MOSTER FET - Dual 500Amp 40 Volt MOSFET 3d -skrivare Uppvärmda sängdrivrutiner: 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Du har förmodligen klickat på denna tänkande heliga ko, 500 AMPS !!!!!. För att vara ärlig kommer MOSFET -kortet jag designade inte säkert att kunna göra 500Amps. Det kan ta en liten stund, precis innan det upphetsat brann i lågor.

Detta var inte utformat för att vara ett smart trick. Det var INTE min onda plan att locka dig in i min instruerbara (infoga galna vetenskapsman skratta här). Jag ville göra en poäng. Annonseringen för 3D -skrivare och deras komponenter kan vara mycket missvisande. Speciellt på den billiga DIY -marknaden.

Jag ska utforska bara ett fall av detta. Ett vanligt MOSFET -kort som används för att skydda 3D -skrivarens huvudkort mot skador. De används också för att uppgradera en pinter till en mer kraftfull säng med huvud. Generellt med mer utskriftsområde.

Det finns ett halvt dussin olika mönster ute på marknaden. De flesta har dessa gigantiska kylflänsar och ser väldigt imponerande ut. Men det mesta är en gimmick.

Medan vi analyserar en av dessa brädor; Jag ska designa mitt eget. Efter att ha tittat på vad som finns på marknaden bestämde jag mig för att jag kunde göra det bättre. Så jag ska designa en Open Source, Open Capabilities -tavla som och gör jobbet oerhört bra.

Designen jag siktar på är ett 40V 60Amp dubbel MOSFET -kort. Inte 1 kanal utan 2. En för den uppvärmda sängen och en för hotend. Det finns en historia bakom designen. För dig som inte bryr dig om historien bakom tavlan kan du gå direkt till källfilerna för tavlan.

Ki-Cad-källfiler

Tillbehör

Alla fotavtryck för denna bräddesign är lödda för hand.

Verktyg:

• Pincett
• Lödkolv
• Löda
• Snips för elektronik

BOM:

Referenser	Leverantörsnr	Leverantör	Värde	Kvantitet
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	1.99K	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
HOPPARE	10 AWG solid core wire

Steg 1: Hur du får fakta men representerar inte vad du köper

MOSFET -kortet i den bilden är mycket vanligt. Du hittar den på eBay, Ali Express, Amazon och massor av andra ställen. Det är också mycket billigt. För 2 kan du betala så lite som $ 5,00.

Rubriken brukar vara "210 Amp MOSFET". Det är sant att MOSFET är en 210 amp MOSFET. Hela produkten klarar dock bara 25 ampere. Den begränsande faktorn är kretskortet och kontakten.

Som vi kommer att se senare begränsar PCB nog designen ännu mer. Kopparspåren ser inte särskilt tjocka ut.

Så de berättade sanningen om MOSFET men inte om hela produkten.

Det pågår också mycket marknadsföring här. Se den gigantiska kylflänsen. De flesta tror att wow det måste vara en ganska kraftfull del. Sanningen är, om den delen BEHÖVER som kylflänsen MOSFET slösar bort mycket energi. Den energin kunde ha gått till att värma trycksängen. Ett stort kylfläns är inget bra tecken. Men det är vad vi förväntar oss att se på enheter med hög effekt. Det bästa jag kan berätta för den här delen är bara för marknadsföring, minst 25 ampere.

Jag vill designa en produkt som gör sitt jobb bra, är av god kvalitet, låg kostnad och är väldigt rak på sin förmåga.

Steg 2: Kärnan i kretsen: MOSFET

Jag vill att designen ska vara mycket effektiv. Det skulle innebära låg strömförlust över enheten. Så motstånd är min fiende. MOSFET fungerar som ett spänningsstyrt motstånd. Så när de är lediga är deras motstånd väldigt stort. När de är igång är deras motstånd mycket lågt. Det händer faktiskt mycket mer än så. Men för vår diskussion kommer det att vara tillräckligt bra.

Parametern vi bör vara uppmärksam på på MOSFET -databladet är "RDS on".

MOSFET jag valde var AUIRFSA8409-7P tillverkad av Infineon Technologies. Det är värsta fallet RDSon är 690u Ohms. Japp, det var korrekta mikroohm. Men delen är dyr. Runt $ 6,00. för en. Resten av designen kommer att vara mycket billiga komponenter. Att ha en bra design innebär att välja en bra MOSFET. Så, om vi ska splurge är det här området att splurge i.

Här är en länk till databladet

Lägg märke till att denna del är 523Amp MOSFET. Id -strömmen är dock begränsad till 360Amps. Anledningen är tvåfaldig.

