MOSTER FET - Controladores de cama con calefacción de impresora 3d MOSFET dual de 500 A y 40 voltios: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Probablemente hizo clic en esta vaca sagrada pensante, 500 AMPS !!!!!. Para ser honesto, la placa MOSFET que diseñé no podrá hacer 500 amperios de manera segura. Podría ser por un momento, justo antes de que estallara en llamas con entusiasmo.

Esto no fue diseñado para ser un truco inteligente. NO fue mi malvado plan atraerte a mi instructable (inserta la risa de científico loco aquí). Quería hacer un punto. La publicidad de las impresoras 3D y sus componentes puede ser muy engañosa. Especialmente en el mercado de bricolaje de bajo costo.

Voy a explorar solo un caso de esto. Una placa MOSFET común que se utiliza para proteger la placa principal de la impresora 3D de daños. También se utilizan para actualizar una pinza a una cama con cabecera más potente. Generalmente con más área de impresión.

Hay media docena de diseños diferentes en el mercado. La mayoría tiene estos disipadores de calor gigantes y se ven muy impresionantes. Pero la mayor parte de eso es un truco.

Mientras analizamos uno de estos tableros; Voy a diseñar el mío propio. Después de ver lo que hay en el mercado, decidí que podía hacerlo mejor. Entonces, voy a diseñar una placa de capacidades abiertas de código abierto que hace el trabajo muy bien.

El diseño al que me dirijo es una placa MOSFET dual de 40v 60Amp. No 1 canal sino 2. Uno para la cama caliente y otro para el hotend. Hay una historia detrás del diseño. Para aquellos de ustedes a quienes no les importa la historia detrás del tablero, pueden ir directamente a los archivos fuente del tablero.

Archivos de origen Ki-Cad

Suministros

Todas las huellas para este diseño de placa están soldadas a mano.

Instrumentos:

• Pinzas
• Soldador
• Soldar
• Tijeras para electrónica

Lista de materiales:

Referencias	Número de pieza del proveedor	Proveedor	Valor	Cantidad
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 mil	2
R13, R23	RMCF1210JT2K00TR-ND	Digi-Key	1,99 mil	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
SALTADORES	Alambre de núcleo sólido de 10 AWG

Paso 1: cómo se le dan los hechos, pero no representa lo que está comprando

La placa MOSFET en esa imagen es muy común. Puede encontrarlo en eBay, Ali Express, Amazon y muchos otros lugares. También es muy económico. Por 2, podría pagar tan solo $ 5,00.

El título suele ser "MOSFET de 210 amperios". Es cierto que el MOSFET es un MOSFET de 210 amperios. Sin embargo, todo el producto solo puede funcionar con 25 amperios. El factor limitante es la placa de circuito impreso y el conector.

Como veremos más adelante, la PCB probablemente limita aún más el diseño. Las huellas de cobre no parecen muy gruesas.

Entonces te dijeron la verdad sobre el MOSFET pero no sobre todo el producto.

También se está haciendo mucho marketing aquí. Mira ese disipador de calor gigante. La mayoría de la gente piensa que debe ser una parte muy poderosa. La verdad es que si esa parte NECESITA ese disipador de calor, el MOSFET está desperdiciando mucha energía. Esa energía podría haberse destinado a calentar la cama de impresión. Un disipador de calor grande no es una buena señal. Pero es lo que esperamos ver en dispositivos de alta potencia. Lo mejor que puedo decir de esta parte es solo para marketing, al menos a 25 amperios.

Quiero diseñar un producto que haga bien su trabajo, sea de buena calidad, de bajo costo y sea muy directo sobre sus capacidades.

Paso 2: El núcleo del circuito: el MOSFET

Quiero que el diseño sea muy eficiente. Eso significaría una pérdida de energía baja en todo el dispositivo. Entonces la resistencia es mi enemiga. Los MOSFET actúan como una resistencia controlada por voltaje. Entonces, cuando están apagados, su resistencia es muy grande. Cuando están encendidos, su resistencia es muy baja. En realidad, están sucediendo muchas más cosas que eso. Sin embargo, para nuestra discusión será lo suficientemente bueno.

El parámetro al que debemos prestar atención en la hoja de datos del MOSFET es "RDS activado".

El MOSFET que seleccioné fue el AUIRFSA8409-7P fabricado por Infineon Technologies. En el peor de los casos, RDSon es de 690u ohmios. Sí, eso fue correcto en micro ohmios. Pero la pieza es cara. Alrededor de $ 6,00. para uno. El resto del diseño serán componentes muy económicos. Tener un buen diseño significa elegir un buen MOSFET. Entonces, si vamos a derrochar, esta es el área en la que derrochar.

Aquí hay un enlace a la hoja de datos

Tenga en cuenta que esta parte es 523Amp MOSFET. Sin embargo, la corriente Id está limitada a 360Amps. La razón es doble.

