MOSTER FET - Dual 500Amp 40 Volt MOSFET 3D-printer verwarmd bed stuurprogramma's - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Je hebt waarschijnlijk op deze denkende heilige koe geklikt, 500 AMPS!!!!!. Om eerlijk te zijn, zal het MOSFET-bord dat ik heb ontworpen niet in staat zijn om veilig 500 Ampère te leveren. Het zou een korte tijd kunnen duren, net voordat het opgewonden in vlammen opging.

Dit was niet bedoeld als een slimme truc. Het was NIET mijn kwade plan om je naar mijn instructable te lokken (voeg hier een gekke wetenschapper lach in). Ik wilde een punt maken. De reclame voor 3D-printers en hun componenten kan erg misleidend zijn. Vooral in de goedkope doe-het-zelfmarkt.

Ik ga hier slechts één geval van onderzoeken. Een algemeen MOSFET-bord dat wordt gebruikt om het moederbord van de 3D-printer te beschermen tegen beschadiging. Ze worden ook gebruikt om een pinter te upgraden naar een krachtiger bed met hoofdeinde. Over het algemeen met meer afdrukgebied.

Er zijn een half dozijn verschillende ontwerpen op de markt. De meeste hebben deze gigantische koellichamen en zien er erg indrukwekkend uit. Maar het meeste is een gimmick.

Terwijl we een van deze borden analyseren; Ik ga mijn eigen ontwerpen. Na te hebben gekeken naar wat er op de markt is, besloot ik dat ik het beter kon doen. Dus ik ga een Open source, Open Capabilities-bord ontwerpen dat het werk buitengewoon goed doet.

Het ontwerp waar ik op doel is een 40v 60Amp dual MOSFET-bord. Niet 1 kanaal maar 2. Een voor het verwarmde bed en een voor de hotend. Er zit een verhaal achter het ontwerp. Voor degenen onder u die niet geïnteresseerd zijn in het verhaal achter het bord, kunt u rechtstreeks naar de bronbestanden voor het bord gaan.

Ki-Cad-bronbestanden

Benodigdheden

Alle voetafdrukken voor dit bordontwerp zijn met de hand gesoldeerd.

Gereedschap:

• Pincet
• Soldeerbout
• Soldeer
• Knipt voor elektronica

stuklijst:

Referenties	Onderdeelnr. leverancier	Leverancier	Waarde	Hoeveelheid
C11, C21	CL21B103KBANNND-ND	Digi-Key	10000pF	2
R11, R21	311-1,00KFRCT-ND	Digi-Key	1.0K	2
R15, R25	311-3.60KFRCT-ND	Digi-Key	3.6K	2
R13, R23	RMCF1210JT2K00TR-ND	Digi-Key	1,99 K	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
TRUIEN	10 AWG massieve kerndraad

Stap 1: Hoe u de feiten krijgt, maar niet vertegenwoordigt wat u koopt?

Het MOSFET-bord op die foto is heel gewoon. Je kunt het vinden op eBay, Ali Express, Amazon en tal van andere plaatsen. Het is ook erg goedkoop. Voor 2 betaal je slechts $ 5,00.

De kop is meestal "210 Amp MOSFET". Het is waar dat de MOSFET een MOSFET van 210 ampère is. Het hele product kan echter maar 25 Ampère aan. De beperkende factor is de print en de connector.

Zoals we later zullen zien, beperkt de PCB het ontwerp waarschijnlijk nog meer. De kopersporen zien er niet erg dik uit.

Dus ze vertelden je de waarheid over de MOSFET, maar niet over het hele product.

Er is hier ook veel marketing. Zie dat gigantische koellichaam. De meeste mensen denken wow, dat moet een behoorlijk krachtig onderdeel zijn. De waarheid is dat als dat onderdeel dat koellichaam NODIG HEEFT, de MOSFET veel energie verspilt. Die energie had kunnen gaan in het verwarmen van het printbed. Een groot koellichaam is geen goed teken. Maar het is wat we verwachten te zien op apparaten met een hoog vermogen. Het beste dat ik kan zeggen, is dat dit onderdeel alleen voor marketing is, in ieder geval bij 25 Ampère.

Ik wil een product ontwerpen dat zijn werk goed doet, van goede kwaliteit is, lage kosten heeft en heel duidelijk is over zijn mogelijkheden.