1. Delpaketet kan inte avge tillräckligt med värme för att upprätthålla 523 ampere.
2. De har inte tillräckligt med bindningstrådar på munstycket för 625 ampere. Således "Limning begränsad"

Jag ska begränsa designen till 60 ampere. Motståndet är lågt så jag kommer att få riktigt bra effektivitet i ett litet område.

Delen kommer att släppa ut cirka 1,8 Watt vid maxström som dras. (R x I^2) Det termiska motståndet för denna del är 40 grader C/Watt. (klicka här för att förstå vilka beräkningar som görs). Så vid max strömdragning kommer vi att ligga 72 grader över omgivningen. Databladet anger max temperatur för enheten är 175 grader C. Vi är långt under den listan. Men om vi står för en omgivningstemperatur på 25 grader C. Då är vi strax under 100 grader C. Vi kommer att behöva ett litet kylfläns och en fläkt vid full belastning.

Allt detta förutsätter att vi har 15v vid porten. När vi faller under 10v börjar vi verkligen ha värmeproblem.

Effektiviteten kommer att vara (förutsatt 40v) 2400 watt levererat, 1,8W bortkastat. Cirka 99,92%.

Strömförsörjning	Levereras	Förlorat	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 vår exempelprodukt hade en 220Amp MOSFET. Jag har en 523Amp MOSFET och det fåniga blir fortfarande varmt. Min poäng här är att den angivna strömmen inte är en bra indikator på prestanda. En bättre specifikation skulle vara total om motståndet hos brädet och MOSFET. Den här specifikationen ger dig nästan allt du behöver veta.

Steg 3: Andra viktiga komponenter

Normalt använder MOSFET -kortet skrivarens uppvärmda sängutmatning som styrsignal. U11 är en dubbelriktad optokopplare. Denna del har flera syften.

1) Du kan inte leda in ingången fel. Det här är lite dummy -proofing. Huvudkortet kommer antingen att sjunka ström eller inte. Så ingångsutlösaren är baserad på om vi har strömflöde mellan styrkortets uppvärmda sängstift.

2) Isolera högeffektsidan från styrsystemet med låg effekt. Detta gör att du kan använda en högre spänning på den uppvärmda sängen. Till exempel kan du ha en 12 volts styrkort och en 24 volts uppvärmd säng. Grunderna behöver inte vara anslutna (helt isolerade). Du har hela 3750 Vrms av isolering.

3) Fjärrstyr den uppvärmda sängen. Strömförsörjningen, den uppvärmda sängen och MOSFET -kortet kan vara i en helt annan del av skrivaren än styrkortet. Kontrolledningarna är baserade på strömflöde så buller är inget problem. Kortet kan vara ganska långt från kontrollkortet. Tunga kraftledningar är dyra. Att ha alla saker med hög effekt på ett ställe är mycket meningsfullt.

4) Jag kan överdriva porten på MOSFET och sänka RDSon -motståndet ännu mer. Men jag kan inte överstiga 20 volt eller så dör MOSFET. Det är vad Ziner (D11) är till för; att spänna grinden till 15v.

En sista viktig komponent är R12. Detta är ett avblödningsmotstånd. Porten till FET har en kondensator på sig. Alla MOSFETS gör. Ju kraftfullare MOSFET, desto större är kapacitansen. Tumregel. Så när U11 stängs av måste vi ladda ur portkapisistorn. Annars får vi en mycket långsam avstängningstid. Förutom allt detta har U11 lite läckage. Om R12 saknades laddades grindlocket och porten översteg Vgsth och MOSFET slogs på. Detta håller porten neddragen.

Steg 4: Styrelsens design - Det är en av de viktigaste designpunkterna

Ok, nu till PCB -design.

Låt oss börja med några av de enkla besluten. Vad man ska kalla det och vilken färg det ska ha. Ja, marknadsföring. Folk gillar saker som ser snygga ut. Tekniska grejer ska ha rena linjer och se, väl, tekniska. Det andra är att färgen är viktig. Folk verkar associera kraftfulla farliga saker med färgen svart. Tänk swat team vers den lokala polisen. Båda har auktoritet. Men uppriktigt sagt skulle jag hellre dras över av min lokala polis än ett swat -team. Så färgen är svart.

Vad ska man kalla det nu. Eftersom 60 Amps är en oerhört stor MOSFET, tänkte jag att jag skulle kalla det MOSTER FET. Okej jag vet att det är ojämnt. Men jamen jag är ingenjör, inte marknadsföringsproffs. Jag gjorde till och med en cool logotyp. Återigen, jag är ingen marknadsförare.

