MOSTER FET - Pilotes de lit chauffant pour imprimante 3d MOSFET 500Amp 40 Volts : 7 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Vous avez probablement cliqué sur cette vache sacrée pensante, 500 AMPS !!!!!. Pour être honnête, la carte MOSFET que j'ai conçue ne pourra pas faire 500 ampères en toute sécurité. Cela pourrait pendant un court instant, juste avant qu'il ne s'enflamme avec excitation.

Cela n'a pas été conçu pour être un tour intelligent. Ce n'était PAS mon plan diabolique de vous attirer dans mon instructable (insérer le savant fou rire ici). Je voulais faire un point. La publicité pour les imprimantes 3D et leurs composants peut être très trompeuse. Surtout sur le marché du bricolage à bas prix.

Je vais explorer un seul cas de cela. Une carte MOSFET commune qui est utilisée pour protéger la carte principale de l'imprimante 3D contre les dommages. Ils sont également utilisés pour mettre à niveau un pinter vers un lit à tête plus puissant. Généralement avec plus de zone d'impression.

Il existe une demi-douzaine de modèles différents sur le marché. La plupart ont ces dissipateurs thermiques géants et sont très impressionnants. Mais la plupart de cela est un gadget.

Pendant que nous analysons l'une de ces planches; Je vais concevoir le mien. Après avoir regardé ce qu'il y avait sur le marché, j'ai décidé que je pouvais faire mieux. Donc, je vais concevoir une carte Open Source, Open Capabilities qui fait extrêmement bien le travail.

La conception que je vise est une double carte MOSFET 40v 60Amp. Pas 1 canal mais 2. Un pour le lit chauffant et un pour le hotend. Il y a une histoire derrière la conception. Pour ceux d'entre vous qui ne se soucient pas de l'histoire derrière le tableau, vous pouvez aller directement aux fichiers sources du tableau.

Fichiers sources Ki-Cad

Fournitures

Toutes les empreintes pour cette conception de carte sont soudées à la main.

Outils:

• Pince à épiler
• Fer à souder
• Souder
• Cisailles pour l'électronique

Nomenclature:

Les références	Numéro de pièce du fournisseur	Le fournisseur	Valeur	Quantité
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	Plaisir d'étincelle	XT-60-M	2
J12, J22	PRT-10474	Plaisir d'étincelle	XT-60-F	2
PULLS	Fil à âme pleine 10 AWG

Étape 1: Comment vous êtes informé des faits mais ne représente pas ce que vous achetez

La carte MOSFET sur cette image est très courante. Vous pouvez le trouver sur eBay, Ali Express, Amazon et bien d'autres endroits. C'est aussi très bon marché. Pour 2, vous pourriez payer aussi peu que 5,00 $.

Le titre est généralement "210 Amp MOSFET". Il est vrai que le MOSFET est un MOSFET de 210 ampères. Cependant, l'ensemble du produit ne peut faire que 25 ampères. Le facteur limitant est le PCB et le connecteur.

Comme nous le verrons plus tard, le PCB limite probablement encore plus la conception. Les traces de cuivre ne semblent pas très épaisses.

Ils vous ont donc dit la vérité sur le MOSFET mais pas sur l'ensemble du produit.

Il y a aussi beaucoup de marketing en cours ici. Voir ce radiateur géant. La plupart des gens pensent que wow, cela doit être une partie assez puissante. La vérité est que si cette partie A BESOIN de ce dissipateur thermique, le MOSFET gaspille beaucoup d'énergie. Cette énergie aurait pu être utilisée pour chauffer le lit d'impression. Un grand dissipateur de chaleur n'est pas bon signe. Mais c'est ce que nous nous attendons à voir sur les appareils à haute puissance. Le mieux que je puisse dire de cette partie est juste pour le marketing, au moins à 25 ampères.

Je veux concevoir un produit qui fait bien son travail, qui soit de bonne qualité, à faible coût et qui soit très simple quant à ses capacités.

