MOSTER FET - Драйверы для 3D-принтеров с двойным полевым МОП-транзистором на 500 А, 40 В и подогревом: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Вы, наверное, нажали на эту мыслящую святую корову, 500 AMPS !!!!!. Честно говоря, плата MOSFET, которую я разработал, не сможет безопасно работать с током 500 А. Это могло быть ненадолго, как раз перед тем, как взволнованно вспыхнуть пламенем.

Это не было задумано как хитрый трюк. Это НЕ было моим злым планом заманить вас в мои наставления (вставьте сюда смех безумного ученого). Я хотел подчеркнуть. Реклама 3D-принтеров и их компонентов может вводить в заблуждение. Особенно на недорогом рынке DIY.

Я собираюсь исследовать только один такой случай. Обычная плата MOSFET, которая используется для защиты основной платы 3D-принтера от повреждений. Они также используются для модернизации пинтера до более мощной грядки. Обычно с большей областью печати.

На рынке представлено полдюжины различных дизайнов. Большинство из них имеют эти гигантские радиаторы и выглядят очень эффектно. Но по большей части это уловка.

Пока мы разбираем одну из этих плат; Я собираюсь создать свой собственный. Посмотрев на то, что есть на рынке, я решил, что могу сделать лучше. Итак, я собираюсь разработать доску с открытым исходным кодом и открытыми возможностями, которая отлично справляется со своей задачей.

Конструкция, на которую я нацелен, представляет собой плату с двойным МОП-транзистором 40 В и 60 А. Не 1 канал, а 2. Один для подогреваемой кровати и один для хотенда. За дизайном скрывается история. Для тех из вас, кого не волнует история, стоящая за доской, вы можете сразу перейти к исходным файлам для доски.

Исходные файлы Ki-Cad

Запасы

Все посадочные места для этой конструкции платы припаяны вручную.

Инструменты:

• Пинцет
• Паяльник
• Припой
• Ножницы для электроники

Спецификация:

использованная литература	Номер детали поставщика	Поставщик	Ценить	Количество
C11, C21	CL21B103KBANNND-ND	Digi-Key	10000 пФ	2
R11, R21	311-1.00KFRCT-ND	Digi-Key	1.0K	2
R15, R25	311-3.60KFRCT-ND	Digi-Key	3,6 тыс.	2
R13, R23	RMCF1210JT2K00TR-ND	Digi-Key	1,99 тыс.	2
D11, D21	BZX84C15LT3GOSTR-ND	Digi-Key	15В	2
U11, U21	TLP182 (BL-TPLECT-ND	Digi-Key	TLP182	2
CN11, CN21	277-1667-НД	Digi-Key		2
Q11, Q21	AUIRFSA8409-7P-ND	Digi-Key	AUIRFSA8409-7P	2
J11, J21	PRT-10474	Искра Веселье	XT-60-M	2
J12, J22	PRT-10474	Искра Веселье	XT-60-F	2
ДЖЕМПЕРЫ	Проволока с одножильным сердечником 10 AWG

Шаг 1. Как вам сообщают факты, но не отражает то, что вы покупаете

Плата MOSFET на этой картинке очень распространена. Вы можете найти его на eBay, Ali Express, Amazon и многих других местах. К тому же это очень недорого. За 2 вы можете заплатить всего 5 долларов.

Заголовок обычно звучит как «MOSFET на 210 Ампер». Это правда, что МОП-транзистор - это МОП-транзистор на 210 А. Однако весь продукт может выдавать только 25 ампер. Ограничивающим фактором является плата и разъем.

Как мы увидим позже, PCB, вероятно, еще больше ограничивает дизайн. Медные следы не выглядят очень толстыми.

Итак, они сказали вам правду о MOSFET, но не обо всем продукте.

