MOSTER FET - Duálne 500 Amp 40 V MOSFET 3D tlačiareň vyhrievané postele Ovládače: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Pravdepodobne ste klikli na túto premýšľajúcu svätú kravu, 500 AMPS !!!!!. Aby som bol úprimný, doska MOSFET, ktorú som navrhol, nebude schopná bezpečne vykonávať 500A. Mohlo by to chvíľu trvať, tesne predtým, ako vzrušene vzplanie.

Nebolo to navrhnuté tak, aby to bol múdry trik. Nebol to môj zlý plán nalákať vás na môj pokyn (sem vložte šialený vedcov smiech). Chcel som poukázať. Reklama na 3D tlačiarne a ich súčasti môže byť veľmi klamlivá. Zvlášť na lacnom trhu DIY.

Budem skúmať iba jeden prípad tohto prípadu. Bežná doska MOSFET, ktorá sa používa na ochranu základnej dosky 3D tlačiarne pred poškodením. Používajú sa tiež na aktualizáciu pinteru na výkonnejšiu posteľ s hlavou. Spravidla s väčšou oblasťou tlače.

Na trhu je pol tucta rôznych prevedení. Väčšina z nich má tieto obrovské chladiče a vyzerá veľmi pôsobivo. Ale väčšina z toho je trik.

Zatiaľ čo analyzujeme jednu z týchto dosiek; Idem si navrhnúť vlastný. Keď som sa pozrel na to, čo je na trhu, rozhodol som sa, že to zvládnem lepšie. Preto navrhnem dosku s otvoreným zdrojom a otvorenými schopnosťami, ktorá bude svoju prácu vykonávať veľmi dobre.

Dizajn, na ktorý sa zameriavam, je duálna doska MOSFET 40v 60Amp. Nie 1 kanál, ale 2. Jeden pre vyhrievanú posteľ a jeden pre hotend. Za dizajnom sa skrýva príbeh. Tí z vás, ktorým nezáleží na príbehu za tabuľou, môžu prejsť priamo na zdrojové súbory na nástenke.

Zdrojové súbory Ki-Cad

Zásoby

Všetky stopy pre tento dizajn dosky sú ručne spájkované.

Náradie:

• Pinzeta
• Spájkovačka
• Spájka
• Útržky pre elektroniku

Kusovník:

Referencie	Číslo dielu dodávateľa	Dodávateľ	Hodnota	Množstvo
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	Drôt s pevným jadrom 10 AWG

Krok 1: Ako sa vám poskytujú fakty, ale nereprezentuje to, čo kupujete

Doska MOSFET na tomto obrázku je veľmi bežná. Nájdete ho na eBay, Ali Express, Amazon a na mnohých ďalších miestach. Je to tiež veľmi lacné. Za 2 by ste mohli zaplatiť už od 5,00 dolára.

Nadpis je spravidla „210 Amp MOSFET“. Je pravda, že MOSFET je 210 A zosilňovač MOSFET. Celý produkt však dokáže iba 25 ampérov. Limitujúcim faktorom je DPS a konektor.

Ako uvidíme neskôr, PCB pravdepodobne ešte viac obmedzuje dizajn. Medené stopy nevyzerajú veľmi hrubé.

Povedali vám teda pravdu o MOSFETe, ale nie o celom produkte.

Tiež sa tu deje veľa marketingu. Pozrite sa na ten obrovský chladič. Väčšina ľudí si myslí, že to musí byť veľmi silná časť. Pravdou je, že ak tá časť POTREBUJE, ktorá chladí MOSFET, míňa veľa energie. Táto energia mohla ísť na zahriatie tlačovej postele. Veľký chladič nie je dobrým znamením. Očakávame však, že to uvidíme na zariadeniach s vysokým výkonom. Najlepšie, čo môžem tejto časti povedať, je len pre marketing, najmenej pri 25 ampéroch.

Chcem navrhnúť produkt, ktorý dobre plní svoju funkciu, je dobrej kvality, má nízke náklady a čo sa týka schopností, je veľmi jednoduchý.

