MOSTER FET - Dual 500Amp 40 Volt MOSFET 3D-Drucker-Heizbetttreiber - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Du hast wahrscheinlich auf diese denkende heilige Kuh geklickt, 500 Ampere!!!!. Um ehrlich zu sein, kann die von mir entworfene MOSFET-Platine nicht sicher 500 Ampere leisten. Es könnte für kurze Zeit sein, kurz bevor es aufgeregt in Flammen aufgeht.

Dies war nicht als schlauer Trick gedacht. Es war NICHT mein böser Plan, Sie in mein anweisbares zu locken (verrücktes Wissenschaftlerlachen hier einfügen). Ich wollte einen Punkt machen. Die Werbung für 3D-Drucker und deren Komponenten kann sehr irreführend sein. Vor allem im Low-Cost-Baumarkt.

Ich werde nur einen Fall davon untersuchen. Eine übliche MOSFET-Platine, die verwendet wird, um die Hauptplatine des 3D-Druckers vor Beschädigungen zu schützen. Sie werden auch verwendet, um einen Pinter zu einem leistungsstärkeren Kopfbett aufzurüsten. Generell mit mehr Druckfläche.

Es gibt ein halbes Dutzend verschiedener Designs auf dem Markt. Die meisten haben diese riesigen Kühlkörper und sehen sehr beeindruckend aus. Aber das meiste davon ist eine Spielerei.

Während wir eines dieser Boards analysieren; Ich werde mein eigenes entwerfen. Nachdem ich mir angeschaut hatte, was auf dem Markt ist, entschied ich, dass ich es besser machen könnte. Also werde ich ein Open Source, Open Capabilities Board entwerfen, das die Arbeit außerordentlich gut macht.

Das Design, das ich anstrebe, ist eine 40-V-60-Amp-Dual-MOSFET-Platine. Nicht 1 Kanal, sondern 2. Einer für das beheizte Bett und einer für das Hotend. Hinter dem Design steckt eine Geschichte. Für diejenigen unter Ihnen, die sich nicht für die Geschichte hinter dem Board interessieren, können Sie direkt zu den Quelldateien für das Board gehen.

Ki-Cad-Quelldateien

Lieferungen

Alle Footprints für dieses Board-Design sind handgelötet.

Werkzeuge:

• Pinzette
• Lötkolben
• Lot
• Scheren für Elektronik

Stückliste:

Verweise	Lieferanten-Teilenummer	Anbieter	Wert	Menge
C11, C21	CL21B103KBANNND-ND	Digi-Schlüssel	10000pF	2
R11, R21	311-1,00KFRCT-ND	Digi-Schlüssel	1.0K	2
R15, R25	311-3.60KFRCT-ND	Digi-Schlüssel	3.6K	2
R13, R23	RMCF1210JT2K00TR-ND	Digi-Schlüssel	1,99K	2
D11, D21	BZX84C15LT3GOSTR-ND	Digi-Schlüssel	15V	2
U11, U21	TLP182(BL-TPLECT-ND	Digi-Schlüssel	TLP182	2
CN11, CN21	277-1667-ND	Digi-Schlüssel		2
Q11, Q21	AUIRFSA8409-7P-ND	Digi-Schlüssel	AUIRFSA8409-7P	2
J11, J21	PRT-10474	Funke Spaß	XT-60-M	2
J12, J22	PRT-10474	Funke Spaß	XT-60-F	2
JUMPER	10 AWG Massivkerndraht

Schritt 1: Wie Sie die Fakten erhalten, aber nicht das darstellen, was Sie kaufen

Die MOSFET-Platine in diesem Bild ist sehr verbreitet. Sie finden es bei eBay, Ali Express, Amazon und vielen anderen Orten. Es ist auch sehr günstig. Für 2 können Sie nur 5,00 $ bezahlen.

Die Überschrift lautet normalerweise "210 Ampere MOSFET". Es stimmt, dass der MOSFET ein 210-A-MOSFET ist. Das gesamte Produkt kann jedoch nur 25 Ampere leisten. Der limitierende Faktor ist die Leiterplatte und der Stecker.