Det näst viktigaste beslutet för kretskortet är koppartjocklek. Kretskortets spår måste bära hela belastningen på 60 ampere. Så det finns flera saker vi kan göra för att det ska hända. Korta spårlängder, breda bredder och tjockt koppar. Alla dessa saker minskar spårmotståndet.

Tryckt kretskort koppartjocklek anges i uns. Så 1 uns koppar väger 1 uns per 1 kvadratfot. Så, 4 uns koppar skulle vara 4 gånger tjockare. Det skulle också bära 4 gånger strömmen. Efter lite analys upptäckte jag att kostnaden inte stiger linjärt med koppartjocklek. Jag använder PCBWAY: s (här) snabba offert för att bestämma kostnaden för kortet. (det är en av dessa kick back -länkar, hjälper till att fortsätta göra brädor) Om jag byggde tusentals brädor skulle kostnadskurvan platta ut. Men jag är inte.

Koppartjocklek	Kostnad för 10	PCB -storlek
1 oz	$23.00	50 mm x 60 mm
2oz	$50.00
3oz	$205.00
4 oz	$207.00
5 oz	$208.00
6oz	$306.00
7 oz	$347.00
8 oz	$422.00

Det finns också ett problem med tänk kopparskivor. Ju tjockare koppar, desto längre tid tar det att etsa och desto mer detalj tappar du. I grund och botten betyder det att spåravståndet måste vara riktigt brett. Det betyder också att miniumspårbredden är ganska stor. I den här designen har jag råd med det. Jag vill passa två kanaler i samma utrymme som tidigare innehöll en. Så 1oz koppar är det.

Men det kommer att orsaka ett annat problem. 1 uns koppar kommer inte att bära lasten. Min tavla kommer att bli en spektakulärt dyr säkring.

Det finns bara tre spår per kanal som behöver ha en stor strömbelastning. Som du kan se på bilden har jag tagit bort lödmasken på sex spår. Min plan är för löd 12AWG solid core wire på dessa spår. Normalt sett skulle detta inte vara en bra plan. Kostnaden för kartong är dock ute och väger kostnaden för de extra komponenterna. För att inte tala om att koppartråden kommer att behöva skräddarsys och formas; försvårar tillverkning av massproduktion. Kort sagt, jag blir varken känd eller rik.

Det är här vårt exempelkort kan ha ett annat problem. Koppartjockleken på det brädet är mycket tunn. Spåren är breda. Men någon gång hjälper det inte längre. All ström kommer från en enda stift till en enda stift. De bredare spåren möjliggör bättre kylning men du kommer fortfarande att ha några hotspots.

Min plan är att använda alla ytmonterade delar förutom kontakterna. Ytmonterade kontaktdon slits av kortet för lätt. Jag kommer också att använda TX60 -kontakter för ström och den uppvärmda sängen. De används i RC -världen. De är billiga och bär lasten. De är dock lödkoppkopplingar. Kopparna måste fyllas med löd för att uppfylla specifikationerna. Ender -seriens skrivare använder dessa kontakter för sina uppvärmda sängar. Så det här är ett riktigt bra val.

De andra kontakterna jag ska använda är 5 mm skruvplintar. De är billiga och fungerar bra i den här typen av applikationer.

Den lilla kylflänsen som behövs för MOSFET är integrerad i kretskortet. Det här är både en bra och en dålig idé. Det är bra för kostnaden; men om delen blir för varm kommer tavlan att delaminera. Du måste verkligen vara väldigt varm länge för att detta ska hända. För extrema temperaturer skulle en kylfläns av aluminium vara mycket bättre. Mest troligt, om kortet kör 60 ampere, kommer en fläkt att behöva användas. Det är därför kylflänshålen är lite större. För att låta luft passera genom brädan. Jag har gjort det här förut och det fungerar otroligt bra. Men det höjer brädkostnaderna lite. Men det är fortfarande mindre kostnad än en aluminium kylfläns.

Slutligen är varje kanal oberoende. Grunderna och kraftledningarna är inte anslutna, även om de i schematiken har samma nätnamn. På så sätt kan din styrkort vara vid 12v, den uppvärmda sängen vid 24v och till hotend vid 12v. Det ger dig alternativ.

Steg 5: Bygga styrelsen

Jag använder KiCad. Det finns ett plugin för det som skapar en interaktiv BOM. Markera bara raden i BOM och den lyser upp platser där den går. Det är min favorit plug-in för KiCad Plugin genererar en fristående HTML-fil. (HÄR). Så filen är bärbar. Jag använder den på min surfplatta (eller telefon) när jag bygger brädor.

