Проектируем мощную плату коммутации стола на замену реле.

English - press here

Приветствуем глубокоуважаемое сообщество 3D-печатников :)

Хотим рассказать про нашу новую небольшую разработку: транзисторную плату коммутации стола. Изначально она задумана как дополнение к нашему принтеру Cheap3D V300 для работы с двумя экструдерами (силовых выходов на плате RAMPS маловато), но мы постарались сделать плату более универсальной и удобной.

Итак, задача: Коммутировать мощную нагрузку (подогревной стол на 30 Ампер).

Анализируем, что есть.

• Штатные силовые выходы на платах электроники 3D-принтеров.
  
  

  Хуже всего обстоит дело с самой популярной платой RAMPS 1.4.
  
  
  Силовых выхода всего три (две головы + вентилятор, а на стол уже не осталось), они очень слабенькие (18мОм), без защитных диодов, да еще и затворы полевиков управляются напрямую Ардуиной от 5В. При потреблении больше 5-7А транзисторам уже требуется радиатор.
  Geeetech GT2560 - полностью аналогична RAMPSу, но есть защитные диоды.
  
  RAMBO, RUMBA - то же самое, дохлые каналы на 6.8мОм, управление напрямую от контроллера, выжигающие AVRку резисторы в 10 Ом в цепи затвора, нет защитных диодов. Ну хоть каналов больше.
  
  Чуть лучше дело обстоит с менее популярной MKS Gen:
  
  
  Силовых выхода 4, но они странные.
  Три верхних - с хорошими полевиками на 3.3мОм, но с напряжением пробоя 30В, критично близким к верхнему напряжению платы (24В), а нижний - с большим напряжением пробоя 60В, но при этом и более греющийся - 18мОм, как на RAMPS, т.е. снова не годится.
  И опять-таки нет защитных диодов (что в паре с низким напряжением пробоя верхних транзисторов - преступная халтура), управление напрямую от контроллера.
  
  

• Внешние твердотельные реле (SSR)
  

  Обычно, когда не хватает мощности силовых выходов, ставят корпусные твердотельные реле, например, от FOTEK (а чаще - никуда не годные подделки под FOTEK, которыми завален рынок).
  
  
  Проблема даже с оригинальными SSR в том, что они годятся для коммутации только переменного тока. На постоянном же токе при слабеньких 15А даже модели, рассчитанные на ток 40А, плавятся (в прямом смысле) за минуту.
  
  Плюсы - гальваническая развязка внутри реле, возможность коммутировать "плюс", а не "землю", и сомнительная возможность коммутировать переменный ток. В остальном - никаких преимуществ перед первым вариантом.
  
  

• Электромагнитные реле
  

  Это то, что у нас до сей поры стоит в качестве коммутатора в Cheap3D V300.
  
  
  Электромагнитные реле вполне можно найти на 30А, они умеренно греются, есть гальваническая равязка.
  Минуса три: невозможно управлять логическим уровнем от Ардуины - приходится задействовать один из силовых каналов платы, никакое быстродействие - нельзя подключить в прошивке ШИМ PID-регулятором, и они неимоверно бесят тем, что звонко щелкают :(

  
  

Вывод: коммутацией больших токов пока никто не занимался. Делаем сами.

В чем же "фишки" нашей платы?

• Сразу два силовых канала.
  

  Штатно к плате можно подключить обе зоны нашего двухзонного подогревного стола.
  Но можно объединить каналы между собой джампером и коммутировать одну, более мощную, нагрузку.
  
  Либо можно подключить стол + еще один нагреватель экструдера. Или шпиндель фрезерной головки с ЧПУ.
  В общем, любую сильноточную нагрузку.
  

  
  
• Мощные и дорогие транзисторы с сопротивлением 1.4мОм
  

  Огромный запас по мощности. Штатный ток на один канал - 30А. На два канала (при объединении зон или суммарно) - 60А.
  При этом плата почти холодная, никаких радиаторов или обдува не требуется.
  