1. El paquete de piezas no puede disipar suficiente calor para sostener 523 amperios.
2. No tienen suficientes cables de unión en el dado para 625 amperios. Por lo tanto, "Vinculación limitada"

Voy a limitar el diseño a 60 amperios. La resistencia es baja, por lo que obtendré una gran eficiencia en un área pequeña.

La pieza se disipará aproximadamente 1.8Watts a la corriente máxima consumida. (R x I ^ 2) La resistencia térmica de esta pieza es de 40 grados C / Watt. (haga clic aquí para comprender qué cálculos se están realizando). Entonces, en el consumo máximo de corriente, estaremos a 72 grados por encima de la temperatura ambiente. La hoja de datos especifica que la temperatura máxima para el dispositivo es de 175 grados C. Estamos muy por debajo de esa lista. Sin embargo, si tenemos en cuenta una temperatura ambiente de 25 grados C. Entonces estamos un poco menos de 100 grados C. Vamos a necesitar un pequeño disipador de calor y un ventilador a plena carga.

Todo esto supone que tenemos 15v en la puerta. Una vez que caemos por debajo de 10v, realmente comenzamos a tener problemas de calefacción.

La eficiencia será (asumiendo 40v) 2400 vatios entregados, 1.8 vatios desperdiciados. Aproximadamente el 99,92%.

Fuente de alimentación	Entregado	Perdido	Eficiencia
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Entonces, nuestro producto de ejemplo tenía un MOSFET de 220 amperios. Tengo un MOSFET de 523Amp y la tontería todavía se está calentando. Mi punto aquí es que la corriente especificada no es un gran indicador del rendimiento. Una mejor especificación sería la resistencia total de la placa y el MOSFET. Esta única especificación le brinda casi todo lo que necesita saber.

Paso 3: otros componentes clave

Normalmente, la placa MOSFET utiliza la salida de la cama caliente de la impresora como señal de control. U11 es un optoacoplador bidireccional. Esta parte tiene varios propósitos.

1) No puede mal cablear la entrada. Esto es un poco de prueba ficticia. La placa principal se hundirá o no. Entonces, el disparador de entrada se basa en si tenemos o no flujo de corriente entre los pines de la cama calentada del tablero de control.

2) Aísle el lado de alta potencia del tablero de control de baja potencia. Esto le permitirá usar un voltaje más alto en la cama calentada. Por ejemplo, puede tener un tablero de control de 12 voltios y una cama con calefacción de 24 voltios. Los terrenos no necesitan estar conectados (completamente aislados). Tienes la friolera de 3750 Vrms de aislamiento.

3) Controle de forma remota la cama caliente. La fuente de alimentación, la cama caliente y el tablero MOSFET pueden estar en una sección de la impresora completamente diferente del tablero de control. Las líneas de control se basan en el flujo de corriente, por lo que el ruido no es un problema. La placa podría estar bastante lejos de la placa de control. Los cables de alta potencia son caros. Tener todas las cosas de alta potencia en un solo lugar tiene mucho sentido.

4) Puedo sobrepasar la puerta del MOSFET y bajar aún más la resistencia RDSon. Pero no puedo exceder los 20 voltios o el MOSFET muere. Para eso sirve el Ziner (D11); para sujetar la cancela a 15v.

Un último componente importante es el R12. Esta es una resistencia de purga. La puerta del FET tiene un condensador. Todos los MOSFETS lo hacen. Cuanto más potente es el MOSFET, mayor es la capacitancia. Como una regla de oro. Entonces, cuando U11 se apaga, necesitamos descargar ese capisistor de puerta. De lo contrario, obtendremos un tiempo de apagado muy lento. Además de todo eso, el U11 tiene algunas fugas. Si faltaba R12, la tapa de la puerta se cargaría y la puerta superaría Vgsth y el MOSFET se encendería. Esto mantiene la puerta bajada.

Paso 4: El diseño de la placa: es uno de los puntos de diseño más importantes

Bien, ahora pasemos al diseño de PCB.

Comencemos con algunas de las decisiones simples. Cómo llamarlo y de qué color debería ser. Sí, marketing. A la gente le gustan las cosas que se ven bonitas. Las cosas técnicas deben tener líneas limpias y verse, bueno, técnicas. La otra cosa es que el color es importante. La gente parece asociar cosas poderosas y peligrosas con el color negro. Piense en el equipo swat frente a la policía local. Ambos tienen autoridad. Pero, francamente, preferiría que me detuviera mi policía local que un equipo SWAT. Entonces el color es negro.

Ahora como llamarlo. Debido a que 60 Amps es un MOSFET monstruosamente grande, pensé que lo llamaría MOSTER FET. Ok, sé que es cursi. Pero, maldita sea Jim, soy un ingeniero, no un profesional de marketing. Incluso hice un logo genial. Una vez más, no soy un profesional del marketing.

