MOSTER FET - Dual 500Amp 40 Volt MOSFET 3d -skriver Oppvarmede senger: 7 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

Du har sannsynligvis klikket på denne tenkende hellige ku, 500 AMPS !!!!!. For å være ærlig, vil MOSFET -brettet jeg designet ikke trygt kunne utføre 500 ampere. Det kan ta en liten stund, like før det opphisset brann i flammer.

Dette var ikke designet for å være et smart triks. Det var IKKE min onde plan å lokke deg inn i mitt instruerbare (sett inn gal vitenskapsmann latter her). Jeg ville gjøre et poeng. Annonseringen for 3D -skrivere og deres komponenter kan være veldig misvisende. Spesielt i lavpris DIY -markedet.

Jeg skal utforske bare ett tilfelle av dette. Et vanlig MOSFET -kort som brukes til å beskytte 3d -skriverens hovedkort mot skade. De brukes også til å oppgradere en pinter til en kraftigere seng. Vanligvis med mer utskriftsområde.

Det er et halvt dusin forskjellige design ute på markedet. De fleste har disse gigantiske kjøleribber og ser veldig imponerende ut. Men det meste er en gimmick.

Mens vi analyserer et av disse brettene; Jeg skal designe min egen. Etter å ha sett på hva som er på markedet, bestemte jeg meg for at jeg kunne gjøre det bedre. Så jeg skal designe et Open Source, Open Capabilities -bord som gjør jobben overordentlig bra.

Designet jeg målretter mot er et 40v 60Amp dobbelt MOSFET -kort. Ikke 1 kanal, men 2. En for den oppvarmede sengen og en for hotend. Det er en historie bak designet. For deg som ikke bryr deg om historien bak tavlen, kan du gå rett til kildefilene for tavlen.

Ki-Cad-kildefiler

Rekvisita

Alle fotavtrykkene for denne borddesignen er loddet for hånd.

Verktøy:

• Pinsett
• Loddejern
• Lodding
• Snips for elektronikk

BOM:

Referanser	Leverandør Art.nr	Leverandør	Verdi	Mengde
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 tusen	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
HOPPER	10 AWG solid kjernetråd

Trinn 1: Hvordan du får fakta, men representerer ikke det du kjøper

MOSFET -kortet i det bildet er veldig vanlig. Du finner den på eBay, Ali Express, Amazon og mange andre steder. Det er også veldig billig. For 2 kan du betale så lite som $ 5,00.

Overskriften er vanligvis "210 Amp MOSFET". Det er sant at MOSFET er en 210 amp MOSFET. Hele produktet kan imidlertid bare gjøre 25 ampere. Den begrensende faktoren er kretskortet og kontakten.

Som vi vil se senere, begrenser PCB trolig designet enda mer. Kobbersporene ser ikke veldig tykke ut.

Så de fortalte deg sannheten om MOSFET, men ikke om hele produktet.

Det er også mye markedsføring som foregår her. Se den gigantiske kjøleribben. De fleste tror wow det må være en ganske kraftig del. Sannheten er, hvis den delen BEHOVER at heatsink MOSFET kaster bort mye energi. Den energien kunne ha gått til oppvarming av trykksengen. En stor kjøleribbe er ikke et godt tegn. Men det er det vi forventer å se på enheter med høy effekt. Det beste jeg kan fortelle denne delen er bare for markedsføring, minst 25 ampere.

Jeg vil designe et produkt som gjør jobben sin godt, er av god kvalitet, lav pris og er veldig rett frem om sine evner.

Trinn 2: Kjernen i kretsen: MOSFET

Jeg vil at designet skal være veldig effektivt. Det vil bety lavt strømtap på tvers av enheten. Så motstand er min fiende. MOSFET fungerer som en spenningsstyrt motstand. Så når de er ute, er motstanden deres veldig stor. Når de er på, er motstanden deres veldig lav. Det er faktisk mye mer som skjer enn det. Men for vår diskusjon vil det være bra nok.

Parameteren vi bør ta hensyn til på MOSFET -databladet er "RDS on".

MOSFET jeg valgte var AUIRFSA8409-7P laget av Infineon Technologies. Det er i verste fall RDSon 690u Ohms. Jepp, det var riktige mikro -ohm. Men delen er dyr. Rundt $ 6,00. for en. Resten av designet vil være svært rimelige komponenter. Å ha en god design betyr å velge en god MOSFET. Så, hvis vi skal splurge er dette området å splurge i.

Her er en lenke til databladet

Legg merke til at denne delen er 523Amp MOSFET. Id -strømmen er imidlertid begrenset til 360Amps. Årsaken er todelt.