Jag fick brädorna för bara en kort tid sedan. Som du kan se ser den här versionen lite annorlunda ut än de andra sektionerna. Brädorna byggde jag där prototyper (bilden nedan). All designåterkoppling jag fick vid testning gick tillbaka till designen. Om du också märker att R12 och R22 saknas. Jag glömde lägga till ett avblödningsmotstånd. Stort misstag. Hade lite udda operationer lite tills jag såg vad som saknades. Sedan var jag tvungen att "döda bugga" dem på.

Board -designfilen i git -förvaret är den senaste versionen och har alla buggfixar.

Men här är det; i all sin ära. (sätt in Angels sjungande ljudeffekt)

Steg 6: I drift - Beviset på pudding är i ätandet

Jag började testa brädorna. Så det första jag märkte är att lysdioden lyser som solen. Jag förstår att lysdioden inte behöver vara så ljus. Men när det är djupt inne i din skrivare kommer du att tacka mig. Om du naturligtvis inte har en Anet A8. Om så är fallet, ta bara några solglasögon som jag gjorde.

Jag kan nog bara ändra R15 och R25. Men det stora utbudet av matningsspänningar (10v-40v) får mig att tveka.

Jag har en 29V 25Amp Supply. Jag justerade min 24v Meanwell -strömförsörjning till 29v. Jag har också en 400 mm rund uppvärmd säng som är 400Watt vid 24v. Vid 29 volt drar vi exakt 20 ampere. Så 20 Amps är det bästa jag kommer att få.

Mätningen togs från den negativa sidan av J11 och J12. I princip över MOSFET. Men det gjordes vid kontakterna. Där ledningarna ansluts. Kortet sjönk 23mVolt vid 20Amps. Det skulle sätta det totala enhetsmotståndet till 1,15 mOhms. Det är MOSFET, kort och kontakter. Det är riktigt bra om jag säger det själv. (och det var mycket jubel)

Steg 7: sida vid sida

OK, till sist skulle jag vilja säga att min styrelse vinner. Den har allt du kan önska. Här är jämförelsen. Kostnaden för att bygga den här killen är dock alldeles för hög.

Spec	Vanlig MOSFET	MOSTER FET
Max spänning	Okänd	40V
Max Curent	25 ampere	60 ampere
Vändbar utlösare	Ja	Ja
Opto isolerad	Kanske	Ja
Kostnad (2 kanaler)	$12.99	$14.99
Kanaler	1	2

Jag ska låtsas att jag kan bygga tusentals sådana.

Om du ska göra affärer med att sälja 3D -skrivardelar måste du ha en vinstmarginal på 40% eller mer. Det skulle vara bättre om det var mycket högre, men det är det minimum du behöver för att hålla dig flytande. Jag antog en BOM -kostnad på 3,50 dollar och tillverkningskostnaden 3,76 dollar. Jag hade styrelsen citerad på några lokala platser. Om du säljer på Amazon eller E-bay gör de dig 30% i kreditkortsavgifter, PayPal-avgifter och försäljningsavgifter. Lita på mig, det fungerar till 30%. De kommer att berätta annorlunda men allt sagt och gjort jag får 70% av vad som såldes.

Denna bräda behöver vara på $ 15,99 för att verkligen vara livskraftig. DIY -marknaden är dock mycket känslig för pris. Så ställ den till $ 14,99. Du kan alltid sälja mer på monteringsfästen eller kabelsatser.

Den andra saken som du ser här är att den gemensamma styrelsen marknadsförs kraftigt. Massor av DIY -videor som du kan hitta var som helst. DIY -marknaden vill veta att den fungerar och hur den används. Endast cirka 10% av den marknaden försöker något nytt eller är de första som antar. Endast cirka 3% av dem publicerar data eller gör en "HUR ska" -video. Kort sagt är sannolikheten för att sälja 10K -bitar på ett år mycket liten.

Det mesta detta skulle sälja är cirka 100 per år, om du är bra på det. Prispunkten på den nivån är 24,99. BOM är ensam $ 13,00.

Kort sagt, inte en livskraftig produkt. Om jag kunde få ner MOSFET i prisklass på $ 0,75 - $ 1,00 kan det fungera.

Men det var kul att göra. Jag tycker att det är en bättre design, men då gjorde jag det igen.

Njut av styrelsen !!! (HÄR)

Uppdatering:

Jag hittade en MOSFET som kan under $ 1,00. Om du vill ha en helt konstruerad bräda har jag dem på e-bay. (HÄR) eller Sigle -kanalversionen (HÄR)