FET MOSTER - Driver per letto riscaldato per stampante 3D con doppio MOSFET da 500 Amp 40 Volt: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Probabilmente hai cliccato su questa vacca pensante, 500 AMP!!!!!. Ad essere onesti, la scheda MOSFET che ho progettato non sarà in grado di fare in modo sicuro 500Ampere. Potrebbe per un breve periodo, appena prima che esplodesse eccitato in fiamme.

Questo non è stato progettato per essere un trucco intelligente. NON era il mio piano malvagio attirarti nel mio istruibile (inserisci qui la risata dello scienziato pazzo). Volevo fare un punto. La pubblicità per le stampanti 3D e i loro componenti può essere molto fuorviante. Soprattutto nel mercato del fai da te a basso costo.

Ho intenzione di esplorare solo un caso di questo. Una comune scheda MOSFET utilizzata per proteggere la scheda principale della stampante 3D da eventuali danni. Sono anche usati per aggiornare un pinter a un letto con testata più potente. Generalmente con più area di stampa.

Ci sono una mezza dozzina di modelli diversi sul mercato. La maggior parte ha questi dissipatori giganti e sembra molto impressionante. Ma la maggior parte di questo è un espediente.

Mentre analizziamo una di queste schede; Ho intenzione di progettare il mio. Dopo aver visto cosa c'è sul mercato, ho deciso che potevo fare di meglio. Quindi, progetterò una scheda Open Source, Open Capabilities che fa il lavoro in modo estremamente efficace.

Il design a cui mi riferisco è una scheda dual MOSFET 40v 60Amp. Non 1 canale ma 2. Uno per il letto riscaldato e uno per l'hotend. C'è una storia dietro il design. Per quelli di voi a cui non interessa la storia dietro il tabellone, potete andare direttamente ai file sorgente per il tabellone.

File sorgenti di Ki-Cad

Forniture

Tutte le impronte per questo design della scheda sono saldate a mano.

Utensili:

• pinzette
• Saldatore
• Saldare
• Cesoie per elettronica

Distinta:

Riferimenti	Codice fornitore	Fornitore	Valore	Quantità
C11, C21	CL21B103KBANNND-ND	Digi-Key	10000pF	2
R11, R21	311-1,00KFRCT-ND	Chiave digitale	1.0K	2
R15, R25	311-3.60KFRCT-ND	Chiave digitale	3.6K	2
R13, R23	RMCF1210JT2K00TR-ND	Chiave digitale	1,99 k	2
D11, D21	BZX84C15LT3GOSTR-ND	Chiave digitale	15V	2
U11, U21	TLP182(BL-TPLECT-ND	Chiave digitale	TLP182	2
CN11, CN21	277-1667-ND	Digi-Key		2
Q11, Q21	AUIRFSA8409-7P-ND	Chiave digitale	AUIRFSA8409-7P	2
J11, J21	PRT-10474	Divertimento scintillante	XT-60-M	2
J12, J22	PRT-10474	Divertimento scintillante	XT-60-F	2
MAGLIA	Cavo a nucleo solido 10 AWG

Passaggio 1: il modo in cui ti vengono forniti i fatti ma non rappresenta ciò che stai acquistando

La scheda MOSFET in quella immagine è molto comune. Puoi trovarlo su eBay, Ali Express, Amazon e molti altri posti. È anche molto economico. Per 2 potresti pagare fino a $ 5,00.

Il titolo di solito è "210 Amp MOSFET". È vero che il MOSFET è un MOSFET da 210 amp. Tuttavia, l'intero prodotto può fare solo 25 Ampere. Il fattore limitante è il PCB e il connettore.

Come vedremo più avanti, il PCB probabilmente limita ancora di più il design. Le tracce di rame non sembrano molto spesse.

Quindi ti hanno detto la verità sul MOSFET ma non sull'intero prodotto.

C'è anche un sacco di marketing in corso qui. Guarda quel gigantesco dissipatore di calore. La maggior parte delle persone pensa wow che deve essere una parte piuttosto potente. La verità è che se quella parte HA BISOGNO di quel dissipatore di calore, il MOSFET sta sprecando molta energia. Quell'energia potrebbe essere andata a riscaldare il letto di stampa. Un grande dissipatore di calore non è un buon segno. Ma è quello che ci aspettiamo di vedere sui dispositivi ad alta potenza. Il meglio che posso dire a questa parte è solo per il marketing, almeno a 25 Ampere.

