MOSTER FET - Dual 500Amp 40 Volt MOSFET 3d Printer Driver Tempat Tidur berpemanas: 7 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Anda mungkin mengklik sapi suci yang berpikir ini, 500 AMPS!!!!!. Sejujurnya, papan MOSFET yang saya rancang tidak akan dapat melakukan 500Amp dengan aman. Mungkin sebentar, tepat sebelum terbakar dengan penuh semangat.

Ini tidak dirancang untuk menjadi trik pintar. BUKAN rencana jahat saya untuk memikat Anda ke dalam instruksi saya (masukkan ilmuwan gila tertawa di sini). Saya ingin membuat poin. Iklan untuk printer 3D dan komponennya bisa sangat menyesatkan. Terutama di pasar DIY berbiaya rendah.

Saya akan menyelidiki satu kasus saja. Papan MOSFET umum yang digunakan untuk melindungi papan utama printer 3d dari kerusakan. Mereka juga digunakan untuk meningkatkan pinter ke tempat tidur berkepala lebih kuat. Umumnya dengan lebih banyak area cetak.

Ada setengah lusin desain berbeda di pasaran. Sebagian besar memiliki heatsink raksasa ini dan terlihat sangat mengesankan. Tapi kebanyakan itu adalah gimmick.

Sementara kami menganalisis salah satu papan ini; Saya akan mendesain sendiri. Setelah melihat apa yang ada di pasar, saya memutuskan untuk melakukan yang lebih baik. Jadi, saya akan merancang papan Open source, Open Capabilities itu dan melakukan pekerjaan dengan sangat baik.

Desain yang saya targetkan adalah papan MOSFET ganda 40v 60Amp. Bukan 1 saluran tetapi 2. Satu untuk tempat tidur berpemanas dan satu untuk hotend. Ada cerita di balik desainnya. Bagi Anda yang tidak peduli dengan cerita di balik papan, Anda dapat langsung menuju ke file sumber papan.

File Sumber Ki-Cad

Perlengkapan

Semua jejak kaki untuk desain papan ini disolder dengan tangan.

Peralatan:

• Pinset
• Besi solder
• Pateri
• Potongan untuk Elektronik

BOM:

Referensi	Pemasok Bagian No	pemasok	Nilai	Kuantitas
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	Percikan Kesenangan	XT-60-M	2
J12, J22	PRT-10474	Percikan Kesenangan	XT-60-F	2
JUMPER	10 AWG kawat inti padat

Langkah 1: Bagaimana Anda Diberi Fakta Tetapi Tidak Mewakili Apa yang Anda Beli

Papan MOSFET dalam gambar itu sangat umum. Anda dapat menemukannya di eBay, Ali Express, Amazon, dan banyak tempat lainnya. Ini juga sangat murah. Untuk 2 orang, Anda dapat membayar hanya $5,00.

Headline biasanya adalah "210 Amp MOSFET". Memang benar bahwa MOSFET adalah MOSFET 210 amp. Namun, seluruh produk hanya dapat melakukan 25 Amps. Faktor pembatasnya adalah PCB dan konektornya.

Seperti yang akan kita lihat nanti, PCB mungkin lebih membatasi desain. Jejak tembaga tidak terlihat terlalu tebal.

Jadi mereka memberi tahu Anda kebenaran tentang MOSFET tetapi tidak tentang keseluruhan produk.

Ada juga banyak pemasaran terjadi di sini. Lihat heatsink raksasa itu. Kebanyakan orang berpikir wow itu pasti bagian yang cukup kuat. Yang benar adalah, jika bagian itu MEMBUTUHKAN heatsink, MOSFET membuang banyak energi. Energi itu bisa digunakan untuk memanaskan tempat tidur cetak. Heat sink yang besar bukanlah pertanda baik. Tapi itulah yang kami harapkan untuk dilihat pada perangkat berdaya tinggi. Yang terbaik yang bisa saya katakan bagian ini hanya untuk pemasaran, setidaknya pada 25 Amps.

Saya ingin merancang produk yang berfungsi dengan baik, berkualitas baik, berbiaya rendah, dan sangat jelas tentang kemampuannya.