1. Delpakken kan ikke spre nok varme til å opprettholde 523 ampere.
2. De har ikke nok bindeledninger på dysen til 625 ampere. Dermed er "Bonding limited"

Jeg skal begrense designet til 60 ampere. Motstanden er lav, så jeg vil få virkelig god effektivitet på et lite område.

Delen kommer til å forsvinne omtrent 1,8 Watt ved maksimal strøm som trekkes. (R x I^2) Den termiske motstanden for denne delen er 40 grader C/Watt. (klikk her for å forstå hvilke beregninger som gjøres). Så ved maksimal strømtrekk vil vi være 72 grader over omgivelsestemperaturen. Databladet angir maks temperatur for enheten er 175 grader C. Vi er godt under denne listen. Men hvis vi står for en omgivelsestemperatur på 25 grader C. Da er vi i underkant av 100 grader. Vi kommer til å trenge en liten kjøleribbe og en vifte ved full belastning.

Alt dette forutsetter at vi har 15v ved porten. Når vi faller under 10v, begynner vi virkelig å få oppvarmingsproblemer.

Effektiviteten vil være (forutsatt 40v) 2400 watt levert, 1,8 watt bortkastet. Omtrent 99,92%.

Strømforsyning	Levert	Tapt	Effektivitet
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Så vårt eksempelprodukt hadde en 220Amp MOSFET. Jeg har en 523Amp MOSFET, og det dumme blir fortsatt varmt. Poenget mitt her er at den angitte strømmen ikke er en god indikator på ytelsen. En bedre spesifikasjon ville være total på motstanden til brettet og MOSFET. Denne spesifikasjonen gir deg nesten alt du trenger å vite.

Trinn 3: Andre viktige komponenter

Vanligvis bruker MOSFET -kortet den oppvarmede sengen på skriveren som kontrollsignal. U11 er en toveis optokobler. Denne delen har flere formål.

1) Du kan ikke koble inngangen feil. Dette er litt dummy proofing. Hovedkortet vil enten synke strøm eller ikke. Så inngangstriggeren er basert på om vi har nåværende strøm mellom kontrollpanelets oppvarmede sengestifter.

2) Isoler høykraftsiden fra kontrollpanelet med lav effekt. Dette vil tillate deg å bruke en høyere spenning på den oppvarmede sengen. For eksempel kan du ha et 12 volts kontrollkort og en 24 volts oppvarmet seng. Begrunnelsen trenger ikke å være tilkoblet (helt isolert). Du har hele 3750 Vrms isolasjon.

3) Fjernstyrt den oppvarmede sengen. Strømforsyningen, den oppvarmede sengen og MOSFET -kortet kan være i en helt annen del av skriveren enn kontrollpanelet. Kontrolllinjene er basert på strømmen, så støy er ikke et problem. Brettet kan være ganske langt fra kontrollbordet. Tunge strømledninger er dyre. Å ha alle de høye effektene på ett sted gir mye mening.

4) Jeg kan over kjøre porten til MOSFET og senke RDSon -motstanden enda mer. Men jeg kan ikke overskride 20 volt eller MOSFET dør. Det er det Ziner (D11) er til for; å klemme porten til 15v.

En siste viktig komponent er R12. Dette er en avblødningsmotstand. Porten til FET har en kondensator på den. Alle MOSFETS gjør det. Jo kraftigere MOSFET er, desto større er kapasitansen. Som en tommelregel. Så når U11 slår seg av må vi tømme den portkapisistoren. Ellers får vi en veldig treg avstengningstid. I tillegg til alt det, har U11 litt lekkasje. Hvis R12 manglet, ville portlokket lades opp og porten ville overstige Vgsth og MOSFET ville slå seg på. Dette holder porten trukket ned.

Trinn 4: Brettdesign - Det er et av de viktigste designpunktene

Ok, nå til PCB -design.

La oss starte med noen av de enkle beslutningene. Hva skal man kalle det og hvilken farge det skal ha. Ja, markedsføring. Folk liker ting som ser fine ut. Tekniske ting bør ha rene linjer og se, vel, teknisk. Den andre tingen er at farge er viktig. Det ser ut til at folk forbinder kraftige farlige ting med fargen svart. Tenk swat team vers det lokale politiet. Begge har autoritet. Men helt ærlig vil jeg heller bli trukket over av min lokale politimann enn et swat -team. Så fargen er svart.

Hva skal jeg kalle det nå. Fordi 60 Amps er en uhyre stor MOSFET, tenkte jeg at jeg ville kalle det MOSTER FET. Ok, jeg vet at det er kåt. Men jammen jeg er ingeniør og ikke markedsføringspersonell. Jeg laget til og med en kul logo. Igjen, jeg er ikke en profesjonell innen markedsføring.

