Выбор полевого MOSFET транзистора для стола и экструдера — мануал по важным аспектам даташитов

Подписаться на 3Dtoday
kraplax
Идет загрузка
Загрузка
18.08.17
1960
27
печатает на Ultimaker 2
Техничка
24
Вместо твердотельного реле для управления питанием нагрева стола или экструдера альтернативным решением является использование полевых (MOSFET) транзисторов. Но какой из всего многообразия моделей и скудности ассортимента ближайшего магазина радиотоваров выбрать? Заказать на Али и ждать месяц? Или бегать по городу и искать "тот самый, как в инструкции"? Давайте попробуем разобраться.

Сразу предупрежу — в радиотехнике и электронике я слабоват, так что если есть люди более компетентные с достаточным занием, то оставляйте коментарии, попробую дополнить. Все что здесь будет изложено — лишь перевод англоязычного источника.

Очевидно, что для выбора понадобится учесть параметры нагрузки — это напряжение и сила тока. Для 40 Ваттного нагревательного картриджа экструдера работающего от 12 В это примерно 3,33 А и при 24 В — 1,7 А. Для 150 Ваттного стола Prusa это будет 12,5 А при 12 В и 6,25 А при 24 В.

В огромных таблицах даташитов на полевые транзисторы обычно очень много разных значений, но самые важные вынесены на первую страницу документа справа.
90ea95bd5dff12ff1e8515a86ec8e8f4.png
Вот к примеру страница производителя International Rectifier со ссылками на даташиты своей продукции. Нас интересуют "N-канальные MOSFET транзисторы одноканальные" в корпусе TO-220, удобном для монтажа радиаторов. Для примера попробуем взять 3 разных по параметрам MOSFET'а: IRLB3034PBF, IRFB3806PBF и IRF3205.

Начнём с IRFB3806PBF, его основные характеристики приведены на картинке выше.
Для начала проверим силу тока и напряжение, на которые рассчитан полевик. Это значения Vdss и Id. По ним вроде всё хорошо, всё с запасом. Но это еще далеко не всё.

Нам нужно выяснить какую мощность в Ваттах будет рассеивать транзистор. Рассеиваемая мощность считается по формуле:

Pрас = R * I^2

R в данном случае берётся из максимального значения Rds(on) при указанном напряжении в даташите. Смотрим:
bd3b75c11dd37e2917b5ef2dec45466a.png
Нормальное значение — 12,6 мОм, максимальное 15,8 мОм. В данном случае указано сопротивление для напряжения 10 В, для 12 В значение будет близким.
Подставим это значение в формулу выше (силу тока возьмём для нагревательного стола на 150 Вт питаемого от 12 В):

Pрас = 15,8 mΩ * (12,5 A)^2 = 0,0158 Ω * 156,25 A = 2,47 Ватт

Теперь посмотрим на другой параметр Rθja — тепловое сопротивление Junction-to-Ambient. Оно измеряется в Градусах Цельсия на Ватт. Находим этот параметр в нашем даташите:
1d21c454eaa300792b47c9b2f6e06c2a.png
В случае SMD корпуса D2 (для модели IRFS3806PBF) это значение было бы 40 ℃/Вт, но для TO-220 (IRFB3806PBF) это значение будет 62 ℃/Вт.

Теперь умножим мощность, которую необходимо рассеять на найденное значение:

2,47 Ватт * 62 ℃/Ватт = 153,14 ℃

Ого, уже выглядит не очень. Но и это не всё. Т.к. Junction-to-Ambient намекает нам на то, что мы имеем дело с окружающей средой, то было бы опрометчиво не добавить температуру окружающей транзистор среды — пусть будет 25℃. И в итоге получим температуру, до которой нагреется корпус нашего транзистора — нехилых 178,14℃!

Не то чтобы обеспечить достаточное охлаждение в таком случае совершенно невозможно, но в домашних условиях пытаться это сделать будет проблематично. Лучше подыскать что-то более подходящее.

