MOSTER FET - Drivers de cama aquecida MOSFET 3d 500Amp de 500Amp 40 volts: 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Você provavelmente clicou neste pensamento sagrado, 500 AMPS !!!!!. Para ser honesto, a placa MOSFET que projetei não será capaz de fazer 500 Amps com segurança. Pode ser por um curto período, logo antes de explodir em chamas.

Isso não foi projetado para ser um truque inteligente. NÃO foi meu plano maligno atraí-lo para o meu instrutível (inserir risada de cientista louco aqui). Eu queria fazer um ponto. A publicidade de impressoras 3D e seus componentes pode ser muito enganosa. Especialmente no mercado de bricolagem de baixo custo.

Vou explorar apenas um caso disso. Uma placa MOSFET comum que é usada para proteger a placa principal da impressora 3D contra danos. Eles também são usados para atualizar uma pinter para uma cama com cabeça mais poderosa. Geralmente com mais área de impressão.

Existem meia dúzia de designs diferentes no mercado. A maioria tem esses dissipadores de calor gigantescos e é muito impressionante. Mas a maior parte disso é um truque.

Enquanto analisamos uma dessas placas; Vou desenhar o meu próprio. Depois de olhar o que há no mercado, decidi que poderia fazer melhor. Então, vou projetar uma placa de Open Source, Open Capabilities que faz o trabalho extremamente bem.

O projeto que pretendo é uma placa MOSFET dupla de 40v 60Amp. Não 1 canal, mas 2. Um para a cama aquecida e outro para o hotend. Existe uma história por trás do design. Para aqueles de vocês que não se importam com a história por trás do quadro, você pode ir direto aos arquivos de origem do quadro.

Arquivos fonte Ki-Cad

Suprimentos

Todas as pegadas para este design de placa são soldadas à mão.

Ferramentas:

• Pinças
• Ferro de solda
• Solda
• Recortes para eletrônicos

BOM:

Referências	Nº da peça do fornecedor	Fornecedor	Valor	Quantidade
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	3,6 K	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
JUMPERS	Fio de núcleo sólido 10 AWG

Etapa 1: como você recebe os fatos, mas não representa o que você está comprando

A placa MOSFET nessa foto é muito comum. Você pode encontrá-lo no eBay, Ali Express, Amazon e muitos outros lugares. Também é muito barato. Por 2, você pode pagar apenas $ 5,00.

O título geralmente é "210 Amp MOSFET". É verdade que o MOSFET é um MOSFET de 210 amp. No entanto, todo o produto só pode fazer 25 Amps. O fator limitante é o PCB e o conector.

Como veremos mais tarde, o PCB provavelmente limita ainda mais o design. Os vestígios de cobre não parecem muito espessos.

Então, eles contaram a verdade sobre o MOSFET, mas não sobre o produto inteiro.

Também há muito marketing acontecendo aqui. Veja aquele dissipador de calor gigante. A maioria das pessoas pensa uau, essa deve ser uma parte muito poderosa. A verdade é que se aquela parte PRECISA desse dissipador de calor o MOSFET está desperdiçando muita energia. Essa energia poderia ter sido canalizada para aquecer a cama de impressão. Um grande dissipador de calor não é um bom sinal. Mas é o que esperamos ver em dispositivos de alta potência. O melhor que posso dizer é que essa parte é apenas para marketing, pelo menos 25 Amps.

Quero projetar um produto que faça bem o seu trabalho, seja de boa qualidade, de baixo custo e seja muito direto quanto às suas capacidades.

Etapa 2: O núcleo do circuito: o MOSFET

Quero que o design seja muito eficiente. Isso significaria baixa perda de energia em todo o dispositivo. Portanto, a resistência é minha inimiga. Os MOSFETs agem como um resistor controlado por voltagem. Então, quando eles estão desligados, sua resistência é muito grande. Quando estão ligados, sua resistência é muito baixa. Na verdade, há muito mais coisas acontecendo do que isso. No entanto, para nossa discussão, será bom o suficiente.

O parâmetro que devemos prestar atenção na folha de dados do MOSFET é "RDS ativado".

O MOSFET que eu selecionei foi o AUIRFSA8409-7P feito pela Infineon Technologies. O pior caso de RDSon é 690u Ohms. Sim, isso era micro ohms correto. Mas a peça é cara. Cerca de $ 6,00. para um. O resto do design serão componentes muito baratos. Ter um bom design significa escolher um bom MOSFET. Então, se vamos fazer alarde, esta é a área para fazer alarde.

Aqui está um link para a Folha de Dados

Observe que esta parte é 523Amp MOSFET. No entanto, a corrente Id é limitada a 360 Amps. A razão é dupla.