Здесь также проводится много маркетинговых мероприятий. Посмотрите на этот гигантский радиатор. Большинство людей думают, что это, должно быть, очень мощная часть. По правде говоря, если этой части НУЖЕН радиатор, MOSFET тратит много энергии. Эта энергия могла пойти на нагревание печатного стола. Большой радиатор - нехороший знак. Но это то, что мы ожидаем увидеть на мощных устройствах. Лучшее, что я могу сказать, эта часть предназначена только для маркетинга, по крайней мере, на 25 ампер.

Я хочу разработать продукт, который хорошо справляется со своей работой, имеет хорошее качество, низкую стоимость и очень четко описывает свои возможности.

Шаг 2: Ядро схемы: МОП-транзистор

Я хочу, чтобы дизайн был очень эффективным. Это означало бы низкие потери мощности на устройстве. Так что сопротивление - мой враг. МОП-транзисторы действуют как резисторы, управляемые напряжением. Поэтому, когда они выключены, их сопротивление очень велико. Когда они включены, их сопротивление очень низкое. На самом деле происходит гораздо больше. Однако для нашего обсуждения этого будет достаточно.

Параметр, на который мы должны обратить внимание в листе данных MOSFET, - «RDS on».

Я выбрал полевой МОП-транзистор AUIRFSA8409-7P производства Infineon Technologies. В худшем случае RDSon составляет 690 мкОм. Да, это были правильные микроомы. Но деталь дорогая. Около 6 долларов. для одного. В остальном в конструкции будут очень недорогие комплектующие. Хороший дизайн означает выбор хорошего полевого МОП-транзистора. Так что, если мы собираемся разориться, это то место, где можно потратиться.

Вот ссылка на лист данных

Обратите внимание, что эта часть - МОП-транзистор на 523 А. Однако ток Id ограничен до 360 ампер. Причина двоякая.

1. Комплект деталей не может рассеивать достаточно тепла, чтобы выдержать 523 ампер.
2. У них не хватает соединительных проводов на кристалле на 625 ампер. Таким образом, «Связь с ограниченной ответственностью»

Я собираюсь ограничить дизайн до 60 ампер. Сопротивление низкое, поэтому я получу действительно большую эффективность на небольшой площади.

Деталь будет рассеивать около 1,8 Вт при максимальном потребляемом токе. (R x I ^ 2) Тепловое сопротивление этой детали составляет 40 градусов Цельсия / Вт. (щелкните здесь, чтобы узнать, какие расчеты производятся). Таким образом, при максимальном потреблении тока мы будем на 72 градуса выше окружающей среды. В техническом паспорте указана максимальная температура для устройства 175 ° C. Мы находимся под этим списком. Однако, если учесть температуру окружающей среды 25 ° C, тогда мы будем чуть ниже 100 ° C. Нам понадобится небольшой радиатор и вентилятор при полной нагрузке.

Все это предполагает, что у нас на воротах 15В. Как только мы упадем ниже 10 В, у нас действительно начнутся проблемы с нагревом.

Эффективность составит (при условии 40 В) 2400 Вт при потраченных 1,8 Вт. Около 99,92%.

Источник питания	Доставленный	Потерянный	Эффективность
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Итак, в нашем примере продукта был МОП-транзистор на 220 Ампер. У меня есть МОП-транзистор на 523 А, и эта глупая штука все еще нагревается. Я хочу сказать, что указанный ток не является отличным показателем производительности. Лучшей спецификацией будет общее сопротивление платы и полевого МОП-транзистора. Одна эта спецификация дает вам почти все, что вам нужно знать.

Шаг 3: другие ключевые компоненты

Как правило, плата MOSFET использует выход нагреваемого слоя принтера в качестве управляющего сигнала. U11 - двунаправленный оптрон. Эта часть имеет несколько целей.

1) Вы не можете неправильно подключить вход. Это небольшая фиктивная проверка. Основная плата либо потребляет ток, либо нет. Таким образом, входной триггер основан на том, есть ли у нас ток между контактами платы управления с подогревом.

