Электропитание 3D-принтера

xolodny
Идет загрузка
Загрузка
05.01.2022
5262
123
RepRap

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

35

А поделюсь-ка я своим мнением относительно организации электропитания 3D-принтера.

Сразу хочу поблагодарить создателей портала за столь необходимую функцию под названием "игнор-лист", позволяющий заносить туда самых вумных юзверей, отмечающихся комментариями "все куйня, переделывай" и спешащим доложить, что их китайский акриловый или напиленный по технологии ИГИП аппарат сделан не хуже и вообще нефиг тут мне такому красивому умничать.

Начнем с разборки схемы электропитания вот этой моей новогодней игрушки, проходящей последние стадии калибровки. Такая же схема электропитания реализована вот в ЭТОМ проекте, который я продолжу открывать дальше, хоть и гадские гады из автодеска порезали функцию экспорта в .DXF в пользуемом мной редакторе.

Каким требованиям должна отвечать схема электроснабжения электроприбора:

- быть электробезопасной для пользователя;

- быть экономичной (кому как, но все же);

- обеспечивать защиту цепей потребителей;

- обеспечивать быструю (или постоянную) готовность принтера;

- обеспечивать автовыключение по окончанию печати и остыванию аппарата.

Сама управляющая плата электроники и используемые прошивки сейчас представлены очень широко, автор лично пользовал и "бутербродик" из Arduino MEGA + RAMPS, и его вариации на Arduino DUE, и Lerdge, и Klipper в связке с различными, но в итоге свой выбор остановил на Duet2 WiFi - благо, сейчас китайские клоны имеют неплохой уровень исполнения и сама топология построения этой системы отличается надежностью, вариативностью, а также гибкостью и быстротой конфигурации (особенно если учесть, что на Klipper упомянутый здесь "ИДЁХ" получается какой-то кастрированный).

Танец, как известно, начинается от печки, а театр с вешалки, ввод питания:

Ввод питания реализую только на выключаемых разъемах серии IEC320 с плавким предохранителем.

Электропитание 3D-принтераРазъем обеспечивает:

- быстрое отключение сетевого кабеля;

- легкое обесточивание аппарата;

- защиту цепей питания от перегрузки и короткого замыкания плавким предохранителем.

Блок питания:

Какой выбрать? На 12V? На 24V?

Платы второго семейства Duet'ов позволяют использовать управляемый блок питания ATX. Но эти блоки, несмотря на кучу преимуществ, имеют достаточно серьезные габариты, а наше RepRap'овское все - это блоки питания для светодиодных лент.

Я в проектах использую 3 напряжения от 2-ух блоков питания и 1 DC-DC повышающего или понижающего преобразователя.

Отдельный 5V DC 3A блок питания используется для постоянного питания "мозгов" платы электроники и обеспечивает "горячий" старт. Я использовал что-то типа такого и встроил его вместе с коммутирующим твердотельным реле в блок ввода электропитания. Подобную платку можно еще вытащить из раскуроченной USB-зарядки для телефона или планшета, но если планируется использовать Klipper с "малинкой" или "апельсинкой", надо озадачиться платой помощнее на 2.5-3А:

Электропитание 3D-принтера

12V DC - достаточно востребованный формат хотя бы потому, что есть куча 12V малошумных и надежных вентиляторов охлаждения термобарьера, в отличие от их версий на 24V (ну и более доступных), да и нагреватели термоблоков хотэнда и горячего стола на 12V тоже гораздо более распространены.

Ну а 24+V DC - хороший вариант для привода осей принтера.

Выбор основного БП зависит от того, что мощнее - двигатели или нагреватели? Что мощнее - то и ставим, а остальных питаем через DC-DC преобразователь от основного БП.

Разберем на примере моей "игрушки":

Потребители 12V: 2 патронных нагревателя хотэнда по 40W, двигатель оси Z - 0.4A, двигатель оси Y - 1.3A, двигатели экструдеров E0:1  - 2х0.7А. Вентиляторы - 0.3А на все.

Кстати, вентиляторами (а мне надо 4 управляемых вентилятора - 2 термостатируемых на хотэндах и 2 на обдуве, а на самом Duet'е этих управляемых выходов всего 3, что маловато) "рулит" вот такая минисборка на составных (спасибо одному соконфетнику, что меня недавно поправил) транзисторах, которая также используется в Arduino-конструкторах для управления униполярным шаговичком:

Электропитание 3D-принтера

Один из хотэндов у меня высокотемпературный, второй - среднетемпературный. Коэффициенты загрузки у нагревателей будут соответственно 0.85 и 0.5

Суммарный потребляемый ток по линии 12V: (40 х 0.85 + 40 х 0.5) : 12 + 0.4 + 1.3 + 2 x 0.7 + 0.3 = 8.1 A

Потребители 24V: 2 низкопрофильных высокоиндуктивных двигателя осей X U 2х0.4А (от 12V они будут пропускать шаги даже таская легонькие Bowden - каретки), ну а также до кучи - двигатели осей Z, Y, E0:1 (в случае, если будем переводить их на более высокое напряжение питания)

Суммарный потребляемый ток по линии 24V: 2 х 0.4 + 0.4 + 1.3 + 2 x 0.7 = 3.9 A

Нагреватель стола у меня силиконовый на 230V AC. Я вообще считаю, что все нагреватели мощностью более 120W необходимо переводить на питание от сети, дабы не плодить токи >5A (>10A в случае с напряжением питания 12V DC), т.к. в случае питания нагревателей примерно еще треть от этой энергии будет рассеиваться в виде тепла на БП (КПД то его - далеко не айс, <<80%) и в проводах. А мы ж за экономичность?