Wie wir später sehen werden, schränkt das PCB das Design wahrscheinlich noch mehr ein. Die Kupferspuren sehen nicht sehr dick aus.

Sie haben Ihnen also die Wahrheit über den MOSFET gesagt, aber nicht über das gesamte Produkt.

Auch hier wird viel Marketing betrieben. Sehen Sie sich diesen riesigen Kühlkörper an. Die meisten Leute denken, wow, das muss ein ziemlich starker Teil sein. Die Wahrheit ist, wenn dieser Teil einen Kühlkörper BENÖTIGT, verschwendet der MOSFET viel Energie. Diese Energie hätte in die Erwärmung des Druckbetts fließen können. Ein großer Kühlkörper ist kein gutes Zeichen. Aber es ist das, was wir bei Hochleistungsgeräten erwarten. Das Beste, was ich sagen kann, ist dieses Teil nur für Marketingzwecke, mindestens bei 25 Ampere.

Ich möchte ein Produkt entwickeln, das seine Arbeit gut macht, eine gute Qualität hat, niedrige Kosten hat und seine Fähigkeiten sehr direkt anspricht.

Schritt 2: Der Kern der Schaltung: der MOSFET

Ich möchte, dass das Design sehr effizient ist. Das würde einen geringen Leistungsverlust im gesamten Gerät bedeuten. Widerstand ist also mein Feind. MOSFETs wirken wie ein spannungsgesteuerter Widerstand. Wenn sie ausgeschaltet sind, ist ihr Widerstand also sehr groß. Wenn sie eingeschaltet sind, ist ihr Widerstand sehr gering. Da passiert eigentlich noch viel mehr. Für unsere Diskussion wird es jedoch gut genug sein.

Der Parameter, auf den wir im MOSFET-Datenblatt achten sollten, ist "RDS on".

Als MOSFET habe ich mich für den AUIRFSA8409-7P von Infineon Technologies entschieden. Im schlimmsten Fall beträgt RDSon 690u Ohm. Ja, das waren richtige Mikroohm. Aber das Teil ist teuer. Ungefähr 6,00 $. für eine. Der Rest des Designs besteht aus sehr kostengünstigen Komponenten. Ein gutes Design bedeutet, einen guten MOSFET auszuwählen. Wenn wir also protzen wollen, ist dies der Bereich, in dem wir protzen müssen.

Hier ist ein Link zum Datenblatt

Beachten Sie, dass dieser Teil ein 523 Ampere MOSFET ist. Der Id-Strom ist jedoch auf 360 Ampere begrenzt. Der Grund ist zweifach.

1. Das Teilepaket kann nicht genug Wärme ableiten, um 523 Ampere auszuhalten.
2. Sie haben nicht genug Bonddrähte auf dem Chip für 625 Ampere. Somit "Verklebung eingeschränkt"

Ich werde das Design auf 60 Ampere beschränken. Der Widerstand ist gering, so dass ich auf kleinem Raum eine wirklich große Effizienz erziele.

Das Teil wird bei der maximalen Stromaufnahme etwa 1,8 Watt verbrauchen. (R x I^2) Der Wärmewiderstand für dieses Teil beträgt 40 Grad C/Watt. (Klicken Sie hier, um zu verstehen, welche Berechnungen durchgeführt werden). Bei maximaler Stromaufnahme befinden wir uns also bei 72 Grad über der Umgebungstemperatur. Das Datenblatt gibt an, dass die maximale Temperatur für das Gerät 175 ° C beträgt. Wir liegen weit unter dieser Liste. Wenn wir jedoch eine Umgebungstemperatur von 25 ° C berücksichtigen, sind wir knapp unter 100 ° C. Bei Volllast benötigen wir einen kleinen Kühlkörper und einen Lüfter.

All dies setzt voraus, dass wir am Gate 15 V haben. Sobald wir unter 10 V fallen, bekommen wir wirklich Probleme mit der Heizung.