Den neste viktigste avgjørelsen for kretskortet er kobbertykkelse. Sporene på kretskortet må bære hele lasten på 60 ampere. Så det er flere ting vi kan gjøre for å få det til. Korte sporlengder, brede bredder og tykt kobber. Alle disse tingene reduserer spormotstand.

Trykt kretskortets kobbertykkelse er angitt i gram. Så 1 unse kobber veier 1 gram per 1 kvadratmeter. Så, 4 unse kobber ville være 4 ganger tykkere. Den vil også bære 4 ganger strømmen. Etter å ha gjort noen analyser, oppdaget jeg at kostnaden ikke stiger lineært med kobbertykkelse. Jeg bruker PCBWAYs (her) raske tilbud for å bestemme brettkostnaden. (det er en av de tilbakeslagslinkene, hjelper til med å lage brett) Hvis jeg skulle bygge tusenvis av brett, ville kostnadskurven flate ut. Men jeg er ikke.

Kobber tykkelse	Kostnad for 10	PCB -størrelse
1oz	$23.00	50 mm x 60 mm
2oz	$50.00
3oz	$205.00
4oz	$207.00
5 oz	$208.00
6 oz	$306.00
7 oz	$347.00
8 oz	$422.00

Det er også et problem med tror kobberplater. Jo tykkere kobber, jo lengre tid tar det å etse og jo flere detaljer mister du. I utgangspunktet betyr dette at sporavstanden må være veldig bred. Det betyr også at miniumsporbredden er ganske stor. I dette designet har jeg råd til det. Jeg vil passe til to kanaler i samme rom som tidligere inneholdt en. Så 1 oz kobber er det.

Det kommer imidlertid til å forårsake et annet problem. 1 unse kobber vil ikke bære lasten. Brettet mitt blir en spektakulært dyr sikring.

Det er bare tre spor per kanal som må ha en tung strømbelastning. Som du kan se på bildet, har jeg fjernet loddemasken på seks spor. Planen min er for loddetinn 12AWG solid kjernetråd på disse sporene. Normalt ville ikke dette vært en god plan. Imidlertid er brettkostnadene ute og veier kostnaden for de ekstra komponentene. For ikke å nevne at kobbertråden må skreddersys og formes; gjør masseproduksjon vanskelig. Kort sagt, jeg blir verken berømt eller rik.

Det er her vårt eksempelbrett kan ha et annet problem. Kobbertykkelsen på det brettet er veldig tynn. Sporene er brede. Men på et tidspunkt hjelper det ikke lenger. All strøm kommer fra en enkelt pin til en enkelt pin. De bredere sporene gir bedre kjøling, men du kommer fortsatt til å ha noen hot spots.

Planen min er å bruke alle overflatemonteringsdeler bortsett fra kontaktene. Overflatemonterte kontakter blir dratt for lett av brettet. Jeg kommer også til å bruke TX60 -kontakter for strøm og den oppvarmede sengen. De brukes i RC -verdenen. De er rimelige og bærer lasten. Imidlertid er de loddekoppskontakter. Koppene må fylles med loddetinn for å oppfylle spesifikasjonene. Ender -serien skriverne bruker disse kontaktene for sine oppvarmede senger. Så dette er et veldig godt valg.

De andre kontaktene jeg skal bruke er 5 mm skrueterminaler. De er rimelige og fungerer godt i denne typen applikasjoner.

Den lille kjøleribben som trengs for MOSFET er integrert i kretskortet. Dette er både en god og en dårlig idé. Det er bra for kostnaden; men hvis delen blir for varm, vil tavlen delaminere. Du må virkelig være veldig varm lenge for at dette skal skje. For ekstreme temperaturer vil en aluminiums kjøleribbe være mye bedre. Mest sannsynlig, hvis brettet kjører 60 ampere, må en vifte brukes. Derfor er kjøleribbehullene litt større. For å la luft passere gjennom brettet. Jeg har gjort dette før og det fungerer utrolig bra. Men det øker brettkostnadene litt. Men det er fortsatt billigere enn en aluminiumsvask.

Til slutt er hver kanal uavhengig. Begrunnelsen og kraftlinjene er ikke koblet sammen, selv om de i skjematikken har samme nettnavn. På denne måten kan kontrollpanelet være på 12v, den oppvarmede sengen på 24v og til hotend på 12v. Det gir deg alternativer.

Trinn 5: Bygg styret

Jeg bruker KiCad. Det er et plugin for det som lager en interaktiv styklist. Bare merk linjen i streklisten, og den lyser stedene den går til. Det er min favoritt plug-in for KiCad Plugin-modulen genererer en selvstendig HTML-fil. (HER). Så filen er bærbar. Jeg bruker den på min nettbrett (eller telefon) når jeg bygger brett.