Étape 2: Le cœur du circuit: le MOSFET

Je veux que la conception soit très efficace. Cela signifierait une faible perte de puissance à travers l'appareil. La résistance est donc mon ennemi. Les MOSFET agissent comme une résistance commandée en tension. Donc quand ils sont éteints, leur résistance est très grande. Lorsqu'ils sont allumés, leur résistance est très faible. Il se passe en fait beaucoup plus que cela. Cependant, pour notre discussion, ce sera suffisant.

Le paramètre auquel nous devons prêter attention sur la fiche technique du MOSFET est "RDS activé".

Le MOSFET que j'ai choisi était le AUIRFSA8409-7P fabriqué par Infineon Technologies. Dans le pire des cas, RDSon est de 690u Ohms. Oui, c'était des micro ohms corrects. Mais la pièce est chère. Environ 6,00 $. pour un. Le reste de la conception sera des composants très bon marché. Avoir une bonne conception signifie choisir un bon MOSFET. Donc, si nous allons faire des folies, c'est le domaine dans lequel faire des folies.

Voici un lien vers la fiche technique

Notez que cette partie est un MOSFET 523Amp. Cependant, le courant Id est limité à 360Amps. La raison est double.

1. L'ensemble de pièces ne peut pas dissiper suffisamment de chaleur pour supporter 523 ampères.
2. Ils n'ont pas assez de fils de liaison sur la matrice pour 625 ampères. Ainsi « Liaison limitée »

Je vais limiter la conception à 60 ampères. La résistance est faible donc j'obtiendrai une très grande efficacité dans une petite zone.

La pièce va dissiper environ 1,8 watts au courant maximum consommé. (R x I^2) La résistance thermique de cette pièce est de 40 deg C/Watt. (cliquez ici pour comprendre quels calculs sont effectués). Ainsi, à la consommation de courant maximale, nous serons à 72 degrés au-dessus de la température ambiante. La fiche technique spécifie que la température maximale de l'appareil est de 175 °C. Nous sommes bien en dessous de cette liste. Cependant, si nous tenons compte d'une température ambiante de 25 degrés C. Nous sommes alors à un peu moins de 100 degrés C. Nous aurons besoin d'un petit dissipateur thermique et d'un ventilateur à pleine charge.

Tout cela suppose que nous avons 15v à la porte. Une fois que nous descendons en dessous de 10v, nous commençons vraiment à avoir des problèmes de chauffage.

L'efficacité sera (en supposant 40v) 2400 watts délivrés, 1,8 watts gaspillés. Environ 99,92 %.

Source de courant	Livré	Perdu	Efficacité
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Notre exemple de produit avait donc un MOSFET de 220 ampères. J'ai un MOSFET 523Amp et la chose idiote est toujours en train de chauffer. Mon point ici est que le courant spécifié n'est pas un bon indicateur de la performance. Une meilleure spécification serait la résistance totale de la carte et du MOSFET. Cette seule spécification vous donne presque tout ce que vous devez savoir.

Étape 3: Autres composants clés

En règle générale, la carte MOSFET utilise la sortie du lit chauffé de l'imprimante comme signal de commande. U11 est un optocoupleur bidirectionnel. Cette partie a plusieurs objectifs.

1) Vous ne pouvez pas mal câbler l'entrée. C'est un peu d'épreuve factice. La carte principale coulera ou non du courant. Ainsi, le déclencheur d'entrée est basé sur le fait que nous ayons ou non un flux de courant entre les broches du lit chauffant de la carte de commande.

2) Isolez le côté haute puissance de la carte de commande basse puissance. Cela vous permettra d'utiliser une tension plus élevée sur le lit chauffant. Par exemple, vous pouvez avoir un tableau de commande 12 volts et un lit chauffant 24 volts. Les masses n'ont pas besoin d'être connectées (complètement isolées). Vous avez un énorme 3750 Vrms d'isolement.

3) Contrôler à distance le lit chauffant. L'alimentation, le lit chauffant et la carte MOSFET peuvent se trouver dans une section complètement différente de l'imprimante par rapport à la carte de commande. Les lignes de contrôle sont basées sur le flux de courant, donc le bruit n'est pas un problème. Le tableau peut être assez éloigné du tableau de commande. Les fils électriques lourds sont chers. Avoir tous les trucs à haute puissance en un seul endroit a beaucoup de sens.