Der Wirkungsgrad wird (bei 40 V angenommen) 2400 Watt geliefert, 1,8 Watt verschwendet. Ungefähr 99,92%.

Energieversorgung	Geliefert	Hat verloren	Effizienz
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Unser Beispielprodukt hatte also einen 220Amp MOSFET. Ich habe einen 523 Ampere MOSFET und das dumme Ding wird immer noch heiß. Mein Punkt hier ist, dass der angegebene Strom kein guter Indikator für die Leistung ist. Eine bessere Spezifikation wäre der gesamte Einschaltwiderstand der Platine und des MOSFET. Diese eine Spezifikation gibt Ihnen fast alles, was Sie wissen müssen.

Schritt 3: Andere Schlüsselkomponenten

Normalerweise verwendet die MOSFET-Platine die Heizbettausgabe des Druckers als Steuersignal. U11 ist ein bidirektionaler Optokoppler. Dieser Teil hat mehrere Zwecke.

1) Sie können den Eingang nicht falsch verdrahten. Dies ist ein wenig Dummy-Proofing. Die Hauptplatine wird entweder Strom aufnehmen oder nicht. Der Eingangstrigger basiert also darauf, ob ein Stromfluss zwischen den Heizbettstiften der Steuerplatine vorhanden ist oder nicht.

2) Isolieren Sie die High-Power-Seite von der Low-Power-Steuerplatine. Dadurch können Sie eine höhere Spannung am beheizten Bett verwenden. Zum Beispiel können Sie eine 12-Volt-Steuerplatine und ein 24-Volt-Heizbett haben. Die Erdung muss nicht verbunden werden (komplett isoliert). Sie haben satte 3750 Vrms Isolation.

3) Steuern Sie das beheizte Bett aus der Ferne. Das Netzteil, das Heizbett und die MOSFET-Platine können sich in einem völlig anderen Bereich des Druckers befinden als die Steuerplatine. Die Steuerleitungen basieren auf dem Stromfluss, sodass Rauschen kein Problem darstellt. Die Platine könnte ziemlich weit von der Steuerplatine entfernt sein. Starke Stromkabel sind teuer. Es macht sehr viel Sinn, all die High-Power-Sachen an einem Ort zu haben.

4) Ich kann das Gate des MOSFET übersteuern und den RDSon-Widerstand noch weiter senken. Aber ich kann 20 Volt nicht überschreiten oder der MOSFET stirbt. Dafür ist der Ziner (D11) da; um das Tor an 15V zu klemmen.

Eine letzte wichtige Komponente ist R12. Dies ist ein Bleed-Off-Widerstand. Auf dem Gate des FET befindet sich ein Kondensator. Alle MOSFETs tun. Je leistungsfähiger der MOSFET, desto größer die Kapazität. Als Faustregel gilt. Wenn U11 abschaltet, müssen wir diesen Gate-Capisistor entladen. Andernfalls erhalten wir eine sehr langsame Abschaltzeit. Darüber hinaus hat U11 ein wenig Leckage. Wenn R12 fehlt, würde sich die Gate-Kappe aufladen und das Gate würde Vgsth überschreiten und der MOSFET würde einschalten. Dadurch bleibt das Tor nach unten gezogen.

Schritt 4: Das Board-Design - Es ist einer der wichtigsten Design-Punkte

Ok, nun zum PCB-Design.

Beginnen wir mit einigen der einfachen Entscheidungen. Wie soll es heißen und welche Farbe es haben soll. Ja, Marketing. Die Leute mögen Dinge, die gut aussehen. Technisches Zeug sollte klare Linien haben und technisch gut aussehen. Die andere Sache ist, dass Farbe wichtig ist. Die Leute scheinen mit der Farbe Schwarz mächtige gefährliche Dinge zu assoziieren. Denken Sie an das Swat-Team gegen die örtliche Polizei. Beide haben Autorität. Aber ehrlich gesagt würde ich lieber von meinem örtlichen Polizisten angehalten als von einem Swat-Team. Die Farbe ist also schwarz.

