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Aquecedores para secadores de filamento e câmaras aquecidas

O aquecedor define a velocidade de aquecimento e os limites de segurança do secador ou da câmara. Esta página explica tipos de aquecedores, potência, controlo por MOSFET ou SSR e erros que podem causar sobreaquecimento.

Um aquecedor é uma carga que converte energia elétrica em calor. Em um dispositivo DIY simples, este é o componente mais perigoso: um erro em um ventilador geralmente resulta em fluxo de ar insuficiente, mas um erro no aquecedor pode causar superaquecimento, invólucro derretido, fiação danificada ou risco de incêndio.

Em impressoras 3D e dispositivos semelhantes ao iDryer, os aquecedores são encontrados no hotend, na cama, na câmara, no secador de filamento, no duto de ar ou no módulo de aquecimento separado.

Onde é usado

Tarefas típicas:

  • aquecer o hotend;
  • aquecer a cama;
  • pré-aquecer a câmara da impressora;
  • drying filament;
  • pré-aquecer o ar antes de um filtro ou duto;
  • manter a temperatura em um pequeno volume de processo.

Estas são tarefas diferentes. Um aquecedor para um hotend de metal, uma almofada de silicone e um módulo PTC de ar não são intercambiáveis ​​sem recalcular a potência, montagem, fluxo de ar e proteção.

Types of Heaters

Opções comuns:

  • cartridge heater;
  • silicone pad;
  • PTC heater;
  • ceramic heating element;
  • ready-made fan heater module;
  • heating plate;
  • mains heating bed;
  • nicromo ou montagem resistiva em um invólucro acabado.

Um aquecedor de cartucho geralmente é inserido em um bloco de metal. Ele precisa de um bom contato térmico com o metal e uma montagem confiável do sensor de temperatura.

Uma almofada de silicone geralmente é colada ou pressionada em uma superfície plana. Necessita de superfície plana, boa aderência, sensor de temperatura e proteção contra descamação.

Um aquecedor PTC limita parcialmente o aumento da temperatura devido às suas propriedades, mas isso não substitui o controlador, o sensor, o fusível, o invólucro e a verificação do fluxo de ar. O PTC não torna um dispositivo seguro automaticamente.

Um módulo de aquecedor com ventilador pronto combina aquecedor e fluxo de ar, mas ainda precisa ser verificado quanto a tensão, potência, temperatura, materiais da caixa e proteção de emergência.

Tensão, Potência e Corrente

Antes de conectar, você precisa encontrar:

  • operating voltage;
  • power;
  • current;
  • current type: DC or AC;
  • maximum temperature;
  • wire operating temperature;
  • mounting method;
  • airflow requirements;
  • allowed control method.

A corrente é calculada pela fórmula:

current = power / voltage

Exemplos:

24V 120W -> 5A
24V 240W -> 10A
24V 300W -> 12.5A
230V 300W -> about 1.3A

Um aquecedor de baixa tensão e alta potência é mais seguro para tensão, mas requer grandes correntes. Grandes correntes requerem fonte de alimentação, fios, terminais, MOSFET/SSR e fusível adequados.

Um aquecedor principal no 110-230V AC pode fornecer alta potência com corrente mais baixa, mas o risco de choque é muito maior. Para a parte principal você precisa de conhecimentos de segurança elétrica, gabinete, terminais, isolamento, aterramento quando necessário, fusíveis e isolamento galvânico de controle.

Heater Control

O controlador não deve alimentar o aquecedor diretamente do GPIO. GPIO fornece apenas um sinal de controle.

Opções típicas de controle de energia:

  • MOSFET - para aquecedores DC 24V/24V;
  • DC SSR - para aquecedores DC, se devidamente classificados para DC;
  • AC SSR - para aquecedores de rede AC;
  • relé mecânico - para liga/desliga raro, mas não para PID/PWM frequente;
  • saída de energia pronta - somente se classificada para a corrente e tensão necessárias.

AC SSR e DC SSR são dispositivos diferentes. O tipo errado pode não desligar o aquecedor ou funcionar de forma insegura.

Um módulo MOSFET típico para Arduino/ESP32 não pode ser usado como um switch 110-230V AC. Se o módulo não for projetado para carga de rede elétrica, ele não poderá ser conectado à rede elétrica.

Layers of Safety

Um aquecedor não pode ser projetado como "o controlador liga - o controlador desliga". Você precisa de várias camadas de proteção.

Layers of safe heater control

Minimum logic:

  • a fonte de alimentação é classificada para a corrente;
  • o fusível é selecionado para fiação e carga;
  • o interruptor liga/desliga corresponde ao tipo de carga;
  • o sensor de temperatura está montado no lugar certo;
  • firmware possui max_temp, max_temp e verificação de aquecimento;
  • existe proteção térmica de hardware independente: fusível térmico, termostato ou chave bimetálica;
  • o invólucro e os materiais suportam a temperatura real;
  • o primeiro teste é feito sob supervisão.

A proteção térmica do hardware deve funcionar independentemente do controlador. No caso simples, ele é colocado em série no circuito de alimentação do aquecedor para interromper fisicamente a alimentação. Este não é apenas mais um sensor para o firmware.