Voglio progettare un prodotto che faccia bene il suo lavoro, che sia di buona qualità, a basso costo e che sia molto chiaro riguardo alle sue capacità.

Step 2: Il cuore del circuito: il MOSFET

Voglio che il design sia molto efficiente. Ciò significherebbe una bassa perdita di potenza in tutto il dispositivo. Quindi la resistenza è il mio nemico. I MOSFET agiscono come un resistore controllato in tensione. Quindi, quando sono spenti, la loro resistenza è molto grande. Quando sono accesi, la loro resistenza è molto bassa. In realtà c'è molto di più da fare. Tuttavia, per la nostra discussione sarà abbastanza buono.

Il parametro a cui dovremmo prestare attenzione sulla scheda tecnica del MOSFET è "RDS on".

Il MOSFET che ho selezionato era l'AUIRFSA8409-7P realizzato da Infineon Technologies. Nel peggiore dei casi, RDson è 690u Ohm. Sì, erano i micro ohm corretti. Ma la parte è costosa. Circa $ 6,00. per uno. Il resto del design sarà composto da componenti molto economici. Avere un buon design significa scegliere un buon MOSFET. Quindi, se vogliamo concederci il lusso, questa è l'area in cui concederci il lusso.

Ecco un link alla scheda tecnica

Notare che questa parte è un MOSFET da 523 Amp. Tuttavia, la corrente Id è limitata a 360Amp. Il motivo è duplice.

1. Il pacchetto di parti non può dissipare abbastanza calore per sostenere 523 ampere.
2. Non hanno abbastanza cavi di collegamento sul die per 625Ampere. Quindi "legame limitato"

Limiterò il design a 60 Ampere. La resistenza è bassa, quindi otterrò un'efficienza davvero eccezionale in una piccola area.

La parte sta per dissipare circa 1,8 Watt alla massima corrente assorbita. (R x I^2) La resistenza termica per questa parte è di 40 gradi C/Watt. (clicca qui per capire quali calcoli si stanno facendo). Quindi al massimo assorbimento di corrente saremo a 72 gradi sopra l'ambiente. La scheda tecnica specifica che la temperatura massima per il dispositivo è di 175 gradi C. Siamo ben al di sotto di quella lista. Tuttavia, se consideriamo una temperatura ambiente di 25 gradi C. Allora siamo appena sotto i 100 gradi C. Avremo bisogno di un piccolo dissipatore di calore e di una ventola a pieno carico.

Tutto questo presuppone che abbiamo 15v al cancello. Una volta che scendiamo sotto i 10v, iniziamo davvero ad avere problemi di riscaldamento.

L'efficienza sarà (assumendo 40v) 2400 watt erogati, 1,8 watt sprecati. Circa il 99,92%.

Alimentazione elettrica	Consegnato	Perduto	Efficienza
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Quindi il nostro prodotto di esempio aveva un MOSFET da 220 Amp. Ho un MOSFET da 523 Amp e la cosa stupida si sta ancora scaldando. Il mio punto qui è che la corrente specificata non è un ottimo indicatore delle prestazioni. Una specifica migliore sarebbe la resistenza totale della scheda e del MOSFET. Questa specifica ti dà quasi tutto ciò che devi sapere.

Passaggio 3: altri componenti chiave

In genere, la scheda MOSFET utilizza l'uscita del letto riscaldato della stampante come segnale di controllo. U11 è un fotoaccoppiatore bidirezionale. Questa parte ha diversi scopi.

1) Non è possibile cablare in modo errato l'ingresso. Questo è un po' di prova fittizia. La scheda madre assorbirà corrente o meno. Quindi il trigger di input si basa sul fatto che ci sia o meno un flusso di corrente tra i pin del letto riscaldato della scheda di controllo.