Nun, wie soll man es nennen. Da 60 Ampere ein monströs großer MOSFET ist, dachte ich, ich würde ihn MOSTER FET nennen. Ok, ich weiß, es ist kitschig. Aber verdammt noch mal Jim, ich bin Ingenieur und kein Marketingprofi. Ich habe sogar ein cooles Logo gemacht. Auch hier bin ich kein Marketingprofi.

Die nächste wichtige Entscheidung für die Leiterplatte ist die Kupferdicke. Die Leiterbahnen müssen die volle Last von 60 Ampere tragen. Es gibt also mehrere Dinge, die wir tun können, um dies zu erreichen. Kurze Leiterbahnlängen, große Breiten und dickes Kupfer. All diese Dinge reduzieren den Spurenwiderstand.

Die Kupferdicke der Leiterplatte wird in Unzen angegeben. 1 Unze Kupfer wiegt also 1 Unze pro 1 Quadratfuß. 4 Unzen Kupfer wären also 4-mal dicker. Es würde auch das 4-fache des Stroms führen. Nach einigen Analysen stellte ich fest, dass die Kosten nicht linear mit der Kupferdicke steigen. Ich verwende das (hier) schnelle Angebot von PCBWAY, um die Platinenkosten zu bestimmen. (Das ist einer dieser Kickback-Links, der hilft, Boards weiter zu machen) Wenn ich Tausende von Boards bauen würde, würde sich die Kostenkurve abflachen. Aber ich bin es nicht.

Kupferdicke	Kosten für 10	PCB-Größe
1 Unze	$23.00	50 mm x 60 mm
2 Unzen	$50.00
3oz	$205.00
4 Unzen	$207.00
5oz	$208.00
6 Unzen	$306.00
7oz	$347.00
8 Unzen	$422.00

Es gibt auch ein Problem mit Think Copper Boards. Je dicker das Kupfer, desto länger dauert das Ätzen und desto mehr Details verlieren Sie. Im Grunde bedeutet dies, dass der Leiterbahnabstand wirklich breit sein muss. Dies bedeutet auch, dass die minimale Spurbreite ziemlich groß ist. In diesem Design kann ich mir das leisten. Ich möchte zwei Kanäle im gleichen Raum unterbringen, in dem zuvor einer stattfand. Also 1 Unze Kupfer ist es.

Das wird jedoch ein weiteres Problem verursachen. 1 Unze Kupfer trägt die Last nicht. Mein Board wird eine spektakulär teure Sicherung sein.

Es gibt nur drei Spuren pro Kanal, die eine starke Strombelastung haben müssen. Wie Sie auf dem Bild sehen können, habe ich die Lötstoppmaske auf sechs Spuren entfernt. Mein Plan ist es, 12AWG-Vollkerndraht auf diesen Spuren zu löten. Normalerweise wäre dies kein großartiger Plan. Die Platinenkosten überwiegen jedoch die Kosten der zusätzlichen Komponenten. Ganz zu schweigen davon, dass der Kupferdraht individuell zugeschnitten und geformt werden muss. die Massenproduktion erschwert. Kurzum, ich werde weder berühmt noch reich.

Hier könnte unser Beispielboard ein anderes Problem haben. Die Kupferdicke auf dieser Platine ist sehr dünn. Die Spuren sind breit. Aber irgendwann hilft das nicht mehr. Der gesamte Strom kommt von einem einzelnen Pin zu einem einzelnen Pin. Die breiteren Spuren ermöglichen eine bessere Kühlung, aber Sie werden immer noch einige heiße Stellen haben.

