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ヒーター

ヒーターは電気エネルギーを熱に変換するロードです。シンプルな DIY デバイスでは、これは最も危険なコンポーネントです: ファンのエラーは通常、気流が悪くなることになりますが、ヒーターのエラーは過熱、メルトされたエンクロージャー、損傷したワイヤ、または火災リスクを引き起こす可能性があります。

3D プリンターおよび iDryer のようなデバイスでは、ヒーターはホットエンド、ベッド、チャンバー、フィラメント乾燥機、エアダクト、または個別の加熱モジュールに見られます。

どこで使用されているか

典型的なタスク:

  • ホットエンドの加熱;
  • ベッドの加熱;
  • プリンターチャンバーの予熱;
  • フィラメントの乾燥;
  • フィルターまたはダクトの前に空気を予熱;
  • 小さなプロセスボリューム内の温度を維持。

これらは異なるタスクです。金属ホットエンド、シリコンベッドパッド、およびエア PTC モジュール用のヒーターは、電力、取り付け、気流、保護を再計算しないで交換することはできません。

ヒーターのタイプ

一般的なオプション:

  • カートリッジヒーター;
  • シリコンパッド;
  • PTC ヒーター;
  • セラミック加熱素子;
  • 既成のファンヒーターモジュール;
  • 加熱プレート;
  • メインス加熱ベッド;
  • ニクロム または抵抗組立体。

カートリッジヒーターは通常、金属ブロックに挿入されます。金属との良好な熱接触と信頼性の高い温度センサー取り付けが必要です。

シリコンパッドは通常、平坦な表面に接着または圧力をかけます。平坦な表面、良好な接着、温度センサー、剥離からの保護が必要です。

PTC ヒーターはその特性のため部分的に温度上昇を制限しますが、これは制御器、センサー、ヒューズ、エンクロージャー、気流チェックを置き換えません。PTC は自動的にデバイスを安全にはしません。

既成のファンヒーターモジュールはヒーターと気流を組み合わせていますが、電圧、電力、温度、ハウジング材料、緊急保護についてはまだチェックが必要です。

電圧、電力、電流

接続する前に、以下を見つける必要があります:

  • 動作電圧;
  • 電力;
  • 電流;
  • 電流タイプ: DC または AC;
  • 最大温度;
  • ワイヤー動作温度;
  • 取り付け方法;
  • 気流要件;
  • 許可される制御方法。

電流は式で計算されます:

電流 = 電力 / 電圧

例:

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

低電圧高電力ヒーターは電圧に対してより安全ですが、大きな電流が必要です。大きな電流には、適切な電源、ワイヤ、ターミナル、MOSFET/SSR、ヒューズが必要です。

メイン 110-230V AC のヒーターは低い電流で高い電力を供給できますが、ショックリスクははるかに高いです。メイン部分には電気安全知識、エンクロージャー、ターミナル、絶縁、必要に応じてアース、ヒューズ、制御の絶縁分離が必要です。

ヒーター制御

制御器はヒーターを GPIO から直接電力化すべきではありません。GPIO は制御信号のみを提供します。

典型的な電力制御オプション:

  • MOSFET - DC ヒーター用 12V/24V;
  • DC SSR - DC ヒーター用(適切に DC 用に定格されている場合);
  • AC SSR - メイン AC ヒーター用;
  • 機械的リレー - まれなオン/オフ用ですが、頻繁な PID/PWM 用ではありません;
  • 既成の電力出力 - 必要な電流と電圧に対して定格されている場合のみ。

AC SSR と DC SSR は異なるデバイスです。間違ったタイプはヒーターをオフにしないか、安全でなく作動することがあります。

Arduino/ESP32 用の典型的な MOSFET モジュールは 110-230V AC スイッチとして使用することはできません。モジュールがメイン負荷用に設計されていない場合、メインに接続することはできません。

安全のレイヤー

ヒーターは「制御器がそれをオンにする - 制御器がそれをオフにする」として設計することはできません。複数の保護層が必要です。

安全なヒーター制御のレイヤー

最小限のロジック:

  • 電源は電流に対して定格されています;
  • ヒューズはワイヤリングとロードに対して選択されています;
  • パワースイッチはロードタイプと一致しています;
  • 温度センサーは正しい場所に取り付けられています;
  • ファームウェアには min_temp、max_temp、加熱検証があります;
  • 独立したハードウェア熱保護があります: 熱ヒューズ、サーモスタット、または二金属スイッチ;
  • エンクロージャーと材料は実際の温度に耐えます;
  • 最初のテストは監視下で行われます。

ハードウェア熱保護は制御器から独立して機能する必要があります。単純な場合では、ヒーターの電力回路に直列に配置され、物理的に電力を遮断します。これはファームウェア用の別のセンサーではありません。

制御器がハング、センサーが外れる、MOSFET がショート、SSR が固着する場合、保護はヒーターの電力を遮断する必要があります。

温度センサー

ヒーターは独自の温度を知りません。制御器がセンサーに基づいて決定を下します。

センサーが:

  • 貧弱に圧力をかけられている;
  • 間違った場所にある;
  • 外れている;
  • ファームウェアで間違ったタイプである;
  • 貧弱な熱接触を持っている;
  • 重大な部分ではなく空気を測定している;

制御器は実際の温度がすでに危険であっても加熱を続ける可能性があります。

ホットエンドの場合、温度センサーと金属ブロックの接触が重要です。エアヒーターの場合、何が測定されているかを理解することが重要です: 要素の温度、要素後の空気温度、チャンバー温度、またはスプール付近の温度。これらは異なるポイントであり、著しく異なることができます。

気流と熱転送

ヒーターは電力を放出しますが、その電力は意図した場所に安全に行く必要があります。

エアヒーターの場合、気流は重要です:

  • フローなしで、要素は局所的に過熱することができます;
  • 弱い換気は熱を削除しません;
  • 詰まったフィルターは加熱モードを変更します;
  • プラスチック製のダクトは軟化することができます;
  • 温度センサーは要素で何が起こっているかを見ないかもしれません。

チャンバーヒーターの場合、目標空気温度だけでなく、ヒーター、ワイヤ、SSR/MOSFET、ターミナル、プラスチック部分の近くの温度をチェックすることが重要です。

ワイヤ、ターミナル、コネクタ

ヒーターはしばしば長期間実行され、重大な電流を消費します。貧弱な接触は熱の源となります。

確認:

  • ワイヤゲージ;
  • 絶縁温度クラス;
  • ターミナル電流定格;
  • クリンプ品質;
  • ネジの締め付け;
  • 束ねられたワイヤ上のフェルール;
  • ストレイン・リリーフ;
  • ホットパーツからの距離;
  • 露出した導体の不在。

ターミナルが暗くなったり、臭ったり、プラスチックを軟化させたり、熱くなったりした場合、電源をオフにして原因を見つける必要があります。ヒューズを増やすか、後で締めるだけではありません。

購入前にチェックすること

ヒーターを購入する前に、確認してください:

  • それが何を加熱すべきか: 金属、空気、ベッド、チャンバー;
  • 電圧と電流タイプ;
  • 電力;
  • 電流;
  • 動作温度;
  • 最大表面温度;
  • 気流要件;
  • 取り付け方法;
  • ワイヤと絶縁材料;
  • 互換性のあるパワースイッチ;
  • 温度センサーの場所;
  • 独立した熱保護の場所;
  • エンクロージャーと周囲の材料;
  • 技術的な説明または明確なドキュメントの利用可能性。

製品ページに電圧、電力、温度、アプリケーション情報がない場合、そのようなヒーターは安全な最初のプロジェクトには適さないです。

最初のテスト

最初の加熱は簡潔に、監視下で行われます。

手順:

  1. ヒーター抵抗をチェックし、電圧と電力が既知の場合、R = U^2 / P 計算と比較します。
  2. 必要に応じて短絡をチェックしてください。
  3. メタルエンクロージャーまたは保護接地 PE がある場合、ヒーターがエンクロージャーにショートしないことを確認してください。
  4. ヒーターなしで供給電圧をチェックしてください。
  5. 制御スイッチがロードをオフにすることを確認してください。
  6. 温度センサーが妥当な値を読み込んでいることを確認してください。
  7. 12V/24V ヒーターの場合、可能であれば、電流制限またはテンポラリヒューズ付きのラボ電源を通じて開始します。
  8. 低電力またはそれ以上で加熱を有効にしてください。
  9. 温度が正しい場所で上昇するかどうかを注視してください。
  10. 電源オフコマンドが実際に加熱を停止することを確認してください。
  11. ワイヤ、ターミナル、MOSFET/SSR、エンクロージャーの加熱をチェックしてください。
  12. 安全にシミュレートできるシナリオによって緊急保護をチェックしてください。

新しいヒーターを最初の起動時に無人のままにしないでください。

典型的なエラー

  • ヒーターを間違った電圧に接続しました;
  • 電流を計算しなかった;
  • 弱いコネクタを通じてヒーターに電源を供給しました;
  • メイン AC ヒーター用に MOSFET を使用しました;
  • AC SSR と DC SSR を混同しました;
  • ヒーターが必要な場合、ヒートシンクなしで SSR をインストールしました;
  • ヒューズを忘れた;
  • 独立した熱保護がない;
  • 貧弱な温度センサー取り付け;
  • ヒーターの近くで PLA からエンクロージャーを作成しました;
  • 気流とフィルターの詰まりを考慮しませんでした;
  • ベンチでテストしましたが、エンクロージャーではテストしませんでした;
  • メイン部分が露出されました;
  • ヒューズが吹っ飛んだ理由を見つけるのではなく、ヒューズを増やしました。

重要なポイント

ヒーターはタスク、電圧、電力、熱転送方法、安全性によって選択されます。単純な「2ワイヤロード」として扱うことはできません。

最初に電流を計算し、パワースイッチ、ワイヤリング、ヒューズを選択します。その後、温度センサー、ファームウェア保護、独立したハードウェア熱保護、適切なエンクロージャー、および実世界のテストを確保します。

参考資料