2) Isolare il lato alta potenza dalla scheda di controllo bassa potenza. Ciò ti consentirà di utilizzare una tensione più elevata sul letto riscaldato. Ad esempio puoi avere una scheda di controllo da 12 volt e un letto riscaldato da 24 volt. I motivi non hanno bisogno di essere collegati (completamente isolati). Hai ben 3750 Vrms di isolamento.

3) Controllare a distanza il letto riscaldato. L'alimentatore, il letto riscaldato e la scheda MOSFET possono trovarsi in una sezione della stampante completamente diversa dalla scheda di controllo. Le linee di controllo si basano sul flusso di corrente, quindi il rumore non è un problema. La scheda potrebbe essere abbastanza distante dalla scheda di controllo. I cavi di alimentazione pesanti sono costosi. Avere tutte le cose ad alta potenza in un punto ha molto senso.

4) Posso oltrepassare il gate del MOSFET e abbassare ulteriormente la resistenza RDSo. Ma non posso superare i 20 volt o il MOSFET muore. Ecco a cosa serve lo Ziner (D11); per bloccare il cancello a 15v.

Un ultimo componente importante è R12. Questo è un resistore di spurgo. Il gate del FET ha un condensatore su di esso. Tutti i MOSFET lo fanno. Più potente è il MOSFET, maggiore è la capacità. Come regola generale. Quindi, quando l'U11 si spegne, dobbiamo scaricare quel capisitore di gate. Altrimenti avremo un tempo di spegnimento molto lento. Oltre a tutto ciò, l'U11 ha un po' di perdite. Se mancasse R12, il gate cap si caricherebbe e il gate supererebbe Vgsth e il MOSFET si accenderebbe. Ciò mantiene il cancello abbassato.

Passaggio 4: il design della scheda: è uno dei punti di progettazione più importanti

Ok, ora passiamo alla progettazione del PCB.

Cominciamo con alcune delle semplici decisioni. Come chiamarlo e di che colore dovrebbe essere. Sì, marketing. Alla gente piacciono le cose che sembrano belle. Le cose tecniche dovrebbero avere linee pulite e sembrare, beh, tecniche. L'altra cosa è che il colore è importante. Le persone sembrano associare cose potenti e pericolose al colore nero. Pensa alla squadra swat contro la polizia locale. Entrambi hanno autorità. Ma francamente preferirei essere fermato dal mio poliziotto locale piuttosto che da una squadra swat. Quindi il colore è nero.

Ora come chiamarlo. Poiché 60 Ampere è un MOSFET mostruosamente grande, ho pensato di chiamarlo MOSTER FET. Ok, lo so che è banale. Ma, dannazione Jim, sono un ingegnere, non un professionista del marketing. Ho anche creato un bel logo. Ripeto, non sono un professionista del marketing.

La prossima decisione più importante per il circuito è lo spessore del rame. Le tracce del circuito devono sopportare il pieno carico di 60 Ampere. Quindi ci sono diverse cose che possiamo fare per farlo accadere. Tracce corte, larghezze larghe e rame spesso. Tutte queste cose riducono la resistenza alle tracce.

Lo spessore del rame del circuito stampato è specificato in once. Quindi 1 oncia di rame pesa 1 oncia per 1 piede quadrato. Quindi, 4 once di rame sarebbero 4 volte più spesse. Trasporterebbe anche 4 volte la corrente. Dopo aver fatto alcune analisi, ho scoperto che il costo non aumenta linearmente con lo spessore del rame. Uso il preventivo rapido di PCBWAY (qui) per determinare il costo della scheda. (questo è uno di quei collegamenti di contraccolpo, aiuta a continuare a creare schede) Se stavo costruendo migliaia di schede, la curva dei costi si appiattirebbe. Ma non lo sono.

Spessore rame	Costo per 10	Dimensioni PCB
1 oncia	$23.00	50 mm x 60 mm
2 once	$50.00
3 once	$205.00
4 once	$207.00
5 once	$208.00
6 once	$306.00
7 once	$347.00
8 once	$422.00

C'è anche un problema con le schede Think Copper. Più spesso è il rame, più tempo ci vuole per incidere e più dettagli perdi. Fondamentalmente questo significa che la spaziatura della traccia deve essere molto ampia. Significa anche che la larghezza minima della traccia è abbastanza grande. In questo design, posso permettermelo. Voglio inserire due canali nello stesso spazio che in precedenza ne conteneva uno. Quindi 1 oncia di rame lo è.