Mein Plan ist es, alle Oberflächenmontageteile mit Ausnahme der Anschlüsse zu verwenden. SMD-Steckverbinder werden zu leicht von der Platine gerissen. Ich werde auch TX60-Anschlüsse für die Stromversorgung und das beheizte Bett verwenden. Sie werden in der RC-Welt verwendet. Sie sind preiswert und tragen die Last. Es handelt sich jedoch um Lötbecherverbinder. Die Becher müssen mit Lötzinn gefüllt werden, um die Spezifikation zu erfüllen. Die Drucker der Ender-Serie verwenden diese Anschlüsse für ihre Heizbetten. Dies ist also eine wirklich gute Wahl.

Die anderen Anschlüsse, die ich verwenden werde, sind 5-mm-Schraubklemmen. Sie sind kostengünstig und funktionieren gut in dieser Art von Anwendung.

Der für den MOSFET benötigte kleine Kühlkörper ist in die Platine integriert. Das ist sowohl eine gute als auch eine schlechte Idee. Es ist gut für die Kosten; Wenn das Teil jedoch zu heiß wird, delaminiert die Platine. Dazu muss man wirklich sehr lange heiß sein. Für extreme Temperaturen wäre ein Aluminiumkühlkörper viel besser. Wenn die Platine mit 60 Ampere betrieben wird, muss höchstwahrscheinlich ein Lüfter verwendet werden. Deshalb sind die Kühlkörperlöcher etwas größer. Um Luft durch das Brett zu lassen. Ich habe das schon einmal gemacht und es funktioniert unglaublich gut. Aber es erhöht die Boardkosten etwas. Aber es ist immer noch günstiger als ein Aluminium-Kühlkörper.

Schließlich ist jeder Kanal unabhängig. Die Masse und die Stromleitungen sind nicht verbunden, obwohl sie im Schaltplan den gleichen Netznamen haben. Auf diese Weise könnte Ihre Steuerplatine 12 V, das beheizte Bett 24 V und das Hotend 12 V haben. Es bietet Ihnen Optionen.

Schritt 5: Aufbau des Boards

Ich benutze KiCad. Dafür gibt es ein Plugin, das eine interaktive Stückliste erstellt. Markieren Sie einfach die Zeile in der Stückliste und sie beleuchtet die Stellen, an denen sie geht. Es ist mein Lieblings-Plugin für KiCad Das Plugin generiert eine eigenständige HTML-Datei. (HIER). Die Datei ist also portabel. Ich verwende es auf meinem Tablet-Gerät (oder Telefon), wenn ich Bretter baue.

Ich habe die Boards erst vor kurzem bekommen. Wie Sie sehen können, sieht diese Version etwas anders aus als die anderen Abschnitte. Die Boards, die ich gebaut habe, waren Prototypen (siehe Abbildung unten). Das gesamte Design-Feedback, das ich während des Testens erhalten habe, ist in das Design eingeflossen. Wenn Sie auch bemerken, dass R12 und R22 fehlen. Ich habe vergessen, einen Entlüftungswiderstand hinzuzufügen. Großer Fehler. Hatte eine Weile eine seltsame Operation, bis ich sah, was fehlte. Dann musste ich sie "tot bug" an.

Die Board-Design-Datei im Git-Repository ist die neueste Version und enthält alle Fehlerbehebungen.

Aber hier ist es; in all seiner Herrlichkeit. (Einfügen von Engelsgesang-Soundeffekt)

Schritt 6: In Betrieb – der Beweis für den Pudding liegt im Essen

Ich habe angefangen, die Boards zu testen. Als erstes ist mir aufgefallen, dass die LED wie die Sonne leuchtet. Ja, ich verstehe, die LED muss nicht so hell sein. Aber wenn es tief in Ihrem Drucker steckt, werden Sie es mir danken. Es sei denn natürlich, Sie haben einen Anet A8. Wenn das der Fall ist, tragen Sie einfach eine Sonnenbrille wie ich.

Ich könnte wahrscheinlich nur R15 und R25 ändern. Aber die große Bandbreite an Versorgungsspannungen (10V-40V) lässt mich zögern.