Stap 2: De kern van het circuit: de MOSFET

Ik wil dat het ontwerp zeer efficiënt is. Dat zou een laag stroomverlies over het apparaat betekenen. Dus verzet is mijn vijand. MOSFET's werken als een spanningsgestuurde weerstand. Dus als ze uit zijn, is hun weerstand erg groot. Als ze aan staan, is hun weerstand erg laag. Er is eigenlijk veel meer aan de hand dan dat. Voor onze discussie zal het echter goed genoeg zijn.

De parameter waar we op moeten letten op het MOSFET-gegevensblad is "RDS aan".

De MOSFET die ik selecteerde was de AUIRFSA8409-7P gemaakt door Infineon Technologies. In het slechtste geval is RDson 690u Ohm. Ja, dat was de juiste micro ohm. Maar het onderdeel is duur. Ongeveer $ 6,00. voor een. De rest van het ontwerp zullen zeer goedkope componenten zijn. Een goed ontwerp hebben betekent een goede MOSFET kiezen. Dus als we gaan uitgeven, is dit het gebied om uit te geven.

Hier is een link naar het gegevensblad:

Merk op dat dit onderdeel een 523Amp MOSFET is. De Id-stroom is echter beperkt tot 360 Ampère. De reden is tweeledig.

1. Het onderdelenpakket kan niet genoeg warmte afvoeren om 523 ampère te ondersteunen.
2. Ze hebben niet genoeg verbindingsdraden op de matrijs voor 625 Ampère. Dus "Verlijming beperkt"

Ik ga het ontwerp beperken tot 60 Ampère. De weerstand is laag, dus ik zal een heel groot rendement behalen in een klein gebied.

Het onderdeel zal ongeveer 1,8 Watt dissiperen bij de maximale stroom die wordt getrokken. (R x I^2) De thermische weerstand voor dit onderdeel is 40 deg C/Watt. (klik hier om te begrijpen welke berekeningen worden uitgevoerd). Dus bij maximale stroomafname zullen we 72 graden boven de omgevingstemperatuur zijn. Het gegevensblad geeft aan dat de maximale temperatuur voor het apparaat 175 graden C is. We zitten ruim onder die lijst. Als we echter rekening houden met een omgevingstemperatuur van 25 graden C. Dan zitten we net onder de 100 graden C. We hebben een klein koellichaam en een ventilator op volle belasting nodig.

Dit alles veronderstelt dat we 15v aan de poort hebben. Zodra we onder de 10v komen, beginnen we echt verwarmingsproblemen te krijgen.

Het rendement is (uitgaande van 40v) 2400 watt geleverd, 1,8 watt verspild. Ongeveer 99,92%.

Stroomvoorziening	Afgeleverd	Verloren	efficiëntie
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Dus ons voorbeeldproduct had een 220Amp MOSFET. Ik heb een 523Amp MOSFET en het gekke wordt nog steeds heet. Mijn punt hier is dat de opgegeven stroom geen goede indicator is voor de prestaties. Een betere specificatie zou de totale weerstand van het bord en de MOSFET zijn. Deze ene specificatie geeft u bijna alles wat u moet weten.

Stap 3: Andere belangrijke componenten

Gewoonlijk gebruikt het MOSFET-bord de output van het verwarmde bed van de printer als stuursignaal. U11 is een bidirectionele optocoupler. Dit onderdeel heeft meerdere doelen.

1) U kunt de ingang niet verkeerd bedraden. Dit is een beetje dummy proofing. Het moederbord zal de stroom laten zinken of niet. Dus de ingangstrigger is gebaseerd op het al dan niet hebben van stroom tussen de pinnen van het verwarmde bed van de besturingskaart.

2) Isoleer de zijde met hoog vermogen van de besturingskaart met laag vermogen. Hierdoor kunt u een hogere spanning op het verwarmde bed gebruiken. U kunt bijvoorbeeld een 12 volt bedieningspaneel hebben en een 24 volt verwarmd bed. Het terrein hoeft niet aangesloten te worden (volledig geïsoleerd). Je hebt maar liefst 3750 Vrms isolatie.