2) Изолируйте сторону высокой мощности от платы управления низкой мощности. Это позволит вам использовать более высокое напряжение на подогреваемой кровати. Например, у вас может быть панель управления на 12 В и подогреваемая кровать на 24 В. Земли в подключении не нуждаются (полностью изолированы). У вас колоссальные 3750 В среднеквадратичного уровня изоляции.

3) Дистанционное управление подогреваемой кроватью. Блок питания, подогреваемый стол и плата MOSFET могут находиться в совершенно другом отделе принтера от платы управления. Линии управления основаны на текущем потоке, поэтому шум не является проблемой. Плата может находиться на некотором расстоянии от платы управления. Тяжелые силовые провода стоят дорого. Имеет смысл иметь все мощные инструменты в одном месте.

4) Я могу обойти затвор полевого МОП-транзистора и еще больше снизить сопротивление RDSon. Но я не могу превышать 20 вольт, иначе МОП-транзистор умрет. Для этого и предназначен Ziner (D11); зажать ворота на 15в.

Последний важный компонент - R12. Это отводной резистор. На затворе полевого транзистора установлен конденсатор. Все МОП-транзисторы делают. Чем мощнее полевой МОП-транзистор, тем больше емкость. Как правило большого пальца. Поэтому, когда U11 выключается, нам нужно разрядить этот затворный капизистор. В противном случае мы получим очень медленное время выключения. Вдобавок ко всему у U11 есть небольшая утечка. Если бы R12 отсутствовал, колпачок затвора зарядился бы, затвор превысил бы Vgsth, и MOSFET включился бы. Это удерживает ворота в опущенном состоянии.

Шаг 4: Дизайн платы - это один из важнейших элементов дизайна

Хорошо, теперь перейдем к дизайну печатной платы.

Начнем с простых решений. Как его назвать и какого цвета он должен быть. Да, маркетинг. Людям нравятся красивые вещи. Технический материал должен иметь чистые линии и выглядеть, ну, ну, технически. Другое дело, что цвет важен. Люди, кажется, ассоциируют мощные и опасные вещества с черным цветом. Подумайте о спецназе стиха местной полиции. У обоих есть власть. Но, честно говоря, я бы предпочел, чтобы меня остановил местный полицейский, чем спецназ. Так что цвет черный.

Теперь как это назвать. Поскольку 60 А - это чудовищно большой полевой МОП-транзистор, я подумал, что назову его МОСТЕР-ФЕТ. Хорошо, я знаю, что это банально. Но, черт возьми, Джим, я инженер, а не специалист по маркетингу. Я даже сделал крутой логотип. Опять же, я не профессионал в области маркетинга.

Следующим по важности решением для печатной платы является толщина меди. Следы на печатной плате должны выдерживать полную нагрузку 60 ампер. Так что есть несколько вещей, которые мы можем сделать, чтобы это произошло. Короткие следы длины, большие ширины и толстая медь. Все это снижает устойчивость к следам.

Толщина меди печатной платы указана в унциях. Таким образом, 1 унция меди весит 1 унцию на 1 квадратный фут. Таким образом, 4 унции меди будут в 4 раза толще. Он также будет пропускать в 4 раза больше тока. Проведя некоторый анализ, я обнаружил, что стоимость не растет линейно с толщиной меди. Я использую краткую цитату PCBWAY (здесь), чтобы определить стоимость платы. (это одна из тех ссылок, которые помогают создавать доски). Если бы я строил тысячи плат, кривая затрат выровнялась бы. Но не я.

Толщина меди	Стоимость за 10	Размер печатной платы
1 унция	$23.00	50 мм x 60 мм
2 унции	$50.00
3 унции	$205.00
4 унции	$207.00
5 унций	$208.00
6 унций	$306.00
7 унций	$347.00
8 унций	$422.00

Также существует проблема с медными платами think. Чем толще медь, тем дольше протравливается и тем больше деталей теряется. В основном это означает, что расстояние между дорожками должно быть действительно широким. Это также означает, что ширина следа minium довольно велика. В этом дизайне я могу себе это позволить. Я хочу разместить два канала в одном пространстве, в котором раньше был один. Итак, 1 унция меди.