Т.к. максимальный ток идет по линии 12V, то и блок питания будем применять 230V AC - 12 V DC, а питание двигателей осей X U (U - это в прошивке RRF, используемой на платах Duet, дополнительная "ось", которая X2) организуем на 27V DC (могём же?) через повышающий DC-DC преобразователь на ток не менее 2.0А. Вот такой, например:

Электропитание 3D-принтера

XL6009 DC-DC boost module, DC-DC преобразователь, повышающий, Uвх=5...35В, Uвых=6...45В, Iвых(max)=4А

и имеющий заявленный КПД в 92%.

Максимальный потребляемый ток от нашего блока питания составит: 8.1А + 2 х 0.4 х 27 : 12 : 0.92 = 10 A

Так как ватты и амперы у китайских блоков питания тоже китайские (хотя старцы глаголят, что, к примеру, MeanWell отвечает за заявленный ампераж), то я обычно закладываю запас по току в 1.6-1.8 раз.

Под такие параметры подойдет безвентиляторный БП на 200W, наподобие такого:

Электропитание 3D-принтераВ моей игрушке его напряжение при одновременной синхронной печати, когда задействованы все низковольтные потребители, на плате проседает примерно на 0.2-0.3V с 12V DC до 11.7V DC

Управление питанием

Duet2 имеет отдельный выход управления питанием для ATX. Используем его для управления коммутацией твердотельного реле, которое будет подавать питание на основной БП. Реле - твердотельное, самое распространенное SSR-25 или SSR-40 (хотя часто там и не пахнет ни 40-ка амперами, ни даже 25-ю, но для наших нужд хватит):

Электропитание 3D-принтера

Полная схема разводки "силы" будет выглядеть таким образом:

Электропитание 3D-принтера

На вход питания "мозгов" платы через свой отдельный AC-DC преобразователь и предохранитель 3А на низковольтной стороне подается питание 5V DC, благодаря чему плата всегда включена и находится в сети на связи. Управление электропитанием (и блоком ATX) платой DUET осуществляется "минусом" и открывает твердотельное реле SSR-25, с которого сетевое напряжение 230V AC подается на основной блок питания и на вход твердотельного реле управления нагревательным столом (в случае, если на нем используется силиконовая "грелка" на 230V AC). Автоотключение (и включение) питания осуществляется командой G-code M81 (M80) или из веб-интерфейса кнопкой.

На выходе из блока питания через главный предохранитель на 15-25А (в зависимости от использования низковольтного нагревателя греющего стола) питающее напряжение 12V DC через отдельные предохранители подается на:

- питание платы управления (моторов осей Y, Z, E0:1);

- питание платы управления вентиляторами;

- нагреватели хотэндов E0 и E1, т.к. силовые ключи управления этими нагревателями расположены в "минусовой" цепи, то "плюс" на эти нагреватели можно подавать через предохранитель 7.5А напрямую с блока питания;

- аналогично "плюс" питания через собственный предохранитель на 15А можно подавать на низковольтный нагреватель греющего стола, также можно этой группой контактов управлять твердотельным реле SSR-25 силиконового высоковольтного нагревателя греющего стола (см. * на схеме);

- повышающий преобразователь DC-DC питания высокоиндуктивных моторов осей X U, которым для нормальной работы требуется 24V DC и выше, для драйверов исполнения POLOLU используется 2 бюджетных платки, в которые в моем случае установлены бесшумные TMC2209. При наличии свободных тугриков можно использовать вместо них плату расширения на 2 (или 5) оси для платформы Duet3D под названием Duex2(5), что даст нам программное управление током этих осей.

В цепи питания высоковольтного нагревателя греющего стола на схеме показан плавкий термопредохранитель, который целесообразно поместить в силиконовый или стеклотканный кембрик и закрепить на нагревательном столе с обратной стороны прижимной пластинкой.

Предлагаемая схема реализации электропитания может быть также использована, например, с "бутербродиком" из Arduino MEGA+RAMPS (но Marlin/Repetier для меня уже давно что-то из области мазохизма), с той лишь разницей, что управление реле питания необходимо будет взять с одного из D-выходов микроконтроллера и то, что это управление реализуется "плюсом", а также не забыть выпаять из RAMPS диод D9 (если память мне не изменяет) подачи напряжения на плату микроконтролера или вообще откусть у "меги" тот пин, через который она получает питание с шилда.

Блок предохранителей вместе с колодками взят в автомагазине ГАЗ за сумму что-то около 130 рублей. От ВАЗа будет подороже, но внешне поинтересней, например - такой:

Электропитание 3D-принтераВ целом, предлагаемая схема обеспечивает максимальную защиту от случайного короткого замыкания при выполнении работ на принтере, а также удобное управление электропитанием и постоянную его (принтера) готовность к работе. Ну и не особо удорожает постройку.

Всех с наступившими!

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

35
Комментарии к статье