Langkah 2: Inti dari Sirkuit: MOSFET

Saya ingin desainnya sangat efisien. Itu berarti kehilangan daya yang rendah di seluruh perangkat. Jadi perlawanan adalah musuh saya. MOSFET bertindak seperti resistor yang dikendalikan tegangan. Jadi ketika mereka off, resistensi mereka sangat besar. Ketika mereka aktif, resistensi mereka sangat rendah. Sebenarnya ada lebih banyak hal yang terjadi dari itu. Namun, untuk diskusi kita itu akan cukup baik.

Parameter yang harus kita perhatikan pada data sheet MOSFET adalah "RDS on".

MOSFET yang saya pilih adalah AUIRFSA8409-7P yang dibuat oleh Infineon Technologies. Kasus terburuk RDson adalah 690u ohm. Ya, itu benar mikro ohm. Tapi partnya mahal. Sekitar $6,00. untuk satu. Sisa dari desain akan menjadi komponen yang sangat murah. Memiliki desain yang baik berarti memilih MOSFET yang baik. Jadi, jika kita akan berbelanja secara royal, ini adalah area untuk berbelanja secara royal.

Berikut ini tautan ke Lembar Data

Perhatikan bagian ini adalah 523Amp MOSFET. Namun, arus Id terbatas pada 360Amps. Alasannya dua kali lipat.

1. Paket bagian tidak dapat membuang panas yang cukup untuk menopang 523 amp.
2. Mereka tidak memiliki cukup kabel ikatan pada cetakan untuk 625Amps. Jadi "Ikatan terbatas"

Aku akan membatasi desain untuk 60Amps. Resistansinya rendah jadi saya akan mendapatkan efisiensi yang sangat bagus di area kecil.

Bagian tersebut akan menghilang sekitar 1,8Watt pada arus maksimum yang ditarik. (R x I^2) Tahanan termal untuk bagian ini adalah 40 derajat C/Watt. (klik di sini untuk memahami perhitungan apa yang sedang dilakukan). Jadi pada penarikan arus maksimum kita akan berada di 72 derajat di atas ambient. Lembar data menentukan suhu maksimum untuk perangkat adalah 175 derajat C. Kami berada di bawah daftar itu. Namun, jika kita memperhitungkan suhu sekitar 25 derajat C. Maka kita hanya di bawah 100 derajat C. Kita akan membutuhkan pendingin kecil dan kipas dengan beban penuh.

Semua ini mengasumsikan kita memiliki 15v di gerbang. Setelah kami turun di bawah 10v, kami benar-benar mulai mengalami masalah pemanasan.

Efisiensi akan (dengan asumsi 40v) 2400 watt terkirim, 1,8Watt terbuang. Sekitar 99,92%.

Sumber Daya listrik	Terkirim	Hilang	Efisiensi
40	2400	1.8	99.92%
24	1440	1.8	99.87%
12	720	1.8	99.75%
10	600	1.8	99.40%

Jadi produk contoh kami memiliki MOSFET 220Amp. Saya memiliki MOSFET 523Amp dan hal konyolnya masih panas. Maksud saya di sini adalah bahwa arus yang ditentukan bukanlah indikator kinerja yang bagus. Spesifikasi yang lebih baik adalah total resistansi papan dan MOSFET. Spesifikasi yang satu ini memberi Anda hampir semua yang perlu Anda ketahui.

Langkah 3: Komponen Kunci Lainnya

Biasanya, papan MOSFET menggunakan keluaran tempat tidur berpemanas dari printer sebagai sinyal kontrolnya. U11 adalah optocoupler dua arah. Bagian ini memiliki beberapa tujuan.

1) Anda tidak dapat salah menyambungkan input. Ini adalah sedikit pemeriksaan dummy. Papan utama akan tenggelam saat ini atau tidak. Jadi pemicu input didasarkan pada apakah kita memiliki aliran arus antara pin tempat tidur berpemanas papan kontrol atau tidak.

2) Pisahkan sisi daya tinggi dari papan kontrol daya rendah. Ini akan memungkinkan Anda untuk menggunakan tegangan yang lebih tinggi di tempat tidur berpemanas. Misalnya Anda dapat memiliki papan kontrol 12 volt dan tempat tidur berpemanas 24 volt. Alasan tidak perlu terhubung (benar-benar terisolasi). Anda memiliki isolasi 3750 Vrms.

3) Mengontrol tempat tidur berpemanas dari jarak jauh. Catu daya, tempat tidur berpemanas, dan papan MOSFET dapat berada di bagian printer yang sama sekali berbeda dari papan kontrol. Garis kontrol didasarkan pada aliran arus sehingga kebisingan tidak menjadi masalah. Papan bisa agak jauh dari papan kontrol. Kabel listrik yang berat harganya mahal. Memiliki semua barang berdaya tinggi di satu tempat sangat masuk akal.