3) Bedien het verwarmde bed op afstand. De voeding, het verwarmde bed en de MOSFET-kaart kunnen zich in een heel ander gedeelte van de printer bevinden dan de besturingskaart. De stuurlijnen zijn gebaseerd op stroom, dus ruis is geen probleem. Het bord kan op een behoorlijke afstand van het bedieningspaneel staan. Zware stroomdraden zijn duur. Het is heel logisch om alle krachtige dingen op één plek te hebben.

4) Ik kan de poort van de MOSFET overdrijven en de RDson-weerstand nog meer verlagen. Maar ik kan de 20 volt niet overschrijden of de MOSFET sterft. Daar is de Ziner (D11) voor; om de poort op 15v te klemmen.

Een laatste belangrijk onderdeel is R12. Dit is een ontluchtingsweerstand. Op de gate van de FET zit een condensator. Alle MOSFET's doen dat. Hoe krachtiger de MOSFET, hoe groter de capaciteit. Als vuistregel. Dus als U11 uitgaat, moeten we die poortcapisistor ontladen. Anders krijgen we een zeer langzame uitschakeltijd. Daarnaast heeft U11 een klein beetje lekkage. Als R12 ontbrak, zou de poortkap opladen en zou de poort Vgsth overschrijden en zou de MOSFET worden ingeschakeld. Hierdoor blijft de poort naar beneden getrokken.

Stap 4: Het bordontwerp - het is een van de belangrijkste ontwerppunten

Ok, nu over naar PCB-ontwerp.

Laten we beginnen met enkele van de eenvoudige beslissingen. Hoe het te noemen en welke kleur het zou moeten zijn. Ja, marktwerking. Mensen houden van dingen die er mooi uitzien. Technische dingen moeten strakke lijnen hebben en er, nou ja, technisch uitzien. Het andere is dat kleur belangrijk is. Mensen lijken krachtige gevaarlijke dingen te associëren met de kleur zwart. Denk swat team vers de lokale politie. Beiden hebben gezag. Maar eerlijk gezegd zou ik liever worden aangehouden door mijn lokale agent dan door een swat-team. De kleur is dus zwart.

Hoe het nu te noemen. Omdat 60 Ampère een monsterlijk grote MOSFET is, dacht ik dat ik hem MOSTER FET zou noemen. Ok ik weet dat het oubollig is. Maar verdomme Jim, ik ben een ingenieur, geen marketingprofessional. Ik heb zelfs een gaaf logo gemaakt. Nogmaals, ik ben geen marketingprofessional.

De volgende belangrijkste beslissing voor de printplaat is de koperdikte. De sporen van de printplaat moeten de volledige belasting van 60 Ampère dragen. Er zijn dus verschillende dingen die we kunnen doen om dat voor elkaar te krijgen. Korte spoorlengtes, brede breedtes en dik koper. Al deze dingen verminderen de weerstand tegen sporen.

De koperdikte van de printplaat wordt aangegeven in ounces. Dus 1 ounce koper weegt 1 ounce per 1 vierkante voet. Dus 4 ounce koper zou 4 keer dikker zijn. Het zou ook 4 keer de stroom voeren. Na wat analyse te hebben gedaan, ontdekte ik dat de kosten niet lineair stijgen met de koperdikte. Ik gebruik de (hier) snelle offerte van PCBWAY om de bordkosten te bepalen. (dat is een van die kickback-links, helpt om boards te blijven maken) Als ik duizenden boards zou bouwen, zou de kostencurve afvlakken. Maar ik ben niet.

koper dikte:	Kosten voor 10	PCB-grootte:
1 ons	$23.00	50 mm x 60 mm
2oz	$50.00
3oz	$205.00
4 Oz	$207.00
5oz	$208.00
6oz	$306.00
7oz	$347.00
8 Oz	$422.00

Er is ook een probleem met denkkoperplaten. Hoe dikker het koper, hoe langer het duurt om te etsen en hoe meer details je verliest. Dit betekent in feite dat de spoorafstand echt breed moet zijn. Het betekent ook dat de minimale spoorbreedte vrij groot is. In dit ontwerp kan ik me dat veroorloven. Ik wil twee kanalen in dezelfde ruimte plaatsen waar er eerder een was. Dus 1oz koper is het.

Dat gaat echter een ander probleem opleveren. 1 ounce koper zal de lading niet dragen. Mijn bord zal een spectaculair dure lont zijn.