Tuttavia questo causerà un altro problema. 1 oncia di rame non reggerà il carico. La mia scheda sarà una miccia spettacolarmente costosa.

Ci sono solo tre tracce per canale che devono avere un carico di corrente pesante. Come puoi vedere nella foto, ho rimosso la maschera di saldatura su sei tracce. Il mio piano è saldare troppo filo solido 12AWG su quelle tracce. Normalmente questo non sarebbe un grande piano. Tuttavia, il costo della scheda è fuori dal peso dei componenti extra. Per non parlare del fatto che il filo di rame dovrà essere tagliato e formato su misura; rendendo difficile la produzione di massa. In breve, non diventerò né famoso né ricco.

È qui che la nostra scheda di esempio potrebbe avere un altro problema. Lo spessore del rame su quella scheda è molto sottile. Le tracce sono ampie. Ma a un certo punto questo non aiuta più. Tutta la corrente proviene da un singolo pin a un singolo pin. Le tracce più larghe consentono un migliore raffreddamento ma avrai ancora alcuni punti caldi.

Il mio piano è di utilizzare tutte le parti a montaggio superficiale ad eccezione dei connettori. I connettori a montaggio superficiale vengono strappati dalla scheda troppo facilmente. Userò anche i connettori TX60 per l'alimentazione e il letto riscaldato. Sono utilizzati nel mondo RC. Sono economici e portano il carico. Tuttavia, sono connettori a tazza di saldatura. Le tazze dovranno essere riempite di saldatura per soddisfare le specifiche. Le stampanti della serie ender utilizzano questi connettori per i loro letti riscaldati. Quindi questa è davvero una buona scelta.

Gli altri connettori che userò sono terminali a vite da 5 mm. Sono poco costosi e funzionano bene in questo tipo di applicazione.

Il piccolo dissipatore di calore necessario per il MOSFET è integrato nel circuito. Questa è sia una buona idea che una cattiva idea. È buono per il costo; tuttavia, se la parte diventa troppo calda, la tavola si delamina. Hai davvero bisogno di essere molto caldo per molto tempo perché ciò accada. Per temperature estreme un dissipatore di calore in alluminio sarebbe molto meglio. Molto probabilmente, se la scheda esegue 60 Ampere, sarà necessario utilizzare una ventola. Ecco perché i fori del dissipatore di calore sono un po' più grandi. Per far passare l'aria attraverso la tavola. L'ho già fatto prima e funziona incredibilmente bene. Ma aumenta un po' i costi del consiglio di amministrazione. Ma è ancora meno costoso di un dissipatore di calore in alluminio.

Infine, ogni canale è indipendente. Le terre e le linee elettriche non sono collegate, anche se nello schema hanno lo stesso nome di rete. In questo modo la tua scheda di controllo potrebbe essere a 12v, il letto riscaldato a 24v e l'hotend a 12v. Ti dà delle opzioni.

Passaggio 5: costruire il tabellone

Sto usando KiCad. C'è un plugin per questo che crea una distinta base interattiva. Evidenzia semplicemente la linea nella distinta base e illumina i posti in cui va. È il mio plug-in preferito per KiCad Il plug-in genera un file HTML autonomo. (QUI). Quindi il file è portatile. Lo uso sul mio tablet (o telefono) quando costruisco schede.

Ho ricevuto le tavole poco tempo fa. Come puoi vedere, questa versione ha un aspetto leggermente diverso dalle altre sezioni. Le schede che ho costruito erano prototipi (nella foto sotto). Tutti i feedback sul design che ho ricevuto durante i test sono tornati nel design. Se noti che mancano anche R12 e R22. Ho dimenticato di aggiungere una resistenza di spurgo. Grosso errore. Ho avuto qualche strana operazione per un po' finché non ho visto cosa mancava. Poi ho dovuto "insetto morto" su di loro.

Il file di progettazione della scheda nel repository git è l'ultima versione e ha tutte le correzioni di bug.