1. O pacote de peças não consegue dissipar calor suficiente para sustentar 523 amperes.
2. Eles não têm fios de ligação suficientes na matriz para 625 Amps. Assim, "Ligação limitada"

Vou limitar o design a 60 Amps. A resistência é baixa, então vou conseguir uma eficiência realmente grande em uma área pequena.

A peça vai dissipar cerca de 1,8Watts na corrente máxima consumida. (R x I ^ 2) A resistência térmica para esta peça é 40 graus C / Watt. (clique aqui para entender quais cálculos estão sendo feitos). Portanto, no consumo máximo de corrente estaremos 72 graus acima da temperatura ambiente. A folha de dados especifica que a temperatura máxima para o dispositivo é 175 ° C. Estamos bem abaixo dessa lista. No entanto, se levarmos em conta uma temperatura ambiente de 25 ° C, estaremos um pouco abaixo dos 100 ° C. Vamos precisar de um pequeno dissipador de calor e um ventilador com carga total.

Tudo isso pressupõe que temos 15v no portão. Quando caímos abaixo de 10v, realmente começamos a ter problemas de aquecimento.

A eficiência será (assumindo 40 V) 2.400 watts entregues, 1,8Watts desperdiçados. Cerca de 99,92%.

Fonte de energia	Entregue	Perdido	Eficiência
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Portanto, nosso produto de exemplo tinha um MOSFET de 220Amp. Eu tenho um MOSFET 523Amp e a coisa boba ainda está esquentando. Meu ponto aqui é que a corrente especificada não é um grande indicador de desempenho. Uma especificação melhor seria o total de resistência da placa e do MOSFET. Esta especificação fornece quase tudo que você precisa saber.

Etapa 3: Outros componentes principais

Normalmente, a placa MOSFET usa a saída de leito aquecido da impressora como seu sinal de controle. U11 é um optoacoplador bidirecional. Esta parte tem vários propósitos.

1) Você não pode conectar a entrada de forma incorreta. Isso é um pouco de revisão fictícia. A placa principal irá absorver a corrente ou não. Portanto, o acionador de entrada é baseado em se temos ou não fluxo de corrente entre os pinos da cama aquecida da placa de controle.

2) Isole o lado de alta potência da placa de controle de baixa potência. Isso permitirá que você use uma voltagem mais alta na cama aquecida. Por exemplo, você pode ter uma placa de controle de 12 volts e uma cama aquecida de 24 volts. Os aterramentos não precisam ser conectados (totalmente isolados). Você tem incríveis 3750 Vrms de isolamento.

3) Controle remotamente a cama aquecida. A fonte de alimentação, a base aquecida e a placa MOSFET podem estar em uma seção completamente diferente da placa de controle da impressora. As linhas de controle são baseadas no fluxo de corrente, portanto, o ruído não é um problema. A placa pode estar bem distante da placa de controle. Fios de energia pesados são caros. Ter todo o material de alta potência em um só lugar faz muito sentido.

4) Posso ultrapassar o portão do MOSFET e diminuir ainda mais a resistência RDSon. Mas não posso exceder 20 volts ou o MOSFET morre. É para isso que serve o Ziner (D11); para prender o portão a 15v.

Um último componente importante é o R12. Este é um resistor de purga. A porta do FET tem um capacitor. Todos os MOSFETS fazem. Quanto mais potente for o MOSFET, maior será a capacitância. Como um princípio básico. Então, quando o U11 desliga, precisamos descarregar o capisistor da porta. Caso contrário, teremos um tempo de desligamento muito lento. Além de tudo isso, o U11 tem um pouco de vazamento. Se R12 estivesse faltando, a tampa do gate seria carregada e o gate excederia Vgsth e o MOSFET seria ligado. Isso mantém o portão puxado para baixo.

Etapa 4: O design da placa - é um dos pontos mais importantes do design

Ok, agora vamos ao design do PCB.

Vamos começar com algumas das decisões simples. Como chamá-lo e de que cor deveria ser. Sim, marketing. As pessoas gostam de coisas que parecem bonitas. O material técnico deve ter linhas claras e parecer, bem, técnico. A outra coisa é que a cor é importante. As pessoas parecem associar coisas poderosas e perigosas à cor preta. Pense na equipe da SWAT contra a polícia local. Ambos têm autoridade. Mas, francamente, preferia ser parado pelo meu policial local do que por uma equipe de combate. Então, a cor é preta.

Agora, como chamá-lo. Como 60 Amps é um MOSFET monstruosamente grande, pensei em chamá-lo de MOSTER FET. Ok, eu sei que é brega. Mas, droga, Jim, sou um engenheiro, não um profissional de marketing. Até fiz um logotipo legal. Novamente, não sou um profissional de marketing.