Ich habe ein 29V 25A Netzteil. Ich habe mein 24V Meanwell Netzteil auf 29V eingestellt. Ich habe auch ein 400 mm rundes beheiztes Bett mit 400 Watt bei 24 V. Bei 29 Volt ziehen wir genau 20 Ampere. Also 20 Ampere ist das Beste, was ich bekommen werde.

Gemessen wurde von der negativen Seite von J11 und J12. Grundsätzlich über den MOSFET. Aber es wurde an den Anschlüssen gemacht. Wo die Drähte einstecken. Die Platine hat 23 mVolt bei 20 Ampere abgenommen. Das würde den Gesamtwiderstand des Geräts auf 1,15 mOhm setzen. Das sind der MOSFET, die Platine und die Anschlüsse. Das ist wirklich gut, wenn ich es selbst sage. (und es gab viel Jubel)

Schritt 7: Die Seite an Seite

OK, am Ende möchte ich sagen, dass mein Vorstand gewinnt. Es hat alles, was man sich wünschen kann. Hier ist der Vergleich. Die Kosten, um diesen Kerl zu bauen, sind jedoch einfach zu hoch.

Spez	Gemeinsamer MOSFET	MOSTER FET
Maximale Spannung	Unbekannt	40V
Max. Strom	25 Ampere	60 Ampere
Reversibler Auslöser	Jawohl	Jawohl
Opto isoliert	Vielleicht	Jawohl
Kosten (2 Kanäle)	$12.99	$14.99
Kanäle	1	2

Ich werde so tun, als könnte ich Tausende davon bauen.

Wenn Sie 3D-Druckerteile verkaufen möchten, müssen Sie eine Gewinnspanne von 40% oder mehr haben. Es wäre besser, wenn es viel höher wäre, aber das ist das Minimum, das Sie brauchen, um über Wasser zu bleiben. Ich ging von 3,50 USD Stücklistenkosten und 3,76 USD Herstellungskosten aus. Ich habe das Board an einigen lokalen Stellen zitieren lassen. Wenn Sie bei Amazon oder E-Bay verkaufen, werden Sie 30% an Kreditkartengebühren, PayPal-Gebühren und Verkaufsgebühren verprügelt. Vertrauen Sie mir, es funktioniert zu 30%. Sie werden Ihnen etwas anderes sagen, aber alles gesagt und getan, ich bekomme 70% von dem, was verkauft wurde.

Dieses Board muss 15,99 $ kosten, um wirklich lebensfähig zu sein. Allerdings ist der DIY-Markt sehr preissensitiv. Setzen Sie es also auf 14,99 $. Sie können jederzeit Montagehalterungen oder Kabelsätze verkaufen.

Die andere Sache, die Sie hier sehen, ist, dass das gemeinsame Board stark vermarktet wird. Viele DIY-Videos, die Sie überall finden können. Der Heimwerkermarkt möchte wissen, wie es funktioniert und wie man es benutzt. Nur etwa 10 % dieses Marktes probieren etwas Neues aus oder sind Erstanwender. Nur etwa 3% von ihnen veröffentlichen Daten oder machen ein "HOW TO"-Video. Kurz gesagt, die Wahrscheinlichkeit, 10.000 Stück in einem Jahr zu verkaufen, ist sehr gering.

Dies würde höchstens 100 pro Jahr verkaufen, wenn Sie gut darin sind. Der Preispunkt auf diesem Niveau beträgt 24,99. Allein die Stückliste beträgt 13,00 USD.

Kurz gesagt, kein brauchbares Produkt. Wenn ich den MOSFET in der Preisspanne von 0,75 bis 1,00 US-Dollar bekommen könnte, könnte es funktionieren.

Aber es hat Spaß gemacht zu machen. Ich denke, es ist ein besseres Design, aber andererseits habe ich es getan.

Viel Spaß mit dem Brett!!! (HIER)

Aktualisieren:

Ich habe einen MOSFET gefunden, der für unter 1,00 US-Dollar geeignet ist. Wenn Sie eine vollständig aufgebaute Platine wünschen, habe ich sie bei e-bay. (HIER) oder die Sigle-Channel-Version (HIER)