Пройдёмся по тем же параметрам у двух других претендентов:
cbeb0c7330bf7365665d10ac1a0f4e75.png
Транзистор IRF3205 имеет вот такую рассеиваемую мощность (для тех же 150 Вт при 12 В):

Pрас = 8 mΩ * (12,5 A)^2 = 0.008 Ω * 156.25 A = 1,25 Вт

И тогда температура корпуса транзистора будет:

1,25 Вт * 62 ℃/Ватт + 25 = 102,5 ℃

Лучше, но тоже не фонтан.
f1a2575d102fcda33bb49410423336b0.png
Транзистор IRLB3034PBF (150 Вт при 12 В):

Pрас = 1.7 mΩ * (12,5 A)^2 = 0.0017 Ω * 156.25 A = 0,266 Вт

И тогда температура корпуса транзистора будет:

0,266 Вт * 62 ℃/Ватт + 25 = 41,5 ℃

Вот это дело! Температура поднимется всего 41,5 ℃ при максимальных нагрузках, а при нормальных будет и того меньше — смотрим Rdss(on) typ. и получим 38,5 ℃. Отличный вариант! Именно этот транзистор был указан в мануале для сборки Ultimaker от Plastmaska.

Может быть америку тут не открыл, но надеюсь, эти две нехитрые формулы помогут вам выбрать подходящий полевой транзистор. Ну и не забываем, что у всех всё разное, без пересчёта под свои значения брать MOSFET из статьи не стоит.
Подписаться на 3Dtoday
24
Комментарии к статье

Комментарии

18 Авг 15:49
10
К этому надо обязательно добавить про уровень на затворе. Грубо, есть "обычные" мосфеты, у которых нормировано открытие при напряжении 10В. А есть с логическим уровнем (IRL), для которых описаны режимы при более низких напряжениях. Актуально, если мы хотим вешать мосфет не на силовой выход платы, а на обычную ногу.
18 Авг 16:06
1
+100500
Это одно из самых главных условий, без него все попытки что-то поменять - пустая трата времени и средств...
Реально открываются не полностью, вот и греются штатные MOSFET'ы безумно. Важно смотреть не "начало открытия", а при каком напряжении полностью открыт будет.
18 Авг 16:10
1
Так если на силовой выход кидать, это не так важно. Но при попытке повесить на обычную ногу можно подорваться.
18 Авг 16:14
0
Тоже Америку не открою, но вроде же ставим перед мосфетом еще и оптопару, не?
18 Авг 16:15
1
Решение правильное, но в рамках данной статьи ни разу не очевидное.
18 Авг 16:24
0
Насколько я понимаю, оптопару ставим для развязки источников питания МК и кровати. Киньте в меня тапком, но кажется это необязательно ведь, да? То есть желательно, но не критично, во всяком случае при решении чем заменить штатный RAMPS'овский полевик.
18 Авг 16:29
1
Если вместо штатного в RAMPS - разумеется,оптрон не нужен.
18 Авг 16:30
1
При замене штатного - да, не нужно. Но тогда обязателен мосфет с логическим уровнем.
18 Авг 19:31
1
Угу. Пока "штатный" но на отдельной плате коммутирует нагрев стола. И рулится с другого PWM пина. Побоялся подключать стол через тот что на плате напаян.
В запасе IRLB3034PBF лежит.
18 Авг 16:30
1
Эммм, тапки не ношу - жарко. Но, судя из схемы, оптопара не только полностью развязывает питание, но и позволяет полностью открыть затвор(если ему судьба открыться)))).

fc3ba9f39b05f30ad2d9962e5e50d75d.png
21 Авг 01:09
0
Если на весь девайс используется один источник питания (у всего общая земля), то смысла в оптроне никакого нет. Это с точки зрения концепции гальванического разделения. В нашем бутерброде и прочих плптах, которые архитектурно повторяют его, используется исключительно логические уровни 0-5 вольт для воздействия на мосфет. Считаю, что это достаточно много для сравнительно не больших токов всей системы, которые могли бы вызвать продольную помеху(да и разводка вроде правильно сделана(по крайней мере рампса)) Да и учитывая что токи заряда емкости затвора мизерные. Исходя из всего этого Не вижу ни одной причины разделять питание в данном случае. Для согласования уровней проще биполярник заюзать или маломощный полевик/МОП в ключевом режиме.
18 Авг 16:32
0
А, вместо штатного, тогда да. Из статьи так понял, что речь идет о замене твердотельного реле.
18 Авг 16:33
0
Я правильно понимаю что речь идёт о значении Vgs(th) Gate Threshold Voltage? Какие значения нужно брать во внимание (min, typ, max?) и по возможности — на какие графики нужно смотреть, если есть в даташите?
18 Авг 16:37
2
Ну вот для IRL2203, например.