Se o controlador travar, o sensor cair, um MOSFET entrar em curto ou um SSR travar, a proteção deverá interromper a alimentação do aquecedor.

Temperature Sensor

Um aquecedor não conhece sua própria temperatura. O controlador toma a decisão com base no sensor.

Se o sensor:

  • is pressed poorly;
  • está no local errado;
  • falls off;
  • é o tipo errado no firmware;
  • has poor thermal contact;
  • mede o ar em vez da parte crítica;

o controlador pode continuar aquecendo mesmo que a temperatura real já seja perigosa.

Para um hotend, o contato do sensor de temperatura com o bloco de metal é importante. Para um aquecedor de ar, é importante entender o que está sendo medido: a temperatura do elemento, a temperatura do ar após o elemento, a temperatura da câmara ou a temperatura próxima ao carretel. Esses são pontos diferentes e podem diferir significativamente.

Fluxo de ar e transferência de calor

Um aquecedor libera energia, mas essa energia deve ir com segurança para onde pretendido.

Para um aquecedor de ar, o fluxo de ar é crítico:

  • sem fluxo, o elemento pode superaquecer localmente;
  • weak ventilation doesn't remove heat;
  • a clogged filter changes heating mode;
  • plastic ducting can soften;
  • um sensor de temperatura pode não ver o que está acontecendo no elemento.

Para um aquecedor de câmara, é importante verificar não apenas a temperatura alvo do ar, mas também a temperatura próxima ao aquecedor, fios, SSR/MOSFET, terminais e peças plásticas.

Fios, Terminais e Conectores

Um aquecedor geralmente funciona por longos períodos e consome uma corrente significativa. O mau contato se torna uma fonte de calor.

Verifique:

  • wire gauge;
  • insulation temperature class;
  • terminal current rating;
  • crimp quality;
  • screw tightness;
  • ponteiras em fios trançados;
  • strain relief;
  • distância das partes quentes;
  • ausência de condutores expostos.

Se um terminal escurecer, cheirar mal, amolecer o plástico ou ficar quente, a energia deverá ser desligada e a causa encontrada. Não basta aumentar o fusível ou apertá-lo mais tarde.

O que verificar antes de comprar

Antes de comprar um aquecedor, verifique:

  • que meio deve aquecer: metal, ar, cama, câmara;
  • tipo de tensão e corrente;
  • power;
  • current;
  • operating temperature;
  • maximum surface temperature;
  • airflow requirements;
  • mounting method;
  • fio e material de isolamento;
  • compatible power switch;
  • local para sensor de temperatura;
  • local para proteção térmica independente;
  • invólucro e materiais circundantes;
  • disponibilidade de descrição técnica ou documentação clara.

Se a página do produto não tiver informações sobre tensão, potência, temperatura e aplicação, esse aquecedor não é adequado para um primeiro projeto seguro.

Primeiro teste

O primeiro aquecimento é feito brevemente e sob supervisão.

Procedure:

  1. Verifique a resistência do aquecedor e compare com o cálculo R = U^2 / P se a tensão e a potência forem conhecidas.
  2. Verifique se há curto-circuitos, quando aplicável.
  3. Se houver um invólucro de metal ou aterramento de proteção PE, verifique se o aquecedor não está em curto com o invólucro.
  4. Verifique a tensão de alimentação sem o aquecedor.
  5. Verifique se a chave de controle desliga a carga.
  6. Verifique se o sensor de temperatura lê um valor razoável.
  7. Para o aquecedor 24V/24V, se possível, inicie através de uma fonte de alimentação de laboratório com limitação de corrente ou fusível temporário.
  8. Enable heating at low power or briefly.
  9. Observe se a temperatura sobe no lugar certo.
  10. Verifique se o comando de desligamento realmente interrompe o aquecimento.
  11. Verifique o aquecimento dos fios, terminais, MOSFET/SSR e gabinete.
  12. Verifique a proteção de emergência por meio de um cenário que você possa simular com segurança.

Não deixe um novo aquecedor sem supervisão na primeira inicialização.

Erros típicos

  • aquecedor conectado à tensão errada;
  • didn't calculate current;
  • powering heater through weak connector;
  • usando MOSFET para aquecedor CA;
  • confundiu AC SSR e DC SSR;
  • instalou SSR sem dissipador de calor quando necessário;
  • forgot fuse;
  • no independent thermal protection;
  • poor temperature sensor mounting;
  • gabinete feito de PLA próximo ao aquecedor;
  • não levou em conta o fluxo de ar e o filtro entupido;
  • testado em bancada, mas não em gabinete;
  • left mains part exposed;
  • aumentou o fusível em vez de descobrir por que ele disparou.

Ponto Principal

Um aquecedor é escolhido de acordo com a tarefa, tensão, potência, método de transferência de calor e segurança. Você não pode tratá-lo como uma simples “carga de dois fios”.

Primeiro calcule a corrente, selecione o interruptor de alimentação, a fiação e o fusível. Em seguida, garanta sensor de temperatura, proteção de firmware, proteção térmica de hardware independente, um gabinete adequado e testes no mundo real.

Reference Materials