4) Je peux surcharger la grille du MOSFET et abaisser encore plus la résistance RDSon. Mais je ne peux pas dépasser 20 volts ou le MOSFET meurt. C'est à cela que sert le Ziner (D11); pour serrer le portail à 15v.

Un dernier composant important est R12. Il s'agit d'une résistance de purge. La grille du FET a un condensateur dessus. Tous les MOSFET le font. Plus le MOSFET est puissant, plus la capacité est grande. En règle générale. Ainsi, lorsque U11 s'éteint, nous devons décharger ce condensateur de porte. Sinon, nous obtiendrons un temps d'arrêt très lent. En plus de tout cela, U11 a un peu de fuite. Si R12 manquait, le capuchon de la porte se chargerait et la porte dépasserait Vgsth et le MOSFET s'allumerait. Cela maintient la porte baissée.

Étape 4: La conception de la carte - C'est l'un des points de conception les plus importants

Ok, passons maintenant à la conception de PCB.

Commençons par quelques-unes des décisions simples. Comment l'appeler et de quelle couleur il devrait être. Oui, commercialisation. Les gens aiment les choses qui ont l'air bien. Les trucs techniques doivent avoir des lignes épurées et avoir l'air, eh bien, techniques. L'autre chose est que la couleur est importante. Les gens semblent associer des choses puissantes et dangereuses à la couleur noire. Pensez à l'équipe swat plutôt qu'à la police locale. Les deux ont de l'autorité. Mais franchement, je préférerais être arrêté par mon flic local plutôt qu'une équipe swat. La couleur est donc noire.

Maintenant comment l'appeler. Parce que 60 ampères est un MOSFET monstrueusement grand, j'ai pensé que je l'appellerais MOSTER FET. Ok, je sais que c'est ringard. Mais bon sang, Jim, je suis un ingénieur, pas un professionnel du marketing. J'ai même fait un logo sympa. Encore une fois, je ne suis pas un professionnel du marketing.

La prochaine décision la plus importante pour le circuit imprimé est l'épaisseur du cuivre. Les pistes du circuit imprimé doivent supporter la pleine charge de 60 ampères. Il y a donc plusieurs choses que nous pouvons faire pour que cela se produise. Longueurs de trace courtes, larges largeurs et cuivre épais. Toutes ces choses réduisent la résistance des traces.

L'épaisseur du cuivre des circuits imprimés est spécifiée en onces. Ainsi, 1 once de cuivre pèse 1 once pour 1 pied carré. Ainsi, 4 onces de cuivre seraient 4 fois plus épais. Il transporterait également 4 fois le courant. Après avoir fait quelques analyses, j'ai découvert que le coût n'augmente pas linéairement avec l'épaisseur du cuivre. J'utilise le devis rapide de PCBWAY (ici) pour déterminer le coût de la carte. (c'est l'un de ces liens de retour, aide à continuer à faire des planches) Si je construisais des milliers de planches, la courbe des coûts s'aplatirait. Mais je ne suis pas.

Épaisseur de cuivre	Coût pour 10	Taille du PCB
1 once	$23.00	50 mm x 60 mm
2 oz	$50.00
3 onces	$205.00
125 grammes	$207.00
5 onces	$208.00
6 onces	$306.00
7 onces	$347.00
8 onces	$422.00

Il y a aussi un problème avec les cartes en cuivre. Plus le cuivre est épais, plus le temps de gravure est long et plus vous perdez de détails. Fondamentalement, cela signifie que l'espacement des traces doit être très large. Cela signifie également que la largeur de trace minimale est assez grande. Dans cette conception, je peux me le permettre. Je souhaite installer deux canaux dans le même espace qui en contenait un auparavant. Donc 1 once de cuivre c'est.

Cependant, cela va causer un autre problème. 1 once de cuivre ne supportera pas la charge. Ma planche sera un fusible incroyablement cher.