A próxima decisão mais importante para a placa de circuito é a espessura do cobre. Os traços da placa de circuito devem carregar a carga total de 60 Amps. Portanto, há várias coisas que podemos fazer para que isso aconteça. Comprimentos de traços curtos, larguras e cobre espesso. Todas essas coisas reduzem a resistência ao traço.

A espessura do cobre da placa de circuito impresso é especificada em onças. Portanto, 1 onça de cobre pesa 1 onça por 1 pé quadrado. Portanto, 4 onças de cobre seriam 4 vezes mais espesso. Também carregaria 4 vezes a corrente. Depois de fazer algumas análises, descobri que o custo não aumenta linearmente com a espessura do cobre. Eu uso o orçamento rápido da PCBWAY (aqui) para determinar o custo da placa. (esse é um daqueles links de retrocesso, que ajuda a continuar fazendo pranchas) Se eu estivesse construindo milhares de pranchas, a curva de custo ficaria plana. Mas eu não sou.

Espessura do cobre	Custo por 10	Tamanho PCB
1 onça	$23.00	50 mm x 60 mm
2 onças	$50.00
3 onças	$205.00
4 onças	$207.00
5 onças	$208.00
6 onças	$306.00
7 onças	$347.00
8 onças	$422.00

Também há um problema com placas de cobre. Quanto mais espesso o cobre, mais tempo leva para gravar e mais detalhes você perde. Basicamente, isso significa que o espaçamento do traço deve ser muito largo. Isso também significa que a largura mínima do traço é bastante grande. Com este design, posso pagar por isso. Quero encaixar dois canais no mesmo espaço em que antes havia um. Então, 1 onça de cobre.

No entanto, isso vai causar outro problema. 1 onça de cobre não suportará a carga. Minha prancha será um fusível espetacularmente caro.

Existem apenas três traços por canal que precisam ter uma carga de corrente pesada. Como você pode ver na foto, removi a máscara de solda em seis traços. Meu plano é soldar fio de núcleo sólido 12AWG nesses rastros. Normalmente, esse não seria um grande plano. No entanto, o custo da placa está pesando mais que o custo dos componentes extras. Sem mencionar que o fio de cobre precisará ser cortado e moldado de maneira personalizada; dificultando a produção em massa. Resumindo, não vou ficar famoso nem rico.

É aqui que nosso exemplo de placa pode ter outro problema. A espessura do cobre nessa placa é muito fina. Os rastros são largos. Mas em algum momento isso não ajuda mais. Toda a corrente vem de um único pino para um único pino. Os traços mais largos permitem um melhor resfriamento, mas você ainda terá alguns pontos quentes.

Meu plano é usar todas as peças de montagem em superfície, exceto os conectores. Os conectores de montagem em superfície são arrancados da placa com muita facilidade. Também vou usar conectores TX60 para alimentação e cama aquecida. Eles são usados no mundo RC. Eles são baratos e transportam a carga. No entanto, eles são conectores de solda. Os copos terão que ser preenchidos com solda para atender às especificações. As impressoras da série Ender usam esses conectores para suas camas aquecidas. Portanto, esta é uma escolha muito boa.

Os outros conectores que vou usar são terminais de parafuso de 5 mm. Eles são baratos e funcionam bem neste tipo de aplicação.

O pequeno dissipador de calor necessário para o MOSFET está integrado na placa de circuito. Esta é uma ideia boa e má. É bom para o custo; entretanto, se a peça ficar muito quente, a placa irá delaminar. Você realmente precisa estar muito quente por muito tempo para que isso aconteça. Para temperaturas extremas, um dissipador de calor de alumínio seria muito melhor. Provavelmente, se a placa estiver funcionando com 60 Amps, será necessário usar um ventilador. É por isso que os furos do dissipador de calor são um pouco maiores. Para deixar o ar passar pela placa. Já fiz isso antes e funciona incrivelmente bem. Mas isso aumenta um pouco os custos do conselho. Mas ainda é menos custo do que um dissipador de calor de alumínio.

Por último, cada canal é independente. Os aterramentos e as linhas de força não estão conectados, embora, no esquema, tenham o mesmo nome de rede. Desta forma, sua placa de controle pode estar em 12v, a cama aquecida em 24v e a de aquecimento em 12v. Dá-lhe opções.

Etapa 5: Construindo o Conselho

Estou usando o KiCad. Existe um plugin para ele que cria uma lista de materiais interativa. Basta destacar a linha na lista de materiais e ela ilumina os lugares em que vai. É o meu plug-in favorito para KiCad. O plug-in gera um arquivo HTML independente. (AQUI). Portanto, o arquivo é portátil. Eu o uso no meu tablet (ou telefone) quando estou construindo placas.