Krok 2: Jadro obvodu: MOSFET

Chcem, aby bol dizajn veľmi efektívny. To by znamenalo nízku stratu energie v celom zariadení. Takže odpor je môj nepriateľ. MOSFETy pôsobia ako napäťovo riadený odpor. Takže keď sú vypnuté, ich odpor je veľmi veľký. Keď sú zapnuté, ich odpor je veľmi nízky. V skutočnosti sa toho deje oveľa viac. Na našu diskusiu to však bude dosť dobré.

Parameter, ktorému by sme v dátovom liste MOSFET mali venovať pozornosť, je „RDS zapnuté“.

MOSFET, ktorý som vybral, bol AUIRFSA8409-7P vyrobený spoločnosťou Infineon Technologies. V najhoršom prípade má RDSon 690 u Ohmov. Áno, to bolo správne mikro ohmy. Ale časť je drahá. Asi 6,00 dolárov. pre jedného. Ostatné časti dizajnu budú veľmi lacné komponenty. Mať dobrý dizajn znamená vybrať si dobrý MOSFET. Ak sa teda chystáme vytrápiť, toto je oblasť, v ktorej sa musíme poflakovať.

Tu je odkaz na údajový list

Všimnite si tejto časti je MOSFET 523Amp. Id prúd je však obmedzený na 360 ampérov. Dôvod je dvojnásobný.

1. Balíček dielov nemôže odvádzať dostatok tepla na udržanie 523 ampérov.
2. Na matrici pre 625 ampérov nemajú dostatok spojovacích drôtov. Preto „lepenie obmedzené“

Obmedzím dizajn na 60 ampérov. Odpor je nízky, takže na malej ploche dosiahnem skutočne veľkú účinnosť.

Časť bude strácať asi 1,8 W pri maximálnom odbere. (R x I^2) Tepelný odpor pre túto časť je 40 ° C/Watt. (Kliknutím sem pochopíte, aké výpočty sa vykonávajú). Takže pri maximálnom odbere prúdu budeme o 72 stupňov nad okolitým prostredím. V dátovom liste je uvedená maximálna teplota zariadenia 175 ° C. Tento zoznam sme dostatočne zahrnutí. Ak však vezmeme do úvahy teplotu okolia 25 ° C, potom sme tesne pod 100 ° C. Budeme potrebovať malý chladič a ventilátor pri plnom zaťažení.

To všetko predpokladá, že na bráne máme 15V. Akonáhle klesneme pod 10 V, skutočne začneme mať problémy s vykurovaním.

Účinnosť bude (za predpokladu 40 V) dodaných 2 400 W, 1,8 W zbytočných. Asi 99,92%.

Zdroj	Doručené	Stratený	Účinnosť
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 príklad produktu mal teda 220Amp MOSFET. Mám MOSFET 523 Amp a hlúposť je stále horúca. Ide mi o to, že uvedený prúd nie je veľkým ukazovateľom výkonu. Lepšou špecifikáciou by bol celkový odpor dosky a MOSFET. Táto špecifikácia vám ponúka takmer všetko, čo potrebujete vedieť.

Krok 3: Ďalšie kľúčové súčasti

Doska MOSFET spravidla používa ako riadiaci signál výstup vyhrievaného lôžka tlačiarne. U11 je obojsmerný optočlen. Táto časť má niekoľko účelov.

1) Vstup nemôžete nesprávne zapojiť. Toto je trochu falošný dôkaz. Hlavná doska buď potopí prúd alebo nie. Vstupný spúšťač je teda založený na tom, či máme alebo nemáme prúdový tok medzi kolíkmi vyhrievanej lôžka riadiacej dosky.

2) Izolujte stranu vysokého výkonu od riadiacej dosky nízkeho výkonu. To vám umožní použiť na vyhrievané lôžko vyššie napätie. Môžete mať napríklad 12 -voltovú riadiacu dosku a 24 -voltovú vyhrievanú posteľ. Pozemky nemusia byť prepojené (úplne izolované). Máte neskutočných 3750 Vrms izolácie.