Il n'y a que trois traces par canal qui doivent avoir une charge de courant élevée. Comme vous pouvez le voir sur la photo, j'ai retiré le masque de soudure sur six traces. Mon plan est de souder trop de fil à âme pleine 12AWG sur ces traces. Normalement, ce ne serait pas un bon plan. Cependant, le coût de la carte dépasse le coût des composants supplémentaires. Sans oublier que le fil de cuivre devra être coupé et formé sur mesure; rendant difficile la fabrication en série. Bref, je ne deviendrai ni célèbre ni riche.

C'est là que notre exemple de tableau peut avoir un autre problème. L'épaisseur de cuivre sur cette carte est très mince. Les traces sont larges. Mais à un moment donné, cela n'aide plus. Tout le courant vient d'une seule broche à une seule broche. Les traces plus larges permettent un meilleur refroidissement mais vous aurez toujours des points chauds.

Mon plan est d'utiliser toutes les pièces de montage en surface, à l'exception des connecteurs. Les connecteurs à montage en surface s'arrachent trop facilement de la carte. Je vais également utiliser des connecteurs TX60 pour l'alimentation et le lit chauffant. Ils sont utilisés dans le monde RC. Ils sont peu coûteux et supportent la charge. Cependant, ce sont des connecteurs à coupelle à souder. Les coupelles devront être remplies de soudure pour répondre aux spécifications. Les imprimantes de la série ender utilisent ces connecteurs pour leurs lits chauffants. C'est donc un très bon choix.

Les autres connecteurs que je vais utiliser sont des bornes à vis de 5 mm. Ils sont peu coûteux et fonctionnent bien dans ce genre d'application.

Le petit dissipateur thermique nécessaire au MOSFET est intégré au circuit imprimé. C'est à la fois une bonne et une mauvaise idée. C'est bon pour le coût; cependant, si la pièce devient trop chaude, la planche se décollera. Il faut vraiment avoir très chaud pendant longtemps pour que cela se produise. Pour des températures extrêmes, un dissipateur thermique en aluminium serait bien meilleur. Très probablement, si la carte fonctionne à 60 ampères, un ventilateur devra être utilisé. C'est pourquoi les trous du radiateur sont un peu plus grands. Pour laisser passer l'air à travers la planche. Je l'ai déjà fait et ça marche incroyablement bien. Mais cela augmente un peu les frais de conseil. Mais c'est toujours moins cher qu'un dissipateur thermique en aluminium.

Enfin, chaque canal est indépendant. Les masses et les lignes électriques ne sont pas connectées, même si, dans le schéma, elles ont le même nom de réseau. De cette façon, votre tableau de commande pourrait être à 12v, le lit chauffant à 24v et le hotend à 12v. Il vous donne des options.

Étape 5: Construire le tableau

J'utilise KiCad. Il existe un plugin pour cela qui crée une nomenclature interactive. Il suffit de mettre en surbrillance la ligne dans la nomenclature et elle éclaire les endroits où elle va. C'est mon plug-in préféré pour KiCad Le plug-in génère un fichier HTML autonome. (ICI). Le fichier est donc portable. Je l'utilise sur ma tablette (ou mon téléphone) lorsque je construis des cartes.

J'ai reçu les planches il y a peu de temps. Comme vous pouvez le voir, cette version est un peu différente des autres sections. Les planches que j'ai construites étaient des prototypes (photo ci-dessous). Tous les retours sur la conception que j'ai reçus pendant les tests ont été réintégrés dans la conception. Si vous remarquez également que R12 et R22 sont manquants. J'ai oublié d'ajouter une résistance de purge. Grosse erreur. J'ai eu une opération étrange pendant un moment jusqu'à ce que je voie ce qui manquait. Ensuite, j'ai dû les "insectes morts" dessus.

Le fichier de conception de carte dans le référentiel git est la dernière version et contient toutes les corrections de bogues.