Однако это вызовет другую проблему. 1 унция меди не выдержит нагрузки. Моя плата будет очень дорогим предохранителем.

Есть только три трассы на канал, которые должны иметь большую токовую нагрузку. Как вы можете видеть на картинке, я удалил паяльную маску на шести следах. Мой план - припаять к этим следам сплошной провод 12AWG. Обычно это не лучший план. Однако стоимость платы меньше стоимости дополнительных компонентов. Не говоря уже о том, что медную проволоку нужно будет вырезать и сформировать на заказ; затрудняет массовое производство. Короче, я не стану ни знаменитым, ни богатым.

Здесь у нашего примера платы может быть другая проблема. Толщина меди на этой плате очень мала. Следы широкие. Но в какой-то момент это уже не помогает. Весь ток идет от одного вывода к одному выводу. Более широкие следы обеспечивают лучшее охлаждение, но некоторые горячие точки все равно будут.

Я планирую использовать все детали для поверхностного монтажа, кроме разъемов. Разъемы для поверхностного монтажа слишком легко отрываются от платы. Я также собираюсь использовать разъемы TX60 для питания и подогрева кровати. Они используются в мире RC. Они недорогие и несут нагрузку. Однако они представляют собой разъемы под пайку. Чашки должны быть заполнены припоем, чтобы соответствовать спецификации. В принтерах серии Ender эти разъемы используются в качестве подогреваемых кроватей. Так что это действительно хороший выбор.

Другие разъемы, которые я собираюсь использовать, представляют собой 5-миллиметровые винтовые клеммы. Они недорогие и хорошо подходят для такого рода приложений.

Небольшой радиатор, необходимый для полевого МОП-транзистора, встроен в печатную плату. Это и хорошая идея, и плохая. Это хорошо по цене; однако, если деталь станет слишком горячей, плата расслоится. Чтобы это произошло, вам действительно нужно долго быть очень горячим. Для экстремальных температур лучше подойдет алюминиевый радиатор. Скорее всего, если плата работает на 60 А, потребуется вентилятор. Поэтому отверстия радиатора немного больше. Чтобы воздух проходил через доску. Я делал это раньше, и это работает невероятно хорошо. Но это немного увеличивает стоимость платы. Но он все же дешевле алюминиевого радиатора.

Наконец, каждый канал независим. Заземления и линии электропередач не соединены, хотя на схеме они имеют одно и то же сетевое имя. Таким образом, ваша плата управления может быть на 12 В, кровать с подогревом - на 24 В, а панель управления - на 12 В. Это дает вам варианты.

Шаг 5: создание доски

Я использую KiCad. Для этого есть плагин, который создает интерактивную спецификацию. Просто выделите строку в спецификации, и она подсвечивает места, где она идет. Это мой любимый плагин для KiCad. Плагин генерирует самодостаточный HTML-файл. (ЗДЕСЬ). Так что файл переносимый. Я использую его на своем планшете (или телефоне), когда собираю доски.

Платы я получил совсем недавно. Как видите, эта версия немного отличается от других разделов. Платы я построил там, где были прототипы (на фото ниже). Все отзывы о дизайне, которые я получил во время тестирования, были возвращены в дизайн. Если вы также заметили, что отсутствуют R12 и R22. Я забыл добавить резистор отвода утечки. Большая ошибка. Было немного странно, пока я не увидел, чего не хватает. Потом мне пришлось их «дохлестать».

Файл дизайна платы в репозитории git является последней версией и содержит все исправления ошибок.