3) Diaľkovo ovládajte vyhrievanú posteľ. Napájací zdroj, vyhrievané lôžko a doska MOSFET môžu byť v úplne inej časti tlačiarne ako riadiaca doska. Riadiace vedenia sú založené na prúde prúdu, takže hluk nie je problém. Doska môže byť celkom vzdialená od riadiacej dosky. Ťažké vodiče sú drahé. Mať všetky veci s vysokým výkonom na jednom mieste dáva veľký zmysel.

4) Môžem prebiť bránu MOSFETu a ešte viac znížiť odpor RDSon. Ale nemôžem prekročiť 20 voltov alebo MOSFET zomrie. Na to slúži Ziner (D11); na upnutie brány na 15v.

Poslednou dôležitou súčasťou je R12. Toto je odpúšťací odpor. Brána FET má na sebe kondenzátor. Všetky MOSFETY áno. Čím je MOSFET výkonnejší, tým má väčšiu kapacitu. Ako pravidlo. Takže keď sa U11 vypne, musíme vybiť tento capisistor brány. V opačnom prípade získame veľmi pomalý čas vypnutia. Okrem toho všetkého má U11 malý únik. Ak chýba R12, kryt brány sa nabije, brána prekročí Vgsth a zapne sa MOSFET. To drží bránu stiahnutú.

Krok 4: Návrh dosky - je to jeden z najdôležitejších bodov dizajnu

Ok, teraz k návrhu DPS.

Začnime s niektorými jednoduchými rozhodnutiami. Ako to nazvať a akú farbu by to malo mať. Áno, marketing. Ľudia majú radi veci, ktoré vyzerajú pekne. Technické veci by mali mať čisté línie a mali by vyzerať aj technicky. Druhá vec je, že farba je dôležitá. Zdá sa, že ľudia spájajú silné nebezpečné veci s čiernou farbou. Zamyslite sa nad tímom SWAT s miestnou políciou. Obaja majú autoritu. Ale úprimne povedané, bol by som radšej, keby ma ťahal môj miestny policajt než tím swat. Farba je teda čierna.

Teraz ako to nazvať. Pretože 60 ampérov je obludne veľký MOSFET, myslel som si, že ho nazvem MOSTER FET. Ok viem, že je to banálne. Ale sakra, Jim, ja som inžinier, nie marketingový profesionál. Dokonca som urobil skvelé logo. Opäť nie som odborník na marketing.

Ďalším najdôležitejším rozhodnutím pre obvodovú dosku je hrúbka medi. Stopy obvodovej dosky musia uniesť plné zaťaženie 60 ampérov. Existuje teda niekoľko vecí, ktoré môžeme urobiť, aby sa to stalo. Krátke stopové dĺžky, široké šírky a hrubá meď. Všetky tieto veci znižujú stopovú odolnosť.

Hrúbka medi plošného spoja je uvedená v unciach. 1 unca medi teda váži 1 uncu na 1 štvorcovú stopu. 4 unca medi by bola teda 4 -krát hrubšia. Znesie aj 4 -násobok prúdu. Po vykonaní nejakej analýzy som zistil, že náklady nepostupujú lineárne s hrúbkou medi. Na stanovenie nákladov na palubu používam (tu) rýchly citát spoločnosti PCBWAY. (to je jeden z tých spätných odkazov, ktorý pomáha pri výrobe dosiek) Ak by som staval tisíce dosiek, krivka nákladov by sa vyrovnala. Ale ja nie som.

Hrúbka medi	Cena za 10	Veľkosť DPS
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

Je tu tiež problém s medenými doskami Think. Čím je meď hrubšia, tým dlhšie jej leptanie trvá a čím viac detailov stratíte. V zásade to znamená, že vzdialenosť medzi stopami musí byť skutočne široká. To tiež znamená, že minimálna šírka stopy je dosť veľká. V tomto prevedení si to môžem dovoliť. Chcem umiestniť dva kanály do rovnakého priestoru, v ktorom bol predtým jeden. Takže 1 oz medi.

To však spôsobí ďalší problém. 1 unca medi neunesie záťaž. Moja doska bude efektne drahou poistkou.