Ma eccolo qui; in tutto il suo splendore. (inserire l'effetto sonoro del canto degli angeli)

Passaggio 6: in funzione: la prova del budino è nel mangiare

Ho iniziato a testare le schede. Quindi la prima cosa che ho notato è che il LED brilla come il sole. Sì, ho capito che il LED non ha bisogno di essere così luminoso. Ma quando sarà dentro la tua stampante mi ringrazierai. A meno che tu non abbia un Anet A8. Se questo è il caso, indossa degli occhiali da sole come ho fatto io.

Probabilmente potrei semplicemente cambiare R15 e R25. Ma l'ampia gamma di tensioni di alimentazione (10v-40v) mi fa esitare.

Ho un alimentatore da 29V 25Amp. Ho regolato il mio alimentatore Meanwell da 24 V a 29 V. Ho anche un letto riscaldato rotondo da 400 mm che è 400 Watt a 24 V. A 29 Volt disegneremo esattamente 20 AMP. Quindi 20 Ampere sono i migliori che otterrò.

La misurazione è stata presa dal lato negativo di J11 e J12. Fondamentalmente attraverso il MOSFET. Ma è stato fatto ai connettori. Dove si collegano i fili. La scheda è scesa di 23 mVolt a 20 Ampere. Ciò porterebbe la resistenza totale del dispositivo a 1,15 mOhm. Questo è il MOSFET, la scheda e i connettori. È davvero un bene se lo dico io. (e c'era molto giubilo)

Passaggio 7: il fianco a fianco

OK, alla fine vorrei dire che vince il mio consiglio. Ha tutto ciò che potresti desiderare. Ecco il confronto. Tuttavia, il costo per costruire questo ragazzo è troppo alto.

Specifiche	MOSFET comune	mostro feti
Tensione massima	Sconosciuto	40V
Corrente massima	25 Ampere	60 Ampere
Grilletto reversibile	sì	sì
Optoisolato	Forse	sì
Costo (2 canali)	$12.99	$14.99
Canali	1	2

Farò finta di poterne costruire migliaia.

Se hai intenzione di fare affari con la vendita di parti di stampanti 3D, devi avere un margine di profitto del 40% o più. Sarebbe meglio se fosse molto più alto, ma questo è il minimo necessario per rimanere a galla. Ho ipotizzato un costo BOM di $ 3,50 e un costo di produzione di $ 3,76. Ho fatto quotare la scheda in alcuni posti locali. Se vendi su Amazon o E-bay, ti danno il 30% di commissioni sulle carte di credito, commissioni PayPal e commissioni di vendita. Fidati di me, funziona al 30%. Ti diranno diversamente, ma tutto sommato ottengo il 70% di tutto ciò che è stato venduto.

Questa scheda deve essere a $ 15,99 per essere veramente praticabile. Tuttavia il mercato del fai da te è molto sensibile al prezzo. Quindi impostalo su $ 14,99. Puoi sempre vendere su staffe di montaggio o kit di cablaggio.

L'altra cosa che vedete qui è che la tavola comune è molto commercializzata. Un sacco di video fai-da-te che puoi trovare ovunque. Il mercato del fai da te vuole sapere che funziona e come usarlo. Solo il 10% circa di quel mercato prova qualcosa di nuovo o è il primo ad adottare. Solo il 3% circa di questi pubblica dati o fa un video "HOW TO". In breve la probabilità di vendere 10.000 pezzi in un anno è molto piccola.

Il massimo che questo potrebbe vendere è di circa 100 all'anno, se sei bravo a farlo. Il prezzo a quel livello è 24,99. La sola distinta base è di $ 13,00.

In breve, non un prodotto valido. Se potessi abbassare il MOSFET nella fascia di prezzo di $ 0,75 - $ 1,00, potrebbe funzionare.

Ma è stato divertente da realizzare. Penso che sia un design migliore, ma poi di nuovo l'ho fatto.

Godetevi la tavola!!! (QUI)

Aggiornare:

Ho trovato un MOSFET che costa meno di $ 1,00 Se vuoi una scheda completamente costruita, li ho su e-bay. (QUI) o la versione a canale singolo (QUI)