La siguiente decisión más importante para la placa de circuito es el espesor del cobre. Las trazas de la placa de circuito deben soportar la carga completa de 60 amperios. Entonces, hay varias cosas que podemos hacer para que eso suceda. Longitudes de trazas cortas, anchos anchos y cobre grueso. Todas estas cosas reducen la resistencia a los rastros.

El espesor de cobre de la placa de circuito impreso se especifica en onzas. Entonces, 1 onza de cobre pesa 1 onza por 1 pie cuadrado. Entonces, 4 onzas de cobre serían 4 veces más gruesas. También llevaría 4 veces la corriente. Después de hacer un análisis, descubrí que el costo no aumenta linealmente con el espesor del cobre. Utilizo la cotización rápida de PCBWAY (aquí) para determinar el costo de la placa. (ese es uno de esos enlaces de retroceso, que ayuda a seguir haciendo tableros) Si estuviera construyendo miles de tableros, la curva de costos se aplanaría. Pero yo no.

Espesor de cobre	Costo por 10	Tamaño de PCB
1 onza	$23.00	50 mm x 60 mm
2 onzas	$50.00
3 onzas	$205.00
4 onzas	$207.00
5 oz	$208.00
6 onzas	$306.00
7 oz	$347.00
8 oz	$422.00

También hay un problema con los tableros de cobre Think. Cuanto más grueso sea el cobre, más tiempo tardará en grabarse y más detalles perderá. Básicamente, esto significa que el espaciado de las trazas debe ser realmente amplio. También significa que el ancho mínimo de la traza es bastante grande. En este diseño, puedo permitirme eso. Quiero colocar dos canales en el mismo espacio que anteriormente tenía uno. Así que 1 oz de cobre es.

Sin embargo, eso va a causar otro problema. 1 onza de cobre no soportará la carga. Mi tablero será un fusible espectacularmente caro.

Solo hay tres trazas por canal que deben tener una gran carga de corriente. Como puede ver en la imagen, he eliminado la máscara de soldadura en seis trazos. Mi plan es soldar demasiado alambre de núcleo sólido 12AWG en esos rastros. Normalmente, este no sería un gran plan. Sin embargo, el costo de la placa supera el costo de los componentes adicionales. Sin mencionar que el alambre de cobre deberá cortarse y formarse a la medida; dificultando la producción en masa. En resumen, no seré ni famoso ni rico.

Aquí es donde nuestra placa de ejemplo puede tener otro problema. El espesor de cobre en esa placa es muy delgado. Las huellas son amplias. Pero en algún momento eso ya no ayuda. Toda la corriente proviene de un solo pin a un solo pin. Los trazos más anchos permiten un mejor enfriamiento, pero aún tendrá algunos puntos calientes.

Mi plan es utilizar todas las piezas de montaje en superficie excepto los conectores. Los conectores de montaje en superficie se arrancan de la placa con demasiada facilidad. También voy a utilizar conectores TX60 para la alimentación y la cama con calefacción. Se utilizan en el mundo RC. Son económicos y soportan la carga. Sin embargo, son conectores de copa de soldadura. Las copas deberán llenarse con soldadura para cumplir con las especificaciones. Las impresoras de la serie ender utilizan estos conectores para sus camas térmicas. Así que esta es una muy buena elección.

Los otros conectores que voy a utilizar son terminales de tornillo de 5 mm. Son económicos y funcionan bien en este tipo de aplicación.

El pequeño disipador de calor necesario para el MOSFET está integrado en la placa de circuito. Esta es una buena idea y una mala. Es bueno para el costo; sin embargo, si la pieza se calienta demasiado, la placa se deslaminará. Realmente necesitas estar muy caliente durante mucho tiempo para que esto suceda. Para temperaturas extremas, un disipador de calor de aluminio sería mucho mejor. Lo más probable es que, si la placa funciona con 60 amperios, será necesario utilizar un ventilador. Por eso los orificios del disipador de calor son un poco más grandes. Dejar pasar el aire por el tablero. He hecho esto antes y funciona increíblemente bien. Pero la tabla sube un poco los costos. Pero aún es menos costoso que un disipador de calor de aluminio.

Por último, cada canal es independiente. Las tierras y las líneas eléctricas no están conectadas, aunque en el esquema tienen el mismo nombre de red. De esta manera, su tablero de control podría estar a 12v, la cama con calefacción a 24v y el fusible a 12v. Te da opciones.

Paso 5: construcción del tablero

Estoy usando KiCad. Hay un complemento que crea una lista de materiales interactiva. Simplemente resalte la línea en la lista de materiales y se iluminarán los lugares a los que va. Es mi complemento favorito para KiCad. El complemento genera un archivo HTML autónomo. (AQUÍ). Entonces el archivo es portátil. Lo uso en mi tableta (o teléfono) cuando estoy construyendo tableros.