Existujú iba tri stopy na kanál, ktoré musia mať silnú prúdovú záťaž. Ako vidíte na obrázku, masku spájky som odstránil na šiestich stopách. Môj plán je príliš spájkovať 12AWG drôt s pevným jadrom na tieto stopy. Za normálnych okolností by to nebol skvelý plán. Náklady na dosku však prevyšujú náklady na ďalšie komponenty. Nehovoriac o tom, že medený drôt bude potrebné strihať a tvarovať na mieru; sťaženie hromadnej výroby. Stručne povedané, nestanem sa slávnym ani bohatým.

Tu môže mať náš príklad doska ďalší problém. Hrúbka medi na tejto doske je veľmi tenká. Stopy sú široké. Ale v určitom okamihu to už nepomôže. Všetok prúd pochádza z jedného kolíka do jedného kolíka. Širšie stopy umožňujú lepšie chladenie, ale stále budete mať niekoľko horúcich miest.

Mám v pláne použiť všetky diely na povrchovú montáž okrem konektorov. Konektory na povrchovú montáž sa odtrhávajú z dosky príliš ľahko. Tiež použijem konektory TX60 na napájanie a vyhrievanú posteľ. Používajú sa vo svete RC. Sú lacné a nesú náklad. Sú to však spájkovacie pohárikové konektory. Poháre bude potrebné naplniť spájkou, aby spĺňali špecifikácie. Tlačiarne radu ender používajú tieto konektory pre svoje vyhrievané lôžka. Tak toto je naozaj dobrá voľba.

Ostatné konektory, ktoré použijem, sú 5 mm skrutkové svorky. Sú lacné a dobre fungujú v tomto type aplikácie.

Malý chladič potrebný pre MOSFET je integrovaný do dosky plošných spojov. Je to dobrý aj zlý nápad. Je to dobré z hľadiska nákladov; ak sa však súčiastka príliš zahreje, doska sa laminuje. Na to, aby sa to stalo, musíte byť naozaj dlho veľmi horúci. Pre extrémne teploty by bol hliníkový chladič oveľa lepší. S najväčšou pravdepodobnosťou, ak doska beží na 60 ampérov, bude potrebné použiť ventilátor. Preto sú otvory v chladiči o niečo väčšie. Aby vzduch prešiel doskou. Už som to urobil predtým a funguje to neuveriteľne dobre. Ale to trochu zvyšuje náklady na dosku. Ale stále sú to nižšie náklady ako hliníkový chladič.

Nakoniec, každý kanál je nezávislý. Uzemnenie a elektrické vedenie nie sú prepojené, aj keď v schéme majú rovnaký čistý názov. Týmto spôsobom môže byť vaša riadiaca doska na 12 V, vyhrievaná posteľ na 24 V a horúca koncovka na 12 V. Ponúka vám možnosti.

Krok 5: Zostavenie rady

Používam KiCad. Existuje na to doplnok, ktorý vytvára interaktívny kusovník. Stačí zvýrazniť čiaru v kusovníku a svetlo osvetlí miesta, kam ide. Je to môj obľúbený doplnok pre KiCad Doplnok generuje samostatný súbor HTML. (TU). Súbor je teda prenosný. Používam ho na svojom tablete (alebo telefóne), keď staviam dosky.

Dosky som dostal len pred krátkym časom. Ako vidíte, táto verzia vyzerá trochu inak ako ostatné sekcie. Dosky, ktoré som postavil, boli prototypy (na obrázku nižšie). Všetka spätná väzba na dizajn, ktorú som dostal pri testovaní, sa vrátila do dizajnu. Ak si tiež všimnete, chýbajú R12 a R22. Zabudol som pridať odpúšťací odpor. Veľká chyba. Chvíľu som mal zvláštnu operáciu, kým som nevidel, čo chýba. Potom som ich musel „mŕtveho chrobáka“obliecť.

Súbor návrhu dosky v úložisku git je najnovšou verziou a obsahuje všetky opravy chýb.

Ale je to tu; v celej svojej sláve. (vložte zvukový efekt Spievajúci anjeli)

Krok 6: V prevádzke - dôkaz o tom, že puding je v jedle

Začal som testovať dosky. Prvá vec, ktorú som si všimol, je, že LED svieti ako slnko. Chápem, že LED diódy nemusia byť také jasné. Ale keď bude hlboko vo vašej tlačiarni, poďakujete sa mi. Pokiaľ samozrejme nemáte Anet A8. Ak je to tak, nasaďte si slnečné okuliare ako ja.