4) Saya dapat lebih mendorong gerbang MOSFET dan menurunkan resistansi RDson lebih banyak lagi. Tapi saya tidak bisa melebihi 20 volt atau MOSFET mati. Itulah gunanya Ziner (D11); untuk menjepit gerbang ke 15v.

Salah satu komponen penting terakhir adalah R12. Ini adalah resistor berdarah. Gerbang FET memiliki kapasitor di atasnya. Semua MOSFET melakukannya. Semakin kuat MOSFET, semakin besar kapasitansinya. Sebagai aturan praktis. Jadi ketika U11 mati kita perlu melepaskan capisistor gerbang itu. Jika tidak, kita akan mendapatkan waktu mematikan yang sangat lambat. Selain semua itu, U11 memiliki sedikit kebocoran. Jika R12 hilang, tutup gerbang akan terisi dan gerbang akan melebihi Vgsth dan MOSFET akan menyala. Ini membuat gerbang ditarik ke bawah.

Langkah 4: Desain Papan - Ini Adalah Salah Satu Poin Desain Paling Penting

Ok, sekarang ke desain PCB.

Mari kita mulai dengan beberapa keputusan sederhana. Apa yang harus disebut dan warna apa yang seharusnya. Ya, pemasaran. Orang-orang menyukai hal-hal yang terlihat bagus. Hal-hal teknis harus memiliki garis yang bersih dan terlihat, baik, teknis. Hal lain adalah bahwa warna itu penting. Orang-orang tampaknya mengasosiasikan hal-hal berbahaya yang kuat dengan warna hitam. Pikirkan tim swat ayat polisi setempat. Keduanya memiliki otoritas. Tapi sejujurnya saya lebih suka ditarik oleh polisi lokal saya daripada tim swat. Jadi warnanya hitam.

Sekarang apa menyebutnya. Karena 60 Amps adalah MOSFET yang sangat besar, saya pikir saya akan menyebutnya MOSTER FET. Oke aku tahu ini klise. Tapi, sialan Jim Saya seorang insinyur bukan profesional pemasaran. Saya bahkan membuat logo yang keren. Sekali lagi, saya bukan profesional pemasaran.

Keputusan terpenting berikutnya untuk papan sirkuit adalah ketebalan tembaga. Jejak papan sirkuit harus membawa beban penuh 60 Amps. Jadi ada beberapa hal yang bisa kita lakukan untuk mewujudkannya. Panjang jejak pendek, lebar lebar, dan tembaga tebal. Semua hal ini mengurangi resistensi jejak.

Ketebalan tembaga papan sirkuit tercetak ditentukan dalam ons. Jadi 1 ons tembaga beratnya 1 ons per 1 kaki persegi. Jadi, 4 ons tembaga akan menjadi 4 kali lebih tebal. Itu juga akan membawa 4 kali arus. Setelah melakukan beberapa analisis, saya menemukan bahwa biaya tidak naik secara linier dengan ketebalan tembaga. Saya menggunakan kutipan cepat PCBWAY (di sini) untuk menentukan biaya papan. (itu adalah salah satu tautan kick back, membantu tetap membuat papan) Jika saya membangun ribuan papan, kurva biaya akan menjadi datar. Tapi saya tidak.

Ketebalan tembaga	Biaya untuk 10	Ukuran PCB
1 ons	$23.00	50mm x 60mm
2 ons	$50.00
3oz	$205.00
4oz	$207.00
5 ons	$208.00
6 ons	$306.00
7oz	$347.00
8oz	$422.00

Ada juga masalah dengan think copper board. Semakin tebal tembaga, semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mengetsa dan semakin banyak detail yang Anda lepas. Pada dasarnya ini berarti jarak jejak harus benar-benar lebar. Ini juga berarti bahwa lebar jejak minimum cukup besar. Dalam desain ini, saya mampu membelinya. Saya ingin memasukkan dua saluran di ruang yang sama yang sebelumnya menampung satu. Jadi 1oz tembaga itu.

Namun itu akan menimbulkan masalah lain. 1 ons tembaga tidak akan membawa beban. Papan saya akan menjadi sekering yang sangat mahal.