Recibí las tablas hace poco tiempo. Como puede ver, esta versión se ve un poco diferente de las otras secciones. Las tablas que construí eran prototipos (en la foto de abajo). Todos los comentarios sobre el diseño que obtuve durante las pruebas volvieron al diseño. Si también nota que faltan R12 y R22. Olvidé agregar una resistencia de purga. Gran error. Tuve una operación extraña por un tiempo hasta que vi lo que faltaba. Luego tuve que ponerles un "insecto muerto".

El archivo de diseño de la placa en el repositorio de git es la última versión y tiene todas las correcciones de errores.

Pero aquí está; en toda su gloria. (inserte el efecto de sonido del canto de Ángeles)

Paso 6: En funcionamiento: la prueba del pudín está en la ingestión

Empecé a probar las tablas. Entonces, lo primero que noté es que el LED brilla como el sol. Ya lo entiendo, el LED no necesita ser tan brillante. Pero cuando esté en lo más profundo de tu impresora, me lo agradecerás. A menos que, por supuesto, tenga un Anet A8. Si ese es el caso, simplemente use unas gafas de sol como lo hice yo.

Probablemente podría simplemente cambiar R15 y R25. Pero la amplia gama de voltajes de suministro (10v-40v) me hace dudar.

Tengo una fuente de 29V 25Amp. Ajusté mi fuente de alimentación Meanwell de 24v a 29v. También tengo una cama redonda con calefacción de 400 mm que es de 400 vatios a 24 v. A 29 voltios, consumiremos exactamente 20 amperios. Así que 20 amperios es lo mejor que voy a conseguir.

La medición se tomó del lado negativo de J11 y J12. Básicamente a través del MOSFET. Pero se hizo en los conectores. Donde se enchufan los cables. La placa bajó 23mVoltios a 20Amps. Eso pondría la resistencia total del dispositivo en 1,15 mOhms. Eso es el MOSFET, la placa y los conectores. Eso es realmente bueno si lo digo yo mismo. (y hubo mucho júbilo)

Paso 7: El lado a lado

Bien, al final me gustaría decir que mi Junta gana. Tiene todo lo que pueda desear. Aquí está la comparación. Sin embargo, el costo de construir este tipo es demasiado alto.

Especificaciones	MOSFET común	FET MOSTER
Voltaje máximo	Desconocido	40V
Max Curent	25 amperios	60 amperios
Gatillo reversible	sí	sí
Opto aislado	Quizás	sí
Costo (2 canales)	$12.99	$14.99
Canales	1	2

Voy a fingir que puedo construir miles de estos.

Si va a hacer un negocio vendiendo piezas de impresoras 3D, debe tener un margen de beneficio del 40% o más. Sería mejor si fuera mucho más alto, pero ese es el mínimo que necesita para mantenerse a flote. Supuse un costo de lista de materiales de $ 3.50 y un costo de fabricación de $ 3.76. Hice cotizar la junta en algunos lugares locales. Si vende en Amazon o E-bay, le cobran un 30% en tarifas de tarjetas de crédito, tarifas de PayPal y tarifas de ventas. Créame, funciona al 30%. Te dirán diferente, pero todo dicho y hecho, obtengo el 70% de lo que se vendió.

Esta placa debe tener un precio de $ 15,99 para ser realmente viable. Sin embargo, el mercado del bricolaje es muy sensible al precio. Así que configúrelo en $ 14,99. Siempre puede aumentar las ventas en soportes de montaje o kits de cableado.

La otra cosa que ve aquí es que la placa común se comercializa mucho. Muchos videos de bricolaje que puedes encontrar en cualquier lugar. El mercado del bricolaje quiere saber si funciona y cómo usarlo. Solo alrededor del 10% de ese mercado prueba algo nuevo o son los primeros en adoptar. Solo alrededor del 3% de ellos publica algún dato o hace un video de "CÓMO HACERLO". En resumen, la probabilidad de vender 10.000 piezas en un año es muy pequeña.

Lo máximo que se vendería es alrededor de 100 por año, si eres bueno en eso. El precio en ese nivel es 24,99. La lista de materiales solo es de $ 13,00.

En resumen, no es un producto viable. Si pudiera bajar el MOSFET en un rango de precios de $ 0,75 a $ 1,00, podría funcionar.

Pero fue divertido de hacer. Creo que es un mejor diseño, pero de nuevo lo hice.

¡Disfruta de la tabla! (AQUÍ)

Actualizar:

Encontré un MOSFET que cuesta menos de $ 1.00. Si quieres una placa completamente construida, la tengo en e-bay. (AQUÍ) o la versión del canal Sigle (AQUÍ)