Jeg fikk brettene for kort tid siden. Som du kan se ser denne versjonen litt annerledes ut enn de andre seksjonene. Brettene jeg bygde var prototyper (bildet nedenfor). Alle tilbakemeldinger om design jeg fikk under testing gikk tilbake til designet. Hvis du også merker at R12 og R22 mangler. Jeg glemte å legge til en avblødningsmotstand. Stor tabbe. Hadde en litt rar operasjon litt til jeg så hva som manglet. Da måtte jeg "dead bug" dem på.

Brettdesignfilen i git -depotet er den nyeste versjonen og har alle feilrettinger.

Men her er det; i all sin prakt. (sett inn Angels syngende lydeffekt)

Trinn 6: I drift - bevis på pudding er i spising

Jeg begynte å teste tavlene. Så det første jeg la merke til er at LED -en skinner som solen. Jeg forstår det, LED -en trenger ikke å være så lys. Men når den er dypt inne i skriveren din, vil du takke meg. Med mindre du selvfølgelig har en Anet A8. Hvis det er tilfelle, bare ta noen solbriller som jeg gjorde.

Jeg kunne nok bare byttet R15 og R25. Men det brede spekteret av forsyningsspenninger (10v-40v) får meg til å nøle.

Jeg har en 29V 25Amp forsyning. Jeg justerte 24v Meanwell strømforsyningen til 29v. Jeg har også en 400 mm rund oppvarmet seng som er 400Watt ved 24v. Ved 29 volt trekker vi nøyaktig 20 ampere. Så 20 ampere er det beste jeg kommer til å få.

Målingen ble tatt fra den negative siden av J11 og J12. I utgangspunktet over MOSFET. Men det ble gjort ved kontaktene. Hvor ledningene plugges inn. Brettet falt 23mVolt ved 20Amps. Det vil sette den totale enhetsmotstanden på 1,15 mOhms. Det er MOSFET, bord og kontakter. Det er veldig bra hvis jeg sier det selv. (og det var mye jubel)

Trinn 7: Side om side

OK, til slutt vil jeg si at styret mitt vinner. Den har alt du kan ønske deg. Her er sammenligningen. Kostnaden for å bygge denne fyren er imidlertid for høy.

Spes	Vanlig MOSFET	MOSTER FET
Maks spenning	Ukjent	40V
Max Curent	25 ampere	60 ampere
Reversibel utløser	Ja	Ja
Opto isolert	Kan være	Ja
Kostnad (2 kanaler)	$12.99	$14.99
Kanaler	1	2

Jeg kommer til å late som om jeg kan bygge tusenvis av disse.

Hvis du skal selge 3d -skriverdeler, må du ha en fortjenestemargin på 40% eller mer. Det ville være bedre hvis det var mye høyere, men det er minimumet du trenger for å holde deg flytende. Jeg antok en $ 3,50 styklistekostnad og $ 3,76 produksjonskostnad. Jeg hadde tavlen sitert på noen få lokale steder. Hvis du selger på Amazon eller E-bay, gir de deg 30% i kredittkortgebyrer, PayPal-gebyrer og salgsgebyrer. Tro meg, det fungerer til 30%. De vil fortelle deg annerledes, men alt sagt og gjort får jeg 70% av det som ble solgt.

Dette brettet trenger å være på $ 15,99 for å virkelig være levedyktig. Imidlertid er DIY -markedet veldig følsomt for pris. Så sett den til $ 14,99. Du kan alltid selge mer på monteringsbraketter eller kabelsett.

Den andre tingen du ser her er at fellesstyret er sterkt markedsført. Mange DIY -videoer som du kan finne hvor som helst. DIY -markedet ønsker å vite at det fungerer og hvordan det skal brukes. Bare omtrent 10% av det markedet prøver noe nytt eller er førstegangsbrukere. Bare omtrent 3% av dem publiserer data eller lager en "HVORDAN" -video. Kort sagt, sannsynligheten for å selge 10K stykker på et år er veldig liten.

Det meste dette vil selge er omtrent 100 per år, hvis du er god på det. Prispunktet på det nivået er 24,99. Stykklisten alene er $ 13,00.

Kort sagt, ikke et levedyktig produkt. Hvis jeg kunne få MOSFET ned i prisklasse på $ 0,75 - $ 1,00, kan det fungere.

Men det var morsomt å lage. Jeg synes det er et bedre design, men igjen gjorde jeg det.

Nyt brettet !!! (HER)

Oppdater:

Jeg fant en MOSFET som kan under $ 1,00. Hvis du vil ha et ferdig konstruert brett, har jeg dem på e-bay. (HER) eller Sigle -kanalversjonen (HER)