Hanya ada tiga jejak per saluran yang perlu memiliki beban arus yang besar. Seperti yang Anda lihat pada gambar, saya telah melepas topeng solder pada enam jejak. Rencana saya terlalu menyolder kawat inti padat 12AWG pada jejak itu. Biasanya ini bukan rencana yang bagus. Namun, biaya papan melebihi biaya komponen tambahan. Belum lagi bahwa kawat tembaga perlu dipotong dan dibentuk secara khusus; membuat produksi massal menjadi sulit. Singkatnya, saya tidak akan menjadi terkenal atau kaya.

Di sinilah papan contoh kami mungkin memiliki masalah lain. Ketebalan tembaga pada papan itu sangat tipis. Jejaknya luas. Tetapi pada titik tertentu itu tidak membantu lagi. Semua arus berasal dari satu pin ke satu pin. Jejak yang lebih lebar memungkinkan pendinginan yang lebih baik tetapi Anda masih akan memiliki beberapa titik panas.

Rencana saya adalah menggunakan semua bagian pemasangan permukaan kecuali konektor. Konektor pemasangan permukaan terlalu mudah terlepas dari papan. Saya juga akan menggunakan konektor TX60 untuk daya dan tempat tidur berpemanas. Mereka digunakan di dunia RC. Mereka tidak mahal dan membawa beban. Namun, mereka adalah konektor cangkir solder. Cangkir harus diisi dengan solder untuk memenuhi spesifikasi. Printer seri ender menggunakan konektor ini untuk tempat tidur berpemanasnya. Jadi ini adalah pilihan yang sangat bagus.

Konektor lain yang akan saya gunakan adalah terminal sekrup 5mm. Mereka tidak mahal dan bekerja dengan baik dalam aplikasi semacam ini.

Heatsink kecil yang dibutuhkan untuk MOSFET terintegrasi ke dalam papan sirkuit. Ini adalah ide yang baik dan buruk. Ini bagus untuk biaya; namun, jika bagian menjadi terlalu panas, papan akan mengalami delaminasi. Anda benar-benar harus sangat panas untuk waktu yang lama agar ini terjadi. Untuk suhu ekstrim heatsink aluminium akan jauh lebih baik. Kemungkinan besar, jika papan menjalankan 60 Amps, kipas perlu digunakan. Itu sebabnya lubang heatsink sedikit lebih besar. Untuk membiarkan udara melewati papan. Saya telah melakukan ini sebelumnya dan itu bekerja dengan sangat baik. Tetapi meningkatkan biaya papan sedikit. Tapi itu masih lebih murah daripada heat sink aluminium.

Terakhir, setiap saluran bersifat independen. Dasar dan saluran listrik tidak terhubung, meskipun, dalam skema mereka memiliki nama bersih yang sama. Dengan cara ini papan kontrol Anda bisa berada di 12v, tempat tidur berpemanas pada 24v, dan untuk hotend pada 12v. Ini memberi Anda pilihan.

Langkah 5: Membangun Papan

Saya menggunakan KiCad. Ada plugin untuk itu yang membuat BOM interaktif. Cukup sorot garis di BOM dan itu akan menerangi tempat-tempat yang dituju. Ini adalah plug-in favorit saya untuk KiCad. Plugin ini menghasilkan file HTML mandiri. (DI SINI). Jadi filenya portabel. Saya menggunakannya di perangkat tablet (atau ponsel) saya saat membuat papan.

Saya mendapatkan papan beberapa waktu yang lalu. Seperti yang Anda lihat, versi ini terlihat sedikit berbeda dari bagian lainnya. Papan yang saya buat di mana prototipe (digambarkan di bawah). Semua umpan balik desain yang saya dapatkan selama pengujian kembali ke desain. Jika Anda juga melihat R12 dan R22 hilang. Saya lupa menambahkan resistor berdarah. Kesalahan besar. Melakukan beberapa operasi aneh sebentar sampai saya melihat apa yang hilang. Kemudian saya harus "mematikan bug" mereka.

File desain papan di repositori git adalah versi terbaru dan memiliki semua perbaikan bug.