Er zijn slechts drie sporen per kanaal die een zware stroombelasting moeten hebben. Zoals je op de foto kunt zien, heb ik het soldeermasker op zes sporen verwijderd. Mijn plan is om ook 12AWG massieve kerndraad op die sporen te solderen. Normaal gesproken zou dit geen geweldig plan zijn. De kosten van het bord wegen echter op tegen de kosten van de extra componenten. Om nog maar te zwijgen van het feit dat de koperdraad op maat moet worden gesneden en gevormd; waardoor massaproductie moeilijk te maken is. Kortom, ik zal niet beroemd of rijk worden.

Dit is waar ons voorbeeldbord mogelijk een ander probleem heeft. De koperdikte op dat bord is erg dun. De sporen zijn breed. Maar op een gegeven moment helpt dat niet meer. Alle stroom komt van een enkele pin naar een enkele pin. De bredere sporen zorgen voor een betere koeling, maar je zult nog steeds wat hotspots hebben.

Mijn plan is om alle onderdelen voor opbouwmontage te gebruiken, behalve de connectoren. Op het oppervlak gemonteerde connectoren worden te gemakkelijk van het bord gescheurd. Ik ga ook TX60-connectoren gebruiken voor stroom en het verwarmde bed. Ze worden gebruikt in de RC-wereld. Ze zijn goedkoop en dragen de lading. Het zijn echter soldeerbekerconnectoren. De cups moeten worden gevuld met soldeer om aan de specificaties te voldoen. De printers van de enderserie gebruiken deze connectoren voor hun verwarmde bedden. Dit is dus echt een goede keuze.

De andere connectoren die ik ga gebruiken zijn 5 mm schroefklemmen. Ze zijn goedkoop en werken goed in dit soort toepassingen.

Het kleine koellichaam dat nodig is voor de MOSFET is geïntegreerd in de printplaat. Dit is zowel een goed als een slecht idee. Het is goed voor de kosten; als het onderdeel echter te heet wordt, zal het bord delamineren. Je moet het echt heel lang erg warm hebben om dit te laten gebeuren. Voor extreme temperaturen zou een aluminium koellichaam veel beter zijn. Hoogstwaarschijnlijk, als het bord 60 Ampère gebruikt, moet een ventilator worden gebruikt. Daarom zijn de gaten in het koellichaam wat groter. Om lucht door het bord te laten gaan. Ik heb dit eerder gedaan en het werkt ongelooflijk goed. Maar het verhoogt de boardkosten een beetje. Maar het is nog steeds goedkoper dan een aluminium koellichaam.

Ten slotte is elk kanaal onafhankelijk. Het terrein en de stroomleidingen zijn niet met elkaar verbonden, hoewel ze in het schema dezelfde netnaam hebben. Op deze manier kan uw besturingskaart op 12v staan, het verwarmde bed op 24v en de hotend op 12v. Het geeft je opties.

Stap 5: Het bord bouwen

Ik gebruik KiCad. Er is een plug-in voor die een interactieve stuklijst maakt. Markeer gewoon de lijn in de stuklijst en het verlicht de plaatsen waar het naartoe gaat. Het is mijn favoriete plug-in voor KiCad. De plug-in genereert een op zichzelf staand HTML-bestand. (HIER). Het bestand is dus draagbaar. Ik gebruik het op mijn tablet (of telefoon) als ik planken aan het bouwen ben.

Ik heb de boards nog maar kort geleden gekregen. Zoals je kunt zien, ziet deze versie er iets anders uit dan de andere secties. De borden die ik heb gebouwd waren prototypes (hieronder afgebeeld). Alle ontwerpfeedback die ik tijdens het testen kreeg, ging terug naar het ontwerp. Als je ook merkt dat R12 en R22 ontbreken. Ik ben vergeten een aftapweerstand toe te voegen. Grote fout. Ik heb een tijdje een vreemde operatie gehad totdat ik zag wat er ontbrak. Toen moest ik ze "dead bug" aanzetten.

Het bordontwerpbestand in de git-repository is de nieuwste versie en bevat alle bugfixes.