Mais voilà; dans toute sa gloire. (insérer l'effet sonore du chant des anges)

Étape 6: En fonctionnement - la preuve du pudding est dans le fait de manger

J'ai commencé à tester les planches. Donc, la première chose que j'ai remarquée, c'est que la LED brille comme le soleil. Oui, je comprends, la LED n'a pas besoin d'être aussi brillante. Mais quand c'est au fond de votre imprimante, vous me remercierez. A moins bien sûr que vous ayez un Anet A8. Si tel est le cas, mettez simplement des lunettes de soleil comme je l'ai fait.

Je pourrais probablement juste changer R15 et R25. Mais la large gamme de tensions d'alimentation (10v-40v) me fait hésiter.

J'ai une alimentation 29V 25Amp. J'ai ajusté mon alimentation 24v Meanwell à 29v. J'ai aussi un lit chauffant rond de 400 mm qui fait 400 watts à 24v. À 29 volts, nous tirerons exactement 20 ampères. Donc 20 ampères est le meilleur que je puisse obtenir.

La mesure a été prise du côté négatif de J11 et J12. Fondamentalement à travers le MOSFET. Mais cela a été fait au niveau des connecteurs. Où les fils se branchent. La carte a chuté de 23mVolts à 20Amps. Cela mettrait la résistance totale de l'appareil à 1,15 mOhms. C'est le MOSFET, la carte et les connecteurs. C'est vraiment bien si je le dis moi-même. (et il y avait beaucoup de jubilation)

Étape 7: le côte à côte

OK, en fin de compte, je voudrais dire que mon conseil d'administration gagne. Il a tout ce que vous pourriez souhaiter. Voici la comparaison. Cependant, le coût de construction de ce type est tout simplement trop élevé.

Spécification	MOSFET commun	MOSTER FET
Tension maximale	Inconnu	40V
Courant maximum	25 ampères	60 ampères
Gâchette réversible	Oui	Oui
Opto isolé	Peut-être	Oui
Coût (2 canaux)	$12.99	$14.99
Canaux	1	2

Je vais prétendre que je peux en construire des milliers.

Si vous envisagez de créer une entreprise de vente de pièces d'imprimantes 3D, vous devez disposer d'une marge bénéficiaire de 40% ou plus. Ce serait mieux si c'était beaucoup plus haut, mais c'est le minimum dont vous avez besoin pour rester à flot. J'ai supposé un coût de nomenclature de 3,50 $ et un coût de fabrication de 3,76 $. J'ai fait citer le conseil à quelques endroits locaux. Si vous vendez sur Amazon ou E-bay, ils vous font perdre 30% en frais de carte de crédit, en frais PayPal et en frais de vente. Croyez-moi, cela revient à 30%. Ils vous diront le contraire, mais tout compte fait, je reçois 70% de tout ce qui a été vendu.

Cette carte doit être à 15,99 $ pour être vraiment viable. Cependant, le marché du bricolage est très sensible au prix. Réglez-le donc à 14,99 $. Vous pouvez toujours vendre des supports de montage ou des kits de câblage.

L'autre chose que vous voyez ici est que la carte commune est fortement commercialisée. Beaucoup de vidéos de bricolage que vous pouvez trouver n'importe où. Le marché du bricolage veut savoir que cela fonctionne et comment l'utiliser. Seulement 10 % environ de ce marché essaient quelque chose de nouveau ou sont les premiers à adopter. Seulement environ 3% d'entre eux publient des données ou font une vidéo "COMMENT FAIRE". En bref, la probabilité de vendre 10 000 pièces en un an est très faible.

Le maximum que cela vendrait est d'environ 100 par an, si vous êtes bon dans ce domaine. Le prix à ce niveau est de 24,99. La nomenclature seule est de 13,00 $.

Bref, pas un produit viable. Si je pouvais faire baisser le MOSFET dans une fourchette de prix de 0,75 $ à 1,00 $, cela pourrait fonctionner.

Mais c'était amusant à faire. Je pense que c'est un meilleur design, mais là encore je l'ai fait.

Profitez de la planche !!! (ICI)

Mettre à jour:

J'ai trouvé un MOSFET capable de moins de 1,00 $. Si vous voulez une carte entièrement construite, je les ai sur e-bay. (ICI) ou la version canal Sigle (ICI)