Tapi ini dia; dalam semua itu kemuliaan. (masukkan efek suara nyanyian Malaikat)

Langkah 6: Dalam Operasi - Bukti Puding Ada di Makan

Saya mulai menguji papan. Jadi hal pertama yang saya perhatikan adalah LED bersinar seperti matahari. Ya saya mengerti, LED tidak perlu terlalu terang. Tapi ketika jauh di dalam printer Anda, Anda akan berterima kasih kepada saya. Kecuali tentu saja Anda memiliki Anet A8. Jika itu masalahnya, siapkan saja kacamata matahari seperti yang saya lakukan.

Saya mungkin bisa mengganti R15 dan R25. Tetapi berbagai tegangan suplai (10v-40v) membuat saya ragu.

Saya memiliki Pasokan 29V 25Amp. Saya menyesuaikan catu daya Meanwell 24v saya ke 29v. Saya juga memiliki tempat tidur berpemanas bulat 400mm yaitu 400Watt pada 24v. Pada 29 Volt kita akan menarik tepat 20 AMPS. Jadi 20 Amps adalah yang terbaik yang akan saya dapatkan.

Pengukuran dilakukan dari sisi negatif J11 dan J12. Pada dasarnya di seluruh MOSFET. Tapi itu dilakukan di konektor. Di mana kabel terpasang. Papan turun 23mVolts pada 20Amps. Itu akan menempatkan resistansi total perangkat di 1,15mOhms. Yaitu MOSFET, Board, dan Konektor. Itu sangat bagus jika saya sendiri yang mengatakannya. (dan ada banyak kegembiraan)

Langkah 7: Berdampingan

OK, pada akhirnya saya ingin mengatakan bahwa Dewan saya menang. Ini memiliki semua yang Anda inginkan. Berikut perbandingannya. Namun, biaya untuk membangun orang ini terlalu tinggi.

spesifikasi	MOSFET umum	PALING FET
Tegangan Maks	Tidak dikenal	40V
Arus Maks	25 Ampere	60 Ampere
Pemicu yang Dapat Dibalik	Ya	Ya
Opto terisolasi	Mungkin	Ya
Biaya (2 Saluran)	$12.99	$14.99
saluran	1	2

Saya akan berpura-pura bahwa saya dapat membangun ribuan ini.

Jika Anda akan membuat bisnis penjualan suku cadang printer 3d, Anda harus memiliki margin keuntungan 40% atau lebih. Akan lebih baik jika itu jauh lebih tinggi, tetapi itu adalah minimum yang Anda butuhkan untuk tetap bertahan. Saya mengasumsikan biaya BOM $3,50 dan biaya produksi $3,76. Saya memiliki papan yang dikutip di beberapa tempat lokal. Jika Anda menjual di Amazon atau E-bay maka mereka memberi Anda 30% dalam biaya kartu kredit, biaya PayPal, dan biaya Penjualan. Percayalah, itu berhasil hingga 30%. Mereka akan memberi tahu Anda hal yang berbeda tetapi semua dikatakan dan dilakukan, saya mendapatkan 70% dari apa pun yang dijual.

Papan ini tidak perlu di $15,99 untuk benar-benar layak. Namun pasar DIY sangat sensitif terhadap harga. Jadi atur ke $14,99. Anda selalu dapat melakukan upsell pada braket pemasangan atau kit kabel.

Hal lain yang Anda lihat di sini adalah bahwa papan umum sangat dipasarkan. Banyak video DIY yang dapat Anda temukan di mana saja. Pasar DIY ingin tahu cara kerjanya dan cara menggunakannya. Hanya sekitar 10% dari pasar yang mencoba sesuatu yang baru atau pengadopsi pertama. Hanya sekitar 3% dari mereka yang memublikasikan data atau membuat video "CARA". Singkatnya kemungkinan menjual 10K buah dalam setahun sangat kecil.

Paling banyak yang akan dijual ini adalah sekitar 100 per tahun, jika Anda pandai melakukannya. Titik harga pada level tersebut adalah 24,99. BOM saja adalah $13.00.

Singkatnya, bukan produk yang layak. Jika saya bisa menurunkan MOSFET dalam kisaran harga $0,75 - $1,00 mungkin berhasil.

Tapi itu menyenangkan untuk dibuat. Saya pikir itu adalah desain yang lebih baik, tetapi sekali lagi saya melakukannya.

Nikmati papan!!! (DI SINI)

Memperbarui:

Saya memang menemukan MOSFET yang mampu untuk di bawah $1,00 Jika Anda menginginkan papan yang sepenuhnya dibangun, saya memilikinya di e-bay. (DI SINI) atau versi saluran Sigle (DI SINI)