Maar hier is het; in al zijn glorie. (voeg engelen zingen geluidseffect in)

Stap 6: In werking - het bewijs van de pudding zit in het eten

Ik ben begonnen met het testen van de borden. Dus het eerste wat me opviel, is dat de LED schijnt als de zon. Ja, ik snap het, de LED hoeft niet zo fel te zijn. Maar als het diep in je printer zit, zul je me dankbaar zijn. Tenzij je natuurlijk een Anet A8 hebt. Als dat het geval is, draag dan gewoon een zonnebril zoals ik.

Ik zou waarschijnlijk gewoon R15 en R25 kunnen veranderen. Maar het brede scala aan voedingsspanningen (10v-40v) doet me aarzelen.

Ik heb een 29V 25Amp voeding. Ik heb mijn 24v Meanwell voeding aangepast naar 29v. Ik heb ook een 400 mm rond verwarmd bed van 400 watt bij 24v. Bij 29 Volt trekken we precies 20 AMP. Dus 20 Ampère is de beste die ik ga krijgen.

De meting is genomen vanaf de negatieve kant van J11 en J12. In principe over de MOSFET. Maar het was gedaan bij de connectoren. Waar de draden inpluggen. Het bord daalde 23mVolt bij 20 Ampère. Dat zou de totale apparaatweerstand op 1,15 mOhm brengen. Dat zijn de MOSFET, het bord en de connectoren. Dat is heel goed al zeg ik het zelf. (en er was veel gejuich)

Stap 7: Zij aan zij

OK, uiteindelijk zou ik willen zeggen dat mijn bestuur wint. Het heeft alles wat je zou willen. Hier is de vergelijking. De kosten om deze man te bouwen zijn echter gewoon te hoog.

Specificaties	Gemeenschappelijke MOSFET	MOSTER FET
Maximale spanning	Onbekend	40V
Max huidige	25 Ampère	60 Ampère
Omkeerbare trigger	Ja	Ja
Opto geïsoleerd	Kan zijn	Ja
Kosten (2 kanalen)	$12.99	$14.99
Kanalen	1	2

Ik ga doen alsof ik er duizenden van kan bouwen.

Als u zaken gaat doen met de verkoop van 3D-printeronderdelen, moet u een winstmarge van 40% of meer hebben. Het zou beter zijn als het veel hoger was, maar dat is het minimum dat je nodig hebt om het hoofd boven water te houden. Ik ging uit van $ 3,50 stuklijstkosten en $ 3,76 fabricagekosten. Ik heb het bord op een paar lokale plaatsen laten citeren. Als u op Amazon of E-bay verkoopt, betalen ze u 30% aan creditcardkosten, PayPal-kosten en verkoopkosten. Geloof me, het komt tot 30%. Ze zullen je anders vertellen, maar al gezegd en gedaan krijg ik 70% van wat er is verkocht.

Dit bord moet wel $ 15,99 kosten om echt levensvatbaar te zijn. De doe-het-zelfmarkt is echter erg prijsgevoelig. Dus stel het in op $ 14,99. U kunt altijd upsellen op montagebeugels of kabelsets.

Het andere dat je hier ziet, is dat het gemeenschappelijke bord zwaar op de markt wordt gebracht. Veel DIY-video's die je overal kunt vinden. De doe-het-zelfmarkt wil weten dat het werkt en hoe het te gebruiken. Slechts ongeveer 10% van die markt probeert iets nieuws of zijn first adopters. Slechts ongeveer 3% van hen publiceert gegevens of maakt een "HOW TO"-video. Kortom, de kans dat er in een jaar 10K stuks worden verkocht, is erg klein.

Het meeste dat dit zou verkopen, is ongeveer 100 per jaar, als je er goed in bent. De prijs op dat niveau is 24,99. De stuklijst alleen is $ 13,00.

Kortom, geen levensvatbaar product. Als ik de MOSFET in een prijsklasse van $ 0,75 - $ 1,00 zou kunnen krijgen, zou het misschien werken.

Maar het was leuk om te maken. Ik denk dat het een beter ontwerp is, maar nogmaals, ik heb het gedaan.

Geniet van het bord!!! (HIER)

Update:

Ik heb wel een MOSFET gevonden die in staat is voor minder dan $ 1,00. Als je een volledig gebouwd bord wilt, heb ik ze op e-bay. (HIER) of de Sigle-kanaalversie (HIER)