Recebi as placas há pouco tempo. Como você pode ver, esta versão parece um pouco diferente das outras seções. As placas que construí eram protótipos (foto abaixo). Todos os comentários de design que recebi durante os testes voltaram para o design. Se você também perceber que R12 e R22 estão faltando. Esqueci de adicionar um resistor de sangramento. Grande erro. Passei por uma operação estranha por um tempo, até que vi o que estava faltando. Então eu tive que "irritá-los".

O arquivo de design da placa no repositório git é a versão mais recente e contém todas as correções de bugs.

Mas aqui está; em toda a sua glória. (inserir efeito sonoro do canto dos anjos)

Passo 6: Em operação - a prova do pudim está em comer

Comecei a testar as placas. Então, a primeira coisa que notei é que o LED brilha como o sol. Sim, entendi que o LED não precisa ser tão brilhante. Mas quando estiver bem dentro da sua impressora, você vai me agradecer. A menos, é claro, que você tenha uma Anet A8. Se for esse o caso, use óculos de sol como eu.

Eu provavelmente poderia apenas mudar R15 e R25. Mas a ampla gama de tensões de alimentação (10v-40v) me faz hesitar.

Eu tenho uma fonte de 29V 25Amp. Ajustei minha fonte de alimentação de 24v Meanwell para 29v. Eu também tenho uma cama redonda aquecida de 400mm que é 400Watts a 24v. A 29 Volts desenharemos exatamente 20 AMPS. Portanto, 20 amperes é o melhor que vou conseguir.

A medição foi feita do lado negativo de J11 e J12. Basicamente, em todo o MOSFET. Mas foi feito nos conectores. Onde os fios se conectam. A placa caiu 23mVolts a 20Amps. Isso colocaria a resistência total do dispositivo em 1,15 mOhms. Esse é o MOSFET, placa e conectores. Isso é muito bom se eu mesmo disser. (e houve muito júbilo)

Etapa 7: lado a lado

OK, no final, gostaria de dizer que minha diretoria vence. Tem tudo o que você pode desejar. Aqui está a comparação. No entanto, o custo para construir esse cara é muito alto.

Spec	MOSFET comum	MOSTER FET
Tensão máxima	Desconhecido	40V
Max Curent	25 amperes	60 amperes
Gatilho reversível	sim	sim
Opto isolado	Pode ser	sim
Custo (2 canais)	$12.99	$14.99
Canais	1	2

Vou fingir que posso construir milhares deles.

Se você pretende vender peças de impressoras 3D, precisa ter uma margem de lucro de 40% ou mais. Seria melhor se fosse muito mais alto, mas é o mínimo que você precisa para se manter à tona. Presumi um custo de BOM de $ 3,50 e um custo de fabricação de $ 3,76. Mandei citar o conselho em alguns lugares locais. Se você vende na Amazon ou E-bay, eles ganham 30% em taxas de cartão de crédito, taxas de PayPal e taxas de vendas. Confie em mim, isso funciona para 30%. Eles vão te dizer diferente, mas tudo dito e feito eu recebo 70% de tudo o que foi vendido.

Este conselho precisa custar US $ 15,99 para ser realmente viável. No entanto, o mercado de bricolagem é muito sensível ao preço. Portanto, defina-o como $ 14,99. Você sempre pode fazer um upsell de suportes de montagem ou kits de fiação.

A outra coisa que você vê aqui é que a placa comum é amplamente comercializada. Muitos vídeos DIY que você pode encontrar em qualquer lugar. O mercado de bricolagem quer saber como funciona e como utilizar. Apenas cerca de 10% desse mercado tenta algo novo ou são os primeiros a adotar. Apenas cerca de 3% desses publicam dados ou fazem um vídeo de "COMO FAZER". Resumindo, a probabilidade de vender 10 mil peças em um ano é muito pequena.

O máximo que isso venderia é cerca de 100 por ano, se você for bom nisso. O preço nesse nível é 24,99. O BOM sozinho é $ 13,00.

Em suma, não é um produto viável. Se eu pudesse baixar o MOSFET na faixa de preço de $ 0,75 - $ 1,00, ele poderia funcionar.

Mas foi divertido de fazer. Eu acho que é um design melhor, mas eu fiz isso novamente.

Aproveite o tabuleiro !!! (AQUI)

Atualizar:

Eu encontrei um MOSFET que é capaz de custar menos de $ 1,00. Se você quiser uma placa totalmente construída, eu os tenho no e-bay. (AQUI) ou a versão do canal Sigle (AQUI)