Но вот оно; во всей красе. (вставить звуковой эффект пения ангелов)

Шаг 6: Работа - доказательство того, что пудинг уже есть

Я начал тестировать платы. Итак, первое, что я заметил, это то, что светодиод светится как солнце. Я понимаю, что светодиод не должен быть таким ярким. Но когда он окажется глубоко внутри вашего принтера, вы меня поблагодарите. Если конечно у вас Anet A8. Если это так, просто наденьте солнцезащитные очки, как я.

Я, наверное, мог бы просто поменять R15 и R25. Но колеблется широкий диапазон питающих напряжений (10-40 В).

У меня есть источник питания на 29 В и 25 А. Я настроил свой источник питания 24 В Meanwell на 29 В. У меня также есть круглая кровать с подогревом 400 мм, которая составляет 400 Вт при 24 В. При 29 Вольт мы потребляем ровно 20 AMPS. Так что 20 ампер - лучшее, что я собираюсь получить.

Измерения проводились с отрицательной стороны J11 и J12. В основном через MOSFET. Но это было сделано на разъемах. Куда подключаются провода. Плата упала на 23 мВ при 20А. В результате общее сопротивление устройства составит 1,15 мОм. Это полевой МОП-транзистор, плата и разъемы. Это действительно хорошо, если я сам так говорю. (и было много ликования)

Шаг 7: бок о бок

Хорошо, в конце я хотел бы сказать, что моя доска победила. В нем есть все, что вы могли пожелать. Вот сравнение. Однако стоимость создания этого парня слишком высока.

Спецификация	Общий МОП-транзистор	MOSTER FET
Максимальное напряжение	Неизвестный	40В
Макс Курент	25 ампер	60 ампер
Реверсивный триггер	да	да
Опто изолированные	Может быть	да
Стоимость (2 канала)	$12.99	$14.99
каналы	1	2

Я собираюсь сделать вид, что могу построить тысячи таких.

Если вы собираетесь заниматься продажей деталей для 3D-принтеров, вам необходимо иметь прибыль в размере 40% и более. Было бы лучше, если бы он был намного выше, но это минимум, который вам нужен, чтобы оставаться на плаву. Я предположил, что стоимость спецификации составляет 3,50 доллара США, а производственная стоимость - 3,76 доллара США. Я цитировал доску в нескольких местных местах. Если вы продаете на Amazon или E-bay, они взбудоражат вас 30% комиссий по кредитной карте, комиссий PayPal и комиссий за продажу. Поверьте, получается на 30%. Они скажут вам другое, но все сказано и сделано, я получаю 70% от всего, что было продано.

Эта плата действительно должна стоить 15,99 доллара, чтобы быть действительно жизнеспособной. Однако рынок DIY очень чувствителен к цене. Так что установите его на 14,99 доллара. Вы всегда можете дополнительно продать монтажные кронштейны или комплекты проводки.

Еще одна вещь, которую вы видите здесь, - это то, что обычная плата широко продается. Множество видеороликов, сделанных своими руками, которые можно найти где угодно. Рынок DIY хочет знать, как это работает и как его использовать. Только около 10% этого рынка пробуют что-то новое или становятся первыми. Только около 3% из них публикуют какие-либо данные или делают видео «КАК СДЕЛАТЬ». Короче вероятность продать 10к штук в год очень мала.

Максимум, что это будет продаваться, составляет около 100 в год, если вы хороши в этом. Цена на этом уровне составляет 24,99. Только спецификация составляет 13 долларов США.

Короче не жизнеспособный продукт. Если бы я мог снизить цену на полевой МОП-транзистор в диапазоне от 0,75 до 1 доллара, это могло бы сработать.

Но делать это было весело. Я думаю, что это лучший дизайн, но опять же, я сделал это.

Наслаждайтесь доской !!! (ЗДЕСЬ)

Обновлять:

Я нашел полевой МОП-транзистор стоимостью менее 1 доллара США. Если вам нужна полностью построенная плата, у меня есть их на e-bay. (ЗДЕСЬ) или версию канала Sigle (ЗДЕСЬ)