  В принципе, сами транзисторы вполне переваривают и по 100А (вообще они на 180А), но клеммная колодка потребуется намного более "жирная" и нужны будут радиаторы.
  
  Падение напряжения на плате минимально (21мВ при 15А+15А), так что стол будет прогреваться намного быстрее.
  

  
  
• Гальваническая развязка управляющей и силовой частей.
  

  Оба канала защищены оптопарами, ток между логической и силовой частями не течет.
  Соответственно, можно без опаски поставить второй блок питания и коммутировать платой его нагрузку.
  
  Например, электроника принтера может работать от одного БП на 12В, а стол - от другого на 24В.
  
  Бонусом получаем развязку затвора транзистора и ноги контроллера, дикие токи заряда затвора через ноги бедного AVR уже не текут, фронты на полевике намного лучше.
  
  

• Встречные защитные диоды в цепи нагрузки.
  

  Подавляющее большинство плат электроники 3D-принтеров этого лишены, но мы решили защитить транзисторы от бросков тока при отключении индуктивной нагрузки. Таким образом продлевается срок службы транзисторов и они защищаются от пробоя. Можно смело подключать мощные моторы.

  
  
• Широкий диапазон напряжений питания
  

  Плата штатно умеет работать и от 12В, и от 24В без каких-либо переделок.
  При этом управляющая часть тоже предназначена как для работы от слабеньких портов Arduino (5В), ее можно зацепить напрямую на свободные AUX-выходы RAMPS или другой электроники, так и от силовых каналов (до 12В).
  
  С небольшой переделкой (перепайка резистора) можно управлять платой и от 24В, а если заменить оптопары на более чувствительные - и напрямую от 3.3-вольтовых 32-битных ARM.
  
  

• Возможность управления ШИМом.
  

  Вы можете включить в прошивке принтера ШИМ-управление каналами от PID-регулятора. Плата поддерживает ШИМ (проектно с частотой до 1КГц, но может быть и в 2-3 раза выше, по результатам испытаний скажем точнее).
  
  Т.е. обычные частоты ШИМ-выходов Arduino (500 и 1000Гц) прошивки Marlin поддерживаются.
  
  

• Дополнительные "вкусности".
  

  Мы подумали, что будет полезным поставить пару разъемов постоянного питания. Например, для подключения вентиляторов хотэндов или светодиодной подсветки. Питание на них идет напрямую с колодки V+/V-.
  
  Также есть три (очень тусклых :) светодиода индикации: один на наличие питания, и по одному на каждую зону.
  
  Если установить джампер J1 - можно управлять по одному проводу одновременно обоими каналами.
  
  Клеммные колодки - мощные винтовые, штатно рассчитаны под 30А на клемму.
  
  

• Плата - Open Hardware.

  Чтобы больше людей и компаний могли поставить плату в свои принтеры и самоделки, она разработана под лицензией Open Hardware. Схемы, BOM, Герберы - всё будет в открытом доступе, как только мы всё отладим. Плата - простая двухслойка, все компоненты - доставаемые в России, без экзотики. Спаять вполне можно руками.

  
  
• По цене планируется в районе 700 рублей
  

  Запускаем в производство. Разработано и изготовлено в России.

Комментарии, вопросы, предложения, запись в очередь - Welcome! :)

Отзывы:

24.06.2022

Доброго времени суток, вы файлы забыли выложить

10.02.2018

можно подключить плату управления столом к prusa i4

10.08.2017

добрый день

Подскажите как подключить ваше реле со столом к Ramps 1.4 и что marline поправить.

Спасибо

28.02.2017

Здравствуйте, можно ли с помощью этой платы подключить нагрев стола на MKS sMini?

29.11.2016

Добрый день, как продвигается испытание? Удачно?

18.11.2016

А можно на вход подать ШИМ чтобы плавненько регулировать?

10.10.2016

так есть твердотелки на постоянный ток и вполне нормально работают...

17.08.2016

Реле действительно громковато щелкает. Как выйдет плата - куплю.

19.07.2016

А сейчас?

07.07.2016

Добрый день! Плата прошла испытания? Планируется продажа?