Pravdepodobne by som mohol zmeniť iba R15 a R25. Ale široký rozsah napájacieho napätia (10-40 V) ma núti váhať.

Mám napájanie 29V 25A. Upravil som svoj 24v zdroj Meanwell na 29v. Mám tiež 400 mm okrúhlu vyhrievanú posteľ, ktorá má 400 W pri 24 V. Pri 29 voltoch nakreslíme presne 20 AMPS. 20 ampérov je teda to najlepšie, čo môžem získať.

Meranie sa uskutočnilo z negatívnej strany J11 a J12. V zásade cez MOSFET. Ale robilo sa to na konektoroch. Tam, kde sú zapojené káble. Doska klesla na 23 mVoltov pri 20 A. To by znamenalo celkový odpor zariadenia na 1,15 mOhms. To je MOSFET, doska a konektory. To je naozaj dobré, ak to sám poviem. (a bolo veľa radosti)

Krok 7: Vedľa seba

Dobre, na záver by som chcel povedať, že moja rada víťazí. Má všetko, čo by ste mohli chcieť. Tu je porovnanie. Náklady na stavbu tohto chlapíka sú však príliš vysoké.

Špecifikácia	Spoločný MOSFET	MOSTER FET
Maximálne napätie	Neznáme	40V
Maximálny prúd	25 ampérov	60 ampérov
Reverzibilný spúšť	Áno	Áno
Opto izolovaný	Možno	Áno
Cena (2 kanály)	$12.99	$14.99
Kanály	1	2

Budem predstierať, že ich môžem postaviť tisíce.

Ak sa chystáte obchodovať s predajom dielov pre 3D tlačiarne, musíte mať ziskové rozpätie 40% a viac. Bolo by lepšie, keby bola oveľa vyššia, ale to je minimum, ktoré potrebujete na to, aby ste sa udržali nad vodou. Predpokladal som náklady na kusovník 3,50 dolára a náklady na výrobu 3,76 dolára. Tabuľu som nechal citovať na niekoľkých miestnych miestach. Ak predávate na Amazone alebo E-bay, ušetria vám 30% na poplatkoch za kreditné karty, poplatkoch za PayPal a predajných poplatkoch. Ver mi, funguje to na 30%. Budú vám hovoriť rôzne, ale všetko povedané a hotovo, dostanem 70% z toho, čo bolo predané.

Aby bola táto doska skutočne životaschopná, musí mať 15,99 dolára. DIY trh je však veľmi citlivý na cenu. Nastavte ho teda na 14,99 dolára. Vždy môžete zvýšiť predaj na montážnych konzolách alebo súpravách káblov.

Ďalšia vec, ktorú tu vidíte, je, že spoločná doska je silne predávaná. Veľa videí pre domácich majstrov, ktoré nájdete kdekoľvek. Trh s kutilmi chce vedieť, ako funguje a ako ho používať. Len asi 10% z tohto trhu vyskúša niečo nové alebo sú prvými užívateľmi. Len asi 3% z nich zverejní akékoľvek údaje alebo urobí video „AKO NA TO“. Stručne povedané, pravdepodobnosť predaja 10 000 kusov za rok je veľmi malá.

Ak sa v tom vyznáte, najviac sa to predá asi 100 za rok. Cena na tejto úrovni je 24,99. Samotný kusovník stojí 13,00 dolárov.

Stručne povedané, nie je to životaschopný produkt. Ak by som mohol dostať MOSFET dole v cenovom rozpätí 0,75 - 1,00 dolára, mohlo by to fungovať.

Ale bola to zábava. Myslím, že je to lepší dizajn, ale potom som to znova urobil.

Užite si dosku !!! (TU)

Aktualizácia:

Našiel som MOSFET, ktorý je schopný za menej ako 1,00 dolára. Ak chcete plne skonštruovanú dosku, mám ich na e-bay. (TU) alebo verzia kanála Sigle (TU)