8f8297c55503142b5a2b68a7e77c1fc4.PNG


b1965497d8dd79b4a8d1bc54942bbfcc.PNG
18 Авг 16:56
1
Смотрите строчку Rds(on) в таблице. В ней указано и необходимое напряжение на затворе и максимальное сопротивление при нём.
18 Авг 17:11
0
Да, её видел, но далеко не у всех указаны разные значения Rds(on) на разные напряжения. Собственно это и сбило с толку.
18 Авг 16:11
1
Для тех кто далек от электроники, но хочет быстренько собрать, тема "ключей" на мосфетах хорошо разжевана на страйкбольных форумах.
18 Авг 16:21
1
А есть ссылка на хорошо разжёванный вариант? Было бы тоже полезно добавить ссылку в пост.
18 Авг 16:28
1
первая ссылка из гугла для примера http://nutsboltman.blogspot.com.by/2015/05/blog-post_91.html
18 Авг 17:32
1
Уже теплее.. , пардон, ближе к истине.
Осталось напомнить про такую особенность полевиков как рост Rds в зависимости от температуры,
поэтому при использовании для коммутации постоянной нагрузки температура кристалла будет выше чем подсчитано автором.

Например, картинка из даташита для IRL1404
f5266e5d75f3508e388f3eccfa0fd12f.png

Еще стоит внимательно посмотреть на то при каком Vgs задается Rds,
для транзисторов с "логичеким" порогом переключения минимум Rds может оказаться при напряжении от 10V
18 Авг 19:06
0
Это добавляет иттерацию типа: считаем при 25С, находим мощность, температуру, считаем сопротивление, находим мощность и так далее. А когда успокаиваться? Вот же - многие знания, многие печали.
18 Авг 23:10
2
Если под рукой нет транзистора с низким Rds, но есть несколько "обычных" и одинаковых, то их можно включить параллельно, тем самым уменьшив ток Id
20 Авг 17:27
0
Я решил проблему долгого нагрева стола и вылетающих ошибок типа termal Error после установи мосфета со старой материнки от компа, работает год без проблем (на материнке они самые большие ;-) , сори за качество фото, давно было и на телефон) . Питание подал на ногу напрямую с БП, с другой ногой на кровать, кровать тоже прямо к БП, управляющий сигнал с пина, который паял вместо демонтированного штатного транзистора.. схему где-то на тудее нашел..
20 Авг 17:36
0
37624703aa9894dfa1927d878c35dbb1.jpg
21 Авг 02:08
0
21 Авг 11:08
0
Ключи дешёвые, да ещё и в SMD варианте - менять на хороший станет сложнее, да и радиатор не прикрутишь.

Не-не-не. Не надо такого добра.
21 Авг 13:16
1
Судя по даташиту должны дико греться при управлении нагревом стола. SMD вариант конечно лучше в плане теплоотвода и это как раз используется в таком решении, но все же чёт подозрительно. Я бы на них напрямую не стал весить обогрев стола.
Вот, к примеру, какие на MKS Gen v1.4 используются.
236de562a169b39e172b996ee66ce666.jpg



И вот им я по даташитам верю больше. Вот HY1403D чуть лучше чем этот на рампсе, но он только для экструдера и обдува используется, так что сойдёт. А вот на стол там уже RU40190S — совсем другое дело.

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Как заменить наклейку на столе.

Колеса для LEGO

Представлен новый Prusa i3 MK3

Перерождение Tesus

Печать CERAMOTEX. Челендж от Романа Вейтендорфа ака BlackTech :)

Часики