytkownikami. Tylko około 3% z nich publikuje jakiekolwiek dane lub robi wideo typu „JAK TO ZROBIĆ”. Krótko mówiąc, prawdopodobieństwo sprzedaży 10 tys. sztuk w ciągu roku jest bardzo małe.

Najwięcej sprzedałoby to około 100 rocznie, jeśli jesteś w tym dobry. Punkt cenowy na tym poziomie to 24,99. Sam BOM to 13,00 dolarów.

Krótko mówiąc, nie opłacalny produkt. Gdybym mógł obniżyć MOSFET w przedziale cenowym 0,75 - 1,00 USD, może to zadziałać.

Ale fajnie było zrobić. Myślę, że to lepszy projekt, ale znowu to zrobiłem.

Ciesz się deską!!! (TUTAJ)

Aktualizacja:

Znalazłem MOSFET, który jest w stanie za mniej niż 1,00 USD. Jeśli chcesz w pełni skonstruowaną płytkę, mam je na e-bayu. (TUTAJ) lub wersja z kanałem Sigle (TUTAJ)